Биофизика поражения электричеством

2

Министерство науки и образования Украины

Сумский государственный университет

РЕФЕРАТ

на тему

«Биофизика поражения электричеством»

Подготовил студент

Группы ЕТ-41

Плахута В.А.

Сумы 2008

Можно с полным основанием высказать следующую мысль: убить человека электрическим током трудно, но погибнуть от тока иногда очень несложно. Это высказывание опирается на факты: подчас легка и мгновения смерть от небольшого напряжения, не превышающего напряжения осветительной сети, и наряду с этим длительна и мучительна смерть при казни на электрическом стуле, когда убивают напряжением 1200-2000 В.

В чем же дело? Известно, что механизмы действия электрического тока на такие относительно простые материалы, как металлы, растворы и кристаллы, весьма различны. Поэтому не вызывает никакого удивления, если на вопрос, опасен ли для проводника электрический ток 10 А, не последует однозначного ответа. Специалист-электрик скажет: "Дня того чтобы ответить на этот вопрос, мне необходимо знать, из какого материала выполнен проводник, каково его сечение, каковы условия прокладки. Только получив нужные мне разъяснения, я буду в состоянии достаточно точно определить, сможет ли данный проводник пропустить без разрушения тот или иной ток".

То же самое можно сказать и в отношении проводника, обладающего ионной проводимостью. И здесь для ответа на поставленный вопрос надо знать химический состав электролита, размеры электродов, значение напряжения.

Но если сказанное справедливо для металла и для жидкости, то оно еще в большей степени справедливо для человека. О степени опасности, грозящей сложнейшему из сложнейших объектов природы -- человеку, ранее судили в лучшем случае по двум параметрам: значению напряжения и значению тока, полагая, что с увеличением их опасность возрастает в прямой зависимости.

Подобное утверждение высказывалось до тех пор, пока электрики и физики были разобщены с патофизиологами, биологами, медиками. В начале книги уже отмечался вполне оправданный интерес, который вызывают сейчас биология, биофизика и биохимия у специалистов самых различных технических направлений. Сейчас смежные науки, находящиеся на стыке техники и естествознания, быстро развиваются, взаимно обогащая и технику и биологию.

Продолжим начатую аналогию. Разрушение обычного медного проводника может быть вызвано:

а) перегоранием при большой плотности тока;

б) разрывом вследствие электродинамических усилий, возникающих при протекании тока;

в) окислением -- разрушением контактов и т.д.

Смертельный исход для человека, вызванный поражением электрическим током, также может быть вызван рядом причин. Пока ограничимся общепринятыми:

а) фибрилляцией, возникающей при непосредственном протекании тока достаточного значения через сердечную мышцу;

б) остановкой дыхания;

в) шоком.

Каждая из этих причин обусловлена значением тока, значением напряжения, временем существования электрической цепи через тело человека и т. д.

Итак, первое и основное положение, вытекающее из самого общего рассмотрения: однозначно назвать значение безопасного для человека тока или напряжения нельзя. Это общее положение подтверждается и иными данными, которые дает анализ несчастных случаев. В книге В. Е. Манойлова "Основы электробезопасности" (Л., 1976) подробно описан уникальный случай, когда человек оказался в цепи с напряжением в несколько тысяч вольт, а через его тело прошел ток 7--8 А.

И этот человек остался жить. Данные о поражающем напряжении и токе были получены по ленте аварийного осциллографа, автоматически включаемого при однополюсных нарушениях изоляции в электрической цепи 6,0 кВ. Человек держался рукой за шину 6,0 кВ, стоя на корпусе масляного выключателя, когда на эту шину было ошибочно подано напряжение. Поражение током привело к тяжелейшему ожогу рук. В дальнейшем этот человек вернулся к ограниченной трудовой деятельности.

Известны случаи, когда люди, по профессии связанные с электричеством, оказывались в цепи еще большего напряжения, получали ожоги тела той или иной степени, но впоследствии они полностью возвращались к трудовой профессиональной деятельности. Таким образом, на вопрос о том, какой ток опасен, нет однозначного ответа.

Сопоставляя результаты исследований электротравм у животных с результатами анализа несчастных случаев с людьми, можно прийти к выводу, что человек в электрической цепи представляет собой особый вид "проводника", отличающийся по своим свойствам, своей реакции на электрический ток не только от любого органического и неорганического элемента электрической цепи, но и от любого вида животных. У животных нет такой разницы в реакции на большое и малое напряжение, как у человека. Поэтому экспериментальные данные, полученные при исследовании электротравмы на животных, поддаются переносу на человека лишь с большой осторожностью.

Итак, анализ смертельных поражений при малых напряжениях и "благоприятных" исходов при больших напряжениях логически приводит к выводу о многообразии реакции человека на электрический ток, об особой чувствительности людей в некоторых случаях к малым токам. Все это подчеркивает необходимость дальнейшего изучения того, что же в первую очередь поражается электрическим током: сердечнососудистая система в целом, или сердечная мышца, или система дыхания. Определение первичной системы, с поражения которой начинается развитие тяжелой реакции человека на электрический ток, имеет не только познавательное медико-биологическое значение. Зная, с чего начинает развиваться (или, скажем, с чего чаще всего начинается) поражение -- с системы кровообращения, с системы дыхания или с какой-либо иной системы, борьбу за сохранение здоровья и даже жизни пострадавшего можно сделать более целенаправленной. Поясним это примером.

Нарушение сердечной деятельности человека, управляющего производственным агрегатом и пораженного электрическим током, может иметь тяжелые последствия не только для самого пострадавшего. Поэтому-то ценен автоматический перевод (хотя бы временный) управления на автомат или на другого оператора. Такой перевод может локализовать развитие возможной катастрофы, а автоматический ввод в действие средств реанимации (например, электрической стимуляции сердца) может спасти пострадавшего.

В начальной стадии изучения производственных электротравм сложилось представление, что в первую очередь поражается система дыхания. Вскрытия пострадавших от электрического тока показывали, что смерть наступала от асфиксии (удушья). Эту точку зрения отстаивали Еллинек, Дарсонваль и другие, непосредственно исследовавшие поражения человека током на всех стадиях. Однако такое мнение было сильно поколеблено данными, полученными при экспериментальном изучении электротравм на собаках, у которых преобладал смертельный исход от нарушения работы сердца. Чтобы вызвать смерть собаки при поражении электрическим током от остановки дыхания, надо было электроды или, во всяком случае, один из них прикладывать к уху. К этому еще надо прибавить, что в отдельных случаях (подчеркнем, отдельных) причиной смерти, обнаруженной при вскрытии тела человека, пострадавшего от электрического тока, было непосредственное нарушение сердечной деятельности.

На 7-м Международном конгрессе по промышленному травматизму, состоявшемся в 1935 г., крупный патофизиолог Стасен предложил делить пораженных электрическим током на синих (с первичной остановкой дыхания) и белых (с первичной остановкой сердца). Некоторые исследователи полагали, что возможно одновременное действие двух механизмов смерти: остановки сердца и остановки дыхания.

На последующем этапе за рубежом и у нас стали широко проводиться разнообразные экспериментальные исследования электротравм на животных. Как правило, результаты показывали вероятность гибели по механизму "остановка сердца" вследствие начавшейся фибрилляции. Но затем позиция "фибрилляционистов" была поколеблена данными всестороннего, более тщательного анализа несчастных случаев с людьми и сомнениями в возможности безоговорочного распространения данных, полученных при исследовании травм у животных, на человека. Особенно важную роль в обосновании смерти по механизму дыхания сыграли работы И. К. Мищенко (Академия наук Киргизской ССР). Он показал, что для начала фибрилляции сердечной мышцы мужчины нужен общий ток в электрической цепи, равный 250 мА, соответствен­но для женщины -- 220 мА. Эти данные не противоречат данным, приводимым немецкими учеными Кёппеном и Пансе. Согласно единодушному мнению некоторых исследователей, от 70 до 80% смертельных поражений происходит в сетях напряжением 220 В. Но если основываться на данных И. К. Мищенко, то в таких сетях смертельные поражения по механизму "сердечная фибрилляция" вообще невозможны. Если допустить, что в момент поражения все сопротивление цепи сводится только к электрическому сопротивлению тела человека и больше никаких сопротивлений (одежды, обуви и т. д.) не имеется, то и тогда при напряжении 220 В получить ток в цепи через тело пострадавшего, равный 200 мА, немыслимо. Ток даже в этих, наиболее жестких условиях, не будет превышать десятков миллиампер. Доказательства веские, но и они не положили конца спору. Дискуссия о том, что поражается первично - сердце или дыхание -- продолжается. Новые данные об электронной проводимости биополимеров выдвигают возможность еще одного механизма поражения человека -- через центральную нервную систему.

Человек - саморегулирующаяся система

Результаты исследований электропроводности сложных полимеров и биополимеров дают новые объяснения спору: дыхание или сердце. Вне зависимости от степени развития затянувшегося спора необходимо отметить известную условность его. Ведь системы дыхания и кровообращения в норме (подчеркнем -- в норме!) являются единым функциональным блоком, замкнутой системой автоматического регулирования. Достаточно сослаться на то, что сердце получает стимулирующие импульсы непосредственно через дыхательный центр нервной системы, а последний, как и вся система дыхания в целом, может работать, выполняя свою сложнейшую функ­цию, лишь при наличии кровоснабжения на всем тракте перемещения кислорода.

Человек оказывается в электрической цепи. Происходит локальное или, возможно, общее поглощение электрической энергии. Функции обычно четко действующего блока нарушаются. Выход из строя хотя бы одного элемента общего функционального блока нарушает систему автоматического регулирования важнейшей из жизнеобеспечивающих систем -- системы кровообращения. В каком бы элементе общей системы ни произошло нарушение, "замыкание" происходит на сердце, нарушается его жизненно необходимая насосная функция. Прекращением сердцебиения заканчивается процесс воздействия поражающих факторов, и человек погибает.

Работа всех сложных систем, начиная с электрической и кончая биологической, подчинена определенному ритму -- последовательности взаимосвязанных явлений. Представим себе, что функции общей системы саморегулирования, нарушенные в результате поражения какого-либо из ее звеньев, восстанавливаются "вводом" резервов или каким-либо другим способом. Пораженный элемент оказывается заблокированным, и общее автоматическое саморегулирование восстанавливает функционирование системы. Но возможен и иной исход, когда внутри системы нет резерва саморегулирования. В этом случае система не восстанавливается, и саморегулирование прекращается. Наступает смерть.

Возникает вопрос, можно ли восстановить саморегулирующуюся систему путем внешних воздействий на нее? Иногда можно, иногда нет. Это зависит от множества обстоятельств. Любая травма, в том числе и электротравма, вызывает нарушение ритма биологических процессов, которые строго взаимосвязаны преобразованием энергии (говоря в общем) и во времени. В условиях нормальной жизнедеятельности некоторые из физиологических явлений (процессов) синхронны, некоторые синфазны, некоторые находятся в противофазе или же протекают с определенной последовательностью фаз. При этом органы и ткани в процессе жизнедеятельности в определенных условиях взаиморегулируемы.

Саморегуляция заключается в том, что все временные, частотные и амплитудные количественные соотношения преобразования энергии должны быть соблюдены. При оптимальных для нормальной жизнедеятельности соотношениях работа сердца является идеальным примером ритмичной работы: строго сфазированно предсердия сокращаются раньше желудочков. Если бы этого сдвига по фазе не было, то верхняя половина сердца не смогла бы перекачивать кровь в нижнюю половину, а последняя не смогла бы продвигать ее по сосудам. Временные сдвиги в работе желудочков и предсердий показаны в пятой главе, при описании электрокардиограммы.

Вернувшись еще раз к кривой электрической активности сердца, отметим, что изменение временных-, частотных и амплитудных параметров кривой электрокардиограммы свидетельствует о тех или иных, чаще всего серьезных нарушениях жизнедеятельности человека. Допустим, что нарушается ритм работы частей сердца: предсердия и желудочки начинают сокращаться одновременно. Наступает тяжелое нарушение динамики кровообращения, именуемое закупоркой предсердий; летальный исход неминуем. Но возможно и другое нарушение ритма. Оно может быть снято внешним воздействием, в частности дефибриллятором, о котором уже говорилось во второй главе. Источником нарушения сердечного ритма могут быть те или иные "срывы" в системе дыхания или в сосудах. Не будем более останавливаться на других формах нарушения системы автоматического регулирования сердечной деятельности, подчеркнем лишь одно: сердце и вся система кровоснабжения должны работать как единое целое и обязательно в той последовательности и с теми же фазовыми, временными, частотными и амплитудными характеристиками, которые обеспечивают четкость автоматического регулирования жизнедеятельности человека. В противном случае сердце -- одно из определяющих звеньев этой автоматической системы -- выходит из строя.

До сих пор рассматривались исполнительные звенья системы автоматического регулирования жизнедеятельности человека. Их деятельность неразрывно связана с системой автоматического управления и контроля, функции которой исполняет нервная система. Поражения и нарушения ее могут привести к нарушению ритма систем кровообращения и дыхания. Биологическая система управления по своей сложности пока еще не знает аналогов даже в сложнейших математических машинах. Электрический ток может повредить и ее, а исход будет тот же -- остановка сердца.

О роли нервной системы в исходе электротравмы читатель может узнать из содержания следующего параграфа.

Вот это неожиданно!

На нескольких машиностроительных предприятиях был проделан следующий эксперимент. В электроцехах предприятий стали учитывать все без исключения жалобы: "бьет током", "ударило током". Одновременно с устранением в той или иной степени повреждений изоляции специально обследовали условия, при которых возникал удар током обычно без каких-либо последствий для человека. Полученные данные сопоставили с данными статистики и анализа электротравм, приведших к смертельному исходу. Оказалось следующее: при ударах током, не сопровождавшихся какой-либо травмой, в 70% случаев электрическая цепь возникала от ладони к ногам или между ладонями. Подобное образование электрической цепи объяснимо и естественно при выполнении человеком той или иной работы. В смертельных же случаях электрическая цепь возникала, как правило, через другие участки (места касания) тела. В 8% смертельных случаев, происшедших в сетях до 220 В на производстве и в быту, она возникала через тыльную часть руки. Создавалось впечатление, что имеются особо уязвимые к току участки тела. Так и оказалось.

Еще в конце 30-х годов Н. Б.Познанская, занимаясь изучением электропроводности тела человека, обнаружила четко выраженные участки тела с необычной (большой) проводимостью. Наблюдения, проведенные Н. Б. Познанской, нашли подтверждение в результатах расследований несчастных случаев, при которых выяснилось значение "путей тока" по телу, и в результатах исследований, проведенных автором данной книги- Есть основания полагать, что на теле имеются чувствительные именно к току или к электрическому полю участки - преобразователи первичной информации, сигнализирующие о наличии естественного электрического фона, присущего земной атмосфере. Такими уязвимыми к току участками тела человека являются, помимо упомянутой тыльной части кисти, шея, висок, спина, плечо. Назовем эти преобразователи электрорецепторами. Прив едем примеры, показывающие огромное влияние нервной системы на исход поражения электрическим током.

На одном строящемся предприятии проводились сварочные работы по соединению стальной арматуры. У одного из сварочных аппаратов повредилась изоляция, и напряжение сети 220 В оказалось в сети сварочного напряжения. Удар электрическим током почувствовали трое рабочих. Один из них, сказав: "Ребята, надо сообщить мастеру", отправился через всю территорию стройки в помещение, где находился мастер. Поднявшись на второй этаж в конторку мастера, он сообщил о случившемся, сел на стул и умер. Вскрытие показало, что пострадавший погиб от асфиксии (удушья). Никаких непосредственных поражений сердечной мышцы и сосудистой системы не было обнаружено. Как говорится, обстоятельства происшествия и результаты вскрытия не исключали смерть от электрического тока, тем более что на теле пострадавшего была характерная электрометка (своеобразный микроожог). С момента удара тока до гибели рабочего прошло не менее 25--30 мин.

Второй пример. Происходила сдача подъемного крана. В кабину крана поднялся мастер, полагая, что напряжения нет. Левой рукой он коснулся зажимов монтируемого щита, на которых, как оказалось, было напряжение. Сделав резкое замечание монтеру, находившемуся в кабине крана, за то, что он подал напряжение 220 В, не поставив в известность электроцех, мастер спустился с крана на землю. Почему-то пятясь, прошел несколько метров и упал. Спасти его не удалось. Результаты вскрытия оказались такими же, что и в предыдущем примере; электрометка была очень четко выражена. С момента поражения до гибели прошло 10-15 мин.

Следующий пример. Рабочий попал под напряжение сети 380/220 В. По-видимому, непосредственно он был поражен напряжением 150-180 В, ибо электрическая цепь возникла между кистью руки и ногами, а на ногах была кожаная, хотя и влажная обувь. Поражение сопровождалось потерей сознания. Находившиеся рядом люди сразу же начали оказывать пострадавшему квалифицированную доврачебную помощь, правильно производя искусственное дыхание. Пострадавший быстро пришел в себя, жаловался только на слабость и тя­жесть в голове. На руке у него был обожжен палец. На носилках пострадавший был доставлен в медпункт, где ему оказал помощь врач, в частности было внутримышечно введено сосудорасширяющее лекарство. Через два часа, по словам пострадавшего, он, кроме слабости, ничего не ощущал. Врач, выписав ему документ об освобождении от работы, направил его домой, порекомендовав вызвать врача при любых признаках недомогания. Пострадавший начал одеваться и в этот момент умер. Диагноз вскрытия -- сердечная недостаточ­ность.

И, наконец, последний пример. Дежурный техник, сдавая дежурство, показывал сменщику, что находится под напряжением, а что -- нет. Говоря: "Вот эта шина под напряжением 10 кВ", он машинально взялся за нее правой рукой. От возникшей дуги техник получил серьезные ожоги, из-за которых пришлось ампутировать ему обе ноги и правую руку. После полуторамесячного пребывания в клинике пострадавший начал поправляться. Культи руки и ног находились в стадии полного заживления. Лечащие врачи уже не опасались за жизнь пострадавшего, и его смерть накануне выписки оказалась для них полной неожиданностью. При весьма квалифицированном вскрытии была установлена непосредственная причина смерти -- сердечная недостаточность.

В свете современных представлений о действии тока можно полагать, что во всех описанных случаях одной из основных причин смерти было нарушение мозгового кровообращения. Но из-за того, что вскрытия производились с опозданием (в среднем через сутки после смерти), утверждать с несомненностью, что причиной смерти было именно нарушение мозгового кровообращения, не представляется возможным. Практический вывод: при любой электротравме, особенно сопровождающейся нарушением кровообращения, помимо помощи, оказываемой хирургом, лечащим травму, необходима и консультация врача-невропатолога.

Внимание, внимание и еще раз внимание!

Крупный судостроительный завод. Огромный портальный кран с большим подкрановым пространством. На кране плакат. Глаза человека нарисованы на нем так, что на какой бы части территории, по которой передвигается кран, вы ни находились, глаза неотступно следят за вами. Надпись: "Внимание!". Интересно отметить, что на этом предприятии число несчастных случаев меньше, чем на других предприятиях того же профиля. Да, внимание при обслуживании машин и агрегатов или просто во время пребывания вблизи них имеет большое значение для качеств енной, безаварийной эксплуатации машин. Но в электротехнике внимание-- собранное состояние человека -- создает особую защитную реакцию.

В 20-х годах текущего столетия Еллинек, к этому времени уже участвовавший в расследовании сотен электротравм, показал, что различия между центральными нервными системами человека и животных не позволяют точно моделировать электротравму человека на животном. Еллинек, пожалуй, первым наиболее близко подошел к пониманию причин, затрудняющих согласование данных, получаемых при экспериментах на животных, с данными, получаемыми при тщательном инструментальном анализе электротравм у людей. Тогда-то, а это был 1927 год, ему удалось впервые выявить значение фактора внимания в тяжести исхода поражения человека электрическим током.

Еллинек писал: "Главная особенность электротравмы в том, что напряжение нашего внимания, наша твердая воля в состоянии ослабить действие электрического тока, а иногда совершенно его уничтожить.. . Сокрушительную силу падающей балки или взрыва нельзя ослабить мужеством и героической выдержкой, но это вполне возможно по отношению к действию электрического удара, если он наступает в период напряженного внимания... Действительно, тот, кто слышал выстрел, не видя стреляющего, может погибнуть от внезапно наступившего шока; тот же, кто смотрит на стреляющего или сам стреляет, шоку не подвержен".

Речь идет о той необходимой собранности человека, появляющейся у него в ожидании какого-либо события или во время работы, требующей внимания. "Фактор внимания, -- писал далее Еллинек, -- играет чрезвычайно большую, может быть, решающую роль... С тем, кто находится в состоянии сосредоточенного внимания, обыкновенно ничего не случается. .. Он противопоставляет свое внимание, как щит, страшному моменту, который может произойти". Подобное мнение нашло отражение даже в народных пословицах разных стран. Англичане говорят: "Человек, ум которого подготовлен, стоит двух". Или это же, но другими словами: "Заранее предупрежденный -- заранее вооруженный". Аналогичное выражение встречается и у французов: "Предупрежденный человек стоит двух".

Подобное утверждение правомерно в основном при поражении электрическим током напряжением 220-380 В. При больших напряжениях тяжелый исход чаще всего наступает от ожога дугой. Здесь уже есть основания полагать, что опасность ожога растет практически линейно в зависимости от значения напряжения.

Еллинек не ограничился выводами, полученными на основе результатов расследований несчастных случаев. Он провел эксперимент, доказывающий наличие фактора внимания и у животных. На кошке закрепляли электроды с проводами, шедшими к источнику напряжения; затем животное в течение длительного времени (до суток) привыкало к проводам, после чего внезапно подавали напряжение 120-220 В. Животное погибало мгновенно. Затем условия опыта меняли. Животное закрепляли спиной к столу, как обычно делают при исследовании экспериментальной травмы, или же подвешивали на специальных лентах-ремнях за туловище, как в опытах немецкого ученого Осипки, и тотчас же подавали напряжение. Животное, настороженное приготовлениями к опыту, в момент подачи того же напряжения, которое в прежних опытах вызывало смерть, теперь не погибало. Для того чтобы убить животное в таком лабораторном "станке", требовалось либо держать его под напряжением до 20--30 мин, либо повышать напряжение до нескольких киловольт. Варианты подобных опытов были проведены и на других животных с таким же результатом. Однако следует отметить, что роль фактора внимания пока еще не находит достаточного отражения в защитных мероприятиях по электробезопасности. Но есть уверенность в том, что новые взгляды на электробезопасность живой ткани, дальнейшее изучение природы электрической активности организма человека позволят раскрыть биофизику механизма поражения человека, что будет учтено в разработке мер по защите от действия электрического тока.

В то же время есть основания высказать гипотезу уже сейчас. Фактор внимания, несомненно, усиливает кровообращение центральной нервной системы, увеличивает потребление кислорода, что, в свою очередь, приводит к увеличению числа зарядоносителеи (электронов) в процессах биохимических реакций обмена веществ. Увеличенный или своеобразно усиленный поток зарядоносителеи сложнее нарушить импульсом небольшого тока, который имеется при поражении малым напряжением. Расстроить биосистему автоматического регулирования при усиленном кровоснабжении нервной системы, конечно, труднее. В этом, по-видимому, и лежит ключ к пониманию развития процесса поражения, который заканчивался тяжелым исходом спустя длительное время после непосредственного поражения током.