Elektrische Sicherheit beginnt mit wenigen Grundgrößen. Die Spannung (Volt, V) ist die Potenzialdifferenz zwischen zwei Punkten, also der Antrieb, der Ladungen verschiebt. Der Strom (Ampere, A) ist die Ladungsmenge, die pro Sekunde durch einen Querschnitt fließt. Der Widerstand (Ohm, Ω) beschreibt, wie stark ein Leiter diesen Fluss behindert. Das ohmsche Gesetz verknüpft die drei Größen: Strom ist Spannung geteilt durch Widerstand (I = U/R). Für die Sicherheit am Patienten ist diese Beziehung der Kern: Nicht die Spannung schädigt Gewebe, sondern der Strom, der infolge der Spannung durch den Körper fließt, und seine Verteilung im Gewebe.1
Die umgesetzte Leistung (Watt, W) ist das Produkt aus Spannung und Strom; mit dem ohmschen Gesetz ergibt sich P = I² × R. Diese Form erklärt, warum sich Gewebe dort am stärksten erwärmt, wo sich der Strom auf eine kleine Fläche konzentriert: Die Wärme pro Volumen steigt mit dem Quadrat der Stromdichte. Die Energie (Joule, J) ist Leistung mal Zeit; sie ist die Größe, die am Defibrillator eingestellt wird. Ein Kondensator speichert Ladung, seine Kapazität wird in Farad gemessen, und die gespeicherte Energie beträgt E = ½ × C × U². Mit diesen vier Formeln lassen sich fast alle Rechenaufgaben der Prüfung lösen.
Wechselstrom, Frequenz und Impedanz
Das Versorgungsnetz liefert Wechselstrom mit 50 Hz; die Spannung wechselt also fünfzigmal pro Sekunde die Richtung. Die angegebenen 230 V sind ein Effektivwert, die Spitzenspannung liegt um den Faktor √2 höher, bei etwa 325 V. Bei Wechselstrom tritt an die Stelle des reinen Widerstands die Impedanz, die zusätzlich kapazitive und induktive Anteile enthält. Kapazitive Anteile sind für die Medizintechnik wichtig: Zwei Leiter, die durch eine Isolierung getrennt sind, bilden einen Kondensator. Seine Impedanz sinkt mit steigender Frequenz. Deshalb kann auch ein vollständig isoliertes Gerät einen kleinen Strom über die Isolierung hinweg „durchlassen“; dieser kapazitiv gekoppelte Strom ist die Hauptquelle der Ableitströme, die in Lektion 2 begrenzt werden. Aus demselben Grund fließt hochfrequenter Strom der HF-Chirurgie leicht über kapazitive Wege, etwa über Kabel, die auf der Haut liegen.1
Die Frequenz bestimmt auch die biologische Wirkung. Nerven und Muskelzellen werden durch Ströme im Bereich von etwa 15 bis 100 Hz am leichtesten erregt; Netzfrequenz ist daher besonders gefährlich. Mit steigender Frequenz nimmt die Erregbarkeit ab, weil die Zellmembran während einer einzelnen Halbwelle nicht mehr ausreichend depolarisiert wird. Oberhalb von etwa 100 kHz verursachen Ströme praktisch keine Erregung mehr, sondern nur noch Wärme; darauf beruht die HF-Chirurgie mit Frequenzen um 500 kHz.1
Wie der Strom den Körper erreicht
Der Körper ist ein Volumenleiter mit sehr unterschiedlichen Teilwiderständen. Die Hornschicht der trockenen Haut ist der größte Einzelwiderstand; Feuchtigkeit, Schweiß, Desinfektionsmittel, Elektrodengel, eine große Kontaktfläche und Hautverletzungen senken ihn um Größenordnungen. Das Körperinnere leitet dagegen gut, weil Blut und Gewebe Elektrolyte enthalten. Die Stromstärke hängt bei gleicher Spannung also vor allem vom Kontakt ab. Als Lehrbuchrichtwerte gelten für trockene Haut Widerstände im Bereich von 100 kΩ, für nasse Haut um 1 kΩ und für das Körperinnere einige hundert Ohm; exakte Werte hängen von Spannung, Frequenz, Fläche und Stromweg ab und sind in der Norm IEC TS 60479-1 tabelliert.2 Der Rechner zeigt, wie aus derselben Netzspannung je nach Kontakt ein kaum spürbarer oder ein tödlicher Strom wird.
Ohmsches Gesetz am Körper
Modell: Wechselstrom 50 Hz, Stromweg Hand zu Füßen, der Gesamtwiderstand fasst Haut und Körperinneres zusammen. Richtwerte nach IEC TS 60479-1; die Wirkung hängt zusätzlich von Dauer, Weg und Kontaktfläche ab.
| Stromstärke | Typische Wirkung | Bedingung |
|---|---|---|
| bis etwa 0,5 mA | nicht oder kaum wahrnehmbar | unabhängig von der Dauer |
| bis etwa 5 mA | wahrnehmbar, Loslassen noch möglich | Loslassschwelle bei mehr als 6 s Stromfluss |
| etwa 5 bis 40 mA | Muskelverkrampfung, Loslassen nicht sicher möglich, Atemnot | Schwelle steigt bei kurzer Dauer (bis 200 mA bei 10 ms) |
| ab etwa 40 mA | Kammerflimmern möglich | bei Stromfluss länger als etwa 2 s |
| über 50 mA | Verletzung und Tod möglich | Angabe der Übersicht für extern zugeführten Strom |
Die Tabelle fasst die Zahlen der Norm und der Übersicht zusammen.2, 1 Sie sind keine starren Sicherheitsgrenzen. Die Schwelle für Kammerflimmern sinkt mit zunehmender Einwirkdauer und hängt davon ab, ob der Strom in die vulnerable Phase der Repolarisation fällt; ein Stromweg quer durch den Thorax ist gefährlicher als ein Weg durch einen Arm. Gleichstrom erregt bei gleicher Stärke weniger stark als Wechselstrom mit Netzfrequenz, kann aber elektrolytische Schäden setzen. Starkstromunfälle mit hoher Spannung verursachen zusätzlich tiefe Verbrennungen entlang des Stromwegs, deren Ausmaß an der Haut unterschätzt wird.