触电疼痛感与用电参数的关系
中文摘要
声明:本文所用数据基本为YouTube主——ElectroBOOM,即Mehdi Sadaghdar所测。
关键词
触电用电参数
ElectroBOOM

  目录

   1. 触电简介

   2. 交流电与直流电

   3. 交流电频率



1. 触电简介

 电流直接经过人体的现象叫触电(electric shock)。

 触电对于人的身体和内部组织就能造成不同程度的损伤,这种损伤分电击和电伤两种。

 (1)电击:指电流通过人体时,使内部组织受到较为严重的损伤。电击伤会使人觉得全身发热、发麻,肌肉发生不由自主的抽搐,逐渐失去知觉,如果电流继续通过人体,将使触电者的心脏、呼吸机能和神经系统受伤,知道停止呼吸,心脏活动停顿为死亡。

 (2)电伤:指电流对人体外部造成的局部损伤。电伤从外观看一般有电弧烧伤、电的烙印和熔化的金属渗入皮肤(称皮肤金属化)等伤害。总之,当人触电后,由于电流通过人体和发生电弧、往往使人体烧伤,严重时造成死亡。


 1.1 触电的方式

  常见的触电方式有单相触电、双相触电、高压跨步触电、高压电弧触电与雷击触电。

  (1)单相触电:单相触电是指当人体接触带电设备或线路中的某一相导体时,一相电流通过人体经大地回到中性点,这种触电形式称为单相触电。

  (2)双相触电:双相触电是指人体的不同部位分别接触到同一电源的两根不同相位的相线,电流从一根相线经人体流到另一根相线的触电现象。

  (3)高压跨步触电:如果人或牲畜站在距离高压电线落地点8~10米以内。就可能发生触电事故,这种触电叫做跨步电压触电。

  (4)高压电弧触电:高压电弧触电是指人靠近高压线(高压带电体),造成弧光放电而触电。电压越高,对人身的危险性越大。

  (5)雷击触电:雷雨云对地面突出物产生放电,感应电压高达几十--几百万伏,其能量可把建筑物摧毁,使可燃物燃烧,把电力线,用电设备击穿、烧毁,造成人身伤亡,危害性极大。这种触电形式称为雷击触电。


 1.2 触电的原因

  (1)违反操作规程,人体接触电气设备的带电部分。

  (2)由于设备绝缘损坏,设备金属外壳带电,人体无意接触外壳。

  (3)高压线(220kV、110kV、35kV、10kV等)的接地点、短路点、跨步电压形成的对人体的伤害。

  (4)缺乏安全用电常识,不正确使用操作电气设备。

   ……


2. 交流电与直流电

 伊朗作死小哥Mehdi Sadaghdar曾亲自试验过人体对交直流电的痛感(下方会给出链接)。

 首先,他测量出自己手指头与舌头的电阻。测得干燥的手指头电阻约有60万欧,而湿润的手指头(沾了口水...)电阻有大概10万欧了,舌头的电阻在10万到20万之间,表明舌头的电阻不到干燥皮肤的30分之一,在更低的电压就能感受到电,因此他用舌头去感受通电的快感(痛感)。

 (声明:任何人不得闲得**,去模仿Mehdi Sadaghdar做这个试验,他之前已经电过自己很多次了,所以他有充足的经验去应对)

 接下来,他用一个直流电源,引出两根导线接在舌头的两端(如下图)。

1.png

  将电压从1V开始向上增加。当电压为5V时,他开始感到难受;9V时,像电刑一样;12V时达到了极限,再高就无法忍受了。

  然后,他将直流电源换成了交流电源,重复上述步骤。电压为3.5V时,开始难受;4.5V时,就像电刑一样;6.5V就无法忍受了。

  由上述信息可得,相同的疼痛感,交流电的电压只有直流电的一半。But , Why ?

  人体具有电容特性,可以使交流电更好地通过(大概就是这意思吧)。

  下面是人体电容与交流电频率的关系图:

人体电容与交流电频率的关系.png


3. 交流电频率

  依然是Mehdi Sadaghdar献身物理,这次是使用信号发生器产生一个低电压,然后引出两根导线接在舌头上,频率从3Hz逐渐向上增加。

  接下来,引用几段来自XXXXXXXXXXXXXXX的话:


I had some past experience where DC hurt less than AC due to body capacitance and super high frequency wouldn’t hurt like low frequency. But here I investigated in more details by applying 4Vrms (AC) voltage across my tong at different frequencies.

One important thing I noticed was that around 22Hz, the lights around me started to flicker. This was an indication that the voltage on my tong was effecting my vision, which would mean the electricity was actually spreading further in my head than I thought. So don’t try this kids! It would cause brain damage… ah, for some reason I can’t stop drooling…


I assume that frequency was likely vibrating my eye muscles causing my eyes to shake mildly, which would make me see lights flickering. Otherwise it should be electricity messing with my optic nerves, but I think the first reason is more likely.
……

The discomfort starts at DC (0 Hz) and starts rising, kind of linearly to around 2kHz, and from there drops to zero around 20kHz.

The muscles contract by electricity. At small frequencies they move muscles back and forth, which feels like twitching. You have the same feeling when your eye lids twitch from being tired. This vibration rises at 10 to 100Hz when you feel like you are being shocked, and feel that shocking buzz in your body. That buzz comes from frequency. But above 100Hz your nerves fail to pick up the frequency (they can’t response that fast) and also your muscles won’t be able to keep up with the vibration speed. And so you feel like a DC cramp in your XXXXXXXXXXe pain is increasing as the frequency rises. I can assume this is because of the body capacitance, which at higher frequency causes more current to pass through body and so hurts more.

Above 2kHz the pain starts to reduce. That could be for a few reasons:

(1)Human body capacitance drops in value

(2)Human body inductance increases allowing less current

(3)Current flows more and more at the surface due to Skin Effect

(4)Nerves and muscles stop responding to high frequency

  谷歌翻译后:

我有一些过去的经验,由于人体电容,直流电对交流的伤害小于交流电,而超高频不会像低频那样受到伤害。但是在这里,我通过在钳子上以不同频率在两端施加4V(AC)电压来进行更详细的研究。

我注意到的重要一件事是,在22Hz附近,我周围的灯光开始闪烁。这表明钳子上的电压正在影响我的视力,这意味着电流实际上在脑海中传播的比我想象的还要远。所以不要尝试这个方法!会造成脑损伤……啊,由于某种原因我无法停止流口水……

我认为频率可能会振动我的眼部肌肉,导致我的眼睛轻度摇动,这会使我看到灯光闪烁。否则应该是电流使我的视神经混乱,但我认为第一个原因更有可能。

……

不适感始于DC(0 Hz)并上升,线性上升到2kHz左右,然后从那里下降到20kHz左右。

肌肉通过电收缩。它们以较小的频率来回移动肌肉,感觉就像抽搐。眼睑因疲倦而抽搐时,您会有相同的感觉。当您感到被电击时,振动会以10到100Hz的频率上升,并感觉到您身体中的电击声。嗡嗡声来自频率。但是超过100Hz时,您的神经无法吸收频率(它们无法快速响应),而且您的肌肉也无法跟上振动速度。因此,您感觉肌肉像直流抽筋一样,疼痛随着频率的增加而增加。我可以假设这是由于人体电容引起的,该电容在较高的频率下会导致更多的电流通过人体,从而造成更大的伤害。

高于2kHz时,疼痛开始减轻。这可能是由于以下几个原因:

(1)人体电容值下降

(2)人体电感增加,电流减少

(3)由于趋肤效应,电流越来越多地流到表面

(4)神经和肌肉停止对高频响应

  后来,他将这些感觉绘成了一副表格:

1580360124779.png

  在2kHz时疼痛感达到最大,而后开始下降,主要原因是电流的趋肤效应。


3.1 趋肤效应

3.1.1 定义

 当导体中有交流电或者交变电磁场时,导体内部的电流分布不均匀,电流集中在导体的“皮肤”部分,也就是说电流集中在导体外表的薄层,越靠近导体表面,电流密度越大,导体内部实际上电流较小。结果使导体的电阻增加,使它的损耗功率也增加。这一现象称为趋肤效应(skin effect)。


3.1.2 产生原因

 在计算导线的电阻和电感时,假设电流是均匀分布于它的截面上。严格说来,这一假设仅在导体内的电流变化率(di/dt)为零时才成立。另一种说法是,导线通过直流(dc)时,能保证电流密度是均匀的。或者电流变化率很小,电流分布仍可认为是均匀的。对于工作于低频的细导线,这一论述仍然是可确信的。

 但在高频电路中,电流变化率非常大,不均匀分布的状态甚为严重。高频电流在导线中产生的磁场在导线的中心区域感应出最大的电动势。由于感应的电动势在闭合电路中产生感应电流,在导线中心的感应电流最大。因为感应电流总是在减小原来电流的方向,它迫使电流只限于靠近导线外表面处。效应产生的原因主要是变化的电磁场在导体内部产生了涡旋电场,与原来的电流相抵消。


3.1.3 解析

 导体中的交变电流在趋近导体表面处电流密度增大的效应。在直长导体的截面上,恒定的电流是均匀分布的。

 对于交变电流,导体中出现自感电动势抵抗电流的通过。这个电动势的大小正比于导体单位时间所切割的磁通量。以圆形截面的导体为例,愈靠近导体中心处,受到外面磁力线产生的自感电动势愈大;愈靠近表面处则不受其内部磁力线消长的影响,因而自感电动势较小。这就导致趋近导体表面处电流密度较大。由于自感电动势随着频率的提高而增加,趋肤效应亦随着频率提高而更为显著。

 趋肤效应使导体中通过电流时的有效截面积减小,从而使其有效电阻变大。

 趋肤效应还可用电磁波向导体中透入的过程加以说明。电磁波向导体内部透入时,因为能量损失而逐渐衰减。当波幅衰减为表面波幅的1/e倍的深度称为交变电磁场对导体的透入深度。

 以平面电磁波对半无限大导体的透入为例,透入深度为 image.png ,方程式中ω为角频率,γ为导体的电导率,μ为磁导率。可见透入深度的大小与这三个量成反比。电磁波在导体中的波长为2z0,趋肤效应是否显著也可以由导体尺寸与其中电磁波波长的比较来判断。如果导体的厚度较导体中这一波长大,趋肤效应就显著。




3.1.4 应用

 在高频电路中可用空心铜导线代替实心铜导线以节约铜材。架空输电线中心部分改用抗拉强度大的钢丝。虽然其电阻率大一些,但是并不影响输电性能,又可增大输电线的抗拉强度。利用趋肤效应还可对金属表面淬火,使某些钢件表皮坚硬、耐磨,而内部却有一定柔性,防止钢件脆裂。


  由于有趋肤效应,低频交流电通常造成的是电击,而高频交流电造成的多为电伤。(貌似不用我说大家都可以知道。。。)



  以上就是“触电疼痛感与用电参数的关系”一文的全部内容。(本来想加个疼痛感与电压关系的,但是好像初中生都知道电压越大越痛😂,就没加了)


链接:

【作死物理小讲堂】电击的疼痛感和交流电频率有关系吗?趋肤效应的直观研究

bilibili:XXXXXXXXXXXXXXXXXXXXXXXX/video/av2844024

Youtube:XXXXXXXXXXXXXXXXXXXXXXX/watch?v=MMzU66IHe-k



【作死物理小讲堂】抖M最爱:直流电交流电哪个疼?

bilibili:XXXXXXXXXXXXXXXXXXXXXXXX/video/av1630822

Youtube:XXXXXXXXXXXXXXXXXXXXXXX/watch?v=hp97GjuULX8

[修改于 2 年前 - 2020-01-31 12:01:37]

来自:电气工程 / 高电压技术数理化 / 物理
2
qwe
2年0个月前
1楼

这个研究的主要应用可能是制造武器(滑稽)

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大魔王走了o
1个月27天前
2楼
引用qwe发表于1楼的内容
这个研究的主要应用可能是制造武器(滑稽)

可不可以用来改进泰瑟枪?

sticker

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