Oddziaływanie prądu elektrycznego i pól elektromagnetycznych na

Oddziaływanie prądu elektrycznego
i pól elektromagnetycznych
na organizm człowieka
13 listopada 2006
Elektrostatyka
•
•
•
•
•
Rozróżniamy ładunki dodatnie i ujemne.
W atomie:
jądro +
elektron Ładunek elektronu e [C] to ładunek elementarny,
każdy ładunek elektryczny jest wielokrotnością e.
• q = ne
• e = 1,6·10-19 C,
me = 9,11·10-31 kg
Elektrostatyka
• Elektrony odłączają się od atomów i tworzą
gaz elektronowy wypełniający przestrzeń
między dodatnimi jonami.
• Elektrony swobodne to elektrony
przewodnictwa.
• Metale – typowe przewodniki.
• Szkło, bawełna, jedwab, sztuczne tworzywa –
izolatory.
Elektrostatyka
• Prawo Coulomba (Karol
August Coulomb 1785):
• k0 = 9·109Nm2/C2
• k = 1/4π ε0
• ε0 – przenikalność el. próżni
• ε 0 = 1/4πk0 = 8,9·10-12 C2/Nm2
ε = ε 0ε
r
ε r – stała dielektryczna
2 – nafta,
1,00 – powietrze,
5 ÷ 10 – szkło
1 – próżnia
81 - woda
kq1q2
F 2
r
Elektrostatyka
• Prawo Coulomba: siła wzajemnego
oddziaływania dwóch
naelektryzowanych kulek jest wprost
proporcjonalna do iloczynu wartości ich
ładunków i odwrotnie proporcjonalna do
kwadratu odległości między ich
środkami. Zależy ona także od ośrodka.
Elektrostatyka
• Zasada zachowania ładunku, w układzie
izolowanym elektrycznie, ładunek może
być przemieszczany z jednego ciała na
drugie, ale jego całkowita wartość (suma
algebraiczna) nie może ulec zmianie.
Elektrostatyka
• Natężeniem pola elektrostatycznego E w danym punkcie
nazywamy stosunek siły elektrycznej działającej na
umieszczony w tym punkcie ładunek próbny do wartości tego
ładunku.

 F
E
q
kQq
F 2
r
N 
 C 
F
Qq
kQ
E 
 2
2
q 4 0 qr
r
Elektrostatyka
• Wypadkowe natężenie pola
elektrostatycznego oblicza się
stosując zasadę superpozycji
– sumowania wektorów
natężeń od poszczególnych
ładunków punktowych.
Elektrostatyka
• Potencjałem pola elektrostatycznego V
nazywamy iloraz energii potencjalnej
punktowego ciała naelektryzowanego
ładunkiem q i wartości tego ładunku
E pot
kQq kQ
V


q
rq
r
Prąd elektryczny
• Napięciem między zaciskami danego
odbiornika energii elektrycznej nazywamy
iloraz mocy P wydzielanej w tym
odbiorniku i natężenia prądu I płynącego
przez ten odbiornik:
• U = P/I [V] ;
P = UI
Prąd elektryczny
• Ruch elektronów to prąd
elektryczny
• I = Δq/Δt
• [1A] = [1C/1s]
Prąd elektryczny
• Prawo Ohma, sformułowane w 1827 roku,
w oparciu o doświadczenia, mówi o prostej
proporcjonalności prądu I płynącego przez
przewodnik do napięcia U przyłożonego
na jego końcach:
• I = U/R = (V1 – V2)/R ; U = IR
Prąd elektryczny
• R oznacza współczynnik proporcjonalności
zwany oporem elektrycznym (rezystancją).
• 1Ω = 1V/1A. Opór przewodnika równa się 1
omowi, jeżeli niezmienne napięcie równe 1
woltowi istniejące na końcach przewodnika
wywołuje w nim prąd o natężeniu 1 ampera.
• Opór przewodnika R o długości l, powierzchni
przekroju S i oporze właściwym ρ jest równy:
• R = ρl/S
Prąd elektryczny
• I Prawo Kirchhoffa: W dowolnym
punkcie W obwodu ( węźle) suma
algebraiczna natężeń prądów
stałych dopływających i
odpływających równa się zeru.
• ΣI = 0
Prąd elektryczny
• II Prawo Kirchhoffa: W dowolnie wydzielonej
zamknietej części obwodu elektrycznego, w tzw.
oczku, suma algebraiczna wszystkich napięć
elektrycznych panujących na poszczególnych
elementach oczka równa się zeru.
• ΣU = ΣE + ΣIR = 0
• E – czynne siły elektromotoryczne
• IR – spadki potencjałów
Prąd zmienny
• Zjawisko powstawania prądu indukcyjnego w
zamkniętym obwodzie pod wpływem zmian
strumienia indukcji magnetycznej nazywamy
zjawiskiem indukcji elektromagnetycznej.
Powstające prądy nazywamy prądami
indukcyjnymi.
• Ε = Emsinωt.
Prąd zmienny
• Źródło napięcia, w którym siła elektromotoryczna
zmienia się sinusoidalnie, nazywamy źródłem
napięcia przemiennego.
• W Europie f = 50 Hz, Em = 230 V
Im
I sk 
2
Um
U sk 
2
Porażenie prądem elektrycznym
R
0
UD
JZ - JR
UR
RC
RP
RP
RC – rezystancja ciała
człowieka
RP – rezystancja przejścia
prądu do ziemi
UD - napięcie dotykowe
UR – napięcie rażeniowe
JZ – prąd zwarcia
JR – prąd rażeniowy
Porażenie prądem elektrycznym
• Napięcie dotykowe – jest to napięcie
między dwoma punktami nie należącymi
do obwodu elektrycznego, z którymi mogą
zetknąć się jednocześnie ręce lub ręka i
stopy, albo inne części ciała człowieka
UD = (0,5RP + RC)JR
• Napięcie rażeniowe – jest to spadek
napięcia na drodze przepływu prądu przez
ciało człowieka
UR = RCJC
Porażenie prądem elektrycznym
• Najbardziej niebezpieczny jest dla człowieka
prąd przemienny o częstotliwości 50 – 60 Hz
• Stwierdzono, że ludzie są mniej wrażliwi na
działanie prądu stałego niż przemiennego.
Dotyczy to natężeń do 20 mA
• Przy prądzie przemiennym 50 – 60 Hz
wyprostowanie palców i samodzielne
oderwanie ich od przewodu możliwe jest przy
natężeniu prądu: dla kobiet ≤ 10,5 mA, dla
mężczyzn ≤ 16 mA
Porażenie prądem elektrycznym
• Zatrzymanie krążenia krwi na czas dłuższy niż
3-5 minut prowadzi nieodwołalnie do śmierci.
Spowodowane jest ono zawsze wstrzymaniem
lub niedostateczną pracą serca, albo też
migotaniem (fibrylacją) komór sercowych.
Migotanie komór polega na niesynchronicznych
skurczach poszczególnych części mięśnia
sercowego dokonujących się z częstotliwością
300-500 skurczów na minutę.
• Czynnikiem decydującym o wystąpieniu
migotania jest obok wartości natężenia prądu
czas przepływu. Przy czasach krótszych od 0.2s
możliwość wystąpienia migotania jest niewielka
Objawy działania prądu przemiennego 50 – 60 Hz na człowieka przy przepływie na
drodze ręka – ręka lub noga – ręka. Wartość skuteczna prądu [mA]
•
•
•
•
•
•
•
•
0 – 0,5 Prąd niewyczuwalny
0,6 – 1,6 Prąd wyraźnie wyczuwalny (swędzenie łaskotanie)
1,6 – 3,5 Cierpnięcie dłoni i przegubów, lekkie sztywnienie rąk
3,5 – 15 Silne sztywnienie rąk, ból przedramion, skurcze dłoni i
drżenie rąk; przy wzroście wartości prądu coraz silniejsze
skurcze mięśni palców i ramion, zaciskanie się rąk
obejmujących przedmiot i niemożność samodzielnego
oderwania się
15 – 25 Niekontrolowane skurcze, utrudniony oddech, wzrost
ciśnienia krwi; prąd nie powoduje groźnych następstw przy
czasie przepływu nie dłuższym niż kilkanaście sekund
25 – 50 Bardzo silne skurcze mięśni rak i klatki piersiowej;
nieregularność pracy serca, przy dłuższym działaniu prądu w
górnym zakresie – migotanie komór sercowych
50 – 70 Migotanie komór sercowych, porażenie mięśni
oddechowych, przy dłuższym działaniu śmierć przez uduszenie
> 70 Przy dłuższym działaniu zwykle kończy się śmiercią
Oddziaływanie pól elektromagnetycznych
• Istnienie pól magnetycznych jest
traktowane jako objaw wtórny, jako skutek
ruchu ładunków elektrycznych.
• Ziemia jest wielkim magnesem.
• Indukcję magnetyczną B definiuje się
wykorzystując siłę oddziaływania pola
magnetycznego na poruszający się
ładunek próbny q0:
• F = q0(v¤B)
• B = Fmax/q0v
[T]
Indukcja magnetyczna
•
•
•
•
•
•
1T - duża jednostka [N/Am]
10 T - uzyskuje się w laboratoriach
100 T – bardzo krótko
B = 10-4T – na powierzchni Ziemi
Prąd 100 mA w odległości 1 cm B = 2·10-3 T
Układ nerwowy w okolicy klatki piersiowej
B = 10-11 T
Oddziaływanie pól
elektromagnetycznych
• Pola elektromagnetyczne powstają: wokół
stacji nadawczych radiowych i TV,
radarów, urządzeń przemysłowych,
zgrzewarek, pieców indukcyjnych,
silników, telewizorów…
• Długotrwałe przebywanie powoduje: bóle i
zawroty głowy, zaburzenia snu,
zaburzenia pamięci, dolegliwości sercowe,
szybkie męczenie, choroby oczu (zaćma).
Oddziaływanie pól
elektromagnetycznych
• Efekty termiczne – część energii jest
pochłonięta i zamieniona na ciepło.
Progowa gęstość mocy wynosi około
10mW/cm2..
• Ze wzrostem długości fali wartości te
wyraźnie wzrastają co wiąże się z
zależnością współczynnika pochłaniania
energii elektromagnetycznej od
częstotliwości.
Oddziaływanie pól
elektromagnetycznych
• Ciepło powstające w tkankach pod
wpływem pola elektromagnetycznego
wytwarzane jest w dwóch procesach:
przepływu nośników ładunku przez
ośrodek o pewnym oporze i obrotu dipoli
cząsteczkowych w ośrodku lepkim
Oddziaływanie pól
elektromagnetycznych
• Efekty termiczne w tkankach wywołane
przepływem prądów wysokiej
częstotliwości są wykorzystywane w
praktyce medycznej jako diatermia.
• Obecnie prawie wyłącznie stosowane są
aparaty krótkofalowe i mikrofalowe.
• Zastosowanie diatermii: przewlekłe stany
zapalne mięśni, tkanki łącznej, stawów i
nerwów.
Oddziaływanie pól
elektromagnetycznych
• Różnica między diatermią a innymi metodami
ciepłolecznictwa polega na tym, że w przypadku
diatermii ciepło wytwarzane jest przede
wszystkim wewnątrz tkanek, a nie
doprowadzane z zewnątrz.
• Skutki diatermii: rozszerzenie naczyń
krwionośnych, zmniejszenie pobudliwości
nerwowo- mięśniowej, zmniejszenie napięcia
mięśni, przyspieszenie procesów wchłaniania
tkankowego, działanie przeciw bólowe i inne.
Oddziaływanie pól
elektromagnetycznych
• Doświadczenia wykazały, że promieniowanie
elektromagnetyczne wpływa na przebieg
wielu procesów biologicznych nawet znacznie
poniżej efektu termicznego (10 mW/cm2)
Oddziaływanie pól
elektromagnetycznych
• Zmiany morfologiczne
• Oparzenia, martwice tkanek, degeneracja
komórek
• Najwrażliwsze są tkanki obwodowego i
ośrodkowego UN
• Zmiany w układzie sercowo-naczyniowym
• Działanie mutagenne
• Zmniejszenie płodności
Metody ochrony
• Bierne: organizacja pracy, automatyzacja,
skracanie czasu pracy, zakaz pracy poniżej 18 l.,
kobiet w ciąży, okresowe badania lekarskie.
• Czynne: Ekranowanie za pomocą blach, siatek,
anteny, odzież ochronna konstrukcja urządzeń.
• Widmo fal elektromagnetycznych dzieli się na
cztery zakresy – w zależności od częstotliwości
i dla każdego zakresu określa się dopuszczalny
czas przebywania w zależności od
występującego w danej strefie natężenia
Oddziaływanie pól
elektromagnetycznych
• Należy pamiętać, że pola
elektromagnetyczne generowane są przez:
•
•
•
•
Radiotelefony (komórki)
Odbiorniki radiowe i telewizyjne
Kuchenki mikrofalowe
Komputery
Biopotencjały
• Funkcjonowaniu żywych narządów
towarzyszy występowanie potencjałów
elektrycznych. Różnice potencjałów
występuje pomiędzy wewnętrzną i
zewnętrzną stroną błony komórkowej.
• Różnica ta w zależności od rodzaju
komórki wynosi około 40-100 mV.
• Dla większości neuronów wynosi ona od
-40 do -75mV.
Metody badania biopotencjalów
• Elektrokardiografia EKG – metoda rejestrowania
zmian prądów i różnic potencjałów
czynnościowych wytwarzanych przez układ
bodźcotwórczo-przewodzący w mięśniu
sercowym w czasie jego czynności.
• Elektroencefalografia EEG – metoda badania
polegająca na odbiorze prądów czynnościowych
mózgu z różnych okolic czaszki lub mózgu.
• Elektromiografia EMG – metoda badania i
rejestracji zjawisk bioelektrycznych (prądów
czynnościowych) zachodzących w mięśniach
podczas ich pracy.
AMPLITUDA EMG
kilka µV do kilku mv
0,003
0,002
EMG[V]
0,001
0
0
0,5
1
-0,001
-0,002
-0,003
Czas [s]
1,5
2
AMPLITUDA EMG
0,003
Wyprostowany sygnał EMG
AEMG[V]
AEMG - wyprostowany i uśredniony sygnał EMG
0,002
0,001
0
0
0,5
1
Czas [s]
1,5
2
AMPLITUDA EMG
po aproksymacji jako sygnał
sterujący pracą mieśni
AEMG[V]
0,0010
0,0005
0,0000
0
0,5
1
Czas [s]
1,5
2