Gefahren beim Umgang mit elektrischen Spannungen

Wir zeigen auf, dass die einfache Faustformel „je höher die Spannung, desto gefährlicher ist es“ nicht unbedingt immer zutrifft. Grundsätzlich ist die Höhe des Stroms, der durch den menschlichen Körper fließt, entscheidend.

Körperdurchströmung

Fließt ein elektrischer Strom durch den menschlichen Körper, können irreparable Schäden entstehen, die im schlimmsten Fall auch zum Tod führen können.
Die Abbildung unten zeigt, dass nicht nur die Höhe des Stromes eine Rolle spielt, sondern auch die Dauer der Durchströmung.

Betrachtet man zum Beispiel einen Wert von 50 mA, so zeigt sich, dass der Strom, sollte er nicht länger als 0,2 s fließen, üblicherweise keine Schäden am Körper verursacht. Bei einer länger andauernden Durchströmung kann es allerdings zu gravierenden Einschränkungen kommen.

Der Übergang von Bereich 2 zu Bereich 3 wird auch Loslassschwelle genannt. Da es im Bereich 3 zu Muskelverkrampfungen kommen kann, ist es möglich, dass man nicht mehr in der Lage ist, die Berührungsstelle selbstständig loszulassen.

Wird einem nicht rasch geholfen, kann dies gegebenenfalls zu schwerwiegenden Schädigungen oder sogar zum Tod führen.

Allgemein gelten Ströme, höher als 20 bis 25 mA, als gefährlich!

Zu beachten ist, dass die oben angegebenen Werte natürlich auch abhängig von der Konstitution des Menschen sind. Hält man sich aber an diese Faustformel, bleibt man auf der sicheren Seite. Sollte es doch einmal zu einem Stromunfall kommen, ist auf jeden Fall ein Arzt zu kontaktieren. Auch wenn es dem Geschädigten augenscheinlich gut geht, kann es bis zu 24 Stunden nach dem Stromunfall noch zu Schwierigkeiten kommen.

Wichtig: Bei Stromunfällen immer den Notarzt verständigen.

Der Körperwiderstand

Das Ohmsche Gesetz beschreibt die Zusammenhänge zwischen Strom, Spannung und Widerstand. Er zeigt auf, dass die Höhe eines Stromflusses wesentlich durch den Widerstand des durchflossenen Körpers abhängig ist. Diese Abhängigkeit gilt natürlich auch bei einem Stromfluss durch den menschlichen Körper.

Der sogenannte Hand-zu-Hand-Widerstand des menschlichen Körpers ist abhängig von verschiedenen Faktoren.

Dabei sind die Feuchtigkeit der Hände sowie die Höhe der angelegten Spannung besonders zu beachten.

Zur Widerstandsmessung legt das Messgerät eine definierte Spannung über die Messleitungen an das Messobjekt (im Bild die beiden Hände) an. Dadurch fließt wiederum ein Strom, der vom Messgerät gemessen wird. Mit Hilfe der angelegten Spannung und des gemessenen Stroms wird nun der Widerstand des Messobjekts berechnet.

Die Spannung, die das Multimeter zur Messung herausgibt, liegt in der Regel zwischen 1 V und 3 V. Mit diesen Werten ergibt sich ein Hand-zu-Hand Widerstand von mehreren 10.000 Ω, im Bild sogar 148,1 k Ω also 148.100 Ω. Berühren diese Hände nun die beiden Batteriepole einer 12-V-­Batterie, so fließt durch den Körper ein Strom von ungefähr 81 μA.

Dieser Strom ist überhaupt nicht gefährlich. Selbst, wenn bei äußerst feuchten Händen der Hand-zu-Hand-Widerstand nur 10.000 Ω betragen würde, käme es nur zu einer Durchströmung in Höhe von 1,2 mA – also immer noch ein völlig ungefährlicher Wert.

Selbst bei einer Hochvoltbatterie mit einer Spannung von 200 V ergäbe sich so nur ein Körperstrom von 20 mA.

Warum muss man also bei Hochvoltfahrzeugen so vorsichtig sein?

Sind sämtliche Maßnahmen übertrieben? Um darauf eine verlässliche Antwort zu geben, müssen wir die Abhängigkeit des Körperwiderstands von der angelegten Spannung betrachten. Die menschliche Haut schützt uns vor vielen Dingen, unter anderem auch vor einer Durchströmung des Körpers. Allerdings wird dieser Schutz durch höhere Spannungen überwunden.

Das bedeutet in der Praxis, sobald die Spannung ansteigt, sinkt auch der Körperwiderstand.Mit zunehmender Spannung sinkt der Körperwiderstand rapide!

Die Abbildung zeigt die Körperwiderstände, die bei einer Spannung ab ungefähr 100 V anzusetzen sind. Setzt man ­anstelle des großen Hand-zu-Hand-Widerstands den nun geltenden ein, ergibt sich für die Körperdurchströmung bei einer 200-V-Hochvolt-Batterie ein Stromfluss von 200 mA.

Ein Strom in Höhe von 200 mA könnte bereits tödlich sein. Aus diesem Grund müssen in Hochvolt-Fahrzeugen besondere Regeln beachtet werden.

Nicht immer führt allerdings eine hohe Spannung auch gleich zu einem hohen Strom. Bei der Zündanlage werden Spannungen bis zu 30.000 V erzeugt. Trotz dieser hohen Werte kommt es im Berührungsfall allerdings nicht zu einer unzulässig hohen Körperdurchströmung.

Die hohe Spannung wird mit Hilfe eines Transformators (Zündspule) generiert. Und wie bei jeder elektrischen Maschine gilt auch bei dem Transformator, dass nicht mehr Energie herausgenommen werden kann, als man hineingibt. Bei einer Zündspule fließt in den Eingang ein Strom von zirka 10 A und das bei einer angelegten Spannung von ungefähr 12 V.

Mit diesen Eingangswerten wird also eine Leistung (P) von 120 W hineingegeben. (P = U∙I = 12 V∙10 A = 120 W)

Am Ausgang, an dem die Zündspannung von bis zu 30.000 V anliegt, kann keine höhere Leistung abgenommen werden, als vorher hineingegeben wurde. Theoretisch können hier also maximal 120 W abgefordert werden. Aufgrund von Verlusten ist dieser Wert in der Realität sogar bedeutend niedriger. Betrachten wir das Ganze aber mit den theoretischen Werten, so ergibt sich ein maximaler Strom von 4 mA.

Dass es was Zündanlagen angeht trotzdem manchmal zu gesundheitlichen Schäden kommt, liegt nicht an der Körperdurchströmung, sondern vielmehr an Spannungsimpulsen, die im schlimmsten Fall die Herzfrequenz beeinflussen.

Elektrostatische Ladung und Entladung

Jeder kennt das, man nähert sich einem anderen Menschen und plötzlich knistert es, im wahrsten Sinne des Wortes.

Ein anderes Beispiel: Man fasst ein eisernes Geländer an und bekommt einen elektrischen Schlag. Und obwohl jeder dieses Phänomen kennt, ahnt doch kaum jemand, wie hoch die dort wirksamen Spannungen wirklich sind und wie diese zustande kommen.

Wir erinnern uns an die Definition von Spannung

„Als elektrische Spannung wird das Bestreben ungleich geladener Pole beschrieben, ihre Ladung auszugleichen.“ Es geht hierbei also um Ladungen. Jeder Körper ist in der Lage, eine gewisse Menge an Ladung aufzunehmen und diese auch zu speichern. Meist erfolgt dieser Vorgang durch Ladungstrennung, häufig hervorgerufen durch Reibung.

Beim Laufen über einen Teppichboden reibt die Schuhsohle über den Teppich. Hierbei werden vom Teppich negative Ladungen abgetrennt und vom Körper mitgenommen. Besonders ausgeprägt ist dieser Vorgang beim Tragen von Schuhen mit Gummisohle.

Die Ladung, die der Körper nun aufgenommen hat, nennt man elektrostatische Ladung. Sobald der Körper die Möglichkeit hat, diese Ladung wieder abzugeben zum Beispiel durch Berühren einer Heizung oder einer anders geladenen Person, kommt es zur Entladung. Bei dieser Entladung fließt dann ein Strom. Sobald sich ein Körper aufgeladen hat, herrscht eine Spannung zwischen ihm und einem anders geladenen Körper. Die Höhe dieser Spannung kann durchaus über 35.000 V betragen und ist stark abhängig von der Feuchtigkeit der Umgebungsluft.

Gefährlich für den Menschen sind diese Spannungen nicht. Ähnlich wie bei einer Zündspule ist auch hier die gespeicherte elektrische Energie nicht besonders hoch.

Das Problem an diesen Ladungen besteht aber darin, dass man Entladungen erst ab einer Spannungshöhe von ungefähr 3.000 V spüren kann. Darunter bekommen wir es gar nicht mit, dass wir permanent geladen und entladen werden.

Elektrische Bauteile wiederum können schon ab 10 V Schaden nehmen. Bei einer elektrostatischen Entladung besteht also nicht für den Menschen Gefahr, sondern hauptsächlich für elektronische Bauteile.

• Spannungen ab 3.000 V sind spürbar.
• Spannungen ab 5.000 V sind spür- und hörbar.
• Spannungen ab 10.000 V sind spür-, hör- und sichtbar.

ESD (Electric-Static-Discharge) steht dabei für den Vorgang der Elektrostatischen Entladungen. Im Umgang mit empfindlicher Elektronik ist es erforderlich, ­einige Vorkehrungen zu treffen, damit ­diese Bauteile nicht zerstört werden. Häufig werden empfindliche Bauteile zusätzlich mit einem Hinweis versehen.

Schutz vor ESD (Electric-Static-Discharge)

• Berühren Sie keine elektrischen Kontakte, zum Beispiel an Steuergeräten.
• Belassen Sie Steuergeräte und andere elektronischen Komponenten so lange wie möglich in der Originalverpackung.
• Entladen Sie sich gezielt (zum Beispiel durch Anfassen eines Heizkörpers o.Ä.), bevor Sie elektronische Elemente ­anfassen.
• Vermeiden Sie gleichzeitiges Arbeiten mit unterschiedlichen Kunststoffen.

Abschließend kann man sagen, dass auch das Arbeiten an der Fahrzeugelektrik/-elektronik nicht ohne Risiken ablaufen. Wenn man sich aber an die grundlegenden Hinweise und Vorschriften hält, sollte es auch nicht zu Schädigungen an Personen oder der Technik kommen.