Ohmsches Gesetz (wieder!)

Ein gängiger Satz, der in Bezug auf elektrische Sicherheit zu hören ist, lautet etwa:„Es ist nicht die Spannung, die tötet, sondern aktuell ! ” Obwohl dies ein Hauch von Wahrheit ist, gibt es mehr über die Schockgefahr zu verstehen als dieses einfache Sprichwort. Wenn die Spannung keine Gefahr darstellte, würde niemand jemals Schilder drucken und zeigen, die besagten:GEFAHR – HOCHSPANNUNG!

Das Prinzip „aktuelle Kills“ ist im Wesentlichen richtig. Es ist elektrischer Strom, der Gewebe verbrennt, Muskeln einfriert und Herzen zum Flimmern bringt. Elektrischer Strom entsteht jedoch nicht von selbst:Es muss Spannung vorhanden sein, um den Strom zu motivieren, durch ein Opfer zu fließen. Der Körper einer Person stellt auch einen Widerstand gegen den Strom dar, der berücksichtigt werden muss.

Nimmt man das Ohmsche Gesetz für Spannung, Strom und Widerstand und drückt es in Form von Strom für eine gegebene Spannung und einen gegebenen Widerstand aus, haben wir diese Gleichung:

Die Stromstärke durch einen Körper ist gleich der Spannung, die zwischen zwei Punkten an diesem Körper angelegt wird, geteilt durch den elektrischen Widerstand, den der Körper zwischen diesen beiden Punkten bietet. Je mehr Spannung verfügbar ist, um den Strom fließen zu lassen, desto leichter wird er natürlich durch einen bestimmten Widerstand fließen.

Daher besteht die Gefahr von Hochspannung, die genügend Strom erzeugen kann, um Verletzungen oder den Tod zu verursachen. Umgekehrt, wenn ein Körper einen höheren Widerstand aufweist, fließt bei jeder gegebenen Spannung weniger Strom. Wie viel Spannung gefährlich ist, hängt davon ab, wie viel Gesamtwiderstand im Stromkreis vorhanden ist, um dem Stromfluss entgegenzuwirken.

Der Körperwiderstand ist keine feste Größe. Es variiert von Person zu Person und von Zeit zu Zeit. Es gibt sogar eine Körperfettmesstechnik, die auf einer Messung des elektrischen Widerstands zwischen den Zehen und Fingern einer Person basiert.

Unterschiedliche Körperfettanteile bieten unterschiedliche Widerstände:eine Variable, die den elektrischen Widerstand im menschlichen Körper beeinflusst. Damit die Technik genau funktioniert, muss die Person vor dem Test mehrere Stunden lang ihre Flüssigkeitsaufnahme regulieren, was darauf hindeutet, dass die Körperhydration ein weiterer Faktor ist, der den elektrischen Widerstand des Körpers beeinflusst.

Der Körperwiderstand variiert auch je nach Hautkontakt:von Hand zu Hand, von Hand zu Fuß, von Fuß zu Fuß, von Hand zu Ellenbogen usw. Schweiß, der reich an Salz und Mineralien ist, ist ein ausgezeichneter Stromleiter, da er eine Flüssigkeit ist. Ebenso Blut mit seinem ähnlich hohen Gehalt an leitfähigen Chemikalien.

Daher bietet der Kontakt mit einem Draht durch eine verschwitzte Hand oder eine offene Wunde einen viel geringeren Widerstand gegen Strom als ein Kontakt mit sauberer, trockener Haut.

Beim Messen des elektrischen Widerstands mit einem empfindlichen Messgerät messe ich ungefähr 1 Million Ohm Widerstand (1 MΩ) an meinen Händen, während ich die Metallsonden des Messgeräts zwischen meinen Fingern festhalte. Das Messgerät zeigt weniger Widerstand an, wenn ich die Sonden fest zusammendrücke und mehr Widerstand, wenn ich sie locker halte.

Wenn ich hier an meinem Computer sitze und diese Wörter tippe, sind meine Hände sauber und trocken. Wenn ich in einer heißen, schmutzigen, industriellen Umgebung arbeiten würde, wäre der Widerstand zwischen meinen Händen wahrscheinlich viel geringer, was einen geringeren Widerstand gegen tödlichen Strom und eine größere Gefahr eines elektrischen Schlags darstellt.

Wie viel elektrischer Strom ist schädlich?

Die Antwort auf diese Frage hängt auch von mehreren Faktoren ab. Die individuelle Körperchemie hat einen erheblichen Einfluss darauf, wie elektrischer Strom eine Person beeinflusst. Manche Menschen reagieren sehr empfindlich auf Strom und erleben unwillkürliche Muskelkontraktionen mit Stößen durch statische Elektrizität.

Andere können durch die Entladung statischer Elektrizität große Funken ziehen und sie kaum spüren, geschweige denn einen Muskelkrampf erfahren. Trotz dieser Unterschiede wurden durch Tests ungefähre Richtlinien entwickelt, die darauf hindeuten, dass nur sehr wenig Strom benötigt wird, um schädliche Wirkungen zu zeigen (weitere Informationen zur Quelle dieser Daten finden Sie am Ende des Kapitels).

Alle Stromwerte in Milliampere (ein Milliampere entspricht 1/1000 Ampere):

Eine Tabelle der Auswirkungen von Elektrizität auf den Körper

„Hz“ steht für die Einheit Hertz . Es ist das Maß dafür, wie schnell Wechselstrom wechselt, auch bekannt als Frequenz . Die Zahlenspalte mit der Bezeichnung „60 Hz AC“ bezieht sich also auf einen Strom, der sich mit einer Frequenz von 60 Zyklen (1 Zyklus =Zeitraum, in dem Strom in eine Richtung, dann in die andere Richtung fließt) pro Sekunde abwechselt.

Die letzte Spalte mit der Bezeichnung „10 kHz AC“ bezieht sich auf Wechselstrom, der jede Sekunde zehntausend (10.000) Zyklen hin und her durchläuft.

Beachten Sie, dass diese Zahlen nur ungefähre Angaben sind, da Personen mit unterschiedlicher Körperchemie unterschiedlich reagieren können. Es wurde vorgeschlagen, dass ein Strom von nur 17 Milliampere Wechselstrom über der Brust ausreicht, um bei einem Menschen unter bestimmten Bedingungen ein Flimmern zu induzieren. Die meisten unserer Daten zum induzierten Flimmern stammen aus Tierversuchen. Offensichtlich ist es nicht praktikabel, Tests auf induziertes Kammerflimmern an menschlichen Probanden durchzuführen, daher sind die verfügbaren Daten lückenhaft.

Oh, und falls Sie sich fragen, ich habe keine Ahnung, warum Frauen anfälliger für elektrische Ströme sind als Männer! Angenommen, ich würde meine Hände über die Anschlüsse einer Wechselspannungsquelle mit 60 Hz (60 Zyklen pro Sekunde) legen. Wie viel Spannung wäre bei dieser sauberen, trockenen Haut erforderlich, um einen Strom von 20 Milliampere zu erzeugen (genug, um die Spannungsquelle nicht mehr loszulassen)? Wir können das Ohmsche Gesetz verwenden, um dies zu bestimmen:

E =IR E =(20 mA)(1 MΩ) E =20.000 Volt oder 20 kV

Beachten Sie, dass dies vom Standpunkt der elektrischen Sicherheit aus ein „Best Case“-Szenario (saubere, trockene Haut) ist und dass dieser Spannungswert die erforderliche Menge angibt, um Tetanus zu induzieren. Es wäre weit weniger erforderlich, um einen schmerzhaften Schock zu verursachen! Denken Sie auch daran, dass die physiologischen Auswirkungen einer bestimmten Strommenge von Person zu Person erheblich variieren können und dass diese Berechnungen nur grobe Schätzungen sind .

Mit Wasser auf meine Finger gesprüht, um Schweiß zu simulieren, konnte ich einen Hand-zu-Hand-Widerstand von nur 17.000 Ohm (17 kΩ) messen. Denken Sie daran, dass dies nur mit einem Finger jeder Hand geschieht, der einen dünnen Metalldraht berührt. Wenn wir die Spannung neu berechnen, die erforderlich ist, um einen Strom von 20 Milliampere zu erzeugen, erhalten wir diese Zahl:

E =IR E =(20 mA)(17 kΩ) E =340 Volt

In diesem realistischen Zustand würde es nur 340 Volt Potenzial von einer meiner Hände zur anderen brauchen, um 20 Milliampere Strom zu erzeugen. Es ist jedoch immer noch möglich, bei einer geringeren Spannung einen tödlichen Schlag zu erhalten. Vorausgesetzt, ein viel niedrigerer Körperwiderstandswert, der durch den Kontakt mit einem Ring verstärkt wird (ein Goldband, das um den Fingerumfang gewickelt ist, macht einen ausgezeichneten Kontaktstelle für elektrischen Schlag) oder vollständigen Kontakt mit einem großen Metallgegenstand wie einem Rohr oder einem Metallgriff eines Werkzeugs, kann der Körperwiderstandswert auf bis zu 1.000 Ohm (1 kΩ) sinken, sodass eine noch niedrigere Spannung ein Potenzial darstellen kann Gefahr.

E =IR E =(20 mA)(1 kΩ) E =20 Volt

Beachten Sie, dass in diesem Zustand 20 Volt ausreichen, um einen Strom von 20 Milliampere durch eine Person zu erzeugen; genug, um Tetanus auszulösen. Denken Sie daran, dass vorgeschlagen wurde, dass ein Strom von nur 17 Milliampere Kammerflimmern (Herzflimmern) auslösen kann. Bei einem Hand-zu-Hand-Widerstand von 1000 Ω bräuchte es nur 17 Volt, um diesen gefährlichen Zustand zu erzeugen.

E =IR E =(17 mA)(1 kΩ) E =17 Volt

Siebzehn Volt sind für die Elektrik nicht viel. Zugegeben, dies ist ein „Worst-Case“-Szenario mit 60 Hz Wechselspannung und ausgezeichneter Körperleitfähigkeit, aber es zeigt, wie wenig Spannung unter bestimmten Bedingungen eine ernsthafte Bedrohung darstellen kann.

Die Bedingungen, die erforderlich sind, um einen Körperwiderstand von 1.000 Ω zu erzeugen, müssen nicht so extrem sein wie das, was präsentiert wurde (schwitzende Haut bei Kontakt mit einem Goldring). Der Körperwiderstand kann bei Anlegen von Spannung abnehmen (insbesondere wenn das Opfer durch Tetanus dazu führt, dass das Opfer einen Leiter fester hält), sodass bei konstanter Spannung ein Schock nach dem ersten Kontakt an Heftigkeit zunehmen kann.

Was als leichter Schock beginnt – gerade genug, um ein Opfer „einzufrieren“, so dass es nicht loslassen kann – kann zu etwas Schwerwiegendem eskalieren, um es zu töten, wenn sein Körperwiderstand abnimmt und der Strom entsprechend ansteigt.

Die Forschung hat einen ungefähren Satz von Zahlen für den elektrischen Widerstand menschlicher Kontaktpunkte unter verschiedenen Bedingungen geliefert (Informationen zur Quelle dieser Daten finden Sie am Ende des Kapitels):

• Draht mit dem Finger berührt:40.000 Ω bis 1.000.000 trocken, 4.000 Ω bis 15.000 Ω nass.
• Der von Hand gehaltene Draht:15.000 bis 50.000 trocken, 3.000 Ω bis 5.000 Ω nass.
• Metallzangen von Hand gehalten:5.000 bis 10.000 Ω trocken, 1.000 Ω bis 3.000 Ω nass.
• Kontakt mit der Handfläche:3.000 bis 8.000 trocken, 1.000 Ω bis 2.000 Ω nass.
• 1,5-Zoll-Metallrohr mit einer Hand gegriffen:1.000  bis 3.000  trocken, 500  bis 1.500 Ω nass.
• 1,5-Zoll-Metallrohr mit zwei Händen gegriffen:500 bis 1.500 kΩ trocken, 250 Ω bis 750 Ω nass.
• Hand in leitfähige Flüssigkeit eingetaucht:200 Ω bis 500 Ω.
• In leitfähiger Flüssigkeit eingetauchter Fuß:100 Ω bis 300 Ω.

Beachten Sie die Widerstandswerte der beiden Bedingungen mit einem 1,5-Zoll-Metallrohr. Der Widerstand, der gemessen wird, wenn zwei Hände das Rohr greifen, beträgt genau die Hälfte des Widerstands, wenn eine Hand das Rohr greift.

Mit zwei Händen ist die Körperkontaktfläche doppelt so groß wie mit einer Hand. Dies ist eine wichtige Lektion zu lernen:Der elektrische Widerstand zwischen berührenden Objekten nimmt mit zunehmender Kontaktfläche ab, wobei alle anderen Faktoren gleich sind. Mit zwei Händen, die das Rohr halten, hat der Strom zwei, parallel Wege, durch die vom Rohr zum Körper fließen (oder umgekehrt).

Wie wir in einem späteren Kapitel sehen werden, ist parallel Schaltkreispfade führen immer zu einem geringeren Gesamtwiderstand als jeder einzelne Pfad, der allein betrachtet wird.

In der Industrie gelten 30 Volt allgemein als konservativer Schwellenwert für gefährliche Spannungen. Die vorsichtige Person sollte jede Spannung über 30 Volt als bedrohlich betrachten und sich nicht auf den normalen Körperwiderstand zum Schutz vor Stößen verlassen. Trotzdem ist es immer noch eine ausgezeichnete Idee, die Hände sauber und trocken zu halten und allen Metallschmuck abzulegen, wenn man mit Elektrizität arbeitet.

Selbst bei niedrigeren Spannungen kann Metallschmuck eine Gefahr darstellen, da er genügend Strom leitet, um die Haut zu verbrennen, wenn er zwischen zwei Punkten in einem Stromkreis in Kontakt kommt. Vor allem Metallringe waren die Ursache für mehr als ein paar verbrannte Finger durch Überbrückung zwischen Punkten in einem Niederspannungs- und Hochstromkreis.

Auch Spannungen unter 30 können gefährlich sein, wenn sie ausreichen, um ein unangenehmes Gefühl hervorzurufen, das dazu führen kann, dass Sie zucken und versehentlich mit einer höheren Spannung oder einer anderen Gefahr in Berührung kommen. Ich erinnere mich, an einem heißen Sommertag einmal an einem Auto zu arbeiten.

Ich trug Shorts, mein nacktes Bein berührte die verchromte Stoßstange des Fahrzeugs, während ich die Batterieanschlüsse festziehe. Als ich mit meinem Metallschlüssel die positive (ungeerdete) Seite der 12-Volt-Batterie berührte, spürte ich ein Kribbeln an der Stelle, an der mein Bein die Stoßstange berührte. Die Kombination aus festem Kontakt mit Metall und meiner verschwitzten Haut ermöglichte es, mit nur 12 Volt elektrischem Potential einen Schlag zu spüren.

Zum Glück ist nichts Schlimmes passiert, aber wenn der Motor gelaufen wäre und der Stoß an meiner Hand statt an meinem Bein gespürt hätte, hätte ich möglicherweise reflexartig meinen Arm in den Lauf des sich drehenden Lüfters gerissen oder den Metallschlüssel über die Batteriepole fallen lassen (wodurch groß Stromstärken durch den Schraubenschlüssel mit vielen begleitenden Funken).

Dies veranschaulicht eine weitere wichtige Lektion in Bezug auf die elektrische Sicherheit; dass elektrischer Strom selbst eine indirekte Verletzungsursache sein kann, indem er Sie dazu bringt, zu springen oder Teile Ihres Körpers in Gefahr zu bringen.

Der Weg, den der Strom durch den menschlichen Körper nimmt, macht einen Unterschied, wie schädlich er ist. Der Strom beeinflusst alle Muskeln, die ihm im Weg stehen, und da Herz- und Lungenmuskeln (Zwerchfell) wahrscheinlich die überlebenswichtigsten sind, sind Stoßpfade, die die Brust durchqueren, die gefährlichsten. Dies macht den Weg des Hand-zu-Hand-Schockstroms zu einer sehr wahrscheinlichen Art von Verletzung und Tod.

Um einem solchen Ereignis vorzubeugen, ist es ratsam, an spannungsführenden Stromkreisen mit gefährlicher Spannung nur mit einer Hand zu arbeiten und die andere Hand in eine Tasche zu stecken, um nicht versehentlich etwas zu berühren. Natürlich ist es immer sicherer an einem Stromkreis zu arbeiten, wenn dieser nicht mit Strom versorgt wird, aber dies ist nicht immer praktisch oder möglich.

Beim einhändigen Arbeiten wird die rechte Hand im Allgemeinen der linken vorgezogen, und zwar aus zwei Gründen:Die meisten Menschen sind Rechtshänder (was eine zusätzliche Koordination beim Arbeiten ermöglicht) und das Herz liegt normalerweise links von der Mitte in der Brusthöhle.

Für Linkshänder ist dieser Rat möglicherweise nicht der beste. Wenn eine solche Person mit ihrer rechten Hand ausreichend unkoordiniert ist, kann sie sich selbst einer größeren Gefahr aussetzen, indem sie die Hand benutzt, mit der sie sich am wenigsten wohl fühlt, auch wenn ein Stoßstrom durch diese Hand eine größere Gefahr für ihr Herz darstellen könnte. Die relative Gefahr zwischen Schlägen durch die eine oder andere Hand ist wahrscheinlich geringer als die Gefahr, mit weniger als optimaler Koordination zu arbeiten, so dass die Wahl der Hand, mit der sie arbeiten soll, am besten dem Einzelnen überlassen wird.

Der beste Schutz gegen Stöße durch einen spannungsführenden Stromkreis ist Widerstand, und der Widerstand kann dem Körper durch die Verwendung von isolierten Werkzeugen, Handschuhen, Stiefeln und anderer Ausrüstung hinzugefügt werden. Der Strom in einem Stromkreis ist eine Funktion der verfügbaren Spannung geteilt durch die Gesamtmenge Widerstand im Strömungsweg. Wie wir später in diesem Buch noch genauer untersuchen werden, haben Widerstände einen additiven Effekt, wenn sie gestapelt sind, so dass es nur einen Weg für den Stromfluss gibt:

Jetzt sehen wir eine Ersatzschaltung für eine Person, die isolierte Handschuhe und Stiefel trägt:

Weil elektrischer Strom durch den Stiefel und fließen muss der Körper und der Handschuh, um seinen Stromkreis zurück zur Batterie zu schließen, die kombinierte Summe (Summe ) dieser Widerstände wirkt dem Stromfluss stärker entgegen als jeder der einzeln betrachteten Widerstände.

Sicherheit ist einer der Gründe, warum elektrische Leitungen normalerweise mit Kunststoff- oder Gummiisolierungen bedeckt sind:um den Widerstand zwischen dem Leiter und jedem oder was auch immer ihn berühren könnte, erheblich zu erhöhen.

Leider wäre es untragbar teuer, Stromleitungsleiter zu isolieren, um im Falle eines versehentlichen Kontakts Sicherheit zu bieten. Die Sicherheit wird also gewährleistet, indem diese Leinen weit genug außerhalb der Reichweite gehalten werden, damit niemand sie versehentlich berühren kann.

RÜCKBLICK:

• Der Körperschaden hängt von der Höhe des Stoßstroms ab. Eine höhere Spannung ermöglicht die Erzeugung von höheren, gefährlicheren Strömen. Der Widerstand widersetzt sich dem Strom, wodurch ein hoher Widerstand eine gute Schutzmaßnahme gegen Stöße ist.
• Jede Spannung über 30 gilt allgemein als geeignet, gefährliche Stoßströme zu erzeugen.
• Metallschmuck ist definitiv schlecht zu tragen, wenn man in der Nähe von Stromkreisen arbeitet. Ringe, Uhrenarmbänder, Halsketten, Armbänder und andere solche Schmuckstücke bieten einen ausgezeichneten elektrischen Kontakt mit Ihrem Körper und können selbst bei geringer Spannung Strom genug leiten, um Hautverbrennungen zu verursachen.
• Niedrige Spannungen können auch dann gefährlich sein, wenn sie zu niedrig sind, um direkt Stromschlagverletzungen zu verursachen. Sie können ausreichen, um das Opfer zu erschrecken, was dazu führt, dass es zurückschreckt und etwas Gefährlicheres in der Nähe kontaktiert.
• Wenn an einem „stromführenden“ Stromkreis gearbeitet werden muss, ist es am besten, die Arbeit mit einer Hand auszuführen, um einen tödlichen Stoßstrompfad von Hand zu Hand (durch die Brust) zu vermeiden.

Sehen Sie sich unbedingt unseren Ohmschen Gesetzrechner an.

VERWANDTE ARBEITSBLÄTTER:

• Arbeitsblatt zur Ohmschen Anwaltspraxis mit Arbeitsblatt mit Antworten
• Algebraische Substitution für elektrische Schaltkreise Arbeitsblatt