شوک الکتریکی چیست؟ — به زبان ساده

در کنار کاربردهای غیر قابل انکار الکتریسیته در زندگی روزمره، دو خطر در مورد آن وجود دارد: یکی خطر حرارتی و دیگری خطر شوک. خطر حرارتی در جایی اتفاق می‌افتد که اضافه جریان الکتریکی سبب اثرات گرمایی نامطلوبی مانند آتش‌سوزی شود. خطر شوک الکتریکی نیز زمانی رخ می‌دهد که جریان الکتریکی از بدن انسان عبور کند. شوک الکتریکی ممکن است بسیار دردناک، بدون عارضه و یا موجب ایست قلبی و مرگ باشد. در این آموزش، این خطرات و عوامل مؤثر بر آن‌ها را معرفی می‌کنیم. همچنین با سیستم‌ها و تجهیزاتی آشنا می‌شویم که برای مقابله با این خطرات به کار می‌روند.

خطرات حرارتی الکتریسیته

هرگاه انرژی الکتریکی با سرعتی بیش از آنچه که به صورت ایمن تلف می‌شود، به انرژی گرمایی تبدیل شود، منجر به اثرات گرمایشی نامطلوب خواهد شد. یک مثال کلاسیک از این مورد، «اتصال کوتاه» (Short Circuit) است که در آن، یک مسیر با مقاومت کم بین پایانه‌های منبع ولتاژ ایجاد می‌شود. نمونه‌ای از اتصال کوتاه در شکل ۱ نشان داده شده است. در این شکل، عایق روی سیم‌های منتهی به یک وسیله الکتریکی از بین رفته است و موجب شده که این دو سیم با هم تماس پیدا کنند.

فیلم آموزش فیزیک 2 دانشگاه – جامع و با نکات کاربردی در فرادرس

کلیک کنید

چنین تماس ناخواسته‌ای با ولتاژ بالا یک اتصال کوتاه نامیده می‌شود. از آنجا که مقاومت اتصال کوتاه، یعنی $$r$$، بسیار اندک است، توان تلف شده در اتصال کوتاه، یعنی $$P=V^{2}/r$$، بسیار بزرگ خواهد بود. به عنوان مثال، اگر $$V$$ برابر با ۱۲۰ ولت و $$r$$ برابر با $$0.1$$ اهم باشد، توان ۱۴۴ کیلووات خواهد شد که بسیار بیشتر از توان مصرفی یک وسیله خانگی معمولی است. انرژی حرارتی که با این سرعت تحویل داده می‌شود، خیلی سریع دمای مواد اطراف خود را بالا می‌برد و آن‌ها را ذوب می‌کند یا احتمالاً آتش می‌زند.

یکی از جنبه‌های منفی اتصال کوتاه این است که در واقع مقاومت آن ممکن است به دلیل افزایش دما کاهش یابد. اگر اتصال کوتاه باعث یونیزاسیون شود، این اتفاق رخ می‌دهد. اتم‌ها و مولکول‌های باردار حرکت آزادانه دارند و بنابراین مقاومت $$r$$ را پایین می‌آورند. از آنجا که $$P=V^{2}/r$$، توان در مدت کوتاه تلف می‌شود، احتمالاً باعث یونیزاسیون بیشتر، توان بیشتر و... می‌شود. ولتاژهای بالا، مانند ۴۸۰ ولت AC که در برخی از کاربردهای صنعتی مورد استفاده قرار می‌گیرد، خود در معرض این خطر قرار دارند، زیرا ولتاژهای بالاتر توان اولیه بالاتری را در کوتاه‌مدت ایجاد می‌کنند.

یکی دیگر از مواردی که به خطر گرمایی می‌انجامد، هنگامی است که جریان بسیار بزرگی از سیم‌های متصل کننده بین تأمین‌کننده برق و مصرف‌کننده عبور می‌کند. همان‌طور که پیش‌تر گفتیم، توان تلف شده در سیم‌های قسمت تأمین کننده $$P = I^{2}R_{W}$$ است که در آن، $$R_W$$ مقاومت سیم‌ها و $$I$$ جریان گذرنده از آن‌ها است. اگر $$I$$ یا $$R_W$$ خیلی بزرگ باشند، سیم‌ها بیش از حد گرم می‌شوند. به عنوان مثال، سیم یک دستگاه فرسوده (با برخی از سیم‌های در هم تنیده شکسته) ممکن است به جای آنکه ۰٫۱ اهم باشد، مقاومتی برابر با ۲ اهم از خود نشان دهد و اگر ۱۰ آمپر جریان از طناب عبور کند، توان $$P = I^{2}R_{W} = 200 W$$ در سیم تلف می‌شود که بسیار بیشتر از مقدار امن آن است. به طور مشابه، اگر سیم با مقاومت ۰٫۱ اهمی که باید چند آمپر از آن بگذرد، متحمل جریانی به اندازه مثلاً‌ ۱۰۰ آمپر شود، به شدت گرم خواهد شد. توان تلف شده در سیم در این حالت $$P= 1000 W$$ خواهد بود. فیوزها و قطع‌کننده‌های مدار برای محدود کردن اضافه جریان استفاده می‌شوند (شکل ۲ و شکل ۳ را ببینید).

وقتی جریان بیش از حدی از مدار بگذرد، هریک از این قطعات به صورت خودکار مدار باز می‌کنند. ساخت فیوزها و مداشکن‌ها برای ولتاژها و جریان‌های خانگی معمولی نسبتاً ساده است، اما برای ولتاژها و جریان‌های بزرگ مسائل خاصی وجود دارد که باید آن‌ها را در نظر گرفت. به عنوان مثال، هنگامی که یک مدارشکن در حال قطع جریان برق ولتاژ بالا باشد، ممکن است یک جرقه به وجود بیاید و به اطراف نفوذ کند که موجب یونیزه شدن هوا شود و امکان تداوم برقراری جریان را ایجاد فراهم آورد.

مدارشکن‌های بزرگ موجود در سیستم‌های توزیع برق از گاز عایق استفاده می‌کنند و حتی از جت‌های گاز برای منفجر کردن چنین جرقه‌هایی بهره می‌برند. در اینجا برق AC از DC مطمئن‌تر است، زیرا جریان متناوب ۱۲۰ بار در هر ثانیه صفر می‌شود و فرصتی سریع برای اطفاء این قوس‌ها فراهم می‌کند.

خطرات شوک الکتریکی

عبور جریان الکتریکی از بدن انسان اثرات بسیار متنوعی دارد. برای مثال، می‌توان از جریان الکتریکی برای جلوگیری از کمردرد استفاده کرد. امکان استفاده از جریان الکتریکی برای تحریک عملکرد عضلات اندام‌های فلج شده نیز در حال مطالعه است. احتمالاً در فیلم‌ها دیده‌اید که از شوک الکتریکی استفاده می‌شود تا یک قربانی حمله قلبی را از فیبریلاسیون بطنی خارج کنند.

فیلم آموزش فیزیک الکتریسیته + مفاهیم کلیدی در فرادرس

کلیک کنید

با این حال، بیشترِ تلفات ناشی از شوک الکتریکی به دلیل عبور جریان از قلب است که منجر به انقباض بی‌نظم رشته‌های عضلانی می‌شود. یک دستگاه ضربان‌ساز از شوک الکتریکی برای تحریک قلب به منظور ضربان درست بهره می‌برد. بعضی از شوک‌های کشنده باعث سوختگی نمی‌شوند، اما با اطمینان می‌توان زگیل را با جریان الکتریکی سوزاند (گرچه اکنون سرد کردن با استفاده از نیتروژن مایع روشی متداول است). البته توضیحات زیادی در مورد این اثراتِ مختلف وجود دارد. عوامل اصلی مؤثر در شوک الکتریکی عبارتند از:

• مقدار جریان $$I$$
• مسیری که جریان از آن عبور می‌کند.
• مدت زمان شوک
• فرکانس $$f$$ جریان (برای DC فرکانس صفر است)

در جدول زیر اثرات شوک الکتریکی به عنوان تابعی از جریان برای یک شوک تصادفی معمولی آورده شده است. این اثرات برای شوكی است كه از بدن عبور می‌كند، مدت زمان آن ۱ ثانیه است و با فرکانس ۶۰ هرتز ایجاد می‌شود.

به دلیل آنکه بخش اعظمی از بدن انسان را آب تشکیل می‌دهد، رسانای تقریباً خوبی است. با توجه به اینکه جریان‌های بزرگ از بخش‌هایی عبور می‌کنند که مقاومت پایینی دارند، جریان‌های الکتریکی ترجیحاً از مسیرهایی در بدن انسان عبور می‌کنند که حداقل مقاومت مستقیم را در گذر به زمین داشته باشند. زمین یک چاه الکترون طبیعی است. پوشیدن کفش‌های عایق که در بسیاری از حرفه‌ها الزامی است، با ایجاد مقاومت زیاد در مسیر، از حرکت الکترون‌ها جلوگیری می‌کند. هر زمان که با ابزار‌های توان بالایی مانند مته یا در موقعیت‌های پرخطر کار می‌کنید، مطمئن شوید که مسیری برای عبور جریان (به ویژه از قلب) ایجاد نمی‌شود.

جریان‌های بسیار کم، بدون ضرر از بدن عبور می‌کنند. این چیزی است که به کرات و بدون اطلاع ما رخ می‌دهد. آستانه احساس جریان تنها ۱ میلی‌آمپر است. جریان‌های کمتر از ۵ میلی‌آمپر، با اینکه ناخوشایند هستند، اما ضرری ندارند. بسیاری از قوانین ایمنی، جریان حداکثر ۵ میلی‌آمپر را به عنوان شوک الکتریکی مجاز می‌دانند. در محدوده ۱۰ تا ۲۰ میلی‌آمپر و بزرگ‌تر از آن، جریان می‌تواند انقباضات عضلانی پایدار را که تکانه‌های عصبی منظم انجام می‌دهند، تحریک کند. بعضی اوقات مردم می‌گویند که در اثر شوک الکتریکی به اتاق برخورد کرده‌اند، اما در واقع، اتفاقی که افتاده این است که عضلات خاصی منقبض شده‌اند و به شکلی که انتخاب خودشان نیست تحریک شده‌اند (شکل ۴ (الف)). اثر «نمی‌توانم رها شوم» ترسناک‌تر و به طور بالقوه خطرناک‌تر است (شکل ۴ (ب)).

ماهیچه‌هایی که انگشتان را جمع می‌کنند، قوی‌تر از آ‌ن‌هایی هستند که آن‌ها را باز می‌کنند، بنابراین دست به طور غیرمستقیم روی سیم بسته می‌شود و باعث شوکه شدن آن خواهد شد. این امر می‌تواند شوک را به طور نامحدود طولانی کند. همچنین می‌تواند برای شخصی که قصد نجات قربانی را دارد خطرناک باشد، زیرا ممکن است دست نجات‌دهنده نزدیک مچ دست قربانی باشد. معمولاً بهترین راه برای کمک به قربانی این است که ابتدا با یک ضربه محکم از طریق یک عایق او را از سیم جدا کنید. نرده‌های برقی مدرن، که در محوطه‌های نگهداری حیوانات مورد استفاده قرار می‌گیرند، به صورت پالس روشن و خاموش می‌شوند تا افرادی که آن‌ها را لمس می‌کنند، آزاد شوند.

جریان‌های بزرگ ممکن است قلب را تحت تأثیر قرار دهند. بدین صورت که الگوهای الکتریکی قلب ممکن است مختل شود، به طوری که در شرایطی به نام «فیبریلاسیون بطنی» به طور نامنظم و ناکارآمد بتپد. این وضعیت اغلب پس از شوک طولانی می‌شود و به دلیل کمبود گردش خون کشنده است. آستانه فیبریلاسیون بطنی بین ۱۰۰ تا ۳۰۰ میلی‌آمپر است. در حدود ۳۰۰ میلی‌آمپر و بالاتر، این شوک بسته به چگالی جریان ممکن است باعث سوختگی شود و هرچه چگالی بیشتر باشد، احتمال سوختگی بیشتر است.

جریان‌های بسیار زیاد باعث می‌شوند که قلب و دیافراگم در مدت زمان شوک منقبض شوند. در این صورت، قلب و تنفس متوقف خواهند شد. جالب است که هر دو اغلب به دنبال شوک به حالت عادی برمی‌گردند و الگوهای الکتریکی روی قلب کاملاً پاک می‌شوند، به گونه‌ای که قلب می‌تواند با ضربان عادی شروع کند. این برخلاف اختلال دائمی ناشی از جریان‌های کوچک‌تر است که می‌توانند قلب را در فیبریداسیون بطنی قرار دهند. حالت دوم چیزی مثل نوشتن روی صفحه سیاه است، در حالی که اولی آن را کاملاً پاک می‌کند.

جریان عامل اصلی تعیین کننده شدت شوک است (با فرض اینکه شرایط دیگر مانند مسیر، طول مدت و فرکانس ثابت باشد). هرچه ولتاژ بزرگ‌تر باشد، شوک خطرناک‌تر است، اما از آنجا که $$I = V/R$$، شدت شوک به ترکیبی از ولتاژ و مقاومت بستگی دارد. به عنوان مثال، فردی با پوست خشک، تقریباً ۲۰۰ کیلواهم مقاومت دارد. اگر او با ۱۲۰ ولت AC تماس پیدا کند، جریان بدون ضرر $$I = (120\; \mathrm{ V })/(200\; \mathrm {k} \Omega) = 0.6\; \mathrm {mA}$$ از بدنش عبور می‌کند. همان شخص اگر بدنش خیس باشد، ممکن است مقاومت ۱۰ کیلو اهم داشته و همین ۱۲۰ ولت، جریان ۱۲ میلی‌آمپر را تولید ‌کند که بالاتر از آستانه «نمی‌توانم رها شوم» بوده و به طور بالقوه خطرناک است.

بیشترِ مقاومت بدن در پوست خشک آن است. هنگام مرطوب شدن، نمک‌ به شکل یون در می‌آید و مقاومت را به میزان قابل توجهی کاهش می‌دهد. داخل بدن به دلیل داشتن محلول‌های یونی و مایعات موجود در آن، از مقاومت بسیار کمتری نسبت به پوست خشک برخوردار است. اگر مقاومت پوستی با چیزی مانند تزریق داخل وریدی، کاتتر، یا پیس‌میکر از بین برود، فرد به میکروشوک حساس می‌شود. در این شرایط، جریان‌ها در حدود $$\frac {1}{1000}$$ موارد ذکر شده در جدول فوق اثرات مشابهی ایجاد می‌کنند. در حین جراحی قلب باز، از جریان‌هایی به اندازه ۲۰ میکروآمپر می‌توان استفاده کرد. الزامات شدید ایمنی برقی در بیمارستان‌ها، به ویژه در عمل جراحی و مراقبت‌های ویژه، مربوط به بیمار حساس به میکروشوک بوده که به طور مضاعف از بین رفته است. شکاف در پوست باعث کاهش مقاومت شده است و بنابراین ولتاژ مشابه باعث ایجاد جریان بیشتر می‌شود و اثر بیشتری دارد.

عواملی غیر از جریان که بر شدت شوک تأثیر می گذارند، مسیر، مدت زمان و فرکانس AC آن هستند. مسیر عواقب آشکاری دارد. به عنوان مثال، در اثر شوک الکتریکی بر مغز، قلب متأثر نخواهد شد، مانند مواردی که ممکن است برای درمان افسردگی مانیک (شیدایی) استفاده شود. و این یک حقیقت است که هرچه مدت زمان شوک طولانی‌تر باشد، اثرات آن بیشتر می‌شود. شکل 5 نموداری را نشان می‌دهد که در آن، تأثیر فرکانس بر شوک مشخص شده است. منحنی‌ها حداقل جریان را برای دو اثر مختلف، به عنوان تابعی از فرکانس نشان می‌دهند. هرچه میزان جریان مورد نیاز کمتر باشد، بدن در آن فرکانس حساس‌تر است. از قضا، بدن در فرکانس‌های نزدیک به ۵۰ یا ۶۰ هرتز حساس است.

بدن نسبت به برق DC کمی حساس‌تر بوده و این برخلاف ادعاهای ادیسون است که معتقد بود AC خطرات بیشتری دارد. در فرکانس‌های بالاتر، بدن به تدریج نسبت به هرگونه تأثیر روی اعصاب حساس‌تر می‌شود. این اثر به حداکثر میزانی مربوط است که اعصاب می‌تواند آتش گرفته یا تحریک شود! در فرکانس‌های بسیار زیاد، جریان الکتریکی فقط بر روی سطح بدن حرکت می‌کند. بنابراین زگیل را می‌توان با جریان فرکانس بسیار بالا سوزاند، بدون اینکه باعث شود قلب متوقف شود. (این کار را در خانه با ولتاژ ۵۰ هرتز انجام ندهید، چون زندگی خود را از دست خواهید داد!) برخی از نمایش‌های جالب الکتریسیته، که در آن، قوس‌های ولتاژ بالا از طریق هوا و بر روی بدن افراد عبور می‌کنند، از فرکانس‌های بالا و جریان کم بهره می‌برند (شکل ۶ را ببینید).

سیستم‌ها و تجهیزات ایمنی

شکل ۷ (الف) طرحواره یک مدار ساده را بدون ایمنی نشان می‌دهد. البته این مدار آن چیزی را که در عمل توزیع می‌کند، نشان نمی‌دهد. سیم‌کشی مدرن خانگی و صنعتی به یک سیستم سه‌سیمه نیاز دارد که در شکل ۷ (ب) نشان داده شده است و الزامات ایمنی در آن رعایت شده است.

فیلم آموزش مبانی ​الکترونیک – مفاهیم تئوریک و شبیه سازی در پروتئوس و اورکد Proteus و OrCAD در فرادرس

کلیک کنید

ابتدا از مدارشکن (یا فیوز) برای جلوگیری از اضافه بار حرارتی استفاده شده است. تدبیر حفاظتی دوم مربوط یک وسیله الکتریکی مانند توستر یا یخچال است. ویژگی ایمنی این مورد این است که مانع از تماس شخص با سیم‌های در معرض برق با مدار می‌شود و به جلوگیری از شوک کمک می‌کند.

سه اتصال به زمین وجود دارد که در شکل ۷ (ب) نشان داده شده است. می‌دانیم که اتصال زمین یک مسیر مستقیم با مقاومت کم به زمین است. دو اتصال زمین روی سیم خنثی آن را وادار می‌کند تا در وضعیت صفر ولت نسبت به زمین باشد و به این سیم نام خود را می‌دهد. بنابراین این سیم برای لمس کردن ایمن است؛ حتی اگر عایق آن که معمولاً سفید است، وجود نداشته باشد. سیم خنثی مسیر بازگشتی است که جریان را برای تکمیل مدار دنبال می‌کند. علاوه بر این، دو اتصال زمین برای تکمیل مدار یک مسیر جایگزین از طریق زمین (یک هادی خوب) تأمین می‌کنند. اتصال زمین نزدیک به منبع انرژی می‌تواند در محل تأمین کننده وجود داشته باشد، در حالی که دیگری در محل مصرف کننده است. سومین مورد مربوط به دستگاه از طریق سیم زمین سبز است که باید در صفر ولت قرار بگیرد. سیم گرم (دارای جریان) ولتاژ و جریان وسیله برقی را تأمین می‌کند. شکل ۸ یک نسخه تصویری از نحوه اتصال سیستم سه سیم از طریق سه شاخه به یک دستگاه را نشان می‌دهد.

پلاستیک عایق‌بندی شده برای شناسایی سیم‌های گرم (درای جریان)، خنثی و زمین دارای کد رنگی است، اما این کدها در کشورهای مختلف متفاوت هستند. تعیین کد رنگ در منطقه‌ای که زندگی می‌کنید، ضروری است. گاهی از روکش‌های راه‌راه برای کسانی که کوررنگی دارند، استفاده می‌شود.

زمین کردن محفظه وسیله الکتریکی، بیش از یک مشکل را حل می‌کند. ساده‌ترین مشکل عایق فرسوده روی سیم گرم است که به آن اجازه می‌دهد تا با بدنه تماس پیدا کند. این مورد در شکل ۹ نشان داده شده است. در صورت عدم وجود اتصال زمین، شوک شدید امکان‌پذیر است. این خصوصاً در آشپزخانه خطرناک است، زیرا اتصال از زمین از طریق آب روی زمین یا شیر آب وجود دارد.

قطع کننده مدار خطای زمین (GFCI) یک وسیله ایمنی است که در سیم‌کشی آشپزخانه و حمام وجود دارد و بر اساس القای الکترومغناطیسی کار می‌کند. GFCIها جریان‌های موجود در سیم‌های گرم را مقایسه می‌کنند. هنگامی که جریان‌های فاز و نول برابر نباشند، تقریباً همیشه به این دلیل است که جریان در سیم نول کمتر از سیم فاز یا گرم است. سپس مقداری از جریان، به نام جریان نشتی، از طریق مسیر دیگری به غیر از سیم نول به منبع باز می‌گردد. فرض بر این است که این مسیر خطر ایجاد می‌کند. اگر جریان نشتی بیش از 5 میلی‌آمپر باشد، حداکثر شوک بدون ضرر قابل قبول، معمولاً GFCI و در نتیجه، مدار را قطع می‌کند. حتی اگر جریان نشتی از طریق سیم زمین کاملاً تخلیه شود، GFCI عمل خواهد کرد.

جمع‌بندی

در این آموزش یاد گرفتیم که دو نوع خطر ناشی از الکتریسیته وجود دارد. این دو خطر گرمایی (توان بیش از حد) و شوک (جریان گذرنده از بدن) هستند. همچنین دیدیم که شدت شوک الکتریکی ناشی از جریان، به مقدار جریان، مسیر، مدت زمان و فرکانس AC بستگی دارد. علاوه بر این، جدول خطرات شوک الکتریکی را به عنوان تابعی از جریان ارائه کردیم و در پایان، با مدارهای محافظت در برابر شوک الکتریکی آشنا شدیم.