電氣之辯:高電壓VS大電流,到底誰更危險?

聲明:本文轉自上海科技大學電力電子與再生能源實驗室(PEARL)的公眾號《電力電子實驗室》,文章獲得上海科技大學第六屆創新創業大會科普專場獲優秀作品獎。

如果你小時候淘氣地“解剖”過電子打火機,那麼你一定記得那種點火器電在手上產生的令人難忘的"酥麻感"。甚至在上課睏倦的時候,電一下自己就能瞬間提神兒。然而,你或許沒有意識到,在那一聲聲"咔噠"的聲音背後,小小的點火器竟然能夠產生上千甚至上萬伏的電壓!

如果你對汽車啟動原理有所了解,大概會知道汽車電瓶在啟動瞬間能夠輸出上百安培的電流。但是,在換電瓶時稍不注意雙手接觸到電瓶的兩極(不建議這樣操作),卻毫髮無傷。

電氣之辯:高電壓VS大電流,到底誰更危險?

作為電力電子領域的學生,整天泡在實驗室里不停地“搗鼓”各種電源和負載,對於高電壓和大電流已是司空見慣,與電壓和電流的較量成了我們的日常。說到高壓應用,比如新一代汽車充電,我們要應對超過800V的高電壓,還有做核聚變脈衝電源的,甚至需要挑戰10kV的超高電壓。可是,通常情況下人的安全電壓只有36V,高電壓看上去似乎擁有著更為可怕的威脅。再來看看大電流的場景,以服務器供電為例,我們需要應對上千安培的大電流。然而,僅僅30mA的電流已足以讓我們擔心自身安全。看起來,大電流更像是個“恐怖分子”,不是嗎?所以,問題來了,高電壓和大電流,到底哪一個更加危險呢?今天我們將帶著這一問題,深入生活中,探尋高電壓和大電流的身影,看看它們究竟在我們周圍的世界中扮演著什麼角色。

電氣之辯:高電壓VS大電流,到底誰更危險?

要理解電壓和電流,就必須回到基礎。電壓(Voltage)是電氣系統中的推動力,類似於水壓。你可以把它看作是電力的潛在能量,就像水在高處有潛在的下落動能一樣。而電流(Current)則是電荷在電路中的流動,就像水流。電壓和電流之間的關係有點像水壓和水流的關係,但它們對你的安全有重要影響。
行業規定安全電壓為不高於36V,持續接觸安全電壓為24V,安全電流為10mA, 電擊對人體的危害程度,主要取決於通過人體電流的大小和通電時間長短。電流強度越大,致命危險越大;持續時間越長,死亡的可能性越大。能引起人感覺到的最小電流值稱為感知電流,交流為1mA,直流為5mA;人觸電後能自己擺脫的最大電流稱為擺脫電流,交流為10mA,直流為50mA;在較短的時間內危及生命的電流稱為致命電流,致命電流為50mA。在有防止觸電保護裝置的情況下,人體允許通過的電流一般為30mA。[1]

所以,對於人身安全來講,超過這些安全標準的電壓和電流就可算作高電壓和大電流。


電氣之辯:高電壓VS大電流,到底誰更危險?

當人們談論觸電事故時,很多人都認為電壓是罪魁禍首。但事實上,電壓只是“推動力”,而電流才是真正的“殺手”。電壓和電流之間就像是火與油的關係,火是電流,而油則是電壓。火如果沒有足夠的油,就無法燃燒,同樣,電流如果沒有足夠的電壓,也無法導致觸電事故。

如果電壓很大而電流很小,或者接觸高壓的時間很短,即使有電流通過,也不會對你造成傷害,就像火柴擦不出火苗一樣。然而,如果流經人體的電流足夠大,即使電壓很低,也足以造成傷害。比如你剛運動完滿身大汗,即使此時觸碰到“安全電壓”以下的電源,流經身體的電流會隨身體電阻降低而增大,很可能會超過安全值,從而造成觸電事故。所以,當涉及到觸電事故,電流才是更大的威脅。

回到文章最初的例子,拿打火機點火來看,它在點火瞬間可以製造上千伏的電壓,但卻只有幾微安(μA)的電流,所以觸電時你只會感到一點微微的酥麻;然而,來看汽車電瓶,雖然它能夠輸出上百安的電流,但卻只有12V的電壓,流經人體的電流很難對人造成傷害。不過,如果不慎短路,大電流瞬間產生的熱量很可能會造成皮膚燙傷。因此,即使處於安全電壓範圍內,也要小心避免觸碰。

電氣之辯:高電壓VS大電流,到底誰更危險?

你可能會疑惑,既然電流更危險,為什麼我們常常聽到人們談論“安全電壓”而不是“安全電流”呢?這其實是因為電壓相對來說更容易控制和標準化,在電網的標準里只有電壓是恆定不變的,這有利於電網中負載的穩定運行,而電流是隨著負載改變隨時變化的,因此電流的控制要更為複雜。

根據歐姆定律,電流(I)等於電壓(V)與電阻(R)的比值,即I = V / R。流經人體電流的大小取決於外加電壓和人體電阻,而影響人體電阻的因素很多,如皮膚潮濕度、出汗情況、與導電性物質接觸、接觸面積和壓力,以及衣物的濕度和油污程度,均能使人體電阻改變。因此,通常很難提前準確計算流經人體電流。

總之,為什麼我們更常聽到有關“安全電壓”而不是“安全電流”的討論?原因可以概括為以下兩點:

  • 安全電壓不是保障安全的直接原因,但它是確保安全的充分條件;


  • 設定安全電壓在可操作性上更為簡便,相對容易管理。
  • 然而,同樣重要的是,我們也不能忽視電流,因為過大的電流會導致電線過熱、設備損壞甚至火災。電流與電壓之間的平衡至關重要,我們不能偏廢其一。

    在電氣、電力電子領域,高電壓和大電流各有其用途,但也都伴隨著潛在的風險。無論是高電壓還是大電流,安全始終是最重要的。在涉及這些參數的情況下,請始終遵循相關安全指南,以保護自己和他人的安全。希望本文能幫助你更好地理解高電壓和大電流在我們生活中的作用,同時也引起對用電安全的更多關注。

    參考文獻
    [1] 安全電壓 - 科普中國·科學百科;

    [2] 人體的安全電壓與安全電流是多少 - 知乎專欄(https://zhuanlan.zhihu.com/p/619406588)

    [3] 安全電壓與安全電流 - 電子發燒友網(https://www.elecfans.com/d/1930681.html))

    [4] 觸電死亡,是因為電壓還是電流呢?- b站(https://www.bilibili.com/video/BV193411t7nU/?spm_id_from=333.788.recommend_more_video.11&vd_source=f2012c5b3237e9d722265caee2b16951)

    [5] 『一分鐘物理』人體的安全電壓是36V。為什麼沒聽說過有安全電流呢?到底是電壓危險還是電流危險?- b站(https://www.bilibili.com/video/BV15e4y1F7ke/?spm_id_from=333.788.recommend_more_video.9&vd_source=f2012c5b3237e9d722265caee2b16951)


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