Электробезопасность
Ток примерно от 10 до 20 mA через тело может вызвать судорогу кисти, не позволяющую отпустить провод, а сопротивление насквозь промокшего человека может составлять всего 10 kΩ.
Две опасности: нагрев и удар током
Электричество может причинить вред двумя способами. Тепловая опасность возникает, когда слишком большая мощность превращается в тепло там, где этого не должно быть, например внутри стены, и может вызвать пожар. Поражение током происходит, когда ток проходит через человека. Оба случая прямо связаны с формулами курса, P = V² ÷ R и I = V ÷ R, поэтому ты уже можешь понять причину опасности.
Короткое замыкание
Короткое замыкание образует путь с очень малым сопротивлением между двумя полюсами источника. Например, изношенная изоляция позволяет двум проводам шнура прибора соприкоснуться. Поскольку сопротивление r замыкания очень мало, мощность P = V² ÷ r огромна. В примере OpenStax к сопротивлению 0.100 Ω приложено 120 V: 120² ÷ 0.100 = 144 000 W, или 144 kW, намного больше мощности любого бытового прибора. Тепло выделяется так быстро, что изоляция плавится или загорается. В лаборатории батарея идеальная, поэтому при замыкании ток растёт без ограничения, а лаборатория выделяет его красным. У настоящей батареи есть внутреннее сопротивление, ограничивающее ток, но она всё равно быстро нагревается.
Перегрузки, предохранители и автоматические выключатели
Менее заметная опасность связана с перегрузкой: слишком большой ток слишком долго проходит по проводу. Мощность нагрева самого провода равна P = I² R_w. Сопротивление повреждённого шнура с оборванными жилами может составлять 2.00 Ω вместо 0.100 Ω; при токе 10.0 A внутри него выделяется 200 W тепла. Вспомни урок о параллельных цепях: каждый включённый прибор добавляет свой ток в питающие провода. Поэтому несколько мощных приборов в одном удлинителе могут перегрузить его, даже если каждый из них исправен.
Предохранители и автоматические выключатели защищают от обеих опасностей. Их включают последовательно с цепью, поэтому через них проходит весь её ток. В предохранителе есть металлическая полоска с низкой температурой плавления: чрезмерный ток расплавляет её и разрывает цепь, после чего предохранитель нужно заменить. Автоматический выключатель размыкается, когда ток слишком долго превышает предел; затем его можно включить снова. Некоторые устройства при запуске ненадолго потребляют большой ток, как холодная фара в уроке о законе Ома. Поэтому предохранители и автоматы допускают кратковременные скачки и срабатывают при продолжительной перегрузке.
Перетащи, чтобы повернуть. Для изменения масштаба прокрути колёсико или сведи и разведи два пальца.
Перетащи, чтобы повернуть. Для изменения масштаба прокрути колёсико или сведи и разведи два пальца.
Как ток действует на тело
Тяжесть поражения зависит прежде всего от силы тока, а также от его пути через тело, длительности воздействия и частоты источника. В OpenStax приведены типичные последствия прохождения тока сети 60 Hz через туловище в течение 1 секунды; они перечислены в таблице. Для женщин значения составляют примерно от 60 до 80 процентов указанных. Пороги невелики. Судорожное сжатие кисти, не позволяющее отпустить провод, начинается при токе примерно от 10 до 20 mA. Фибрилляция сердца, смертельно опасное нарушение ритма, возможна при токе примерно от 100 до 300 mA.
| Сила тока (mA) | Типичное действие |
|---|---|
| 1 | Порог ощущения |
| 5 | Наибольший безвредный ток |
| От 10 до 20 | Судорога мышц; невозможно отпустить провод; во время удара током может остановиться дыхание |
| 50 | Появление боли |
| От 100 до 300 и выше | Возможна фибрилляция желудочков, нередко смертельная |
| 300 | Начинаются ожоги; зависит от плотности тока |
| 6000 (6 A) | Во время воздействия могут остановиться сердце и дыхание |
Закон Ома объясняет, почему вода так важна. Большая часть сопротивления тела приходится на сухую кожу. OpenStax приводит около 200 kΩ для человека с сухой кожей: при 120 V ток равен 120 ÷ 200 000 = 0.6 mA и не ощущается. Если тот же человек насквозь промок, сопротивление может составить всего 10.0 kΩ, и при тех же 120 V ток достигнет 12 mA, уже выше порога, при котором кисть не может разжаться. При напряжении от 220 до 230 V, принятых в Корее, Европе и многих других местах, эти два сопротивления дают примерно 1.1 mA и 22 mA. Именно поэтому мокрые руки, ванные комнаты и электрические устройства рядом с водой опасны.
Заземление, двойная изоляция и УЗО
Современная проводка предусматривает несколько уровней защиты. В трёхпроводной системе третий, заземляющий провод соединяет металлический корпус прибора с землёй, поддерживая его потенциал близким к нулю. Если из-за изношенной изоляции фазный провод коснётся корпуса, ток пойдёт по заземляющему проводу, а не через человека, держащего прибор, и обычно отключит автомат. Приборы с двойной изоляцией используют защитную изолирующую систему вместо заземления. Их определяют по маркировке, а не только по числу контактов вилки. Устройство защитного отключения, которое в разных странах называют прерывателем тока замыкания на землю или выключателем тока утечки, сравнивает ток в уходящем и возвращающемся проводах. Если разность превышает заданное значение, значит, часть тока утекает, возможно через человека; устройство отключает питание за долю секунды. Порог зависит от страны. В Северной Америке такие устройства срабатывают примерно при 5 mA, наибольшем безвредном токе в таблице. УЗО для защиты людей в Корее и Европе обычно рассчитаны на 30 mA, а корейские нормы требуют 15 mA для розеток в ванных комнатах.
- Держи электроприборы и розетки подальше от воды и сначала вытри руки.
- Не включай сразу несколько мощных приборов в один удлинитель.
- Не используй шнуры с повреждённой изоляцией и вилки, которые нагреваются.
- Если предохранитель постоянно перегорает или автомат снова и снова отключается, есть неисправность: найди причину, а не ставь более мощный предохранитель.
- Работу с сетевой проводкой и ремонт внутри приборов поручай квалифицированному электрику.
- Тепловая опасность: энергия превращается в тепло там, где не должна; поражение током: ток проходит через человека.
- При замыкании r очень мало, поэтому P = V² ÷ r огромна.
- Предохранители и автоматы включают последовательно; они размыкают цепь при длительном превышении допустимого тока.
- Последствия зависят главным образом от силы тока: примерно от 10 до 20 mA вызывают судорогу кисти, а от 100 до 300 mA могут остановить сердце.
- Мокрая кожа снижает сопротивление, поэтому при том же напряжении ток намного больше.
- Заземление, двойная изоляция и УЗО (около 5 mA в Северной Америке, обычно 30 mA в Корее и Европе) дают дополнительную защиту.
- На замкнутый участок сопротивлением 0.100 Ω подано 120 V. Какова мощность в киловаттах?
- По повреждённому шнуру сопротивлением 2.00 Ω идёт ток 10.0 A. Какова мощность нагрева шнура в ваттах?
- Сухая кожа, 200 kΩ, контакт с 120 V. Какова сила тока в миллиамперах? (Один знак после точки.)
- Тот же человек насквозь промок, сопротивление 10.0 kΩ, напряжение 220 V. Какова сила тока в миллиамперах?
- Какой ток указан как наибольший безвредный?
- 5 mA
- 50 mA
- 300 mA
- 1 A
- Как подключают предохранитель?
- Последовательно с защищаемой цепью
- Параллельно нагрузке
- Только к заземляющему проводу
- В лаборатории три лампы на 12 Ω подключены параллельно к 6 V через один предохранитель. Каков ток через предохранитель в амперах?
- Автомат постоянно отключается. Разумное решение:
- Найти причину, например перегрузку или неисправный прибор
- Установить предохранитель или автомат большего номинала
- Закрепить автомат скотчем во включённом положении
- Что делает заземляющий провод?
- Поддерживает потенциал металлического корпуса около 0 V и отводит ток повреждения
- Подаёт дополнительное напряжение
- Уменьшает потребляемую прибором мощность
- УЗО отключает питание, когда:
- Разность уходящего и возвращающегося токов превышает заданный порог
- Напряжение поднимается выше 230 V
- Прибор выключают
- Почему короткое замыкание опасно даже при привычном напряжении батареи?
- Сопротивление очень мало, поэтому ток и нагрев огромны
- Напряжение подскакивает до тысяч вольт
- Заряд расходуется полностью
Источники курса (14)
- OpenStax College Physics 2e (openstax.org/books/college-physics-2e): 18.1 Static electricity and charge (amber and the Greek word elektron, like charges repel, glass and silk, Franklin)
- 20.1 Current (I = ΔQ/Δt, 1 A = 1 C/s, truck battery 720 C in 4.00 s, calculator 0.300 mA, conventional current traced to Franklin, drift speed of order 10⁻⁴ m/s, 12-gauge copper wire 2.053 mm, copper density 8.80 × 10³ kg/m³)
- 20.2 Ohm's law (Ohm first showed I ∝ V by experiment, ohmic materials, headlight 12.0 V and 2.50 A = 4.80 Ω, dry person hand to foot about 10⁵ Ω)
- 20.3 Resistance and resistivity (Table 20.1: silver 1.59, copper 1.72, gold 2.44, aluminium 2.65, tungsten 5.6, iron 9.71, nichrome 100, all × 10⁻⁸ Ω·m; headlight cold 0.350 Ω)
- 20.4 Electric power and energy (P = IV = V²/R = I²R, kWh, 1 kWh = 3.6 × 10⁶ J, 60 W bulb for 1000 h at 12 cents per kWh = $7.20, 15 W CFL)
- 20.6 Electric hazards and the human body (thermal and shock hazards, short circuit 120 V across 0.100 Ω = 144 kW, worn cord 2.00 Ω at 10.0 A = 200 W, fuses and circuit breakers, Table 20.3 shock effects, dry skin 200 kΩ, wet 10.0 kΩ)
- 21.1 Resistors in series and parallel
- 21.2 Electromotive force and internal resistance
- 21.3 Kirchhoff's rules
- 23.8 Electrical safety (three-wire system, earth/ground wire, double insulation, GFI trips above 5 mA)
- NIST CODATA elementary charge 1.602176634 × 10⁻¹⁹ C exact (physics.nist.gov/cgi-bin/cuu/Value?e)
- Safety text is general information, not advice for working on mains wiring. Linda Hall Library, Scientist of the Day: Georg Ohm (lindahall.org/about/news/scientist-of-the-day/georg-ohm, experiments 1825 and 1826 with a compass needle, Die galvanische Kette 1827)
- Smithsonian Libraries, Die galvanische Kette (library.si.edu/digital-library/book/diegalvanischeke00ohmg, first publication of Ohm's law, ridiculed at first)
- IEC 60038:2009 standard voltages (230 V grew out of 220 V and 240 V systems; 220 V still used).
Проверено: 2026-10-17