ЕЛЕКТРИЧНИЙ ОПІР ТІЛА ЛЮДИНИ
А) Жива тканина як провідник електричного струму
Тіло людини є провідником електрично-го струму. Однак провідність живої тканини на відміну від звичайних провідників обумовлена не тільки її фі-зичних властивостями, але і складними біохімічес-кими і біофізичними процесами, притаманними лише живої матерії.
В результаті опір тіла людини являє-ся змінною величиною, що має нелінійну зави-ності від безлічі факторів, у тому числі від стану шкіри, параметрів електричного кола, фізіологи-чеських факторів і стану навколишнього середовища.
У живій тканині немає вільних електронів і тому вона не мо-же бути уподібнюючи металевому провіднику, електричний струм в якому є впорядкований рух вільних електронів.
Більшість тканин тіла людини містить значну ко-личество води (до 65% за вагою). Тому живу тканину можна рас-розглядати як електроліт, т. Е. Розчин, що розкладається хімічно при проходженні по ньому струму, і, таким чином, вважати, що вона володіє іонною провідністю. Інакше кажучи, можна вважати, що перенесення електричних зарядів в живій тканині здійснюється не вільними електронами, як це має місце в металевих провідниках, а зарядженими атомами або групами атомів - іонами.
У живій тканині має місце явище міжклітинної міграції (переміщення) енергії, т. Е. Резонансний перенос енергії електрон-ного збудження між збудженої і не збудженому клітина-ми. Тому можна припустити, що жива тканина володіє так-же електронно-доречнийпровідністю, властивої полупровод-никам, в яких перенесення зарядів здійснюється електронами провідності і дірками.
Таким чином, тіло людини можна розглядати як про-водник особливого роду, який має змінний опір і обла-дає в якійсь мірі властивостями провідників першого роду (напівпровідники) і другого роду (електроліти)
б) Електричний опір тіла людини
Електричний опір різних тканин тіла
людини неоднаково: шкіра, кістки, жирова тканина, сухожилля і хрящі мають відносно велику со-опір, а м'язова тканина, кров, лімфа і осо-бенно спинний і головний мозок - мале опираючись-ня. Наприклад, питомий .об'емное опір, Ом-м, при струмі 50 Гц становить:
Шкіри сухий 3-10 я -2-Ч0- *
Кістки (без окістя) 10 4 -2 • 10 год
Жирової тканини 30-6
М'язової тканини. 1,5-3
Спинномозкової рідини 0,5-0,6
З цих даних випливає, що шкіра має дуже великою питомою опором, яке є головним фактором, що визначає опір ті-ла людини в цілому.
Будова шкіри дуже складно. Шкіра складається з двох основних шарів: зовнішнього, званого епідермісом, і внутрішнього, являю-щегося власне шкірою і носить назву дерми (рис. 1-7).
Зовнішній шар шкіри - епідерміс в свою чергу со-стоїть з п'яти шарів, з яких самий верхній є, як пра-вило, товщим, ніж всі інші верстви разом узяті, і називаються ється роговим,
Роговий шар включає в себе кілька десятків рядів мертвих ороговілих клітин, що мають вигляд лусочок, щільно приле-гающих одна до іншої. Кожна така чешуйка є щільною рогову оболонку, як би сплюснутую маленьку поду-шечку, що містить невелику кількість повітря.
Роговий шар позбавлений кровоносних судин і нервів і тому є шаром неживої тканини. Товщина його на різних ділянках тіла різна і коливається в межах 0,05-0,2 мм. Найбільшою товщини він досягає в місцях, що піддаються постійним меха-ническим впливів, в першу чергу на підошвах і долонях, де, потовщені, він може утворювати мозолі.
Роговий шар володіє високою механічною ін-ністю, погано проводить тепло і електрику і є як би захисною оболонкою, що покриває все тіло людини. У сухому і не-забрудненому стані цей шар можна розглядати як діелек-трик: його питомий опір досягає 10 5 -10 6 Ом-м, т. Е. В сотні і тисячі разів перевищує опір інших шарів шкіри внутрішніх тканин організму. Інші шари епідермісу, що лежать під роговим шаром і освічені в основному з живих клітин, можна умовно об'єк-единить в один так званий паростковий з л про і.Дерма є живою тканиною; електричний опір її незначно: воно в багато разів менше опору рогового шару.
Опір тіла людини, т. Е. Опір між двома електродами, накладеними на поверх-ність тіла, при сухій, чистій і непошкодженій шкірі (виміряний при напрузі до 15-20 В) коливається в межах приблизно від 3000 до 100 000 Ом, а іноді и більше. Якщо на ділянках шкіри, де прикладаються електроди, зішкребти роговий шар, опір тіла впаде до 1000-5000 Ом, а при видаленні всього верхнього шару шкіри (епідермісу) -до 500-700 Ом. Якщо ж під електродами повністю видалити шкіру, то буде виміряно опір внутрішніх тканин тіла, яке складе лише 300-500 Ом.
Опір тіла людини можна умовно вва-тать що складається з трьох послідовно включених опорів: двох однакових опорів на-ружной шару шкіри, т. Е. Епідермісу, 2 zH (які в сукупності складають так зване зовнішнє опір тіла людини) і одного, званого внутрішнім опором тіла RB (яке включа-ет в себе опір внутрішніх шарів шкіри і опір внутрішніх тканин тіла)
Опір зовнішнього шару кожігп складається з активного і ємнісного опорів, включених паралельно. Ємнісний опір обумовлено тим, що в місці дотику електрода до тіла людини утворюється як би конденсатор, обкладками ко-торого є електрод і добре проводять струм тканини тіла людини, що лежать під зовнішнім шаром шкіри, а діелектриком - цей шар (епідерміс) .Звичайно це плоский конденсатор, ємність якого залежить від площі електрода S (м 2), товщини епідермісу d (м) і діелектрі-чеський проникності епідермісу е, яка в свою чергу залежить від багатьох факторів: частоти прикладеної напруги, темпера-тури шкіри, нали чия в шкірі вологи і ін. При струмі 50 Гц значення е знаходяться в межах від 100 до 200
Ємність конденсатора, Ф:
де ео = 8,85-10- 12 Ф / м - електрична постійна.
Як показують досліди, Сп коливається в межах від декількох сотень пикофарад до декількох микрофарад.
Активний опір зовнішнього шару ко-ж і RB, Ом, залежить від питомої об'ємного опору епідер-миса рн. значення якого знаходяться в межах 10 4 -10 5 Ом-м, а також від S і d
Опір зовнішнього шару шкіри zH при площі контактів в кілька квадратних сантиметрів досягає дуже великих значень (десятків і сотень тисяч Ом) .Внутрішня опір тіла вважається чисто ак-нормативним, хоча, строго кажучи, воно також має їм-кісткового составляющей.Жівую клітку можна уявити собі як оболонку з дуже малою провідністю, заповнену рідиною, добре проводячи-щей струм. Ця клітина оточена такою ж рідиною. Очевидно, що в цьому випадку утворюється елементарний конденсатор, який і обу-словлівает емкостную провідність клітини. Однак ця проводь-ність виявляється незначною у порівнянні з досить біль-шою іонною провідністю клітини і нею без особливої похибки можна знехтувати. Значення внутрішнього опору RB, Ом, зави-сит від довжини і поперечного перерізу ділянки тіла, по якому проходить струм, а також від питомої об'ємно-го опору внутрішніх тканин організму рв. усереднене значення якого при струмі з частотою до 1000 Гц складає 2,5-2,0 Ом-м. Внутрішнє опору-тивление RB практично не залежить від площі елек-Трод, частоти струму, а також від значення прикладений-ного напруги і дорівнює приблизно 500-700 Ом.
Еквівалентна схема опору тіла людини для розглянутих умов
На підставі цієї схеми ми можемо написати вираз пів-ного опору тіла людини в комплексній формі, Ом,
або після відповідних перетворень - в дійсній формі, Ом,
де Za - опір зовнішнього шару шкіри в комплексній фор-ме, Ом; зі = 2л / кутова швидкість, рад / с; f - частота струму, Гц.
Цю схему можна спростити, уявивши опору-ня тіла людини як паралельне з'єднання со-спротиву Rh = 2Ra -t-RB і ємності СЛ «0,5Сн *, ко-торие назвемо відповідно активний опір третьому і ємністю тіла людини (рис. 1 -8, в). У цьому слу-чаї вираз повного опору тіла людини в дійсній формі буде, Ом,
З виразів видно, що при малої місткості (коли її можна прийняти рівною нулю) пів-ве опір тіла людини виявляється рівним сумі активних опорів обох шарів епідерми-са і внутрішнього опору тіла, т. Е. Ом,
Прирівнявши (1-3) п (1-4), можна отримати значення Сл, Вира-женное через Сс. При цьому СЛ виявляється дещо менше 0,5 С ". Якщо ж прийняти /? В == 0, то отримаємо, що Сл «го, 5сп.