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. 

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

• välillä käsi-käsi tai käsi-jalka R~1300 Ω

• välillä käsi-jalat R~975 Ω

• välillä kädet-jalat R~650 Ω

Käytäntöä

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

• Sähköiskun virta voi kulkea ruumiin läpi jännitteisestä johtimesta toiseen jännitteiseen johtimeen, tai jännitteisestä johtimesta maadoitettuun johtavaan esineeseen (esim. laitteen runkoon, vesijohtoon, lämpöpatteriin, tai johtavaan lattiaan).

• Sydämen kautta (kädestä käteen tai kädestä jalkoihin) kulkeva virta on erityisen vaarallinen.

• Vaihtosähkö on alhaisemmilla jännitteillä vaarallista kuin tasasähkö.

Yleisohjeita laitteiden ja kytkentöjen käsittelyyn:

• Ennen kuin kosket laitteeseen, jonka voi epäillä olevan vaarallinen, varmistu että laite on jännitteetön. Pura hankaussähkökoneen varaus, sammuta virtalähde verkkokytkimestä.

• Jos on pakko käsitellä jännitteellistä kytkentää ja vähänkin epäilet että siitä voisi saada sähköiskun, käsittele kytkentää yhdellä kädellä. Toisen käden voi laittaa vaikka taskuun.

• Älä luota kytkentäjohtimien eritykseen. Eriste on voinut kulua, haurastua tai murtua. Suurella jännitteellä voi tapahtua läpilyönti.

Sähköiskuvaara eri tilanteissa

A) Ei sähköiskuvaaraa, tai aistittava mutta ei vaarallinen vaikutus

• Yleisesti kaikki enintään 24 V tasa- ja vaihtojännitteet. Mistään oppilasvirtalähteistä ei saa ulos 24 V suurempaa jännitettä. Se on myös suurin leluissa sallittu jännite. Muita esimerkkejä laitteista, joista ei voi saada sähköiskua:

  • paristot ja akut

  • käsigeneraattorit

  • verkkolaitteet

  • tietokoneen ja oheislaitteiden väliset johtimet

• Kapasitanssiltaan pieniin esineisiin (kuten kampa, eboniittisauva ja ihminen) syntyvä hankaussähkö. Vaikka esineen ja Maan potentiaaliero voi nousta kymmeniin kilovoltteihin, varaus on niin pieni ettei vaaraa ihmiselle ole.

B) Sähköisku on epämiellyttävä, voi olla myös vaarallinen

• Influenssikone ja nauhageneraattori. Näistä saadaan jopa 150 kV jännite. Se lyö läpi tavallisten kytkentäjohtojen eristeen. Influenssikoneessa on kondensaattorit, jotka kasvattavat purkauksessa siirtyvää varausta.

• Leydenin pullo ym. suurjännitekondensaattorit. Isot Leydenin pullot ovat erittäin vaarallisia.

• Käämin itseinduktiojännite. Kun suuri-induktanssisen kääminn virta katkaistaan äkillisesti, katkaisukohdan yli vaikuttaa hetken suuri jännite.

• Opetukseen tarkoitetut suurjännitelähteet. Näiden oikosulkuvirta on rajoitettu pienemmäksi kuin 3 mA, jota pidetään turvallisuusrajana. Virtalähteillä voi kuitenkin olla sisäistä kapasitanssia, joka sallii lyhytaikaisen suuremman virran. On huomattava, että napajännite ei välttämättä laske heti nollaan, kun jännitelähde sammutetaan virtakytkimestä. Tämän vuoksi joissain suurjännitelähteissä on kytkin, jolla lähtönavat voidaan oikosulkea.

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

• Verkkosähkö

• Kaikki virtalähteet, joiden napajännite on yli 50 V ja virranantokyky yli 50 mA. Esimerkkejä:

  • Säätömuuntajat

  • Käämeistä itse rakennetut jännitettä nostavat muuntajat

  • Kaasupurkauslamppujen virtalähteet

• Verkkokäyttöisten laitteiden kotelon sisällä esiintyvät jännitteet laitteen ollessa kytkettynä verkkoon. Tietokoneissa vaarallisia jännitteitä on vain erillisen virtalähteen kotelossa, ei emolevyllä eikä levyasemien yms. kaapeleissa.

• Kipinäinduktorit.

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 (P = 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.