20.6: Riscos elétricos e o corpo humano
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objetivos de aprendizagem
Ao final desta seção, você poderá:
- Defina risco térmico, risco de choque e curto-circuito.
- Explique quais efeitos vários níveis de corrente têm no corpo humano.
Existem dois riscos conhecidos da eletricidade: térmica e de choque. Um risco térmico é aquele em que a energia elétrica excessiva causa efeitos térmicos indesejados, como iniciar um incêndio na parede de uma casa. Um risco de choque ocorre quando a corrente elétrica passa por uma pessoa. Os choques variam em gravidade, desde dolorosos, mas inofensivos, até letalidade de parar o coração. Esta seção considera esses perigos e os vários fatores que os afetam de maneira quantitativa. Segurança elétrica: os sistemas e dispositivos considerarão sistemas e dispositivos para evitar riscos elétricos.
Riscos térmicos
A energia elétrica causa efeitos de aquecimento indesejados sempre que a energia elétrica é convertida em energia térmica a uma taxa mais rápida do que pode ser dissipada com segurança. Um exemplo clássico disso é o curto-circuito, um caminho de baixa resistência entre os terminais de uma fonte de tensão. Um exemplo de curto-circuito é mostrado na Figura 1. O isolamento dos fios que conduzem a um aparelho está desgastado, permitindo que os dois fios entrem em contato. Esse contato indesejado com uma alta tensão é chamado de curto. Como a resistência do curto,\(r\), é muito pequena, a potência dissipada no curto,\(P=V^{2}/r\), é muito grande. Por exemplo, se\(V\) é de 120 V e\(r\) é\(0.100 \Omega\), então a potência é de 144 kW, muito maior do que a usada por um eletrodoméstico típico. A energia térmica fornecida nessa taxa elevará muito rapidamente a temperatura dos materiais circundantes, derretendo-os ou talvez os inflamando.
Um aspecto particularmente insidioso de um curto-circuito é que sua resistência pode realmente ser diminuída devido ao aumento da temperatura. Isso pode acontecer se o curto criar ionização. Esses átomos e moléculas carregados são livres para se mover e, assim, diminuem a resistência\(r\). Desde então\(P=V^{2}/r\), a energia se dissipou nas subidas curtas, possivelmente causando mais ionização, mais potência e assim por diante. Altas tensões, como a corrente alternada de 480 V usada em algumas aplicações industriais, correm esse risco, porque voltagens mais altas criam maior produção inicial de energia em um curto espaço de tempo.
Outro risco térmico sério, mas menos dramático, ocorre quando os fios que fornecem energia a um usuário estão sobrecarregados com uma corrente muito grande. Conforme discutido na seção anterior, a energia dissipada nos fios de alimentação é\(P = I^{2}R_{W}\), onde\(R_{W}\) está a resistência dos fios e\(I\) a corrente que flui através deles. Se um\(I\) ou\(R_{W}\) for muito grande, os fios superaquecem. Por exemplo, um cabo de eletrodoméstico gasto (com alguns de seus fios trançados quebrados) pode ter e\(R_{W} = 2.00 \Omega\) não o\(0.100 \Omega\) que deveria ser. Se 10,0 A de corrente passar pelo cabo, então\(P = I^{2}R_{W} = 200 W\) é dissipado no cabo — muito mais do que é seguro. Da mesma forma, se um fio com\(0.100 - \Omega\) resistência for destinado a transportar alguns amplificadores, mas estiver carregando 100 A, ele superaquecerá severamente. Nesse caso, a energia dissipada no fio será\(P= 1000 W\). Fusíveis e disjuntores são usados para limitar correntes excessivas. (Veja a Figura 2 e a Figura 3.) Cada dispositivo abre o circuito automaticamente quando uma corrente sustentada excede os limites de segurança.
Os fusíveis e disjuntores para tensões e correntes domésticas típicas são relativamente simples de produzir, mas aqueles para grandes tensões e correntes apresentam problemas especiais. Por exemplo, quando um disjuntor tenta interromper o fluxo de eletricidade de alta tensão, uma faísca pode saltar através de seus pontos que ionizam o ar no espaço e permitem que a corrente continue fluindo. Os disjuntores grandes encontrados em sistemas de distribuição de energia empregam gás isolante e até usam jatos de gás para apagar essas faíscas. Aqui, a CA é mais segura do que a CC, já que a corrente CA passa por zero 120 vezes por segundo, dando uma rápida oportunidade de extinguir esses arcos.
Riscos de choque
As correntes elétricas que passam pelas pessoas produzem efeitos tremendamente variados. Uma corrente elétrica pode ser usada para bloquear dores nas costas. A possibilidade de usar corrente elétrica para estimular a ação muscular em membros paralisados, talvez permitindo que os paraplégicos andem, está sendo estudada. Dramatizações televisivas nas quais choques elétricos são usados para tirar uma vítima de ataque cardíaco da fibrilação ventricular (um batimento cardíaco extremamente irregular, muitas vezes fatal) são mais do que comuns. No entanto, a maioria das mortes por choque elétrico ocorre porque uma corrente coloca o coração em fibrilação. Um marcapasso usa choques elétricos para estimular o coração a bater corretamente. Alguns choques fatais não produzem queimaduras, mas as verrugas podem ser queimadas com segurança com corrente elétrica (embora o congelamento com nitrogênio líquido seja agora mais comum). Obviamente, existem explicações consistentes para esses efeitos díspares. Os principais fatores dos quais dependem os efeitos do choque elétrico são
- O valor atual\(I\)
- O caminho percorrido pela corrente
- A duração do choque
- A frequência\(f\) da corrente (\(f = 0\)para DC)
A tabela abaixo mostra os efeitos dos choques elétricos em função da corrente para um choque acidental típico. Os efeitos são para um choque que passa pelo tronco do corpo, tem duração de 1 s e é causado por uma potência de 60 Hz.
| Corrente (mA) | Efeito |
| 1 | Limite de sensação |
| 5 | Corrente máxima inofensiva |
| 10-20 | Início da contração muscular sustentada; incapacidade de desistir durante o choque; a contração dos músculos do peito pode parar de respirar durante o choque |
| 50 | Início da dor |
| 100-300+ | Possibilidade de fibrilação ventricular; frequentemente fatal |
| 300 | Início das queimaduras dependendo da concentração da corrente |
| 6000 (6A) | Início da contração ventricular sustentada e paralisia respiratória; ambas cessam quando o choque termina; os batimentos cardíacos podem voltar ao normal; usados para desfibrilar o coração |
Efeitos do choque elétrico em função da corrente
Nossos corpos são condutores relativamente bons devido à água em nossos corpos. Dado que correntes maiores fluirão através de seções com menor resistência (a ser discutida mais detalhadamente no próximo capítulo), as correntes elétricas fluem preferencialmente por caminhos no corpo humano que têm uma resistência mínima em um caminho direto para a Terra. A terra é um sumidouro natural de elétrons. Usar sapatos isolantes, uma exigência em muitas profissões, proíbe um caminho para elétrons, fornecendo uma grande resistência nesse caminho. Sempre que trabalhar com ferramentas de alta potência (brocas) ou em situações de risco, certifique-se de não fornecer um caminho para o fluxo de corrente (especialmente através do coração).
Correntes muito pequenas passam inofensivamente e não são sentidas pelo corpo. Isso acontece com você regularmente sem o seu conhecimento. O limiar de sensação é de apenas 1 mA e, embora desagradáveis, os choques são aparentemente inofensivos para correntes menores que 5 mA. Um grande número de regras de segurança determina o valor de 5 mA para o choque máximo permitido. Com 10 a 20 mA ou mais, a corrente pode estimular contrações musculares sustentadas da mesma forma que os impulsos nervosos regulares. Às vezes, as pessoas dizem que foram derrubadas pela sala por um choque, mas o que realmente aconteceu foi que certos músculos se contraíram, impulsionando-os de uma maneira que não era de sua própria escolha. (Veja a Figura 4a.) Mais assustador e potencialmente mais perigoso é o efeito “não consigo desistir” ilustrado na Figura 4b.
Os músculos que fecham os dedos são mais fortes do que aqueles que os abrem, então a mão se fecha involuntariamente no fio, chocando-a. Isso pode prolongar o choque indefinidamente. Também pode ser um perigo para uma pessoa que está tentando resgatar a vítima, porque a mão do socorrista pode se fechar em torno do pulso da vítima. Normalmente, a melhor maneira de ajudar a vítima é dar uma pancada/golpe/jarra forte no punho com um isolador ou jogar um isolador no punho. As cercas elétricas modernas, usadas em compartimentos de animais, agora são ativadas e desativadas para permitir que as pessoas que as tocam se libertem, tornando-as menos letais do que no passado.
Correntes maiores podem afetar o coração. Seus padrões elétricos podem ser interrompidos, de forma que ele bate de forma irregular e ineficaz em uma condição chamada “fibrilação ventricular”. Essa condição geralmente persiste após o choque e é fatal devido à falta de circulação sanguínea. O limite para fibrilação ventricular está entre 100 e 300 mA. Com cerca de 300 mA ou mais, o choque pode causar queimaduras, dependendo da concentração da corrente — quanto mais concentrado, maior a probabilidade de queimaduras.
Correntes muito grandes fazem com que o coração e o diafragma se contraiam durante o choque. Tanto o coração quanto a respiração param. Curiosamente, ambos geralmente retornam ao normal após o choque. Os padrões elétricos do coração são completamente apagados de forma que o coração possa recomeçar com batimentos normais, em oposição à interrupção permanente causada por correntes menores que podem colocar o coração em fibrilação ventricular. O último é algo como rabiscar em um quadro negro, enquanto o primeiro o apaga completamente. As dramatizações televisivas do choque elétrico usadas para tirar uma vítima de ataque cardíaco da fibrilação ventricular também mostram pás grandes. Eles são usados para espalhar a corrente que passa pela vítima para reduzir a probabilidade de queimaduras.
A corrente é o principal fator que determina a gravidade do choque (considerando que outras condições, como trajeto, duração e frequência, são fixas, como na tabela e na discussão anterior). Uma voltagem maior é mais perigosa, mas, como\(I = V/R\) tal, a gravidade do choque depende da combinação de tensão e resistência. Por exemplo, uma pessoa com pele seca tem uma resistência de cerca de\(200 k\Omega\). Se ele entrar em contato com 120 V AC, uma corrente\(I = (120 V)/(200 k\Omega) = .6mA\) passa inofensivamente por ele. A mesma pessoa molhada pode ter uma resistência de\(10.0 k\Omega\) e os mesmos 120 V produzirão uma corrente de 12 mA, acima do limite de “não consigo largar” e são potencialmente perigosos.
A maior parte da resistência do corpo está na pele seca. Quando molhados, os sais entram na forma de íons, diminuindo significativamente a resistência. O interior do corpo tem uma resistência muito menor do que a pele seca, devido a todas as soluções iônicas e fluidos que ela contém. Se a resistência da pele for contornada, como por meio de uma infusão intravenosa, um cateter ou eletrodos de marcapasso expostos, a pessoa fica sensível ao microchoque. Nessa condição, correntes de cerca de 1/1000 das listadas na tabela acima produzem efeitos semelhantes. Durante a cirurgia cardíaca aberta, correntes tão pequenas quanto\(20 \mu A\) podem ser usadas para acalmar o coração. Requisitos rigorosos de segurança elétrica em hospitais, particularmente em cirurgia e terapia intensiva, estão relacionados ao paciente duplamente desfavorecido sensível ao microchoque. A quebra na pele reduziu sua resistência e, portanto, a mesma voltagem causa uma corrente maior, e uma corrente muito menor tem um efeito maior.
Outros fatores, além da corrente, que afetam a gravidade de um choque são sua trajetória, duração e frequência AC. O caminho tem consequências óbvias. Por exemplo, o coração não é afetado por um choque elétrico no cérebro, como o que pode ser usado para tratar a depressão maníaca. E é uma verdade geral que quanto maior a duração de um choque, maiores seus efeitos. A Figura 5 apresenta um gráfico que ilustra os efeitos da frequência em um choque. As curvas mostram a corrente mínima para dois efeitos diferentes, em função da frequência. Quanto menor a corrente necessária, mais sensível o corpo fica nessa frequência. Ironicamente, o corpo é mais sensível às frequências próximas às frequências de 50 ou 60 Hz de uso comum. O corpo é um pouco menos sensível ao DC (\(f = 0\)), confirmando levemente as alegações de Edison de que a CA apresenta um risco maior. Em freqüências cada vez mais altas, o corpo se torna progressivamente menos sensível a quaisquer efeitos que envolvam os nervos. Isso está relacionado às taxas máximas nas quais os nervos podem disparar ou ser estimulados. Em freqüências muito altas, a corrente elétrica viaja apenas na superfície de uma pessoa. Assim, uma verruga pode ser queimada com uma corrente de frequência muito alta sem fazer com que o coração pare. (Não tente fazer isso em casa com 60 Hz AC!) Algumas das demonstrações espetaculares de eletricidade, nas quais arcos de alta tensão passam pelo ar e pelo corpo das pessoas, empregam altas frequências e baixas correntes. (Veja a Figura 6.) Os dispositivos e técnicas de segurança elétrica são discutidos em detalhes em Segurança elétrica: sistemas e dispositivos.
Resumo
- Os dois tipos de riscos elétricos são térmicos (potência excessiva) e choque (corrente que passa por uma pessoa).
- A gravidade do choque é determinada pela corrente, trajeto, duração e frequência CA.
- A tabela lista os riscos de choque em função da corrente.
- A Figura 5 representa graficamente a corrente limite para dois perigos em função da frequência.
Notas de pé
1 Para um homem comum chocado no tronco do corpo por 1 s por 60 Hz AC. Os valores para mulheres são de 60 a 80% dos listados.
Glossário
- risco térmico
- um risco no qual a corrente elétrica causa efeitos térmicos indesejados
- risco de choque
- quando a corrente elétrica passa por uma pessoa
- curto-circuito
- também conhecido como “curto”, um caminho de baixa resistência entre os terminais de uma fonte de tensão
- sensível ao microchoque
- uma condição na qual a resistência da pele de uma pessoa é contornada, possivelmente por um procedimento médico, tornando a pessoa vulnerável a choques elétricos em correntes de cerca de 1/1000 do nível normalmente exigido