ÚČINKY ELEKTRICKÉHO PROUDU Organismus je z hlediska proudů a elektrických polí složitou heterogenní soustavou. Heterogenita se projevuje v uspořádání a v rozdělení elektrických nábojů různé polarity. Je spojena s membránovými a akčními potenciály i s dalšími jevy, spojenými s funkcí a strukturou různých systémů. Je proto komplikovaným vodičem elektrického proudu. Buňky a mezibuněčná tekutina mají odlišné vlastnosti. Odpor mezibuněčné tekutiny je odporem vodiče (R), odpor membrán má impedanční charakter. Celkový odpor tkáně (impedance Z) je dán vektorovým součtem ohmického odporu a kapacitance X C (induktance se v podstatě neuplatní, protože indukční odpory jsou malé). Vstup proudu do těla závisí především na specifickém odporu kůže. Epidermis má poměrně vysoký odpor který s vrstvou tuku a kožním mazem tvoří dobrý izolátor. Vnitřní vrstva kůže má ale značný obsah vody a elektrolytů a je proto dobrým vodičem. Závisí také na stavu povrchu kůže vlhká kůže vždy lépe vede proud. Jeho velikost se dá zjistit z Ohmova zákona U I = Rt + Rp kde je: I - proud procházející lidským tělem, U - dotykové napětí, R t - odpor lidského těla (za normálních podmínek2 až 3 kω), R p - přechodový odpor-odpor mezi živým koncem instalace a tělem a mezi tělem a zemí. Velikost závisí na kvalitě izolace mezi těmito místy a dá se v širokých mezích ovlivnit. Elektrické vlastnosti tkání Měrná vodivost cytoplazmy a mezibuněčného prostoru 0,2 1,0 s/m Měrná vodivost buněčných membrán 10-6 10-8 s/m Stejnosměrný proud je důsledkem pohybu iontů. Protéká především mezibuněčnou tekutinou protože membrány, hlavně jejich kapacitní složka X C, mu kladou velký odpor. Existuje mnoho polárních molekul v nichž dík nesymetricky rozloženým opačným elektrickým nábojům stejné velikosti vznikají permanentních dipóly. Dipólové molekuly jsou neuspořádané a dík jejich různé orientaci se jejich dipólové momenty navenek ruší. V dielektriku jsou náboje pevně vázány na polarizované atomy či molekuly. Působením vnějšího pole se však dipóly zorientují a dielektrikum se polarizuje. Uvnitř dielektrika vzniká pole opačného směru a způsobuje tak ztráty vnějšího pole ( E = E0 Ed ). Při polarizaci se dipóly stáčejí a posouvají a tímto pohybem nábojů vzniká posuvný proud. Střídavý proud je tkáněmi veden také převážně také jako posuvný proud. Dipóly molekul se natáčejí ve směru pole v rytmu střídajících se půlperiod. Při tomto pohybu vzniká velké množství tepla Q = R I 2 t. O schopnostech látky vést elektrický proud jako proud posuvný rozhoduje dielektrická konstanta ε (permitivita prostředí F/m). Tato konstanta vyjadřuje intenzitu vnitřního elektrického pole vznikajícího dielektrickou polarizací (E = E 0 /ε, kde ε = ε 0.ε r ). Membrány kladou velký odpor nízkofrekvenčním proudům, zatímco vysokofrekvenční proud jimi prochází snadno díky malému kapacitnímu odporu membrán (kapacitní přemostění Uhrová H. - 1 -
membrán)v obvodech střídavého proudu se v impedanci Z uplatňují R a X C, pro impedanci platí Ohmův zákon. Při sériovém řazení R a C platí: 2 2 2 1 Z = R + X = C R + 2 2 ω C a proud je U I =. Z Pro paralelní řazení pak dostáváme pro proud a celkovou impedanci vztahy ˆ ˆ ˆ ˆ ˆ ˆ U U U R I = IR + Ic = +,tedy Z = Z R X 2 2 2 C 1+ ω CR Impedance je frekvenčně závislá (ω = 2πf), s rostoucí frekvencí se průchod proudu zvyšuje. Kapacitní odpor kůže X C pro f = 50 Hz, X = 3R (R těla 2000 Ω). C f = 1 khz, X C = 1 6 R f = 10 khz, X C = 1 60 R plošný odpor buněčné membrány je cca 10 MΩ.m -2 plošná kapacita buněčné membrány asi 100 mf.m -2 Měrný odpor tkání (rezistivita) ρ [Ωm] ρ tkání tukových + kostí: 10 30 ρ tělních tekutin: 0,8 1,3 ρ svalů: 3 Odpor kůže proměnný cca 3x vyšší než tkání mezi L a P rukou při napětí do U = 50 V je R > 10 kω, s rostoucím napětím R klesá a při napětí U = 220 V je R = 5 kω, ve vlhku R = 1kΩ, ve vodě R = 500 Ω suchá kůže U = 220 V ρ k = 10 5 Ω I = 2,2 ma vlhká kůže U = 220 V ρ k = 1,5 Ω I = 146,7 ma přípustné hodnoty stejnosměrných a střídavých proudů Střídavý proud jde tkání cestou nejmenšího odporu, tj. mezi buněčnými prostorami, podél cév, nervových vláken. Při průchodu stejnosměrného proudu dochází postupně k depolarizaci a vzrůstu permeability membrán pokles měrného odporu. Diagnostika poruch prokrvení končetin Měření ρ tkání a kůže reopletyzmografie -pro zjištění objemových změn v cévách (+ ΔV - Δρ k t.j. přírůstek objemu znamená pokles ρ k ). Významné v diagnostice poruch prokrvení končetin. Elektrická dráždivost Uhrová H. - 2 -
I ss nemá dlouhodobé dráždivé účinky projevují se jen při náhlých změnách zapnutí, vypnutí, zesílení, zeslabení - stálý proud zvyšuje membránový potenciál, po jeho přerušení dojde k poklesu potenciálu - podráždění vzniká až při prahové hodnotě intenzity působící po určitou dobu. Se snižováním intenzity narůstá doba působení podnětu potřebná k vyvolání vzruchu. nejmenší intenzita I, která vyvolá podráždění se nazývá reobáze. Chronaxie slouží ke kvantitativnímu vyjádření vzrušivosti tkání. Představuje dobu nutnou k vyvolání reakce při podnětu velikosti dvojnásobné reobáze. Chronaxie je tím kratší, čím je dráždivost tkáně větší. Účinky stejnosměrných proudů 1. Elektrolýza - transport disociovaných iontů 2. Elektroforéza - pohyb disociovaných molekul a koloidů 3. Elektroosmóza redistribuce vody membránovými strukturami směrem ke katodě 4. Tepelné účinky (Q = R I 2 t) 5. Dráždivé účinky Účinky stejnosměrného el. proudu se nejvýrazněji projevují na nervech. motorických - snížení prahu dráždivosti v důsledku alkalizace senzorických - snížení dráždivosti v důsledku kyselých reakcí analgetický účinek vázomotorických až trojnásobné prokrvení proti stavu klidovému. Léčebné účinky stejnosměrných proudů : iontoforéza aplikace léků do špatně přístupných tkání proudem hloubková galvanizace tlumení bolesti po úrazech, při zánětech nervů a svalů, při žilních trombózách Účinky střídavých proudů Účinky I - závislé na f : do 100 Hz roste dráždivý účinek s rostoucí frekvencí nad 100 Hz - klesá dráždivý účinek I s rostoucí frekvencí 100-3000 Hz - I = k f stále klesá a mizí 10 khz, kde už I = k f nad 100 khz - nejsou dráždivé účinky Léčebné účinky střídavých proudů : 1. Elektrostimulátory využívají dráždivých účinků proudu - defibrilátor - kardiostimulátor - neurostimulátor - elektrošoky 2. Vysokofrekvenční proudy - diatermie - mikrovlná terapie Uhrová H. - 3 -
Podle zkušenosti lze zhruba stanovit rozmezí proudů, které způsobují nepříznivé účinky na lidský organismus. Dotkneme-li se místa pod napětím pokožkou (např. rukama), leží práh vnímání v pásmu 0,5 až 2 ma. Proudy v rozmezí 2 až 8 ma vyvolávají podráždění nervů. Proudy 8 až 15 ma způsobují stahování svalů až na hranici křeče. V tomto rozmezí leží hranice, kdy je ještě možno vědomě se odtrhnout od částí pod napětím. Proudy 15 až 25 ma vyvolávají svalové křeče, ztěžují dýchání a silně dráždí nervovou soustavu. Protéká-li lidským tělem proud kolem 30 ma, způsobuje již fibrilaci srdečních komor a srdce přestává plnit svoji funkci. Podle normy ČSN 33 2000-4-41 nemůže lidským tělem (R t = 2000 Ω) procházet větší střídavý proud než 3,5 ma nebo stejnosměrný proud 10 ma (mezní hodnoty pro ustálený proud se sinusovým průběhem s kmitočty 15-100 Hz). Účinky elektrického proudu na lidský organismus také silně závisí na cestě, kterou proud tělem prochází. Nepříznivá je zejména cesta, která vede přes životně nejdůležitější orgány (srdce, plíce). Zvláště nebezpečný je dvoupólový dotyk - např. přímý dotyk pažemi dvou fází. Přechodový odpor v tomto obvodu bývá zpravidla malý a procházející proud proto značný. Účinek proudu je ovlivněn i dobou, po kterou proud tělem prochází. Působí-li déle, vyvolává dýchací potíže, zhoršuje krevní oběh a způsobuje tak často smrt zadušením. Proto při vyprošťování postiženého z obvodu je zapotřebí postupovat velmi rychle. Velikost následků při dotyku nebezpečného napětí značně závisí také na druhu proudu. Stejnosměrný proud je 2x až 3x méně nebezpečný než proud o kmitočtu 50 Hz, který se běžně rozvádí. Jeho nebezpečí pro člověka spočívá hlavně v elektrochemickém působení. Střídavý proud způsobuje především svalové křeče, které postiženému znemožní, aby pustil uchopený vodič. Srdce se rozkmitá vysokým kmitočtem a organismus ochrne. Proudy s kmitočtem nad 100 Hz jsou méně nebezpečné, protože nezpůsobují již tak silné svalové křeče. Projevuje se zde skinefekt, kdy proud vysoké frekvence prochází povrchem těla a životně důležité orgány tolik nezasahuje. Účinky magnetických polí Magnetické pole je součástí přirozeného prostředí na planetě Zemi.Magnetická pole, působící na organismy mohou být stálá (geomagnetické pole, pole permanentních magnetů) proměnné v okolí vodičů protékaných proudem Magnetické pole působí svými silovými účinky na jiná pole. Identifikace účinků magnetických polí malých intenzit je nesnadná a fyzikální předpoklady pro jejich účinek na biologické objekty je dán především samotnými biologickými objekty (nehomogenní dielektrický systém, bioelektrické potenciály a jejich vedení neurony ap. a také neustálé proudění tkáňových tekutin a krve). V organizmu jsou přítomny převážně látky diamagnetické (nepatrně zeslabují pole) a paramagnetické (zesilují pole pohybují se ve směru gradientu pole).u diamagnetických molekul může dojít ke změně koncentrace a orientace, což má za následek změny kinetiky biochemických reakcí a fyzikálně-chemických pochodů. Magnetické pole působí na nervovou tkáň. Stálé magnetické pole snižuje dráždivost nervových struktur v důsledku interakce magnetického pole s biopotenciály. Nízkofrekvenční magnetické pole dráždivost naopak zvyšuje. Tyto změny však nastávají až vlivem silných magnetických polí s intenzitou H = 1,6.10 5 10 7 A.m -1. U lidí pracujících v magnetických polích velké intenzity dochází ke změnám reakční doby, snížení kožního odporu, změně v sedimentaci erytrocytů či změnám ve vegetativní sféře. Uhrová H. - 4 -
Nehomogenní nízkofrekvenční magnetické pole bylo s úspěchem použito při léčbě zánětů, např. při léčbě periferních nervů (H = 4 10 3 Am -1, f = 50 Hz). Vysokofrekvenční magnetická pole jsou využívána v ultrakrátkovlnné diatermii (f = 433,92 MHz - využívá se tepelných účinků pro hloubkové prohřívání). Uhrová H. - 5 -