E – Sicherheit

Ein sehr zentraler Aspekt im Zusammenhang mit elektrischem Strom ist die Frage nach Sicherheit und Gefahr.

Hierauf muss vor allem in der Schule sehr viel Augenmerk gelegt werden. Die folgenden Ausführungen beziehen sich allerdings allesamt auf Kontakt mit Spannungen, die deutlich über der Spannung von haushaltsüblichen Batterien liegen. Das Hantieren mit solchen Batterien ist abgesehen von Überhitzungen bei Kurzschlüssen oder möglicherweise auslaufenden Chemikalien bei einer Beschädigung der Batterie völlig gesundheitsunbedenklich.

 Auswirkungen höherer Spannungen auf den menschlichen Körper

Ein Stromfluss durch unseren Körper kann aufgrund von Wärmeentwicklung (Verbrennungen), chemischen Reaktionen und Beeinflussung des Herzrhythmus‘ gefährlich werden (siehe Abbildung E.1).

Allgemein gesprochen kommt es in der Gefährdung durch elektrischen Strom darauf an:

      • wie groß die elektrische Spannung ist, die einen Stromfluss verursacht
      • wie groß der elektrische Widerstand ist, den unser Körper dem Stromfluss entgegensetzt
      • wie lange der Stromfluss andauert, d.h. wie viel Energie unser Körper dabei aufnimmt
      • welchen Weg der Strom durch unseren Körper nimmt
      • (ob es sich um Gleichspannung oder Wechselspannung handelt).

Allgemeine Regeln besagen, dass es ab Spannungen von ca. 25-60 V lebensgefährlich werden kann. Nimmt man einen Widerstandswert für den menschlichen Körper von 1000 Ohm an, ergibt sich daraus, dass diese Gefährdung für Stromstärke ab ca. 25-60 mA gilt. Dies ist aber sehr stark vereinfacht und muss differenzierter betrachtet werden.

Differenziertere Betrachtung

Um zu beschreiben, ab welcher Spannung es gefährlich für uns wird, lässt sich nur einschränken: Es kommt darauf an. Zieht man an einem trockenen Winterabend den Pullover aus Synthetikfasern über den Kopf, können durch diese Reibung unterschieldicher Materialien aneinander bereits Spannungen von mehreren tausend Volt entstehen. Ähnliches gilt für das Kind, das nach dem Hüpfen vom Trampolin steigt und am metallenen Rahmen oder der zum Ausstieg gereichten Hand der Eltern „einen gewischt“ bekommt. Das mag für einen Moment schmerzhaft sein, gefährlich ist es aber trotz der sehr hohen Spannungen nicht.

Dies liegt vor allem daran, dass es hier nur für einen sehr kurzen Moment zu einem Stromfluss in Form eines kleinen Blitzübersprunges kommt und unser Körper dieser hohen Spannung in der Regel auch einen sehr hohen Widerstand von einigen Millionen Ohm entgegen zu setzen hat. In Blitzentladungen, denen wir auf diese Weise im Alltag regelmäßig ausgesetzt sind, kann die Spannung durchaus einige tausend Volt betragen. Die dabei fließenden Ströme, sind aber meistens sehr klein und vor allen Dingen von sehr kurzer Dauer. Da die elektrische Energie sind aus Spannung, Widerstand und Dauer berechne, kommt es hierbei folglich zu keiner großen Energieaufnahme durch unseren Körper:

Je größer der Widerstand R ist und je kleiner die Zeitspanne t, desto kleiner ist die übertragenen Energie selbst bei größeren Spannungen U.

Nach dem Ohmschen Gesetz ergibt sich die Stärke des fließenden Stroms ja aus

Der Widerstand unseres Körpers wird wie in der folgenden Graphik dargestellt meist mit ca. 1000 Ohm von Arm zu Arm oder Arm zu Bein angegeben. Ein Stromfluss kommt hier beispielsweise durch ein elektrisches Kabel zustande, das die Person mit der Hand berührt. Der Stromkreis wird dann über das Kabel, den menschlichen Körper und den Boden, auf der die Person steht, geschlossen (siehe Abbildung B.2).

Die üblicherweise angegebenen 1000 Ohm bilden allerdings nur den inneren Widerstand des Körpergewebes usw. ab, das zu großen Anteilen aus Wasser mit Elektrolyten besteht und daher über eine recht gute Leitfähigkeit verfügt. Dabei wird allerdings vernachlässigt, dass der sogenannte „Übergangswiederstand“ beispielsweise eines Kabels auf die Haut unserer Handflächen oder unserer Füße zum Boden sehr unterschiedlich ausfallen kann. Sind unsere Hände nass und wir stehen auch mit den Beinen in einer Pfütze, kann dieser Übergangswiderstand unbedeutend sein. Haben wir dagegen trockene Hände und stehen mit gut isolierten Gummisolen auf dem Boden, steigt der Widerstand sprunghaft in den Bereich von mehreren Millionen Volt an.

Entscheidend ist also, wie groß der Widerstand unseres Körpers effektiv ist, welche Stromstärke sich dadurch nach dem Ohmschen Gesetz ergibt und wie lange dieser Stromfluss besteht.

Um dies differenzierter zu betrachten, lässt sich eine Graphik wie die oben dargestellte heranziehen, die sowohl die Stärke des durch den Körper fließenden Stroms (hier von der Hand durch den Körper und die Beine in die Erde) als auch die Dauer mit einbezieht. Auf diese Weise ergeben sich für den sehr niedrigen (worst case) Widerstandswert von ca. 1000  Ohm die dargestellten Gefährdungsbereiche.

Bereich 1: völlig ungefährlich

Bereich 2: Hier beginnen wir anhand von Kribbeln o.ä. den elektrischen Strom (sehr allmählich) auch zu bemerken. Bei höheren Stromflüssen in diesem Bereich nähern wir uns schließlich der sogenannten Loslassschwelle. Hier verkrampfen die Muskeln beispielsweise in der Hand aufgrund des Stromflusses so stark, dass wir die Hand nicht mehr bewegen und so den elektrischen Leiter auch nicht mehr von alleine loslassen können. Hier muss der Stromkreis entsprechend von außen unterbrochen werden, beispielsweise durch Ausschalten, Auslösen des Sicherheitsschalters, Entfernen der Person usw.

Bereich 3: gesundheitsgefährdend bis hin zur sogenannten Flimmerschwelle, die die Herzfrequenz bedrohlich stört.

Bereich 4: lebensbedrohlich, also bei sehr großen Strömen.

Dabei darf allerdings nie vergessen werden, dass sich diese Ströme darauf beziehen, dass der Körper mit seinem elektrischen Widerstand sich auch tatsächlich im Stromkreis befindet und die Stromstärke durch diesen hohen Widerstand auch deutlich verringert wird. Es ist durchaus möglich, dass in einem kleinen Stromkreis mit einer Batterie und einer kleinen Lampe Ströme von über 100 mA fließen. Das ist auch völlig ungefährlich für eine anwesende Person, denn sie ist ja nicht Teil des Stromkreises. Wird sie nun Teil des Stromkreises, weil sie die Kabel an einer Stelle löst und in der Hand hält, dann steigt der Widerstand des Stromkreises sprunghaft um das Tausendfache an und die Stromstärke bricht auf ein Tausendstel ein. Der Stromfluss ist wieder im unbedenklichen Bereich.

Ganz anders sieht es natürlich mit der Netzspannung aus, die und über Steckdosen zur Verfügung stehen. Diese liefern effektive Spannungen von 230 V, die nicht mehr im Ungefährlichen Bereich liegen. Experimente mit Steckdosen sind daher in jedem Fall zu unterlassen, da sie in ungünstigem Fall tatsächlich sehr gefährlich werden bis tödlich enden können.