La Electricidad y el Cuerpo Humano Ing. Ramón Rivero De La Torre

Instituto Tecnológico de Cd. Madero, 1° de Mayo Esq. Sor Juana Inés de la Cruz, Col. Los Mangos CP. 89440, Cd. Madero Tamaulipas México, Tel. y Fax (01 833) 2-15-85-44 e-mail: [email protected] (Keywords: Choque eléctrico, paro respiratorio, fibrilación ventricular, voltaje de paso, voltaje de toque)

Las corrientes eléctricas pueden causar daños parciales hasta pérdida de la vida, por lo que es necesario conocer las causas que la producen, sus efectos en el organismo humano, como tratar de evitarla en la vida diaria y el conocimiento y aplicación de los primeros auxilios en caso de un shock eléctrico.

Introducción La electricidad es un movimiento de campos electromagnéticos que aún es invisible al ojo humano pero que es sensible en los seres vivos al grado de que puede causar daños severos, si por ellos circula una cantidad determinada, ya sea de corriente directa, como de corriente alterna. Las causas que producen estos daños son: a)

Por contacto directo

b) Por voltajes en la tierra, debido a corrientes eléctricas que circulan por la misma. c)

Por descargas atmosféricas

Algunos de estos factores de riesgo pueden afectar parcial o en forma total a los organismos. Sin embargo, cuando se presentan algunos problemas de este tipo (shock eléctrico) la vida de los seres puede ser salvada si se aplican con prontitud y eficacia, los primeros auxilios adecuados por personal capacitado. Entre estos métodos se cuentan: a)

Mantener libre el canal respiratorio

electricidad se presentan en lo hogares debido a que no conocen los riesgos de un accidente de este tipo y mucho menos la aplicación de los primeros auxilios. Es necesario impulsar métodos y formas para que la sociedad en general conozca y aplique los primeros auxilios.

Una de las formas de analizar la corriente eléctrica que circula por el cuerpo humano, está dada por la siguiente ecuación logarítmica inversa, según investigaciones del Dr. Charles Dalziel y que aparece en la norma IEEE-80 y que establece: 1.

Para una persona de 50 kg de peso. I=116 / √t mA a 60 hz

2.

Para una persona de 70 kg de peso. I=154 / √t mA. A 60hz

Donde:

t = Tiempo en segundos en que pasa la corriente eléctrica por el ser vivo.

b) Respiración de boca a boca c)

Masaje externo al corazón

Estas corrientes fueron obtenidas de experimentos con animales cuyo corazón es muy parecido al del hombre, (ver gráfica N° 1 para personas de 50 kg)

Estos métodos es necesario que sean del conocimiento de todos en general para que puedan rescatar vidas humanas. Las estadísticas indican que la mayoría de los accidentes con la

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2.

Gráfica 1

Voltaje de toque

El voltaje de paso: Es aquél que recibe una persona al caminar sobre la tierra por la que está circulando una corriente eléctrica. Su valor está dado por:

Personas de 50 Kg 400 350

mA

300 250 200

Vp= (116+0.7)ρs/√t Volts

150 100 50 0 -1

1

3

5

7

9

11

13

15

17

Tiempo

Obsérvese que lo que produce daño son las altísimas corrientes (miles de amperes en tiempos pequeñísimos (microsegundos)), o bien, pequeñísimas corrientes (mili-amperes) en tiempos relativamente altos (segundos o minutos).

Corrientes eléctricas por contacto directo Son las que se producen al hacer contacto con instalaciones energizadas, algunas partes del cuerpo como: manos, pies, cadera, cabeza, etc. Pueden deberse a altos voltajes (4.16, 13.2, 34.5, 115, 230 y 400 kV) o a bajos voltajes (127, 220, 380, 480, y 600 V). La magnitud de las corrientes dependen del voltaje de contacto y de las condiciones en que se encuentre la piel y la resistencia de contacto a tierra que se ofrezca al paso de la corriente, como lo establece la ley de Ohm: I=E/R I = Intensidad de corriente E = Voltaje en volts R = Resistencia de contacto en ohms a tierra.

Corrientes eléctricas por la generación de altas tensiones en la tierra. Como lo establece la ley de Ohm, cuando circula una corriente por un medio físico, se genera un voltaje en el mismo. Las corrientes por tierra (de desbalance, de fallas a tierra, errantes etc.) al circular por la misma, inducen un voltaje en las partes conductoras que se encuentran en la misma, generando en el organismo, dos tipos de voltajes: 1.

Voltaje de paso

Donde: Vp = Voltaje que se presenta entre los pies de una persona al caminar sobre la tierra en volts. ρs = Resistividad superior de la tierra sobre la que se camina en Ω-m t = Tiempo en segundos que dura la circulación de corriente por el cuerpo humano.

El voltaje de toque es aquél que recibe una persona al tocar una parte metálica no energizada, y que adquiere potencial al pasar una corriente eléctrica por la tierra. Su valor está dado por: Vt= (116+0.17) ρs/√t volts. Corrientes eléctricas generadas por descargas atmosféricas. La teoría de Wilson establece, en forma hipotética, la formación de las descargas atmosféricas, las cuales se producen de tres maneras: 1.

Dentro de la nube

2.

De nube a nube

3.

De nube a tierra y viceversa.

Los rayos más comunes son los del inciso # 3 (rayos calientes) y se generan cuando las cargas negativas de la nube y las positivas que se presentan en la tierra crean un campo eléctrico de tal valor, que rompe el dieléctrico del aire, iniciándose una corriente tan alta, debido a la neutralización de las cargas negativas y positivas, que genera una luminosidad intensa acompañada de una explosión de altísimos decibeles. Estos rayos, de muy altos voltajes, producen altísimas corrientes que al circular por tierra, destruyen las

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partes altas como árboles, edificios cuando no están protegidos, etc.

El punto telúrico de contacto, sigue siendo determinado por el principio de Franklin, (el rayo cae en las partes más altas en un área determinada).

Efectos de la corriente eléctrica en el cuerpo humano. La electrofisiología estudia las reacciones fisiológicas que produce la corriente eléctrica al paso por el cuerpo humano, trata de la forma en que cada tejido reacciona cuando una corriente circula por el organismo, ya sea corriente directa o alterna, de baja frecuencia (60Hz), impulsos de ondas de corriente (rayos, etc.). Las corrientes anteriores se pueden presentar en altos y bajos voltajes. La percepción del cuerpo humano al paso de la corriente por él. La inicialización de la percepción y los efectos biológicos dependen de la intensidad de la corriente, relacionada con el valor del voltaje aplicado al cuerpo, de resistencia y conductividad del mismo. La parte más sensible del cuerpo se encuentra en la retina: con solo 0.02 mA aplicados al globo ocular se produce una sensación luminosa. Le sigue la lengua, con la intensidad de 0.045 mA y se manifiesta por medio de un sabor alcalino. En cuanto a la piel, la percepción es variable y es función de las condiciones físicas en que se encuentre; en experimentos se ha encontrado que ya con alrededor de 1 mA se inicia le percepción.

El inicio de la contracción Como se puede observar en la tabla 1 que se muestra mas adelante, para el inicio de la contracción se requiere una intensidad un poco mayor. La contracción de los músculos puede ocasionar que la persona no se pueda desprender del contacto, y puesto que la corriente puede interesar por igual a los músculos de la respiración es posible entonces que se origine la muerte por asfixia. En general, ya algunos miliamperes originan contracciones irregulares de los músculos, siendo 16 mA efectivos el limite de desprendimiento para los hombres cuando poseen una elevada resistencia del cuerpo, y de solo 8 mA en el caso de baja resistencia.

Tabla 1. Corriente Efecto mA 1.0 Moderado temblor o sacudimiento de los músculos 2-4 Temblor de los nervios en los dedos hasta el antebrazo 5-7 Ligera convulsión o contracción 10-15 Sensación desagradable, pero todavía es posible soltarse 19-22 Fuertes dolores en el brazo, ya no es posible soltarse voluntariamente Manos paralizadas, el dolor es ± 30 insoportable 50 Inicio del paro del aparato respiratorio 100 Inicio de la fibrilación >100 ¡ Peligro de muerte ¡

Repartición de la corriente por el cuerpo En el caso de contactos dentro de recintos, las posibilidades de establecer un contacto con corriente son básicamente dos: por medio de las manos, o bien, con un pie; los efectos de la corriente de contacto son deferentes en ambos casos y con sus variantes posibles. En ello influye fundamentalmente la manera en que se distribuye la corriente por el cuerpo, ya que según sea su recorrido, la resistencia que presenta el cuerpo tendrá diferente valor y, por ende, la magnitud de la corriente que lo recorrerá será también distinta; además, ciertas trayectorias por el cuerpo son más peligrosas que otras. Desde luego, el recorrido más peligroso es el que pase por el tórax, ya que afecta al corazón directamente, y en el caso del contacto por medio del pie se origina el llamado “voltaje de paso”, en el cual la corriente circulará del pie con el contacto al otro, interesando predominantemente la parte baja del abdomen, por lo que resulta el menos dañino. En cuanto al contacto por medio de las manos, se pueden presentar algunas variantes, pero desde el punto de vista del recorrido de la corriente se puede diferenciar la circulación de la corriente longitudinal, es decir, de manos, a pies y la circulación transversal, de una mano a la otra pasando entonces por el tórax; lo anterior en el caso que la persona estuviese parada sobre piso aislante; de no ser así, se presentaría una circulación transversal y al mismo tiempo una circulación longitudinal. Ver figura 1.

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Figura 1.

como “realmente peligrosa para la vida” de personas.

La variabilidad de la resistencia del cuerpo humano La corriente eléctrica que atraviese al cuerpo humano, se puede calcular por medio de la expresión ya conocida en electrotecnia: I=V / R, o ley de Ohm mencionada anteriormente. Ic=Vc /Rc

Inicio del paro respiratorio En los experimentos sobre animales la aplicación de una corriente de 50 mA siguiendo una trayectoria de las patas anteriores a las posteriores, causó la parada respiratoria, pero ésta se restableció al interrumpir la circulación de la corriente. En las personas esta clase de efecto se presenta cuando la corriente atraviesa el tórax con una intensidad de 50 mA; si bien los efectos fisiológicos no necesariamente conducen a la muerte de la persona, por los efectos físicos que se pueden presentar (si ella está montada en una escalera puede caer de la misma) ya se le considera como “peligrosa para la vida” y, en consecuencia, se le denomina “corriente peligrosa”. Accidentes de esta clase en personas han reportado que, en ciertos casos, fueron necesarias de tres a ocho horas de aplicación de respiración artificial, para que el aparato respiratorio volviese a funcionar por sí mismo.

El inicio de la fibrilación Corrientes de efecto de ya cierta magnitud que atraviesen el tórax de una persona pueden afectar al funcionamiento del corazón, dando lugar a una fibrilación ventricular o a una acción desordenada de los músculos cardiacos, aunque ésta es una condición pasajera. De experimentos en animales con un peso similar al de personas, se deduce que el inicio de la fibrilación se presenta con corrientes de 100 mA. Los efectos fisiológicos de la presencia de la fibrilación durante cierto tiempo puede producir la muerte de la persona dentro de un lapso de tiempo corto (2 a 3 minutos). Esta clase de efecto de la corriente está catalogada

En principio, la corriente en el cuerpo se podría limitar para que no llegase a valores peligrosos para la salud y/o la vida de los seres vivos, controlando los valores del voltaje aplicado y de la resistencia de cuerpo. Sin embargo, la resistencia del cuerpo no se puede controlar con certeza, ya que es sumamente variable. Enseguida se presenta un pequeño resumen de una larga serie de experimentos realizados por un grupo de investigadores de diferentes nacionalidades. •

De la medición de la resistencia de cuerpo en varios grupos de individuos se ha encontrado una gran variabilidad en ella. Por ejemplo, personas con valor de resistencia de cuerpo de cien mil ohms e individuos con resistencia menor a los mil ohms. Tal variación repercute en el valor de la corriente del cuerpo para personas con alta o baja resistencia siendo por supuesto, mayor en el individuo con menor resistencia; este hecho explica algunos accidentes mortales que han sucedido con solo 80 volts en corriente continua.

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La resistencia del cuerpo es inversamente proporcional a la humedad relativa del aire y la temperatura ambiente. Así, por ejemplo, según se reportó en un congreso, en una serie de experimentos sobre docenas de individuos con una resistencia de cuerpo de 25000 Ω a una temperatura de 20°C y una humedad relativa de 50%, al cambiar la temperatura ambiente a 35°C y la humedad a 95%, el valor de la resistencia de cuerpo se desplomó a valores entre 15000 y 20000 Ω. Este hecho es sin duda muy significativo para el personal que trabaja en climas tropicales.

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La resistencia del cuerpo esta también muy relacionada con la condición física de la persona, es decir, si se encuentra seca, húmeda, mojada, etc.; la resistencia disminuye en ese orden.

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La resistencia varía de acuerdo con el modo o circunstancia del contacto, como se puede ver en la figura 2; una variación notable se tiene según las condiciones del punto de contacto, es decir, según las condiciones físicas de la piel, por ejemplo, piel sana, piel cortada, etc.

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La resistencia del cuerpo varía de manera inversa con la corriente circulante.

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La resistencia cambia en función de la clase de corriente aplicada

•

La resistencia varía también en función de la tensión aplicada.

Es evidente que toda esa gama de posibilidades de variación de la resistencia del cuerpo humano plantea un buen problema para la determinación exacta de la corriente que recorra el cuerpo de la persona en una situación practica. Figura 2. Posibles formas de contacto de personas con los medios eléctricos de servicio y valor aproximado de las resistencias de cuerpo.

a) Contacto con una mano, estando la persona parada sobre suelo conductor; circulación de corriente longitudinal de manos a pies: Rc ≅ 750Ω

b) Contacto con las dos manos para la persona sobre suelo conductor; circulación de corriente longitudinal, de manos a pies: Rc ≅ 500 Ω

c) Contacto con una mano, la persona parada con un pie sobre suelo aislante y con el otro sobre piso conductor; Circulación de corriente longitudinal, de la mano al pie. Rc ≅ 1000 Ω

d) Contacto con una mano y con la otra tocando un muro conductor (columna, etc.), la persona, parada en un piso aislante; Circulación de corriente transversal de mano a mano; Rc ≅ 1000Ω

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e) Contacto de mano a cadera, la persona parada sobre piso aislante; circulación de corriente parcial de mano a cadera; Rc ≅ 500 Ω

f) Contacto de manos a cadera, la persona parada sobre suelo aislante; circulación de corriente parcial de manos a cadera; Rc ≅ 250 Ω

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.Complicaciones en el sistema circulatorio debido a coronarias, infartos o predisposición a los mismos.

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El peligro de electrocución aumenta con la edad; así a partir de los 50 años existe mayor peligro.

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El cansancio, pues la vitalidad disminuye notablemente por exceso de trabajo físico.

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La sorpresa y el susto.

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En el caso de la mujer, cuando está embarazada aumenta el peligro debido a que su resistencia de cuerpo baja mucho.

•

La presencia de alcohol en la sangre.

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Estados depresivos psíquicos.

Efectos térmicos de la corriente Cuando circula por el cuerpo corrientes intensas, por ejemplo, a partir de 10 A, el calor producido es de la mayor trascendencia. En esta cuestión es determinante la energía transformada en el cuerpo, la cual queda definida por medio de la siguiente expresión: W=R ∫ i2 dt, en joules. En la cual: R es la resistencia del cuerpo y ∫ i2 dt es el impulso cuadrado de la corriente que se introduce al cuerpo en amperes.

g) Contacto con un pie, la persona parada sobre suelo conductor; circulación de corriente parcial de un pie al otro; Rc ≅ 1000 Ω

Factores contaminantes de la electrocución Se ha establecido que en la realidad se presenta una serie de factores aleatorios que pueden coadyuvar en la electrocución como los siguientes:

El calor producido por la circulación de corriente de alta intensidad, causa quemaduras y/o carbonización, tanto internas como externas, de diferentes grados de peligrosidad, en función de: •

La intensidad de la corriente

•

El recorrido de la corriente por el cuerpo

•

La trayectoria de la corriente

•

La forma y frecuencia de la corriente

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Las altas intensidades de corriente a través del cuerpo son muy peligrosas, pues originan la destrucción de alúmina, así como la evaporación por cocción de la fluidez de los tejidos del cuerpo. Ello conduce frecuentemente, después de algunos días, a la amputación de órganos hasta la muerte de la persona afectada, debido a que el cuerpo no puede eliminar y transformar los productos de la calcinación y, por tanto se presenta un cuadro de envenenamiento en donde generalmente aparece la gangrena.

Algunas medidas de seguridad para prevenir accidentes y pérdidas de vidas por shock eléctrico. 1) Conocer teórica y prácticamente los primeros auxilios para el caso. 2) Si se va a trabajar en instalaciones eléctricas: a)

Probar que no haya voltaje, utilizando un probador de tensión con una pértiga de fibra de vidrio.

b) Colocar sistemas de tierra antes y después del equipo en donde se va a trabajar, conectando primero al cable común de tierra a un electrodo. c)

Cuando se trabaje en un transformador, desconectar siempre la baja tensión y aterrizarlo pues en ocasiones recibe potencial de alguna planta eléctrica auxiliar.

d) Cuando visite una instalación eléctrica no levante los brazos ni elementos metálicos. e)

f)

No toque ningún cable desnudo o forrado. Una regla de seguridad es: considerar que todo cable forrado está desnudo. En instalaciones eléctricas deberá usar calzado dieléctrico.

g) Procure asirse bien el pelo largo. h) En el botiquín tenga una esfera de oxígeno para ayudar a respirar.

3)

Si aparecen señales de tormenta: a)

Refugiarse de inmediato en casa, coche, autobús, tren, etc.

b) Dejar de tocar todo objeto metálico. c)

No tocar tuberías de agua, de gas, carcazas metálicas, etc.

d) No hablar por teléfono. e)

Si se refugia en un árbol deberá, estar separado del tronco del mismo mínimo 3 metros y con los pies juntos

f)

Protegerse bajo objetos altos y líneas eléctricas.

g) Si anda en el campo, dejar en el suelo: paraguas, caña de pescar, equipo de golf, objetos largos, etc. h) Colocarse en el centro de casas de campaña. i)

Los guardabosques deberán separarse 0.5 m del tronco del árbol.

j)

Si anda en el mar, arriar velas.

k) Colocar bayonetas (pararrayos) en sus casas.

4) En sus casas coloque protectores plásticos en los contactos para evitar que los niños introduzcan partes metálicas. 5) No toque los conductores desnudos que bajan por los postes de energía eléctrica.

6) No coloque antenas cerca de las líneas eléctricas. 7) No toquen las retenidas de los postes de energía eléctricas 8) En presencia de humedad, considerar los conductores forrados como desnudos y energizados. 9) Etc.

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Bibliografía 1) Normas IEEE-80 2000 2) Curso de sobretensiones y sistemas de tierra impartido por el Dr. Raúl Velásquez Sánchez 3) Curso de sobretensiones y sistemas de tierra Víctor Manuel Cabrera Morelos 4) Problemas de ingeniería de puesta a tierra del Ing. Miguel de la Vega Ortega.

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