Procese electrice caracteristice organismelor vii

PROCESE ELECTRICE CARACTERISTICE ORGANISMELOR VII

Celula, considerata ca un organism elementar, vegetala sau animala, atata timp cat este vie, produce curent electric.

Ca rezultat al schimburilor energetice si metabolice intre organismul viu si mediu se produc reactii chimice si procese electrice care caracterizeaza viata.

Un organism viu este alcatuit dintr-o multitudine de celule, care din punct de vedere electric constituie medii conductoare de natura electrolitica, marginite de membrane ce pot fi considerate surse electrice independente cu anizotropie electrica, care se interfereaza spatio-temporal in mod variabil. Intr-un mediu electrolitic principalii purtatori de sarcina sunt ionii. Difuzia inegala a anionilor si cationilor printr-o membrana creeaza diferente de potential.

Potentialele electrice ale tesuturilor animalelor si plantelor pluricelulare depind de caracterul polar sau nepolar al celulelor si de distributia lor spatiala.

Proprietatile electrice si magnetice ale materiei vii ca permitivi­tatea, conductivitatea si susceptivitatea depind de tipul de legaturi atomice si moleculare care determina efecte de orientare a dipolilor, efecte de inductie a moleculelor polarizate si efecte de dispersie de natura cuantica. De asemenea, depind de forma macromoleculelor organice si de existenta impuritatilor in spatiile libere ale substantei.

Interactiunea organismului viu cu mediul inconjurator ca si functiile sale interne sunt legate de caracteristicile campului electromagnetic exterior.

Campurile electrice exterioare de frecvente joase, 50-100 Hz, au efecte asupra sistemului nervos neutral, iar cele cu frecvente inalte de 10-50 MHz au efecte asupra sistemului circulator. De asemenea, campurile electrice de joasa frecventa modifica structura si comportamentul celular, prin schimbarea proprietatilor dielectrice ale membranei celulare si duce la o crestere a temperaturii, proportional cu durata actiunii campului asupra organismului.

Cresterea temperaturii corpului duce la cresterea transpiratiei si in consecinta la o scadere a rezistentei electrice cutanate.

Efectele fiziologice, ca urmare a cumularii modificarilor electrolitice si biochimice produse de actiunea campurilor electrice de frecventa industriala, se datoreaza curentilor indusi in organismul uman. Parametrii care determina aceste modificari sunt intensitatea campului electric si timpul de expunere in camp.

Asupra organismelor vii actioneaza si electricitatea atmosferica, prin intermediul ionilor din aer, rezultati ca urmare a ionizarii atmosferei datorita actiunii vantului, caderilor de apa, fulgerelor, radiatiilor naturale sau artificiale etc.

Ionii negativi mici au o actiune biopozitiva asupra organismelor vii, fac ca membranele celulelor la organismele in varsta sa fie la fel de permeabile la oxigen ca in tinerete, ceea ce determina o prelungire a vietii.

In ceea ce priveste ionii pozitivi mari experientele pun in evidenta unele tulburari functionale, accelerarea ritmului respirator, somnolenta, cefalee, cresterea temperaturii cutanate, ce dau senzatia de oboseala si indispozitie.

1. EFECTELE TRECERII CURENTULUI ELECTRIC PRIN ORGANISMELE VII

Trecerea curentului electric prin corpul omului, care este un conductor electrobiologic, este insotita de fenomene al caror efecte se manifesta sub forme multiple si complexe.

Efectele curentului electric pot fi:

termice, manifestate fie prin arsuri ale unor parti ale corpului,

fie prin incalzirea excesiva a unor organe interne urmata de dereglarea lor functionala;

electrochimice constand in descompunerea lichidului organic,

inclusiv a sangelui, si la alternarea compozitiei sale;

biologice constand in dereglarea proceselor electrice interne,

caracteristice materiei vii, avand drept rezultat contractia muschilor parcursi in sens longitudinal de curentul electric cu o anumita panta di/dt.

Actiunea curentului electric poate fi privita sub doua aspecte:

actiune directa asupra tesuturilor pe care le parcurge;

actiune reflectata, prin intermediul sistemului nervos central,

care afecteaza si tesuturile neparcurse de curent electric.

Urmarile acestor efecte sunt producerea socurilor electrice, arsurile electrice si metalizarea pieii, care nu sunt altceva decat modificari functionale superficiale sau profunde ale organismului.

Aceste modificari se produc atunci cand intensitatea curentului electric ce trece prin corp depaseste o anumita valoare limita tolerata de organism.

Fenomenele ce apar in organism, ca urmare a trecerii curentului electric si care in general pot fi grupate in afectiuni ale sistemului nervos central, tulburari cardiace si respiratorii definesc conceptul de soc electric. Producerea unui soc electric fatal poarta denumirea de electrocutare.

Leziunile superficiale locale, arsurile, metalizarea pieii prin patrunderea in tegument a stropilor de metal, fenomene produse tot de trecerea curentului electric, definesc conceptul de traumatism electric.

In ceea ce priveste alterarea functiilor vitale care are drept consecinta moartea, intrucat experimentele au fost facute pe animale si extrapolate la om, aproape in unanimitate sunt acceptate urmatoarele ipoteze:

organismul inceteaza din viata dupa cateva secunde;

moartea survine prin paralizarea respiratiei ca o consecinta a

lezarii centrului respirator;

moartea survine prin compromiterea functionarii normale a

inimii, ca urmare a perturbatiilor produse de trecerea curentului electric;

moartea survine prin afectarea sistemului nervos central, fie

ca urmare a actiunii directe, fie in mod reflex.

In cazul omului cea mai plauzibila ipoteza este de a considera drept cauza a mortii, prin soc electric, actiunea complexa si distructiva a curentului electric asupra sistemului nervos, intrucat acesta comanda respiratia si functionarea inimii.

Ultimele cercetari au aratat ca, in cazul producerii unui soc electric, curentul electric poate actiona direct asupra inimii sau asupra sistemului nervos si concomitent asupra inimii si sistemului nervos. Drept urmare, moartea poate surveni datorita incetarii functionarii inimii, oprirea respiratiei sau actiunii lor concomitente.

Incetarea functionarii inimii se datoreaza supraexcitarii acesteia de catre tensiunea suplimentara aplicata, ca urmare a trecerii curentului electric. In muschiul inimii se induce permanent o diferenta de potential, care constituie stimulul necesar pentru fiecare contractie a ei. Inima este in acest fel un organ care se excita singur.

La trecerea curentului electric prin om inimii i se aplica o tensiune suplimentara, un stimul neobisnuit, ce provoaca contractarea fibrelor muschiului inimii. Aceasta contractie se adauga contractiilor inimii produse pe cale naturala.

Sub actiunea directa si reflectata a curentului electric, contractiile si destinderile fibrelor muschiului inimii se produc dezordonat si asincron, cu o frecventa de cateva sute de ori pe minut , fata de functionarea normala a inimii cu 70 de batai pe minut, ceea ce duce , practic, la incetarea actiunii de pompare si, deci, a circulatiei sangelui.

Incetarea circulatiei sangelui are drept consecinta moartea biologica dupa 3-5 minute a celulelor sensibile ale organismului. Fenomenul descris poarta denumirea de fibrilatie si este practic echivalent cu incetarea functionarii inimii.

Sensibilitatea inimii, la curentul electric, depinde si de momentul in care are loc trecerea curentului electric prin  organism. Inima este deosebit de sensibila cand se afla in stare de relaxare, intre o contractie si o destindere. Formele de manifestare a fenomenelor determinate de trecerea curentului electric prin organism depind de frecventa si forma curentului electric, de durata si traseul prin organism a acestuia.

Curentul alternativ nu produce efecte electrolitice, in schimb efectele de stimulare sunt mai accentuate decat in cazul curentului continuu. Curentii alternativi de joasa frecventa produc convulsii, senzatii dureroase si contractii musculare. Curentul continuu nu produce convulsii musculare.

Curentul alternativ poate produce tulburari cardiace si respiratorii la tensiuni de 70 V, cel continuu la tensiuni de 120-220 V. Curentul alternativ cu frecventa de 50-100 Hz este cel mai periculos pentru organism. La trecerea unui curent alternativ cu frecventa mai mare de 10 kHz comportarea tesuturilor este cu totul alta decat a unuia de joasa frecventa.

La trecerea unui curent de frecventa de 15-300 MHz organismul se comporta ca un dielectric cu pierderi. Efectul principal este cel caloric exercitandu-se, preferential, asupra tesuturilor aflate in profunzime. Moartea prin soc electric survine, in majoritatea cazurilor, in urma paraliziei respiratiei, in alte imprejurari din cauza paraliziei respiratiei simultan cu cea a inimii, iar in cazuri  foarte rare numai in urma fibrilatiei inimii.

Socurile electrice, chiar daca nu au ca rezultat moartea, pot provoca tulburari grave in organism cum ar fi: boli cardiovasculare si nervoase, tulburari endocrine, slabirea memoriei care poate apare in timpul producerii socului electric sau peste cateva ore, zile sau luni.

Traumatismele locale se prezinta sub forma de arsuri, metalizarea pieii, semne electrice (pete de culoare cenusie sau galbuie pe suprafata pieii, de forma rotunda sau ovala, cu o scobitura la mijloc), leziuni mecanice provocate de contractiile muschilor, cum ar fi: ruperea ligamentelor si a vaselor sanguine, luxatia incheieturilor, etc.

2. CARACTERIZAREA DIN PUNCT DE VEDERE ELECTRIC

A ORGANISMELOR VII

Conductorul electrobiologic, cum este si corpul uman, ca element

de circuit electric, se comporta ca un conductor complex special avand o impedanta variabila, prezentand partial proprietati de electrolit si partial proprietati de semiconductor, la care predomina rezistenta electrica.

Conductorul electrobiologic neomogen este caracterizat printr-o structura complexa, ceea ce determina o conductibilitate diferentiata a partilor constituente ca pielea, oasele, tesuturile, muschii si sangele. Caracterul si valoarea impedantei electrice a conductorului electrobiologic depinde nu numai de proprietatile fizice, ca in cazurile corpurilor obisnuite, ci si de procesele biofizice si biochimice foarte complicate care au loc in corp.

Conductibilitatea diferitelor parti ale corpului depinde de rezistivitatea electrica a tesuturilor constitutive. Lichidele interstitiale  au o rezistivitate de 0,6 W m, iar protoplasma de 2W m. O fibra nervoasa cu diametrul de 20mm are o rezistenta de 260 MW, iar o fibra musculara cu diametrul de 100 mm are 2,6 MW. Oasele, ligamentele, grasimea si pielea opun cea mai mare rezistenta la trecerea curentului electric, in schimb muschii, sangele si lichidul tesuturilor opun o rezistenta mai mica. Cea mai mare rezistenta la curent o opune epiderma, adica stratul superior al pieii lipsit de nervi si vase sanguine. Acest strat a carui grosime este de 0,05 -0,2mm, in anumite conditii, poate fi considerat ca dielectric.

Simplificat, corpul omenesc, ca element de circuit, poate fi reprezentat prin schema echivalenta din figura 11.1a in care R_e , C_e reprezinta rezistenta, respectiv capacitatea epidermei, iar R_i reprezinta rezistenta interna a organismului.

Fig. Impedanta echivalenta a organismului uman.

Prezenta capacitatii C_e in schema, in valoare de 0,02-0,03m F/cm² de electrod, se explica prin faptul ca la contactul electrozilor cu organismul se formeaza un condensator ale carui armaturi sunt electrodul si tesuturile bune conducatoare de electricitate, iar dielectricul este epiderma avand permitivitatea electrica relativa e_r = 100-200.

Schema echivalenta se poate simplifica, reducandu-se la o rezistenta R_h 2R_e + R_i in paralel cu o capacitate C_h C_e / 2 (fig. 11.1b).

Impedanta echivalenta a omului are expresia:

Daca se neglijeaza si curentul prin capacitatea C_h impedanta corpului uman se reduce la o simpla rezistenta R_h.

Pentru mai multa exactitate corpul omenesc trebuie considerat ca o masa conductoare acoperita cu un dielectric imperfect - pielea.

Rezistenta organismului masurata la tensiuni de 15-20V, intre doi electrozi asezati pe suprafata corpului, daca pielea este uscata si ingrosata, poate ajunge pana la 100000 W, este de 2000-6000 W in conditiile obisnuite si scade sub 1000 W daca pielea este umeda, ponderea cea mai mare revenind epidermei. Dupa indepartarea epidermei rezistenta scade la 1000-5000W, iar la indepartarea totala a pieii rezistenta se reduce la 300-500W (rezistenta tesuturilor interne).

Rezistenta corpului uman variaza in limitele foarte largi datorita dependentei de foarte multi factori, dintre care se mentioneaza:

1.     Starea de integritate si umiditate a pieii; microtraumatismele epidermei fac ca rezistenta corpului uman R_h sa tinda catre rezistenta interna R_i , iar umezeala, transpiratia si substantele conductive, ce eventual murdaresc pielea, sa reduca sensibil valoarea rezistentei;

2.     Caracteristicile electrice ale traseului de parcurgere a curentului electric:

locurile de aplicare a electrozilor, suprafata si presiunea de contact; rezistenta pieii este diferita in diversele portiuni ale ei, iar rezistenta interna depinde de lungimea traseului curentului electric;

marimea curentului electric; cresterea curentului electric duce la scaderea rezistentei prin incalzirea locala a pieii, urmata de dilatarea vaselor, umplerea lor cu sange si cresterea transpiratiei , ca o reactie reflectata a organismului;

valoarea tensiunii aplicate; cresterea tensiunii are ca efect reducerea rezistentei pana la o valoare limita datorita cresterii curentului electric, iar la valori de peste 1000 V - datorita strapungerii epidermei;

felul si frecventa curentului; cu cresterea frecventei impedanta electrica scade datorita scaderii reactantei capacitive;

durata trecerii curentului prin corp; rezistenta scade cu cresterea duratei datorita intensificarii irigarii cu sange a pieii, transpiratiei, etc.

3. Factori fiziologici si de mediu ambiant:

sexul si varsta femeile si copii au rezistenta cu circa 30% mai mica   datorita finetii pieii;

stimulii fizici neasteptati sonori sau luminosi, duc la scaderea temporara a rezistentei organismului;

cresterea temperaturii aerului sau iradierea termica a organismului scade intr-o oarecare masura rezistenta, chiar daca omul se afla in aceste conditii pentru scurt timp, datorita intensificarii irigarii cu sange a pieii, ca rezultat al dilatarii vaselor sanguine.

Sintetizand, se pot trage urmatoarele concluzii:

rezistenta electrica a organismului omului are caracter neliniar;

rezistenta organismului viu este constituita din rezistenta interna, care are o valoare aproximativ constanta, si in cea mai mare parte din rezistenta epidermei;

rezistenta epidermei este determinata, in principal, in mod direct de fenomenele biochimice si fiziologice, dar si indirect prin actiunea sistemului nervos.

In proiectarea sistemului de protectie se au in vedere situatiile cele mai defavorabile, rezistenta omului R_e considerandu-se egala cu 1000W , in cazul atingerilor directe si 3000W, in cazul atingerilor indirecte.

3. FACTORII CARE DETERMINA PERICOLUL SOCURILOR ELECTRICE

Producerea socurilor electrice este determinata de curentul electric ce trece prin organism. Tensiunea aplicata si rezistenta electrica conteaza, numai in masura in care determina intensitatea curentului electric.

Intensitatea  curentului electric depinde de tensiunea aplicata in doua moduri: o data direct proportional cu tensiunea conform legii lui Ohm si a doua oara datorita faptului ca rezistivitatea organismului scade datorita cresterii tensiunii.

Intensitatea curentului electric care incepe sa fie perceputa de om poarta denumirea de intensitate de prag. Ea este de 0,5mA in curentul alternativ cu frecventa de 50Hz si 5mA in curentul continuu si nu este periculoasa. La intensitati mai mari de 1mA apar convulsii musculare, mai intai la palmele mainilor (la intensitati de 3-5 mA) si apoi la intreaga mana (8-10 mA); ajungandu-se ca la peste 10 mA sa nu se mai poata desface mana in care se gaseste conductorul. Cresterea in continuare a curentului provoaca intensificarea contractiilor musculare si aparitia senzatiei de durere. La valori de 100 mA in curent alternativ sau 300 mA in curent continuu apare fibrilatia inimii, efectele fiind mortale daca durata trecerii curentului electric prin organism depaseste 2-3 secunde.

Se considera curent nepericulos curentul alternativ de frecventa industriala cu intensitatea de pana la 10 mA si curentul continuu cu o intensitate de pana la 50 mA.

Prin curent periculos se intelege acel curent sub actiunea caruia omul nu se mai poate elibera prin forte proprii.

Al doilea factor important este durata trecerii curentului electric prin corp. Influenta duratei de trecere a curentului se manifesta complex. Rezistenta organismului scade in timp, datorita incalzirii si strapungerii epidermei, iar sensibilitatea inimii nu este aceeasi in diferitele stari de contractie. Cu cat timpul este mai lung cu atat este mai probabil ca starea de contractie sensibila sa coincida cu trecerea curentului electric.

Pentru o durata de trecere a curentului mai mica de 3 secunde dependenta de timp a intensitatii curentului alternativ suportata de om este data aproximativ de relatia [26] :

= 0,165.                  (11.2)

Dependenta de timp a intensitatii curentului electric suportat de om (curentul care nu produce fibrilatia inimii) este prezentata in figura 11.2 [26].

Intensitatea curentului la care apare fibrilatia inimii este functie si de natura si frecventa curentului.

Comparand sensibilitatea omului la curent continuu, cu cea la curent alternativ, se constata ca in curent continuu nu apar convulsii si ca pot fi suportati curenti continui avand o intensitate de aproximativ 4-5 ori mai mare decat in curent alternativ, dar numai pentru tensiuni mai mici de 450 V.

Variatia intensitatii curentului de prag in functie de frecventa este prezentata calitativ in figura 11.3 [26]

Fig. 11.3. Variatia intensitatii de prag a curentului alternativ in functie de frecventa.

Pana la frecventa de 10 Hz curentul de prag scade exponential, dupa care se mentine aproximativ constant pana la 1000 Hz si apoi creste din nou exponential. Rezulta ca pentru frecvente cuprinse intre 10 si600 Hz curentul alternativ prezinta periculozitatea maxima.

La frecvente mai mari de 1 kHz intensitatea de prag este mare, fiind posibila utilizarea acestor curenti in scopuri terapeutice. La frecvente foarte inalte, de peste 500 kHz, curentul produce arsuri si nu incetarea respiratiei sau fibrilatia inimii.

Traseul curentului electric prin corp joaca, de asemenea, un rol insemnat. Pericolul socului electric este mai mare, daca curentul actioneaza direct asupra organelor interne vitale, cum ar fi sistemul nervos central, inima, plamanii etc. Daca nu se gasesc pe traseul curentului vor suferi numai o actiune reflectata.

Cele mai periculoase sunt traseele cap - maini si cap-picioare, caz in care curentul trece prin creier, inima si maduva spinarii. In ordinea periculozitatii urmeaza traseele mana-picior sau mana-mana. Cel mai putin periculos este traseul picior-picior.

Prezinta importanta nu numai traseul curentului ci si locul de intrare si iesire a curentului din corp. Sunt considerate ca periculoase regiunea capului (ceafa, gatul, tampla), a pieptului, a abdomenului, etc., regiuni de mare sensibilitate nervoasa.