|
|
 |
|
|
|
Energetyka, Automatyka przemysłowa, Elektrotechnika
|
|
|
|
|
|
|
Pierwsze opisane eksperymenty oddziaływania elektryczności na organizmy żywe pochodzą z XVIII w. Badano wówczas wpływ rozładowania ładunków elektrostatycznych zgromadzonych w kondensatorach na reakcję ciała człowieka. Obserwacje reakcji ciała ludzkiego na działanie prądu elektrycznego były zwykle wykonywane dla sensacji i wzbudzały ogólną ciekawość. Rozwój elektrotechniki pod koniec XIX w. przyniósł nowe nieznane wcześniej śmiertelne wypadki porażeń prądem. Rozpoczęto badania przyczyn śmierci spowodowanej rażeniem prądem elektrycznym.
Pierwsze badania rezystancji ciała człowieka przeprowadził w roku 1870 J. Runge , który wykazał, że rezystancja naskórka jest większa od tkanki podskórnej. W 1882 r. F. Jolly stwierdził, że wartość rezystancji ciała kobiety jest o 30% większa niż ciała mężczyzny i wpływają na nią zmiany patologiczne w organizmie. W tym samym czasie Friedrich Kohlrausch (1840-1910) w Niemczech, mierząc rezystancję ciała między lewą a prawą ręką, określił jej wartość w zakresie od 1,6 do 3 kH. W 1884 r. William Henry Stone (1834-1896) zauważył, że podczas choroby rezystancja ciała człowieka mierzona między ręką a nogą maleje od 900 Ω do 100 Ω. W badaniach stosował elektrody z taśm ołowiowych, które nawijał na zwilżone roztworem soli ciało człowieka. W 1891 r. Silva i Pescarolo wykazali, że rezystancja człowieka zależy od powierzchni dotyku, siły docisku oraz temperatury otoczenia.
Zależność zmian rezystancji ciała od napięcia rażeniowego w zakresie do 100 V określił w 1897 r. L. Weber z Politechniki w Zurychu. W badaniach stosował elektrody wykonane z drutu o średnicy 6 mm. W 1890 r. Jean de Tarchanoff (1857-1927) stwierdził, że przepływający przez ciało człowieka prąd elektryczny powoduje zmiany we krwi. W 1919 r. Martin Gildemeister (1876-1943) wykazał, że wartość rezystancji ciała jest zależna od napięcia rażeniowego i częstotliwości. W roku 1923 Willem Einthoven (1860-1927) stwierdził, że impedancja ciała człowieka ma charakter pojemnościowy. Zmiany wartości impedancji ciała od częstotliwości i napięcia rażeniowego określił w 1928 r. O. Muller.
W Austrii z początkiem XX w. badania właściwości elektrycznych ciała człowieka przeprowadził lekarz Stefan Jellinek (1871-1968). Dokumentował urazy elektryczne ciała człowieka dla Instytutu Medycyny Sądowej w Wiedniu. Zgromadzone przez Jellinka eksponaty można obecnie zobaczyć w Muzeum Elektropatologii w Wiedniu (ul. Gomperzgesse 1), a stosowane przyrządy - w wiedeńskim muzeum medycyny Josephinum.
W Niemczech Henryk Freiberger opublikował w 1934 r. swoje badania i aktualny stan wiedzy z elektropatologii w książce „Der elektrische Widerstand des menschlichen Körpers gegen technischen Gleich- und Wechselstrom”. Monografia stanowiła przez wiele lat podstawową literaturę z zasad działania prądu elektrycznego na człowieka. Freiberger przeprowadził pomiary rezystancji ciała ludzi żywych napięciem do 30 V oraz zwłok ludzkich napięciem do 5 kV. Opracował dokładną zależność zmian impedancji ciała człowieka od napięcia rażeniowego w zakresie do 500 V. Stwierdził, że wewnętrzne organy ciała człowieka mają charakter rezystancyjny, a skóra człowieka - charakter impedancyjny. Określił wartość pojemności skóry 20 nF/cm2. Opracował też aktualny do dziś schemat zastępczy impedancji ciała człowieka (rys. poniżej).
Schemat zastępczy impedancji ciała człowieka wg Freibergera:
Rs - rezystancja skóry, Ri - rezystancja wewnętrzna ciała, C - pojemność skóry
W 1952 r., C. Sóderbaum wykonując pomiary impedancji pomiędzy lewą i prawą reką określił pojemność elektryczną ciała człowieka od 6 do 10 nF/cm2. W 1959 r. Charles Dalziel (1904-1986) na podstawie swoich badań na Uniwersytecie Kalifornijskim zaproponował do celów ochrony przeciwporażeniowej przyjęcie modelowej wartości impedancji ciała jako 1000 Ω.
W latach 60. ubiegłego wieku Gottfried Biegelmeier (1924-2007) z Wiednia wykonał bardzo dokładne pomiary impedancji ciała człowieka. W swoich badaniach używał elektrod cylindrycznych o średnicy 80 i długości 100 mm. Prowadził badania głównie na drodze pomiarowej ręka lewa - ręka prawa, nawilżając skórę 3-procentowym roztworem wodnym soli kuchennej. Określił wartość rezystancji wewnętrznej ciała R = 781±114 Ω, a wartość całkowitej impedancji ciała Z = 3500±1400 Ω. Zbadał zależność wartości impedancji ciała od powierzchni dotyku do elektrody. Stwierdził, że przy napięciu wyższym od 250 V powierzchnia dotyku nie odgrywa większej roli. Badania wykonywał na zwłokach ludzkich, a zmierzone wartości korygował dla ciała żywego. Wyniki badań analizował metodami statystycznymi, wykorzystując rozkład normalny oraz logarytmo-normalny. Wartość elektrycznej pojemności ciała określił w zakresie od 0,006 do 0,05 mF/cm2.
Wyniki i osiągnięcia Biegelmeiera stanowiły podstawę dla Międzynarodowej Komisji Elektrotechnicznej IEC, która w 1974 r. opracowała raport nr 479-1 „Działanie prądu elektrycznego na ludzi”, podając w nim zależności impedancji ciała człowieka na drodze ręka - ręka. W opracowaniu podano wartości impedancji ciała w formie kwantyli prawdopodobieństwa 5,50 i 95%. W 1976 r. przeprowadzono w Austrii pomiary impedancji ciała żywych ludzi na grupie 100 osób, przy napięciu rażeniowym 25 V prądu przemiennego 50 Hz, a w stosunku do G. Biegelmeiera - napięciem wyższym do 200 V. Badania przeprowadzono przy zastosowaniu elektrod o powierzchniach styczności od 1 do 10 000 mm2. Wyniki tych badań doprowadziły w 1984 r. do wydania drugiego raportu IEC. Dalsze badania Biegelmeiera przyczyniły się do kolejnej nowelizacji raportu IEC wydanego w 2002 r. oraz w 2005 r. (IEC - Raport IEC/TS 60479-1 ed 4.0 Effects of current on human beings and livestock - Part 1: General aspects).
Związek pomiędzy wartością impedancji ciała człowieka a czynnikami, które ją kształtują rozpatruje się w kategoriach probabilistycznych. Wpływ klimatu oraz czynników ergonomicznych w środowisku pracy na wartość impedancji ciała człowieka określił w latach 90. ub.w. Stefan Gierlotka. Badania zmian impedancji ciała od ergonomicznego czynnika narażającego i napięcia rażeniowego przeprowadził w kopalnianych wyrobiskach, stosując opracowaną metodę impedancji standardowej ciała człowieka.
W Polsce w 1968 r. na Politechnice Wrocławskiej Zdzisław Teresiak (1925-2009) określił wartości impedancji ciała człowieka na potrzeby techniki ochrony przeciwporażeniowej. W latach 60. ubiegłego wieku Henryk Markiewicz również z Politechniki Wrocławskiej opracował zależność wartości prądu rażeniowego od czasu rażenia. Model impedancji ciała człowieka w kategoriach probabilistycznych opracował Włodzimierz Komiluk z Politechniki Białostockiej.
W 1888 r. Amerykanin Harold Brown (1869-1932) na publicznych pokazach uśmiercania psów prądem przemiennym udowodnił, iż prąd przemienny jest bardziej niebezpieczny od prądu stałego. Stwierdził, że śmiertelne już jest napięcie 110 V o częstotliwości 60 Hz. Na zbudowanym w 1889 r. przez Thomasa Edisona krześle elektrycznym w USA, próbowano poprzez obserwacje wykonywanych wyroków uzyskać informacje o działaniu prądu elektrycznego na człowieka. Napięcie elektryczne stosowane w egzekucjach wynosiło ok. 2000 V w czasie rażenia do kilkudziesięciu sekund. Cykl mógł być powtarzany. Obserwacje tych makabrycznych praktyk egzekucyjnych nie wniosły wiele do elektropatologii.
Badania działania prądu rażeniowego na człowieka prowadził w Austrii Stefan Jellinek, który twierdził, że przyczyną śmierci spowodowanej przez prąd elektryczny jest zaprzestanie oddychania. W 1925 r. S. Jellinek wydał pierwszy podręcznik dla inżynierów i lekarzy o porażeniach prądem elektrycznym człowieka. Potwierdził, że prąd stały jest mniej szkodliwy od przemiennego, a wartość śmiertelną napięcia przemiennego określił na 110 V. Jellinek był prekursorem badań porażeń przy urządzeniach elektrycznych i wykonał pierwsze analizy o charakterze naukowym.
i ochronie przeciwporażeniowej z 1925 r.
Opublikowane przez Stefana Jellinka wnioski zakwestionował w USA Conrad Alvensleben (1874-1945), który za przyczynę zgonu powodowanego porażeniem prądem elektrycznym uważał zaburzenie koordynacji ruchu mięśnia sercowego. W latach 20. Alvensleben uporządkował stan wiedzy o działaniu prądu na człowieka i opracował pierwsze zasady ratowania porażonych i ich reanimacji. W 1936 r. na Uniwersytecie Kolumbijskim zespół w składzie: L. Ferris, B. King, P. Spence i H. Williams - przeprowadził badania na owcach stwierdzając, że przyczyną śmierci w wyniku porażenia prądem jest zjawisko migotania komór serca. W czasie fibryla- cji włókna mięśni serca przestają kurczyć się miarowo i wykonują nieregularne drgania. Powoduje to zatrzymanie krążenia, a w konsekwencji zanik czynności biologicznych w organizmie. W 1939 r. Carl Wiggers (1883-1963) wykazał, że zjawisko migotania komór serca może wystąpić tylko wówczas, gdy pobudzający impuls prądu rażeniowego wystąpi w pewnej określonej fazie pracy serca. Przeprowadzone badania na różnych zwierzętach wykazały, że wartość progowa powodująca fibrylację komór serca zależy nie od napięcia rażenia, lecz od wartości natężenia prądu i czasu rażenia. L. Ferris opracował graficzną zależność między wartością natężenia prądu i czasem rażenia niezbędnym do wywołania fibrylacji określonym w liczbie pracy cykli serca. Z przeprowadzonych badań na zwierzętach wyznaczył zależność prądu wywołującego migotanie komór serca od ciężaru ciała i ciężaru serca. Wyniki Ferrisa w 1959 r. zakwestionował William Kouwenhoven (1886-1975) na Uniwersytecie Hopkinsa w USA, uważając, że różny czas pracy serca owiec (0,45 s), psów (0,3 s), nie może stanowić podstawy do wnioskowania o warunkach fibrylacji serca człowieka (0,75 s).
W 1963 r. Osypka w Brunszwiku doszedł do wniosku, że graniczny prąd rażeniowy ssaków w przybliżeniu zwiększa się odwrotnie proporcjonalnie do czasu przepływu prądu. Określił jako wartość niebezpieczną iloczyn prądu rdzeniowego i czasu działania I·t =100 mAs. Osypka badał wpływ drogi przepływu prądu rażeniowego w ciele człowieka na skutki patologiczne. Wykorzystując wyniki tych badan i dalszych własnych badań na zwłokach U. Sam wprowadził aktualny dziś współczynnik prądu serca F. Współczynnik ten określa procent całkowitego prądu rażenia, który bezpośrednio przepływa przez serce - zależnie od drogi rażenia.
Z końcem lat 50. E. Wagner w Erlangen badał wpływ gęstości prądu rażeniowego na zmiany patologiczne w skórze porażonych. Stwierdził, że gęstość prądu do 10 mA/mm2 nie powoduje jeszcze żadnych zmian w skórze, natomiast powyżej 32 mA/mm2 następuje przebicie naskórka i powstają znamiona prądowe. Przekroczenie wartości 70 mA/mm2 powoduje zwęglenie skóry. W latach 50. grupa niemieckich badaczy we Frankfurcie nad Menem pod przewodnictwem S. Koeppena bardzo szczegółowo przebadała porażonych od strony medycznej. Opisano wtedy zjawiska elektryczne występujące w sercu podczas rażenia prowadzące do jego fibrylacji. W 1963 r. A. Kiselev określił w kategoriach probalistycznych natężenia prądu wywołującego fibrylację serca u psów. W 1969 r. Gottfried Biegelmeier (1924-2007) z Wiednia wykonał bardzo dokładne pomiary i określił zależności czasowo-prądowe podczas rażenia prądem wpływające na wystąpienie określonych skutków patologicznych u człowieka. Wartość graniczną prądu rażenia niebezpieczną dla życia człowieka ustalił na 30 mA. W 1975 r. S. Buntenkötter, J. Jacobsen oraz J. Reinhard wykonując badania na świniach określili wpływ drogi prądu i fazy serca na zjawisko migotania komór serca. Wpływ prądu rażenia na fibrylację serca przebadał dokładnie H. Antoni na uniwersytecie w Freiburgu, korzystając z serca świni, które wagowo odpowiada ciężarowi serca człowieka i pracuje w podobnym rytmie. W 1980 r. G. Biegelmeier i W.R. Lee po analizie statystycznej wszystkich dostępnych danych wykazali, że charakterystyka progowych wartości fibrylacji w funkcji czasu rażenia ma kształt rozciągniętej litery Z.
Podsumowaniem wykonanych badań oddziaływania prądu na człowieka było opracowanie raportu przez Międzynarodowy Komitet Elektrotechniki IEC w 1984 r. W raporcie tym przedstawiono charakterystykę czasowo-prądową oraz strefy skutków występujących w organizmie powodowane prądem rażeniowym. W strefie pierwszej nie występują żadne reakcje fizjologiczne. W strefie drugiej oprócz skurczu mięśni nie występują szkodliwe reakcje organizmu. W strefie trzeciej występuje nasilenie zjawisk występujących w strefie drugiej oraz trudności w oddychaniu i nieregularna praca serca. W strefie czwartej istnieje zagrożenie wystąpienia fibrylacji komór sercowych.
Strefy czasowo-prądowe dla prądu przemiennego 50 Hz wg raportu IEC/TS 60479-1 ed 4.0 z 2005 r.
W 2002 r. na podstawie uaktualniających badań Gottfrieda Biegelmeiera i Dietera Kiebacka wydano specjalne opracowania IEC ESF Vienna - Electrical Safety stanowiące nowelizację dotychczasowych ustaleń. Dalsze badania przyczyniły się do kolejnej nowelizacji raportu IEC wydanego w 2005 r. (IEC - Raport IEC/TS 60479-1 ed 4.0 Effects of current on human beings and liyestock - Part 1: General aspects). Jest to aktualna nowelizacja.
LITERATURA:
[1] Antoni H., Biegelmeier G., Kieback D.: Conventional threshold values oftolerable risiks for the appearance of ventricular fibrillation caused by electric shacks with altemating current 50/60 Hz and direct current repectively. ESF- TechnicalPubli- cation Series 2002 No 3E
[2] Biegelmeier G. et al.: Uber Messungen des elektrischen Widerstandes der Kórper lebender Mensschen in Zuzammenhang mit Normungsfragen bei den SchutzmaB- nahmen gegen elektrische Unfalle in Niederspannungsanlagen. Elektrotechnik und Maschinenbau 1979 nr 2
[3] Biegelmeier G., Mikisch J.: Uber den Einflufi der Haut auf die Kórperimpedanz des Menschen. Elektrotechnik md Maschinenbau 1980 Heft 9
[4] Biegelmeier G.: Neue Erkenntnisse der Elektropathologie. Elektrotechnik und In- formationstechnik 1989 Heft 1
[5] Biegielmeier G. et al.: Neues Wissen uber die Wirkungen des elektrischen Stroms auf Menschen und Nutztiere. VEO Journal 1995 nr 11
[6] Freiberger H.: Der elektrische Widerstand des menschlichen Kórpers gegen tech- nischen Gleich - und Wechselstrom. Berlin: Verlag Juliusz Springer 1934
[7] Gierlotka S.: Zmiany impedancji ciała człowieka pod wpływem napięcia i klimatu środowiska górniczego. Zeszyty Naukowe Politechniki Śląskiej, Seria Górnictwo z. 225 1995
[8] Gierlotka S.: Elektropatologia porażeń prądem elektrycznym. Wyd. Śląsk, Katowice 2006
[9] Manojłow W.E.: Osnowy elektrobezpasnosti. Energoatomizdat Leningrad 1991
[10] Teresiak Z.: Podstawowe kryteria skuteczności ochrony przeciwporażeniowej - wczoraj, dziś, jutro. XIV Konferencja naukowo-techniczna „Bezpieczeństwo elektryczne”, Wrocław 2003
[11] IEC - Raport 479 - Part 1 - Draft February 2002: Effects of current on human beings and live stock. ESV - Yienna 2002
[12] IEC - Raport IEC/TS 60479-1 ed4.0 Effects of current on human beings and live- stock - Part 1: General aspects 2005
| REKLAMA |
|
|
| REKLAMA |
|
|
- a nie charakter pojemnościowy?
nie wiem nie jestem filozofem :D
- a nie charakter pojemnościowy?