电流的杀伤力是靠电压还是电流强度?
电流的危害来自于当它流过心脏的传导系统的时候, 有可能打乱心脏的自律/自主性。
导致严重的心律失常, 最后因为心脏输出量减少或者不能泵血, 大脑缺氧最后死亡。
杀伤力是作用在这部分能量的大小, 也就是有多少焦耳的能量最终会流过心脏的传导系统。
这才是您应该看到的大画面。
其他的数据, 可以用欧姆定律、KCL/KVL、 以及各国的电工安全规范计算出来。
只要不破坏心脏的自律性, 人很难被电死。
痛和难受是一回事, 死不死是另一回事。
烧伤也是另外一回事。
救人用的除颤器也是靠电击来恢复心脏的正常节律的。
心脏起搏器,也是靠人工的脉冲刺激心肌节律性收缩来恢复心脏的正常节律的。
所以, 回过头来看 “电流的杀伤力是靠电压还是电流强度?”
您会觉得问题没有问到点子上。
参考:
学过生理学的孩子都知道, 動作電位(英文:action potential),指的是靜止膜電位狀態的细胞膜受到適當刺激而产生的,短暂而有特殊波形的,跨膜电位搏动。细胞产生动作电位的能力被称为兴奋性,有这种能力的细胞如神经细胞和肌细胞。动作电位是实现神经传导和肌肉收缩的生理基础。 一個初始刺激,只要達到了阈电位(英文:threshold potential)(不論超過了多少,也就是全有全无律,就能引起一系列离子通道的开放和关闭,而形成离子的流动,改变跨膜电位。而这个跨膜电位的改变尤能引起临近位置上细胞膜电位的改变,这就使得兴奋能沿着一定的路径传导下去。
動作電位過程
首先细胞膜處於靜止膜電位,大概在-50到-70mV。動作電位可分為四个相位:
極化(英文:polarization):细胞膜由靜止膜電位到達阈电位,刺激可以使细胞膜电位改变,開啟電閘型鈉離子通道,使鈉離子大量進入細胞。
去極化(英文:depolarization):膜电位陡峭上升至正值水平,鈉離子大量進入細胞。這个峰电位中去极化部分被称为“升支”,而正的电位值则被称为“超射”。
再極化(英文:repolarization):朝静息电位方向的下降过程。
過極化(英文:hyperpolarization):再極化在下降过程中,电位会短时间下降到低于静息电位水平,然后再上升达到静息电位,这种静息电位的增大(绝对值)被称为超极化(而下降部分被称为负后电位,上升部分则是正后电位)。
(極化 好比 是 直流電 電位)(去極化 指明 上升突波) (再極化 指明 對稱的 下降突波 )(過極化 指明 一定 超過了 極化電位。這段 就是 明顯 電感性質 零件;不超過 極化電位 唯一 是電容性質 零件。) 动作电位持续约1-2 ms(神经元),但也可达几百毫秒(心脏)。
动作电位后是不应期,这又分为0.5 ms的绝对不应期和3.5 ms的相对不应期。前者无论刺激多频繁多强都不能引起动作电位,而后者则要更强的刺激(阈电位提高了)才能引起动作电位。
细胞膜上有多种离子通道。而动作电位的产生,则与钠和钾离子通道有关。这些离子通道的开关状态与膜电位有关,即是所谓的电压门控通道。
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心脏的自律性
心脏颇有节律地自行搏动,就心电生理来讲即心脏细胞在有规律地、由节律点控制地周而复始地进行着除极与复极的活动。能够自发地进行这种活动的细胞称为节律细胞,从动作电位来看大体上可以分为两类,即①慢通道型—它的除极依赖于慢通道对Ca2+的开放,较缓慢,静息时的跨膜电位也不高(图2-12B)。窦房结和房室结的节律细胞属于此类。②快通道型—它的跨膜电位高(-85~-90mV),除极有赖于快通道对Na+的开放,除极迅速,希-浦纤维属于这类节律细胞。
由完全复极的时间开始至除极的时间决定节律点的节率(次/min),即心动周期的时间(s或ms),其影响因素有如下。
(一)第4位相自发除极的速度 这是最主要的决定性因素。动作电位的第4位相,细胞内的正离子逐渐增多,使跨膜电位逐渐缩小,第4位相呈斜线上行,当达到除极阈值时即开始除极。第4位相自发除极的速度愈快,斜率愈大,则心动周期愈短,心率愈快。反之,心率就减慢。
第4位相的自发除极是由于细胞内、外离子交换的不平衡所致。一些研究提示,在第4位相,细胞膜对钾的通导率(conductance)减低,使较多的K+留在细胞内。也有些研究说明窦房结和房室结的细胞在第4位相时Na+进入细胞内的速度随时间而增强,即Na+在细胞内浓度增多。以上两种机制都可以使第4位相自发地除极(图2-13A)。
(二)除极阈值的改变 通常结性自律细胞的除极阈值为-55~-65mV,浦倾野细胞的阈值为-75mV左右,如阈值增大(更大的负值),则心动周期缩短,心率加快。反之,则心率减慢(图2-13B)。
(三)复极后的电位 如复极过度,则复极后的电位过大,第4位相达到阈值时间就延长,心率减慢。如复极不足则电位较小,更接近阈值,心率增快(图2-13C)。
通常,窦房结的节律较快,它的除极扩散传导到全心脏,成为正常的起搏点。但如因某种原因,窦律变慢,则下一级(通常为房室结),起而代之。如果由于某些因素下一级的自律细胞自律性增强,就可以超越窦房结之前而除极,并控制全心脏,这就成为异位心律,是早搏或异位性心动过速的原因之一。
交感神经兴奋过强,心肌缺血,常使异位的自律性增强。许多抗心律失常的药物能影响并减弱第4位相的自发性除极速度,使自律性降低。
The health hazard of an electric current flowing through the body depends on the amount of current and the length of time for which it flows, not merely on the voltage. However, a high voltage is required to produce a high current through the body. This is due to the relatively high resistance of skin when dry, requiring a high voltage to pass through.[13] The severity of a shock also depends on whether the path of the current includes a vital organ.
Death can occur from any shock that carries enough sustained current to stop the heart. Low currents (70–700 mA) usually trigger fibrillation in the heart, which is reversible via defibrillator but is nearly always fatal without help. Currents as low as 30 mA AC or 300-500 mA DC applied to the body surface can cause fibrillation. Large currents (> 1 A) cause permanent damage via burns and cellular damage.
The voltage necessary to create current of a given level through the body varies widely with the resistance of the skin; wet or sweaty skin or broken skin can allow a larger current to flow. Whether an electric current is fatal is also dependent on the path it takes through the body, which depends in turn on the points at which the current enters and leaves the body. The current path must usually include either the heart or the brain to be fatal.
"Electrocute" from the Merriam-Webster Dictionary of the English Language, 2009
"electrocute". Oxford Dictionaries. Oxford University Press. Retrieved 2015-08-22.
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Craig Brandon The Electric Chair: An Unnatural American History page 24
Richard Moran, Executioner's Current: Thomas Edison, George Westinghouse, and the Invention of the Electric Chair, Knopf Doubleday Publishing Group - 2007, pages 102-104
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Fish, Raymond M.; Geddes, Leslie A. (2009-10-12). "Conduction of Electrical Current to and Through the Human Body: A Review". Eplasty. 9. ISSN 1937-5719. PMC 2763825. PMID 19907637.
电击伤害的根本原理是“电流通过介质时,单位时间内释放的电能超过了介质单位时间的承载上限,导致介质变性、损坏等”。
这一段原理我给大家解释一下:
伤害的本质,是能量突破物质承载的限度。以我们日常生活中的现象来说,就是~安全情况下,能量的作用较小,不足以打破物质原有结构的平衡;而危险情况,即为能量的作用较大,有可能或者确实可以打破物质原有结构平衡,物质结构失衡,造成物质的损坏。
电能的本质是什么呢?简单来说就是电子所具有的动能!我们知道导体之所以导电,是因为导体分子(或原子、离子)外有着“调皮”的电子,当电场通过时,这些电子很容易在电场作用下定向运动,进而形成电流,此时电子携带的动能,就是电能。
电能以热量消耗掉,是因为在电阻(也就是电子不太“调皮”的分子原子等)的作用下,电子的移动力被限制,电子的动能被迫施放,就变成了原子、分子的动能,这就是“热”!人体被电击伤,有很多情况都是因为电流的热效应。
当电流通过人体或其他介质时,电能都会被施放出来。如果人体不被击伤或者介质不被损坏,那本质原因是在这个施放能量的过程中,电子的动能不大,不足以破坏人体与介质的微观与宏观结构。准确点说,是单位时间内施放的电子动能没有超出介质承载的上限。就算总的电能超过介质承载上限,但热效应产生的热量毕竟是会消散的,只要热量不累加到极限,那都是在可承载的范围内,不用担心损坏。
电压过低,电流无法顺畅流过介质,介质里流动的电子动能极小,施放的能量很低,不足以损坏介质。此时介质基本表现出“绝缘性”。
电压够高,电流可以顺畅通过介质,但如果电流不大,携带的电能低,电能释放的量不超过介质的承载上限,一样不会造成什么损伤。
电压电流都很高的那就不用多讲了。
这里也插入一下解释:
我对电学的了解很肤浅,记忆电效应的方式基本都类比成水。
电流理解为水流,电压理解为水压。
电流大小,可以理解为导体截面通过电子数量的多少,类似于水管截面通过水分子数量的多少。电流的准确定义可以百度百科,这里只做原理解释。
水分子可以流得很慢,电子也可以流得很慢。此时单个水分子的动能很小,但是水量大了,动能也是很大的!电流同理。
电压,我更喜欢说成是“电势差”,直接理解成水在高出和低处时候所具有的重力势能差值。水压越大,水流速越快,单个水分子的动能越大。换成电压同理。
接下来,如果电做功的原理不好理解,我们直接换成水做功~
一条小溪,水流速度中规中矩,但是流量挺大,它能推动挺重的船,也可以带动水车运作。虽然这里水的动能挺大,但你在溪边洗个手,总不至于被水冲掉一条胳膊吧,但水量够大的话,把你整个人冲走还是有办法的。
一支针筒,高压水枪甚至是水刀的加压筒……就一丁点水流出来,但流速奇快,这高压水柱可是能够切割硬质金属的!水流的动能也不小,压力够大的话,冲掉一条胳膊想必不在话下!
电流释放能量的原理,和水流类似。都是微观粒子的动能转化成其他形式的动能。只要这能量释放的方式到位了,不管是水压还是水量,都很致命。电压电流同理!
有一种比较特殊的情况,真空中的尖端放电。电压极高但没有介质,电流本是0。
但极大的电势能超过了导体的承载上限,导体尖端会被气化,形成等离子体介质通电,这种电能释放的方式极为剧烈!威力可想而知!
这个过程中,直至导体尖端气化,电流都没有形成回路。但是导体尖端气化,这个换算成杀伤力的话,应该能理解是怎样的情况了吧。
用电能的概念来讲,应该很好理解吧?这还有看不懂的吗?
先说答案:电击的杀伤力作用主要是电流造成的,电压作用相对电流会弱很多。
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这个问题与两部国家标准有关。
第一部标准是:GB/T 13870.1-2008《电流对人和家畜的效应 第1部分:通用部分》
在这部标准里,详细解释了人体被电击后的情况,以及各种表格数据。其中部分内容摘录如下:
以下是标准中的几个关键参数:
可见,人体被电击的体感强度,与人体皮肤的干燥程度及皮肤阻抗有关。
我们看到,人体在干燥的条件下,手到手间的电阻与电压值有关,电压越高,手到手的电阻就越低。
再看湿润条件下的情况:
我们看到,在湿润条件下,手到手的电阻比干燥条件下要小很多。这就解释了为何鞋子潮湿时人体的电击感受更加强烈。
再看交流电流流过人体后时间/电流区域的四种定义:
我们看到,AC-1下被电击者会吓一跳,AC-2则出现强烈不适和呼吸困难,AC-3下人体应当已经昏过去了,AC-4当然就是死翘翘了。
我们再看直流电流的情况:
内容就不解释了,但看起来似乎人体对直流电电击的忍耐程度比交流电要好一些。当然,电击后人体也够呛。
我们再看这张关键图:
图中的横坐标是流过人体的电流,纵坐标是电流持续时间。
我们看到随着AC-1到AC-4的排列,后者比前者严重。
这说明:流过人体的电击电流强度与作用时间与电流区域是有关的,也由此看到题主的问题答案:电击杀伤力主要是电流作用。
我们再看人体遭受电击后的摆脱能力:
图中,横坐标是摆脱电流,纵坐标是不同摆脱人群的百分位数。我们看到男人比女人承受能力更强,而女人又比孩子的承受能力更强。
也因此,一旦发生电击,在相同电流情况下,例如摆脱电流是10毫安,男人们因为承受能力更强,只有1%的人摆脱,而女人承受能力弱,有40%的人摆脱,孩子有95%的人摆脱了。
但是不是电压对人体承受电击的能力就没有影响呢?答案是否定的,我们看下图:
我们看到,电压高低对人体的电击感受也是很强烈的。注意到电压从100V增加到200V,变化已经很大了,但对人体的作用相对电流会弱一些。
由此可见,电击的杀伤力中,电流作用比电压作用更加强烈。
大家可能要问:如此可怕的国家标准,是干什么用的?答案是:这部标准是我们设计漏电保护器和开关电器的最主要参考依据。没有它,我们就无法设计出满足安全用电条件的漏电保护器,也无法确保合理的电击防护条件了。
第二部标准是GB156-2011《标准电压》。
这部标准是标准中的标准,它规定了各种电压等级。也就是说,电厂和电业公司提供的电压,并不是任意值,而是标称值,它们必须满足国家强制性标准GB156的要求。
下图是标准中规定的低于交流120V电压等级的各种电压:
图中天蓝色的区域,属于安全交流电压的范畴,对人体的伤害很小。交流安全电压的最高值是36V。
图中我们也能看到直流安全电压的范畴,不过,它的最高值比交流电压要高一些。按照GB3808,直流安全电压的最高值是42V。
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看到评论区有谈到说我直接引用国家标准,我来解释一下:
不管是我国也好,是国外也好,但凡属于在市场上销售的产品,也包括施工工程在内,都必须要有上市许可证。而生产厂家要获得上市许可证,第一件事就是把产品在国家重点实验室或者专门试验中心做测试,看看是否满足国家标准的要求。这种测试或者试验叫做型式试验。
对于制造厂而言,国家标准和型式试验是它们研发新产品在入市前最后一道也是最重要的一道关卡。由此可见型式试验和国家标准的重要性。
在实际的施工工程中,有许多施工规范,这些施工规范也是以国家标准的形式发布。
由此可知,国家标准对于制造业和施工工程来说,既有指导价值,同时也是验收规范。也因此,在企业单位,工程人员在讨论技术问题时,开口闭口都是国家标准。
对于电击现象而言,它的重要性完全不亚于电器本身,是我们安装和使用电器设备时必须重点考虑和规避的重要限制条件。所以,在这里出现国家标准是一点也不奇怪的。
国家标准的特点是:第一,它是理论与实际的结合体,但更偏向具体工程和电器;第二,它对于使用方和制造方(施工方)来说,提供了可共同参照和信赖的技术文本;第三,它具有很强的指导意义。
既然国家标准如此重要,所以我的这篇文档就写成了国家标准的释疑。我觉得,这样写更有实用价值。
另外,我们来仔细看看人体触电时间和通过人体的电流关系曲线:
我们都知道,我国规定,漏电保护器的动作电流是30mA,并且触电时间不得超过1秒。
我们再看以上曲线,我们会发现,当通过人体的电流不超过30mA.s时,对人体不会有损伤。但如果通过人体的电流超过50mA.s时,对人体就有致命危险。如果电流达到100mA.s时,人就会致命。
因此,我们把100mA叫做致命电流。
我们由此看到,电流才是人体电击作用的始作俑者,并且漏电开关把动作电流定为30mA,是很有道理的。