Электрическое сопротивление тела человека

При прикосновении к токоведущим частям, находящимся под напряжением, человек включается в электрическую цепь и может рассматриваться как элемент цепи. Тело человека является проводником электрического тока. Однако в отличии от обычных проводников проводимость живой ткани обусловлена не только ее физическими свойствами, но и сложнейшими биохимическими и биофизическими процессами, присущими лишь живой материи. В силу этого сопротивление тела человека является переменной величиной, имеющей нелинейную зависимость от множества факторов, в том числе от состояния кожи, параметров электрической цепи, физиологических факторов, состояния окружающей среды.

Электрическое сопротивление различных тканей тела человека неодинаково. Кожа, кости, жировая ткань имеют относительно большое значение – ρ_кож ≈ ρ_кост = (3^.10³ – 3^.10⁴) Ом^.м. Мышечная ткань, кровь, лимфа и, особенно, спинной и головной мозг – малое значение удельного сопротивления – ρ_мышц = (1,5 – 3)Ом^.м; ρ_кр = (1 – 2)Ом^.м; ρ_мозг = (0,5 – 0,6) Ом^.м.

Рис. 2. К определению сопротивления тела человека.

а) – схема измерения сопротивления;

б, в) – эквивалентные схемы сопротивления тела человека;

г) – упрощенная эквивалентная схема.

1 – электроды; 2 – наружный слой кожи – эпидермис (роговой и ростковый слои);

3 – внутренние ткани тела (внутренний слой кожи и подкожные ткани).

Таким образом, обладая большим удельным сопротивлением, кожа определяет сопротивление тела человека в целом. Кожа состоит из двух основных слоев: наружного – эпидермиса (верхний слой кожи толщиной 0,2 мм, состоящий из мертвых ороговевших клеток), обладающего большим сопротивлением и внутреннего – дерма, имеющего относительно малое сопротивление, близкое по значению к сопротивлению внутренних тканей.

Таким образом, в соответствии с приведенной на рис. 2 а схемой включения человека в электрическую цепь между двумя электродами, сопротивление тела человека состоит из трех последовательно включенных сопротивлений: двух одинаковых сопротивлений наружного слоя кожи – эпидермиса (роговой и ростковый слои) и одного сопротивления внутренних подкожных тканей, называемого внутренним сопротивлением. Оно включает два сопротивления внутреннего слоя кожи и сопротивления подкожных тканей тела и составляет величину – R_вн = (300 – 500) Ом. Сопротивление тела у различных людей, измеренное в разное время и в различных условиях неодинаково. Электрическое сопротивление сухой, чистой, неповрежденной кожи, измеренное при напряжении (15 – 20) В, составляет (3 – 100)·10³ Ом.

Если на участках, где прикладываются электроды, снять роговой слой, сопротивление тела упадет до (1 – 5)·10³ Ом; при удалении всего наружного слоя эпидермиса – (500 – 700) Ом. Эквивалентные схемы сопротивления тела человека представлены на рис. 2б, в. Сопротивление эпидермиса Z_э состоит из активного R_э и емкостного сопротивлений, включенных параллельно. Емкостное сопротивление обусловлено тем, что в месте прикосновения электрода к телу человека образуется конденсатор, обкладками которого являются электрод и хорошо проводящие внутренние ткани тела, а диэлектриком – наружный слой кожи, обладающий большим сопротивлением. Эквивалентная схема рис. 2 в позволяет написать полное сопротивление тела человека в комплексной форме: , или в действительной форме:

.

Из приведенного выражения следует, что с уменьшением частоты сопротивление тела возрастает, а на постоянном токе имеет наибольшие значения:

,

где - сопротивление тела человека постоянному току. С ростом частоты сопротивления Z_h уменьшается за счет уменьшения емкостного сопротивления и при (5-10) кГц можно считать, что Z_h = R_вн =(300-500) Ом.

Эквивалентную схему можно упростить, представив сопротивление тела как параллельное соединение сопротивления R_h=2R_э+R_в и емкости С_h=0,5C_э (рис. 2 г). Для этого случая: .

При частота f = 50 Гц переменного напряжения учитывается лишь активная составляющая полного сопротивления и при раcчетах принимается R_h = 1000 Ом. Однако на самом деле Z_h величина переменная и зависит от многих факторов. Так, в зависимости от места приложения электродов, с увеличением площади касания сопротивление уменьшается. Значение тока и длительность его прохождения через тело человека непосредственно влияют на электрическое сопротивление Z_h . С увеличением тока и времени его прохождения сопротивление уменьшается, что связано с нарушением процессов терморегуляции в организме: за счет усиления местного нагрева кожи и внутренних органов сосуды расширяются, усиливается снабжение этих участков кровью, что увеличивает потовыделение. Сопротивление влажной кожи уменьшается, ток еще более возрастает, усиливая нагрев и т.д.

Аналогичным образом ведет себя зависимость сопротивления от величины приложенного напряжения. Повышение напряжения уменьшает сопротивление тела человека в десятки раз: во-первых, за счет нарушения процессов терморегуляции из-за увеличения тока, как это было рассмотрено выше; во-вторых, за счет развития процессов пробоя кожи при величине приложенного напряжения выше 50 вольт. При этом величина сопротивления Z_h стремится к значению R_вн = (300-500) Ом.

Установлено, что для отпускающих токов - Z_h = (2-3)^. 10³ Ом; при неотпускающих токах - Z_h = 1^. 10³ Ом; при смертельном токе - Z_h = 500 Ом.