Historia poznania elektrycznych właściwości ciała człowieka
Rys. 1. Stefan Jelinek
Pierwsze opisane eksperymenty oddziaływania elektryczności na organizmy żywe pochodzą z XVIII wieku. 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.
Zobacz także
prof. dr hab. inż. Stanisław Czapp Ochrona przeciwporażeniowa i działanie wyłączników różnicowoprądowych w instalacjach prądu stałego (część 2.)
Poprawna detekcja prądu ziemnozwarciowego (różnicowego) przez zabezpieczenie różnicowoprądowe jest możliwa tylko wtedy, gdy jest ono właściwie dobrane z punktu widzenia spodziewanego kształtu tego prądu....
Poprawna detekcja prądu ziemnozwarciowego (różnicowego) przez zabezpieczenie różnicowoprądowe jest możliwa tylko wtedy, gdy jest ono właściwie dobrane z punktu widzenia spodziewanego kształtu tego prądu. W tabeli 1. podano podział zabezpieczeń różnicowoprądowych ze względu na zdolność wykrywania określonego kształtu przebiegu prądu różnicowego.
prof. dr hab. inż. Stanisław Czapp Ochrona przeciwporażeniowa i działanie wyłączników różnicowoprądowych w instalacjach prądu stałego (część 1.)
Obwody prądu stałego w instalacji niskiego napięcia do niedawna stanowiły niemal wyłącznie końcowe jej odcinki pomiędzy prostownikiem a odbiornikiem. W ostatnich latach zauważa się jednak wykorzystanie...
Obwody prądu stałego w instalacji niskiego napięcia do niedawna stanowiły niemal wyłącznie końcowe jej odcinki pomiędzy prostownikiem a odbiornikiem. W ostatnich latach zauważa się jednak wykorzystanie na szerszą skalę odnawialnych źródeł energii, w szczególności fotowoltaicznych, a to przyczynia się do większego zainteresowania instalacjami prądu stałego, również w kontekście rozdziału energii. Instalacje DC w budynkach ułatwiają integrację odnawialnych źródeł i magazynów energii oraz mogą służyć...
mgr inż. Julian Wiatr, dr inż. Kazimierz Herlender Ochrona przeciwporażeniowa w obwodach zasilających urządzenia przeciwpożarowe
W artykule przedstawiono wpływ temperatury pożaru na rezystancję przewodów elektrycznych, zasilających urządzenia funkcjonujące w czasie pożaru. Wykazano nieprzydatność wyłączników różnicowoprądowych do...
W artykule przedstawiono wpływ temperatury pożaru na rezystancję przewodów elektrycznych, zasilających urządzenia funkcjonujące w czasie pożaru. Wykazano nieprzydatność wyłączników różnicowoprądowych do zabezpieczania obwodów zasilających urządzenia elektryczne, których funkcjonowanie jest niezbędne w czasie pożaru. Omówiono możliwe do wykorzystania w tych obwodach sposoby ochrony przeciwporażeniowej, zgodnie z wymaganiami normy PN-HD 60364-4-41 Instalacje elektryczne niskiego napięcia. Część 4-41:...
StreszczenieW artykule opisano historię poznania właściwości elektrycznych ciała człowieka. Pierwsze eksperymenty działania prądu elektrycznego na człowieka były wykonywane dla sensacji. Rozwój elektrotechniki przyczyniał się do poznania wpływu prądu na ciało człowieka. Przedstawiono badania wartości impedancji ciała człowieka oraz skutki spowodowane prądem rażenia. Uwzględniono badania elektropatologiczne wykonywane w ostatnich latach. |
Rozwój elektrotechniki pod koniec dziewiętnastego wieku przyniósł nowe, nieznane wcześniej śmiertelne wypadki porażeń prądem. Rozpoczęto badania przyczyn śmierci spowodowanej rażeniem prądem elektrycznym.
Impedancja ciała człowieka
Pierwsze badania rezystancji ciała człowieka przeprowadził J. Runge w roku 1870, który wykazał, że rezystancja naskórka jest większa od tkanki podskórnej. W 1882 roku Friedrich Kohlrausch (1840–1910) w Niemczech, mierząc rezystancję ciała między lewą a prawą ręką, określił jej wartość w zakresie od 1,6 kΩ do 3 kΩ. W tym samym czasie F. Jolly stwierdził, że wartość rezystancji ciała kobiety jest o 30% większa od mężczyzny i wpływają na nią zmiany patologiczne w organizmie. William Henry Stone (1834–1896) w 1884 roku zauważył, że podczas choroby rezystancja ciała człowieka mierzona między ręką a nogą maleje od 900 Ω do 100 kΩ.
W badaniach i stosował elektrody z taśm ołowiowych, które nawijał na zwilżone roztworem soli ciało człowieka. W 1891 roku 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 roku L. Weber z Politechniki w Zurychu. W badaniach stosował elektrody wykonane z drutu o średnicy 6 mm. W 1890 roku Jean Tarchanoff (1857–1927) stwierdził, że przepływający przez ciało człowieka prąd elektryczny powoduje zmiany w krwi.
W 1919 roku 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 posiada charakter pojemnościowy. Zmiany wartości impedancji ciała od częstotliwości i napięcia rażeniowego określił w 1928 roku O. Müller.
W Austrii, z początkiem dwudziestego wieku, badania właściwości elektrycznych ciała człowieka przeprowadził lekarz Stefan Jelinek (1871–1968). Dokumentował urazy elektryczne ciała człowieka dla instytutu medycyny sądowej w Wiedniu. Zgromadzone przez Jelinka eksponaty można obecnie zobaczyć w Muzeum Elektropatologii w Wiedniu (ul. Gomperzgesse 1), a stosowane przyrządy w wiedeńskim muzeum medycyny Josephinum (ul. Wahringer str. 25).
W Niemczech Henryk Freiberger opublikował w 1934 roku 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 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 posiadają charakter rezystancyjny, a skóra człowieka ma charakter impedancyjny. Określił wartość pojemności skóry 20 nF/cm2. Opracował aktualny do dziś schemat zastępczy impedancji ciała człowieka pokazany na rysunku 2.
W 1952 roku C. Söderbaum wykonując pomiary impedancji pomiędzy lewą i prawą ręką określił pojemność elektryczną ciała człowieka od 6 nF/cm2 do 10 nF/cm2.
W 1959 roku Charles Dalziel (1904–1986) na podstawie swoich badań na Uniwersytecie Kalifornijskim zaproponował, aby dla celów ochrony przeciwporażeniowej przyjąć modelową wartość impedancji ciała jako 1000 W.
W latach sześćdziesiątych ubiegłego wieku Gottfried Biegelmeier (1924–2007) z Wiednia wykonał bardzo dokładne pomiary impedancji ciała człowieka. W swoich badaniach używał elektrod cylindrycznych o średnicy 80 mm i długości 100 mm. Prowadził badania głównie na drodze pomiarowej ręka lewa-ręka prawa, nawilżając skórę 3% roztworem wodnym soli kuchennej. Określił wartość rezystancji wewnętrznej ciała R = 781 ± 114 W, a wartość całkowitej impedancji ciała Z = 3500 ± 1400 W. 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 logarytmonormalny. 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 roku 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 roku przeprowadzono w Austrii pomiary impedancji ciała żywych ludzi na grupie 100 osób, przy napięciu rażeniowym 25 V prądu przemiennego 50 Hz, a w odniesieniu do jednej osoby, G. Biegelmeiera, napięciem wyższym do 200 V. Badania przeprowadzono przy zastosowaniu elektrod o powierzchniach styczności od 1 mm2 do 10 000 mm2. Wyniki tych badań doprowadziły w 1984 roku do wydania drugiego raportu IEC. Dalsze badania Biegelmeiera przyczyniły się do kolejnej nowelizacji raportu IEC wydanego w 2002 roku oraz w 2005 roku (IEC – Raport IEC/TS 60479-1 ed4.0 Effects of current on human beings and livestock. Part 1: General aspects).
Wpływ klimatu oraz czynników ergonomicznych w środowisku pracy na wartość impedancji ciała człowieka określił w latach dziewięćdziesiątych ubiegłego wieku 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 roku, na Politechnice Wrocławskiej Zdzisław Teresiak (1925–2009) określił wartości impedancji ciała człowieka dla potrzeb techniki ochrony przeciwporażeniowej. W latach sześćdziesiątych Henryk Markiewicz, również z Politechniki Wrocławskiej, opracował zależność wartości prądu rażeniowego od czasu rażenia. Model impedancji ciała człowieka w kategoriach probabilistycznych opracował Włodzimierz Korniluk z Politechniki Białostockiej.
Działanie prądu elektrycznego na człowieka
W 1888 roku Amerykanin Harold Brown (1869–1932) poprzez publiczne pokazy 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 roku przez Thomasa Edisona krześle elektrycznym służącym dla tracenia skazańców w USA próbowano poprzez obserwacje wykonywanych wyroków uzyskać informacje o działaniu prądu elektrycznego na człowieka. Napięcie elektryczne stosowane w egzekucjach, wynosiło około 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 Jelinek, który twierdził, że przyczyną śmierci powodowanej prądem elektrycznym jest zaprzestanie oddychania. W 1925 roku S. Jelinek 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 110 V.
Opublikowane przez Stefana Jelinka wnioski zakwestionował w USA Konrad Alvensleben (1874–1945), który za przyczynę zgonu powodowanego porażeniem prądem elektrycznym uważał zaburzenie koordynacji ruchu mięśnia sercowego. W latach dwudziestych Alvensleben uporządkował stan wiedzy o działaniu prądu na człowieka i opracował pierwsze zasady ratowania porażonych i ich reanimacji.
W 1936 roku na Uniwersytecie Kolumbijskim zespół: 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 fibrylacji 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 roku 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. Ferris L. 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 roku 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 roku 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 badań 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 pięćdziesiątych 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, powyżej 32 mA/mm2 następuje przebicie naskórka i powstają znamiona prądowe. Przekroczenie wartości 70 mA/mm2 powoduje zwęglenie skóry.
W latach pięćdziesiątych grupa niemieckich badaczy w Frankfurcie na 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 roku A. Kiselev określił w kategoriach probalistycznych natężenia prądu wywołującego fibrylację serca u psów.
W 1969 roku 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 roku 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 fibrylacji 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 roku 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 roku. W raporcie tym przedstawiono charakterystykę prądowoczasową 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.
W 2002 roku 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 roku (IEC – Raport IEC/TS 60479-1 ed4.0 Effects of current on human beings and livestock – Part 1: General aspects). Nowelizacja ta jest najbardziej aktualna.
Literatura
- Antoni H., Biegelmeier G., Kieback D.: Conventional threshold values of tolerable risiks for the appearance of ventricular fibrillation caused by electric shacks with alternating current 50/60 Hz and direct current repectively. ESF – Technical Publication Series No. 3E. ESF – Vienna 2002.
- Biegelmeier G., Hönninger E., Küttner J., Miksch J., Schny S.: Über Messungen des elektrischen Widerstandes der Körper lebender Mensschen in Zuzammenhang mit Normungsfragen bei den Schutzmaßnahmen gegen elektrische Unfälle in Niederspannungsanlagen. Elektrotechnik und Maschinenbau 1979 nr 2.
- Biegelmeier G., Mikisch J.: Über den Einfluß der Haut auf die Körperimpedanz des Menschen. Elektrotechnik und Maschinenbau. 1980 Heft 9.
- Biegelmeier G.: Neue Erkenntnisse der Elektropathologie. Elektrotechnik und Informationstechnik 1989 Heft 1.
- Biegielmeier G., Bachl H., Mörx A., Rabitsch G.: Neue Messungen des Körperwiderstands lebender Menschen mit Wechselstrom 50 Hz sowie mit höheren Frequenzen und mit Gleichstrom. Elektrotechnik und Informationstechnik 1991 nr 3.
- Biegielmeier G., Graiss J., Mörx A.,Kieback D.: Neues Wissen über die Wirkungen des elektrischen Stroms auf Menschen und Nutztiere. VEO Journal 1995 nr 11.
- Freiberger H.: Der elektrische Widerstand des menschlichen Körpers gegen technischen Gleich – und Wechselstrom. Berlin: Verlag Juliusz Springer 1934.
- Gierlotka S.: Zmiany impedancji ciała człowieka pod wpływem napięcia i klimatu środowiska górniczego. Zeszyty Naukowe Politechniki Śląskiej 1995. Seria Górnictwo, z. 225.
- Gierlotka S.: Elektropatologia porażeń prądem elektrycznym. Wyd. Śląsk Katowice 2006.
- Gierlotka S.: Historia elektrotechniki. Wydawnictwo Naukowe Śląsk, Katowice 2012.
- Jabłoński W.: Działanie prądu elektrycznego na człowieka – pierwsze doświadczenia i tragiczne wypadki.
- X Międzynarodowa Konferencja Naukowo-Techniczna Ochrona przeciwporażeniowa w urządzeniach elektrycznych. Wrocław 1995.
- Jelinek S.: Der Elektrische Unfall. Wien 1925.
- Kieback D.: Ergebnisse von Forschungsarbeiten und statistischen Untersuchungen des Instituts zur Erforschung elektrischer Unfälle. Elektrotechnik und Informationstechnik 1989 nr 1.
- Manojłow W. E.: Osnowy Elektrobezpasnosti. Energoatomizdat. Leningrad 1991.
- Teresiak Z. Podstawowe kryteria skuteczności ochrony przeciwporażeniowej – wczoraj, dziś, jutro. XIV Konferencja Naukowo– Techniczna „ Bezpieczeństwo Elektryczne” – Wrocław 2003.
- IEC-Raport 479 – Part 1 – Draft February 2002: Effects of current on human beings and live stock. ESV – Vienna 2002.
- IEC-Raport IEC/TS 60479-1 ed4.0 Effects of current on human beings and livestock - Part 1: General aspects. 2005 rok.
