Článek pojednává o účincích elektrického proudu protékajícího lidským tělem, když je tělo ponořeno do vody o různých úrovních vodivosti. Projednávají se sinusové proudy o kmitočtu 50/60 Hz a stejnosměrné proudy, ale účinky proudů jiných kmitočtů lze odhadnout s použitím informací uvedených v souboru norem ČSN IEC/TS 60479.
Rezistivita vodního roztoku a lidského těla
Čistá voda je v podstatě nevodivá, ale když jsou do ní přidány příměsi, jako je sůl, rezistivita roztoku může významně poklesnout. Tabulka 1 uvádí příklady hodnoty rezistivity typických vodních roztoků, v nichž mohou být lidé zčásti nebo úplně ponořeni.
Jestliže je lidské tělo ponořeno do vody, která vede elektrický proud, je dráha elektrického proudu vodou ovlivněna relativní rezistivitou těla, které není homogenní, a vody. Jestliže je rezistivita vody menší než rezistivita ponořeného těla (např. ve slané vodě), velká část proudu, který by protékal vodou, jež byla vytlačena tělem, bude proudit spíš kolem těla než skrz tělo. Jestliže však má voda větší rezistivitu než tělo (např. měkká jezerní voda), poteče větší část proudu cestou menšího odporu a „hromadí se" nebo „se koncentruje" přes tělo. Přítomnost těla naruší elektrické pole a dráhu toku proudu ve vodě. K nejmenšímu zkreslení elektrických polí a proudových cest dojde, jestliže rezistivita vody je téměř stejná jako rezistivita částí těla umístěných ve vodě. Protože však tělo není homogenní, přítomnost těla ve vodě vždy do jisté míry vyvolá narušení elektrického pole a dráhy proudu.
Intenzita elektrického pole (ve V/cm) je rovna rezistivitě (v Ωcm) násobené proudovou hustotou (v A/cm2). Proto pro dvě paralelní dráhy, na které příčně působí stejné elektrické pole, poteče dráhou s menší rezistivitou proud s úměrně větší hustotou.
Tabulka 2 udává přibližné hodnoty rezistivity např. různých částí lidského těla za normální tělesné teploty. Hodnoty platí pro střídavý proud nízkého kmitočtu nebo pro stejnosměrný proud.
Proud vedený ponořeným tělem
Výstupní impedance elektrického zdroje dodávajícího proud do vody může být vysoká nebo nízká v závislosti na povaze a konstrukci zdroje. Jestliže má zdroj malou výstupní impedanci v porovnání s impedancí těla ponořeného do vody, chová se jako zdroj konstantního napětí. V takovém případě proud protékající tělem a vodou je určen spíše impedancí různých paralelních cest ve vodě a není omezen výstupní impedancí zdroje. Proud procházející tělem není významně ovlivněn cestami proudu vedoucími paralelně s tělem. Důsledkem nízké výstupní impedance zdroje může být každá z paralelních cest napájena proudem ze zdroje, který je v podstatě založen na impedanci každé z mnoha jednotlivých cest.
Jestliže elektrický zdroj má ve srovnání s kombinovanou impedancí těla a vody, v níž je tělo ponořeno, vysokou výstupní impedanci, chová se jako zdroj konstantního proudu. V takovém případě je velikost celkového proudu od zdroje, která protéká lidským tělem a vodou určena napětím zdroje děleným impedancí zdroje. Impedance vně zdroje je relativně malá v poměru k impedanci zdroje a má malý vliv. Elektrický proud ve vodě se rozděluje mezi tělo a dráhy kolem těla. Nejvíce proudu protéká cestami s nejmenší rezistencí. V extrémním případě, kdyby voda byla dokonalý vodič, by ponořené tělo nevedlo žádný proud, protože veškerý proud by tekl kolem těla vysoce vodivou vodou. V opačném extrémním případě, jestliže by voda měla vysokou rezistivitu, by se téměř veškerý proud koncentroval přes tělo.
Tabulka 3 kvalitativně objasňuje relativní vzájemné působení mezi rezistivitou vodního roztoku (relativně ve vztahu k rezistivitě ponořeného těla) a charakteristickou impedancí elektrického zdroje (impedancí zdroje v poměru k impedanci roztoku a ponořeného těla).
Fyziologické účinky proudu protékajícího ponořeným tělem
Je nepravděpodobné, že by byl elektrický proud vnímán a že by vzbuzoval úlekovou reakci, jestliže je tělo úplně ponořeno ve vodě. Jestliže je ponořeno celé tělo, je hustota proudu procházejícího kůží obvykle nízká, i když proud, který se koncentruje v těle a protéká skrz tělesné tkáně (svaly, krev, nervy atd.) může dosahovat značných hodnot. Protože však intenzita proudu protékajícího kůží je nízká, mohou vnitřními částmi těla ponořené osoby protékat nebezpečné úrovně proudu, aniž by to bylo spojeno s pocity doprovázejícími zásah elektrickým proudem.
Fyziologické účinky proudu tělem, mezi něž patří i strnutí svalů (znehybnění) mohou být zvláště nebezpečné, když je tělo ponořeno, protože to může ohrozit schopnost osoby plavat nebo to může ohrožovat schopnost držet hlavu nad vodou. Následkem těchto účinků na normální ovládání svalů může být utonutí.
Jestliže proud dostatečné velikosti protéká tělem v oblasti srdce, mohou se objevit komorové fibrilace. Orientace těla s ohledem na elektrické pole ve vodě není nutně neměnná a může se ustavičně měnit. Proto je nutné předpokládat, že proud může vstupovat do těla a z těla vycházet způsobem, který maximalizuje proudovou hustotu v srdci a že může protékat v nejnepříznivějším směru. Například proud může téci přímo do hrudníku a levou paží vycházet. To závisí na poloze těla s ohledem na umístění elektrod ve vodě.
Osobě ponořené do vody, která je elektricky izolována od země a její potenciál je vzhledem k potenciálu země zvýšený elektrickým zdrojem, ale kde nejsou rozdílné potenciály ve vodě (ve vodě není elektrické pole), nemusí tělem protékat žádný proud, dokud nedosáhne na vodivou část spojenou se zemí a nedotkne se jí. V takovémto případě bude proud protékat z vody do těla přes velký povrch ponořené kůže a ven z těla přes končetinu, která se dotýká nebo drží uzemněnou část. Osoba by nemusela být schopná se této části pustit, a pokud je proud protékající trupem dostatečně vysoký, může tento proud narušit dýchací funkce a způsobit komorovou fibrilaci.
Poranění elektrickými popáleninami je při ponoření těla méně obvyklé, protože kůže je chlazená vodou.
Jestliže je osoba úplně ponořená ve vodě, může proud protékající hlavou vyvolávat množství fyziologických účinků. Malé proudy mohou vyvolávat pocity svědění, píchání nebo štípání na kůži. Větší proudy mohou působit stahy svalů ve tváři. Ještě větší proudy mohou vzbuzovat podněty v očních nervech a způsobovat světelné vjemy. To jsou vizuální světelné obrazy vyvolané vnějšími podněty, ale jinými než světelnými – v tomto případě elektrickým proudem. (Mechanický tlak vyvíjený na zavřené oko může světelné vjemy vyvolávat též.) Ačkoliv světelné vjemy samy o sobě nejsou škodlivé, mohou vzbuzovat u nic netušících osob strach a mohou způsobovat jejich bezmyšlenkovité nebo dokonce panické reakce, které pak mohou vést k dalším nebezpečím včetně utopení. Přímé účinky proudu bezprostředně pominou, jakmile proud přestane působit; avšak větší proudy mohou způsobovat bolest v horní části obličeje. Tato bolest odezní během několika minut až několika hodin. Tyto proudy mohou působit také na rovnovážné ústrojí. Tento účinek není trvalý, ale může trvat i několik dní.
Prahové hodnoty proudu
Prahová hodnota fyziologických účinků na lidské tělo ponořené do vody nemá jednoznačnou hodnotu. Působí zde tolik proměnných, které mohou neustále měnit hodnotu „impedance těla" a každé dráhy a velikosti proudu v každé dráze, jelikož se tělo relativně pohybuje ve vztahu k elektrodám zdroje proudu ve vodě. Následující hodnoty byly použity pro konzervativní proudové meze pro uplatnění v případech, kdy je lidské tělo ponořené ve vodě s nízkou rezistivitou. Zkoušky pro určení těchto hodnot byly provedeny ve vodě s rezistivitou 22 Ωcm, která představuje mořskou vodu, připravenou tak, že se do vody z vodovodu přidal NaCI.
Obecně, jestliže proud o kmitočtu s hodnotou 50/60 Hz překračující 5 mA pronikne do těla ponořené osoby a protéká jím, povede to pravděpodobně ke svalovému strnutí, které může narušit schopnost člověka plavat, dýchat, nebo dokonce způsobit komorovou fibrilaci. Když je osoba ponořená, může proud vstupovat z vody přímo do hrudníku, aniž by protékal končetinami. Kromě toho zachování ovládání svalů je důležité pro schopnost uniknout utonutí. Podmínky ponoření se odlišují od typického scénáře zásahu elektrickým proudem a uplatňují se odlišná kritéria.
Pro měření proudu, který se získá na základě vysoké výstupní impedance elektrických zdrojů ve vodě, je někdy určen rezistor 50 Ω. Tato hodnota však může být příliš vysoká na to, aby byla vhodná jako model impedance těla. To se stává důležitým, když zdroj má nízkou výstupní impedanci. V takovém případě hodnota impedance modelu těla má vliv na proud v širším rozsahu a měla by být pro zastupování těla zvolena přesněji.
Jestliže do těla dítěte vstupuje oblastí hrudníku proud 5 mA, může se stát, že hustota proudu bude při kmitočtu proudu 50/60 Hz až 30 µA/cm2.
Hodnoty vnitřního „bezpečného" napětí
Praxí ve výrobkových normách bylo pro aplikace v plaveckých bazénech a lázních, v nichž dochází k ponoření těla, spíše omezovat proud než napětí. Jestliže by se měla určit hodnota vnitřního „bezpečného" napětí, to by mělo být velmi nízké, snad řádu několika málo voltů, protože ponořeným tělem mohou procházet dráhy proudu o velmi nízké impedanci.
