Oddziaływanie prądu

elektrycznego

i pól elektromagnetycznych

na organizm człowieka

12 listopada 2008

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, m

e

= 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):

• k

0

= 9·10

9

Nm

2

/C

2

• k = 1/4π

ε

0

• ε

0

– przenikalność el. próżni

• ε

0

= 1/4πk

0

= 8,9·10

-12

C

2

/Nm

2

ε

=

ε

0

ε

r

ε

r

– stała dielektryczna

2 – nafta,
1,00 – powietrze,
5 ÷ 10 – szkło
1 – próżnia
81 - woda

2

2

1

r

q

kq

F 

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.











C

N

q

F

E





2

r

kQq

F 

2

2

0

4

r

kQ

qr

Qq

q

F

E











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

r

kQ

rq

kQq

q

E

V

pot







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 = (V

1

– V

2

)/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 = E

m

sinωt.

Prąd zmienny

• Źródło napięcia, w którym siła

elektromotoryczna zmienia się sinusoidalnie,
nazywamy źródłem napięcia przemiennego.

• W Europie f = 50 Hz, E

m

= 230 V

2

m

sk

I

I 

2

m

sk

U

U 

Porażenie prądem

elektrycznym

R

0

J

Z

- J

R

U

D

U

R

R

C

R

P

R

P

R

C

– rezystancja ciała

człowieka
R

P

– rezystancja

przejścia prądu do
ziemi
U

D

- napięcie

dotykowe
U

R

– napięcie

rażeniowe
J

Z

– prąd zwarcia

J

R

– 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 U

D

=

(0,5R

P

+ R

C

)J

R

• Napięcie

rażeniowe – jest to spadek

napięcia na drodze przepływu prądu
przez ciało człowieka
U

R

= R

C

J

C

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 q

0

:

• F = q

0

(v¤B)

• B = F

max

/q

0

v [T]

Indukcja magnetyczna

• 1T - duża jednostka [N/Am]
• 10 T - uzyskuje się w laboratoriach
• 100 T – bardzo krótko
• B = 10

-4

T – 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/cm

2.

.

• 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/cm

2

)

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.

-0,003

-0,002

-0,001

0

0,001

0,002

0,003

0

0,5

1

1,5

2

Czas [s]

E

M

G

[V

]

-0,003

-0,002

-0,001

0

0,001

0,002

0,003

0

0,5

1

1,5

2

Czas [s]

E

M

G

[V

]

AMPLITUDA EMG

AMPLITUDA EMG

kilka

kilka

µ

µ

V do kilku mv

V do kilku mv

0

0,001

0,002

0,003

0

0,5

1

1,5

2

Czas [s]

A

E

M

G

[V

]

Wyprostowany sygnał EMG
AEMG - wyprostowany i uśredniony sygnał EMG

0

0,001

0,002

0,003

0

0,5

1

1,5

2

Czas [s]

A

E

M

G

[V

]

Wyprostowany sygnał EMG
AEMG - wyprostowany i uśredniony sygnał EMG

AMPLITUDA EMG

AMPLITUDA EMG

0,0000

0,0005

0,0010

0

0,5

1

1,5

2

Czas [s]

A

E

M

G

[V

]

0,0000

0,0005

0,0010

0

0,5

1

1,5

2

Czas [s]

A

E

M

G

[V

]

AMPLITUDA EMG

AMPLITUDA EMG

po aproksymacji jako sygnał

po aproksymacji jako sygnał

sterujący pracą mięśni

sterujący pracą mięśni