La electricidad en la naturaleza

Cuando cae un rayo sobre un bosque seco produce un incendio que se expande muy rápidamente, el hombre trata de apagarlo usando grandes recursos tanto humanos como técnicos y económicos; sin embargo, los bosques que se queman generalmente son resecos y envejecidos, los cuales al quemarse producen nitrógeno que actúa como fertilizante para el bosque que nacerá posteriormente. Observe que la combinación [rayo] + [bosque viejo] = [incendio del bosque], que después de consumirse, lo renuevan dando paso al nuevo bosque.

Por otro lado, también se sabe de la existencia de semillas que necesitan del fuego para reventar sus vainas, es decir, si no hay incendio no podrán germinar.

En los estados unidos se hacen estudios sobre los rayos, pero no esperan a que los rayos caigan sino que lanzan un cohete desde el sitio de experimentación, lo proyectan hacia la nube, provocando una descarga atmosférica, que es conducida a tierra a través de un conductor eléctrico que lleva adherido el cohete, para efectuar las investigaciones de este fenómeno natural.

En Colombia es la Universidad Nacional la encargada de realizar los estudios sobre los rayos, detectando y experimentando en zonas donde se presenta gran cantidad de rayos, a esto se le conoce como zona de alto nivel ceráunico. Esta información sirve para la construcción de los sistemas eléctricos de gran potencia, sistemas de generación, transmisión y distribución.

Además de las descargas atmosféricas se tiene conocimiento de que existen algunos peces que usan la electricidad para atrapar sus presas. A estos peces se les denomina Peces eléctricos.

Aproximadamente 250 especies de peces tienen órganos especiales que producen y descargan electricidad y por lo tanto, liberan poderosas descargas eléctricas. El pez eléctrico usa estos órganos especiales para localizar y adormecer a la presa, como un medio de defensa. La descarga eléctrica se produce cuando una persona tiene un contacto con la piel del animal. La mayoría de los peces eléctricos emiten continuamente una descarga eléctrica de bajo voltaje en una serie de pulsaciones.

Entre los peces eléctricos podemos mencionar:

La anguila de agua dulce: Sólo existen dos grupos de peces eléctricos que representan una amenaza para los seres humanos. El más peligroso es la anguila eléctrica de agua dulce (Electrophorus electricus) capaz de producir un campo eléctrico de más de 600 voltios. Puede crecer hasta 3,4 m y habita en ríos poco profundos en áreas tropicales y subtropicales de América del Sur. Es quizás el único pez eléctrico capaz de matar a un ser humano adulto.

La raya: Las rayas torpedos (Narcine sp. Y Torpedo sp.) habitan en los fondos de mares templados y cálidos de poca profundidad. El potencial eléctrico de las rayas eléctricas es muy variable, algunas generan electricidad de hasta 220 voltios. Las descargas se usan como medio de defensa y si bien son lo suficientemente fuertes para ser peligrosas, no son fatales. En Europa, algunos pescadores recibieron descargas de su red de pescar antes de ver lo que habían capturado (Dipper, 1987).

El pez gato: El pez gato del Congo y de la cuenca del Nilo genera unas descargas más débiles que la anguila eléctrica y a través de un mecanismo ligeramente distinto. Sus órganos eléctricos consisten en una membrana de terminaciones nerviosas que se extienden sobre todo el dorso.

El pez torpedo: Los peces torpedo de una determinada familia se localizan en los océanos de distintas regiones del mundo. En muchas partes de Europa es común un género de esta familia cuyos miembros tienen dos órganos de descarga eléctrica entre la cabeza y las aletas pectorales.

Los tiburones aunque no paralizan sus presas si usan los pulsos eléctricos emanados de sus presas para localizarlas

La anguila: llamada anguila eléctrica (que no son anguilas verdaderas), una célula nerviosa característica genera un potencial eléctrico de 0,14 voltios. Como término medio, estas pequeñas anguilas tienen unas 230 células de este tipo por centímetro de longitud, que generan de 30 a 32 voltios. Las células están concentradas en la cola, que ocupa unos cuatro quintos de la longitud total del pez. Estas especies pueden emitir unas descargas de 450 a 600 voltios. Si se producen numerosas descargas en un intervalo corto, los órganos llegan a agotarse y no funcionan hasta que no hayan reposado lo suficiente. Estos peces utilizan las sacudidas eléctricas para aturdir a sus presas cuando están cazando, como medio de auto defensa, para la detección de presas.

En la antigüedad los accidentes eléctricos eran causados por fenómenos naturales como el rayo y los peces eléctricos, pero con los grandes avances tecnológicos fruto del buen aprovechamiento de la electricidad en la industria y en el hogar, el número de accidentes por corriente eléctrica ha aumentado, a tal grado, que en la actualidad la electricidad constituye un factor importante de mortalidad en las personas.

Los accidentes eléctricos provocan trastornos graves en el organismo, tales como quemaduras severas, desarreglos del sistema nervioso, parálisis del sistema respiratorio y, como consecuencia, asfixia, parálisis del corazón y posiblemente la muerte.

Cuando se empezó a trabajar con voltajes superiores a 1000 voltios se registraba un alto nivel de accidentalidad ya que realmente no se conocía de los fenómenos eléctricos en el cuerpo humano y por tal motivo no se tenían en cuenta las normas de seguridad para trabajar con esto niveles de voltaje; de cada dos trabajadores se moría uno en algún accidente eléctrico.
Posteriormente se vio la necesidad reglamentar el uso de la electricidad, crear y aplicar las normas de seguridad en trabajos eléctricos, además se comenzó a usar herramientas debidamente aisladas de acuerdo al trabajo a realizar.

Leyes físicas y conceptos de circuitos:

Los seres vivos y en particular el cuerpo humano reaccionan cuando son sometidos a descargas eléctricas. Este fenómeno fue estudiado ampliamente por HYPERLINK "Luigi%20Galvani.doc" LUIGUI GALVANI cuando realizo una serie de experimentos con ancas de rana; usando la pila eléctrica inventada por HYPERLINK "Alejandro%20Volta.doc" ALEXANDRO VOLTA .

Los experimentos de Luigi permitieron observar que cuando las ancas de las ranas se sometían a una descarga eléctrica, sufrían contracciones involuntarias, con estos experimentos se pudieron establecer los efectos producidos por la electricidad en los nervios y músculos de los animales.

En nuestro cuerpo se cumplen las mismas leyes físicas de los circuitos eléctricos, éstas son:

Ley de Ohm: En una resistencia al paso de la corriente eléctrica, sometida a una diferencia de potencial, la intensidad de la corriente eléctrica es directamente proporcional a la tensión e inversamente al valor de la resistencia:

Ley de Watt: La potencia eléctrica, es el trabajo producido por una resistencia debida a la circulación por ella de una corriente eléctrica, esta potencia es directamente proporcional a la tensión y a la intensidad de la corriente

Ley de Joule: Cuando una corriente circula a través de una resistencia esta se calienta y disipa una energía que es directamente proporcional a la potencia eléctrica y al tiempo que permanece la circulación de la corriente.

El pájaro no es electrocutado porque sus puntos de contacto están sobre el mismo conductor y no existe una diferencia de potencial entre sus patas; es más, se puede decir que si el pájaro se para sobre la línea es porque no tiene ninguna sensación eléctrica.

Sin embargo, si la tensión es muy alta por ejemplo de 220000 voltios o mayor, a estos niveles de tensión si se siente el campo eléctrico que se propaga desde el cable, por eso no es común ver un pajarito parado sobre una línea de éstas.

Resistencia del cuerpo humano

El cuerpo humano presenta una resistencia al paso de la corriente eléctrica normalmente elevada, aunque esta depende de varios factores sobre todo del estado de la piel; así, una piel seca ofrecerá alta resistencia, mientras que una piel húmeda ofrece baja resistencia; la piel herida también ofrece baja resistencia permitiendo que la corriente fluya fácilmente por el torrente sanguíneo y los otros tejidos orgánicos.

Que dice el Retié, acerca de la resistencia del cuerpo?

La resistencia varia de acuerdo al nivel de tensión y el estado de la piel, por ejemplo: para una piel seca y a una tensión de 100 voltios se tiene una resistencia de 3000 Ohmios, mientras que para la misma tensión y una piel mojada la resistencia será de 800 Ohmios (Puntos rojos en la gráfica); Nótese que para una piel húmeda, a una tensión de 100 voltios se tendrá una resistencia de 1750 Omhios, y para el mismo estado de la piel y una tensión de 200 voltios, se tendrá una resistencia de 1400 Omhios. (Puntos azules en la gráfica)

La resistencia del cuerpo humano también depende de otros factores tales como:

Del estado anímico de la persona: mal estado de ánimo = Resistencia baja
De si la persona esta bajo el efecto del alcohol: Alcohol = Resistencia baja
De si la persona esta enguayabada: Guayabo = Resistencia baja

De la gráfica también se deduce que la protección de la piel decrece rápidamente al aumentar el voltaje; las corrientes producidas por altos niveles de voltaje a frecuencias industriales (60 Hz en Colombia) suelen producir contracciones musculares severas, que le provocan a la victima la pérdida del control muscular.

Una pregunta común que hacen los estudiantes es: ¿Que es lo que mata el voltaje o la corriente?

En nuestro cuerpo, como se dijo antes, se cumplen la ley de Ohm, la ley de Watt y la ley de Joule, es decir, que para una fuente de voltaje como una batería o un toma corriente, un hombre es solamente una resistencia; si dos partes del cuerpo se conectan a la fuente de tensión, circulará corriente a través del cuerpo, entonces la respuesta es: lo que mata es la corriente que pasa a través del cuerpo, comprometiendo órganos vitales por donde circula.

Una corriente de 0.1 Amperio a 60 Hz. puede causar la muerte de una persona cuando circula a través de órganos vitales, esta es aproximadamente la corriente que pasa por un bombillo de 100 vatios, cuando se conecta a una fuente de tensión de 110 voltios.

A continuación se presentan algunos valores aproximados de resistencias ponderadas ofrecidas por el cuerpo humano

Por el exterior del cuerpo Piel seca 100000 Ohmios – 600000 Ohmios Por el interior del cuerpo De las manos a los pies 400 Ohmios – 600 Ohmios De una oreja a la otra 100 Ohmios Tabla 1: Resistencia aproximada del cuerpo humano

Recorrido de la corriente a través del cuerpo

Cuando una persona forma parte de un circuito eléctrico, la corriente que circula por ella hace que experimente un choque eléctrico, Los fenómenos fisiológicos no son iguales para todas las personas, están determinados por el nivel de corriente a través del cuerpo humano, el estado de la piel en contacto, el tiempo de duración de la corriente, la frecuencia de la fuente de energía y la parte del cuerpo afectada.
La gravedad del accidente depende del recorrido de la corriente a través del cuerpo.
Una trayectoria de mayor longitud tendrá, en principio, mayor resistencia y por tanto menor intensidad; sin embargo, puede atravesar órganos vitales (corazón, pulmones, hígado, etc.) provocando lesiones mucho más graves. Aquellos recorridos que atraviesan el tórax o la cabeza ocasionan los mayores daños.

Existen estudios que muestran los efectos de la intensidad en función del tiempo de aplicación y del recorrido desde «mano izquierda a los dos pies». Para otros trayectos se aplica el llamado factor de corriente de corazón «F», que permite calcular la equivalencia del riesgo de las corrientes que teniendo recorridos diferentes atraviesan el cuerpo humano.

Las consecuencias del paso de la corriente por el cuerpo pueden ocasionar desde lesiones físicas secundarias (golpes, caídas, etc.), hasta la muerte por fibrilación ventricular.
Una persona se electriza cuando la corriente eléctrica circula por su cuerpo, es decir, cuando la persona forma parte del circuito eléctrico, pudiendo, al menos, distinguir dos puntos de contacto: uno de entrada y otro de salida de la corriente. La electrocución se produce cuando dicha persona fallece debido al paso de la corriente por su cuerpo.
La fibrilación ventricular consiste en el movimiento anárquico del corazón, el cual, deja de enviar sangre a los distintos órganos y, aunque esté en movimiento, no sigue su ritmo normal de funcionamiento.

Por tetanización entendemos el movimiento incontrolado de los músculos como consecuencia del paso de la energía eléctrica. Dependiendo del recorrido de la corriente perderemos el control de las manos, brazos, músculos pectorales, etc.
La asfixia se produce cuando el paso de la corriente afecta al centro nervioso que regula la función respiratoria, ocasionando el paro respiratorio.

Otros factores fisiopatológicos tales como contracciones musculares, aumento de la presión sanguínea, dificultades de respiración, parada temporal del corazón, etc. pueden producirse sin fibrilación ventricular. Tales efectos no son mortales, son, normalmente, reversibles y, a menudo, producen marcas por el paso de la corriente. Las quemaduras profundas pueden llegara ser mortales.
Si la resistencia superficial es baja, se producirán quemaduras muy intensas. Por otra parte, si la resistencia es alta, gran parte de la energía se pierde como calor, siendo los puntos más afectados, los de entrada y salida de la corriente.
Los tejidos son calentados por el paso de la corriente, produciendo contracción muscular, quemaduras térmicas y trauma contuso.

Efectos sobre el sistema nervioso: El cerebro efectúa el control nervioso por medio de impulsos eléctricos, por esto cualquier corriente externa puede provocar perdida del control muscular o desordenes de tipo nervioso.

Efectos sobre el sistema circulatorio: El sistema circulatorio es un sistema hidráulico por el cual fluye la sangre, en vez de agua o aceite.

Haciendo la analogía entre un sistema hidráulico y el sistema circulatorio: El sistema hidráulico tiene tubería, la tubería del sistema circulatorio son las venas, el sistema hidráulico requiere de una bomba, la bomba del sistema circulatorio es el corazón que bombea sangre cuando recibe impulsos eléctricos.
En otras palabras, si existe fibrilación ventricular o si ocurre un paro cardiaco se provoca interrupción de la circulación sanguínea, que es la mayor causa de muerte por accidentes de tipo eléctrico.

Efectos sobre el sistema respiratorio: El sistema respiratorio es controlado por el cerebro. El cerebro controla los músculos del sistema respiratorio, estos se contraen y se expanden permitiendo la entrada de aire por un lado y por otro lado expulsa el Monóxido de carbono.
Cuando una corriente elevada circula por el cuerpo, puede presentar dos tipos de efectos
Si la corriente circula por la cabeza, tiene efectos de tipo nervioso que a su vez afectan el sistema respiratorio y el sistema circulatorio.

Por perdida de control muscular sobre los músculos del sistema respiratorio, debemos recordar que el corazón es un músculo

Efectos químicos: Además existen efectos químicos ya que la corriente produce electrólisis en las células provocando concentraciones ácidas

Efectos caloríficos: Toda corriente eléctrica cuando circula por una resistencia produce energía calorífica por efecto Joule. Como el cuerpo humano tiene resistencia eléctrica, cuando es atravesada por una corriente intensa se calienta como si fuese una parrilla de un fogón eléctrico. Una corriente de 1 amperio a través del cuerpo es suficiente para provocar quemaduras severas.
Para tener una referencia, aproximadamente, un amperio es la corriente que circula por un bombillo de 100 vatios, cuando se conecta a 110 voltios.

Las quemaduras pueden ocurrir por efecto de un arco eléctrico externo o por la circulación de corriente a través del cuerpo:
Las quemaduras pueden ser de primero, segundo y tercer grado: los tejidos son dañados por temperaturas superiores a los 70 grados centígrados y las células cerebrales son dañadas por temperaturas superiores a 60 grados centígrados.
Las quemaduras de tipo eléctrico dejan traumatismos severos en el cuerpo humano, estas quemaduras tienden a infectarse y no se curan fácilmente

Manifestación de un arco eléctrico: En un arco eléctrico se producen corrientes de más de 6000 grados centígrados.
Imagínese por un momento si cuando alguien se quema con agua hirviendo (aproximadamente 100 ºC) las lesiones que esto le produce en la piel. ¿Que le puede suceder a la piel con las temperaturas de un arco eléctrico de 10000 grados centígrados?
Una aplicación típica del arco eléctrico a nivel industria es la soldadura eléctrica para fundir metales como el hierro y el acero

Una persona electrocutada puede morir por asfixia porque no puede controlar los músculos encargados de la respiración ocurriendo un paro respiratorio, y por supuesto un paro circulatorio y posteriormente sobre viene la muerte.

Para intensidades entre 20 mA. y 30 mA. La contracción muscular puede alcanzar los músculos respiratorios tales como:

Músculos intercostales, Músculos pectorales y el diafragma

Cuando una persona es electrocutada por un rayo es común que el informe forense exprese que la muerte ocurrió por asfixia y no por electrocución.
La pérdida de la respiración puede ocurrir por la contracción prolongada de los músculos respiratorios o por efectos de la corriente sobre el centro de control respiratorio del cerebro.

Nota: El tejido más sensible del organismo es la retina que es 100 veces más sensible que las manos.

Los siguientes valores se pueden tomar como referencia en choques de corrientes alternas con frecuencias de 50 o 60 Hertz.

0.5 mA. como umbral de percepción de la corriente eléctrica como umbral de percepción para el 50% de la población.

6 mA. pérdida de control muscular en el 0.5% de las mujeres

9 mA. pérdida de control muscular en el 0.5% de los hombres

10.5 mA. pérdida de control muscular en el 50% de las mujeres

16 mA. pérdida de control en el 50% de los hombres entre 20 y 30 mA. posibilidad de asfixia

La corriente continua no es tan letal como la corriente alterna de 50 o 60 hertz, y se pueden considerar los siguientes valores

3.5 mA. umbral de percepción para el 50% de las mujeres

5.2 mA. umbral de percepción para el 50% de los hombres

41 mA. pérdida de control muscular en 0.5% de las mujeres

62 mA. pérdida de control muscular en el 0.5% de los hombres

500 mA. produce fibrilación del corazón en 3 segundos.

Que dice el Retié acerca de ¿Cuánta corriente puede soportar el cuerpo humano? Basado en las norma NTC-4120, con referente en la IEC 60479-2

Las normas han fijado criterios claros sobre la capacidad que tienen los seres humanos y animales, como se ve en la siguiente gráfica tomada de la NTC 4120 , con referente IEC 60479-2, que muestra las zonas de los efectos de las corrientes alternas de 15 Hz a 100 Hz., con un recorrido mano izquierda-los dos pies. El umbral de fibrilación ventricular depende de varios parámetros fisiológicos y otros eléctricos, por ello se ha tomado la curva C1 como límite para diseño de equipos de protección. Los valores umbrales para flujo de corriente de menos de 0,2 segundos se aplican solamente al flujo de corriente durante el período vulnerable del ciclo cardíaco.

La frecuencia de la corriente es otro parámetro a tener en cuenta: como ejemplo los umbrales de percepción, a no soltarse, y el umbral de fibrilación son más elevados con corriente continua que con corriente alterna sinusoidal de 60 Hertz.
Mientras que el umbral de percepción para 60 Hertz es de 0.5 mA. Para la corriente continua es de 2 mA.