Fysiikan laitos

Opettajien laboratoriokurssit
kevät 2016

Sähköturvallisuus fysiikan opetuksessa

Sähkövirran fysiologiset vaikutukset ihmiseen

Sähkövirran vahingollinen vaikutus ihmiseen johtuu pääasiassa siitä, että kehon läpi kulkeva sähkövirta häiritsee ihmisen hermojärjestelmän toimintaa. Tästä aiheutuu kipua, lihaskouristuksia ja sydämen kammiovärinä tai pysähdys. Vaikutuksen voimakkuuden määräävät virran voimakkuus, kestoaika ja taajuus. 


Irms(mA) 
50 -60 Hz vaihtovirta

Kestoaika 

Fysiologinen vaikutus ihmisen kehossa


0-1

Ei ratkaiseva

Alue ulottuu tuntorajalle. Virran vaikutus ei ole huomattava.

1-15

Ei ratkaiseva

Alue ulottuu kouristuskynnyksen yli. Kouristusrajan yläpuolella irrottautuminen itse käsissä olevista elektrodeista ei ole mahdollista. Voimakkaita kipuja lihaksissa, sormissa ja käsivarsissa.

15-30

Minuutteja

Voimakkaita supistuksia käsivarsilihaksissa. Hengitysvaikeuksia. Kohonnut verenpaine. Sietoraja.

30-50

Sekunneista minuutteihin

Epäsäännöllinen sydäntoiminta. Kohonnut verenpaine. Voimakkaita kouristuksia. Tajuttomuus. Sydämen kammiovärinä mahdollinen.

50-muutama sata

Lyhyempi kuin sydänjakso

Ei kammiovärinää. Voimakas shokkivaikutus.

 

Pitempi kuin sydänjakso

Sydämen kammiovärinää. Jännitteen kytkeytymisajankohta sydäntoiminnan vaiheeseen ratkaiseva. Tajuttomuus. Iholla virran aiheuttamia jälkiä.

Enemmän kuin muutamia satoja

Lyhyempi kuin sydänjakso

Sydämen kammiovärinää. Jännitteen kytkeytymisajankohta sydäntoiminnan vaiheeseen ratkaiseva. Tajuttomuus. Iholla virran aiheuttamia jälkiä.

 

Pitempi kuin sydänjakso

Reversiibeli sydämen pysähdys. Alue, jossa kammiovärinän poistaminen sähkövirran avulla tapahtuu. Tajuttomuus. Iholla virran aiheuttamia jälkiä.


Ruumiin läpi kulkevan virran voimakkuus määräytyy jännitteestä sekä ihon ja kehon yhteisestä resistanssista. Ihon resistanssi riippuu vaikuttavasta jännitteestä ja ihon kosteudesta. Jännitettä suurennettaessa ihon resistanssi pienenee, kunnes suuremmilla kuin 500 V jännitteillä ihon resistanssilla ei ole merkitystä.

Kun ihon resistanssia ei huomioida, kehon eri osista rakentuvat kokonaisresistanssit ovat keskimäärin

Käytäntöä

Sähköturvallisuuden perusasiat löytyvät Turvatekniikan keskuksen ja Sähköturvallisuuden edistämiskeskuksen sivuilta. Seuraavassa on tärkeimpiä opettajan tekemien demonstraatioden kannalta huomioitavia seikkoja.

Yleisohjeita laitteiden ja kytkentöjen käsittelyyn:

Sähköiskuvaara eri tilanteissa

A) Ei sähköiskuvaaraa, tai aistittava mutta ei vaarallinen vaikutus

B) Sähköisku on epämiellyttävä, voi olla myös vaarallinen

Vaikka tällaiset sähköiskut eivät useimmiten ole terveelle ihmiselle fysiologisesti vaarallisia, niiden toissijaiset vaikutukset, kuten pelästyminen ja tahdosta riippumattomat liikkeet, voivat aiheuttaa onnettomuuden.

Sydäntahdistinpotilaalle tällaiset sähköiskut ovat erittäin vaarallisia.

C) Sähköisku voi olla hengenvaarallinen

Sähkövirran lämpövaikutuksen aiheuttamat vaarat

Sähkövirta lämmittää komponenttia, jonka läpi virta kulkee. Lämmitysteho on verrannollinen komponentin läpi kulkevaan virtaan ja sen napojen väliseen jännitteeseen (P = UI). Virtapiirissä, jonka kaikkien osien läpi kulkee sama virta, suurin lämmitysteho kohdistuu niihin virtapiirin osiin, joiden resistanssi on suurin (RI2). Kuumentunut komponentti aiheuttaa palovamma- ja tulipalovaaran.

Verkkosähkön virtapiireissä on poikkeuksetta sulake tai sähkömekaaninen ylivirtasuoja, joka katkaisee sähkövirran ennen sen kasvamista niin suureksi, että virta aiheuttaisi verkkosähkön jakelujohtimien ylikuumenemisen. Tästä huolimatta verkkovirtaan kytketty kuumeneva laite, esimerkiksi uppokuumennin tai keittolevy, voi väärin käytettynä aiheuttaa tulipalovaaran.

Virtalähteissä on sulake, ylivirtasuoja tai virran elektroninen rajoitin myös lähtövirralle. Tämä estää virran kasvun niin suureksi, että virtalähde itse voisi vahingoittua. Lähtövirta saattaa silti olla tarpeeksi suuri kuumentamaan esim. ohuen metallilangan hehkuvaksi.

Erilaisten akkujen sisäinen resistanssi on hyvin pieni, joten oikosulkuvirta voi olla hyvin suuri. Auton lyijyakulla se voi olla satoja ampeereja. Näin suuri virta sulattaa paksuhkon kuparijohdon. Myös akku itse kuumenee, ja voi räjähtää. Kaikkia akkuja, mukaan luettuina pienet paristoja korvaavat akut ja puhelinakut, täytyy varoa kytkemästä oikosulkuun. Nykyaikaiset alkaliparistot antavat nekin melko suuren oikosulkuvirran, joka lämmittää ainakin itse paristoa voimakkaasti.

Elektrolyyttikondensaattorit eli elkot voivat väärin käsiteltyinä aiheuttaa vaaran. Tavalliset elkot ovat polaarisia komponentteja, jotka on kytkettävä ulkoiseen jännitteeseen oikein päin. Jos elko kytketään väärin päin, se läpäisee tasavirtaa ja kuumenee. Koska elko on rakenteeltaan suljettu metallikapseli, kuumeneminen voi johtaa räjähdykseen. Jos taas suurikapasitanssinen elko puretaan yhtäkkisesti esimerkiksi oikosulkemalla, purkausvirta on hetkellisesti hyvin suuri. Virta voi kuumentaa johtimien kosketuskohdan niin, että siitä roiskahtaa sulaa metallia.