水中電流 實測-110V通過水會產生多少電流

若把110V放進水裡,而人的手又碰到水,這樣會不會觸電? 而這樣又會產生多少電流? 我們就實際來測量看看 水中電流 是多少吧。其實類似實驗我以前有做過110V觸電-與地板材質有關 水泥/磁磚/木板/塑膠大不同,只是上次只有串聯人體等效電阻,而這次再串了一桶水而已。

當然,我不會實際用自己的身體下去試,以這個case來說這樣會觸電,因為整桶水與身體是串聯,經過水桶的電流都會經過身上, 因此這有危險性。所以老樣子,我用1K ohm的電阻來當替身,一方面安全,另一方面也定量,電流測量實驗才有意義,因為我要試不同材料的地板有怎樣的電流表現。

水中電流的實驗環境設定
水中電流的實驗環境設定

那麼這個實驗能否解釋在淹水時的觸電現象呢? 答案是不行,如剛剛所說,這個實驗只把一桶自來水與1K ohm串聯之後再接到地板,所以電流全部走1K ohm等效電阻;但淹大水的情況則是水覆蓋了整個大地,電流會從電源端散開後各自流回到大地,其中一部份”順便”經過人體,所以這個情況之下要看電流密度,在淹水時越靠近電源的電流密度越高,觸電機會就越大,反之亦然。

水中電流實驗

根據上面的實驗環境設定圖,電流會從110V插座流進水桶的自來水裡,然後透過水中的離子導電,於是電流到達另一邊的電極,通過1K ohm的電阻,然後到達導電貼片,最後傳到地板上回到電源。

我打算使用4種地板的材質來做水中電流的實驗,各位就可以知道不同材料的地板對於電流的大小影響非常巨大,以下是我會使用的四種地板:

  • 乾水泥地
  • 濕水泥地
  • 塑膠地磚
  • 潮濕土壤

關於人體的電阻,我查到的文獻大都是以1K ohm當作人體潮濕時的電阻,若要誇張一些我想以500 ohm來模擬也是可以的。之前有讀者反映人體電阻模型應該要包含電容,這當然是沒錯,但是我這裡的實驗沒有要求這麼嚴謹,而且在交流電作用之下,電容會產生容抗,最後也是會跟電阻串並聯產生最終的阻抗,所以我就統一以1K ohm來處理。

下面我們就以不同材質的地板來進行實驗吧!

乾水泥地

由於家裡鋪的是塑膠地磚,所以我找了一個迎風面的牆,每當颱風必滲水的牆,裡面的氯離子應該很高,相信它非常能夠勝任水泥地板的角色。把迴路接好之後,得到電流是2.19mA,這種電流手摸到應該會刺刺的。

乾水泥地的水中電流測試
乾水泥地的水中電流測試,測得2.19mA

濕水泥地

接著我把牆壁弄濕,模擬潮濕水泥地的狀況,把貼片貼上去之後,電流直接就變2倍了,測到4.06mA。

潮濕水泥地的 水中電流 測試
潮濕水泥地的水中電流測試,得到4.06mA

改串接我的手掌

若在這個條件下把1K ohm電阻換成我的手掌,會有甚麼感覺? 就來試試看吧,但為了安全起見,我只讓電流從手指進去手掌出來,這樣電流才不會經過心臟,頂多就是很痛而已。

別這樣做-安全第一

千萬別左手觸碰探針金屬,右手貼牆壁,這樣電流會穿過左右手,同時會經過心臟,那可是有風險的喔,做實驗之前一定要搞清楚電流會怎麼跑,千萬別讓電流經過心臟。

觸電的感覺

測試的電流路徑如下圖黃色線,在紅色箭頭處的手指有刺痛感,因為電流全部擠在探針和手指接觸的微小面積上,所以非常有感。倒是手掌沒甚麼感覺,因為手掌與牆壁的接觸面積大,電流被稀釋掉了,密度變低,但總和電流還是相同的。

用手串接在電流路徑上,非常有觸電的感覺
用手串接在電流路徑上,非常有觸電的感覺

電表上看不出讀值是因為觸電瞬間手指就放開了,所以電表來不及測量到,如果手能撐著幾秒鐘就能出現讀值了,但這樣手很痛啊! 另外就是只有手指痛,手掌不會痛,因為手指尖的電流密度最高。

手掌串接在電流路徑上
手掌串接在電流路徑上

接著我們來試另一個實驗,看看把手放入水桶內,手會有甚麼感覺,此時我是站在塑膠地磚上,因此可視為單純嘗試讓電場穿過手指,經過實際測試,手指沒有特別感覺,因為只有一小部分的電場穿過手指,若越靠近電極則會有觸電感,因為電場密度變高,電流密度就變高,因為電荷走的是電場的路徑。

把手放入水桶內,並沒有痛感 (身體未接地)
把手放入水桶內,並沒有痛感 (身體未接地)

塑膠地磚

雖然大家都知道塑膠不導電,為了實驗的完整性,我還是試驗一次給各位看,下圖右下角就是導電貼片正貼在塑膠地磚上,黑色電表上的讀值是”0mA”,表示無法偵測到電流。

其實認真說起來塑膠還是有電流經過的,只是電流非常的小,一般電表測量不到,但用氖燈則有機會看到微電流的存在,這我會在另一篇文章說明。

水中電流 無法穿過塑膠地磚,測得電流為0mA
水中的電流無法穿過塑膠地磚,測得電流為0mA

潮濕土壤

最後也是最麻煩的部分,就是用潮濕土壤來測試,因此實驗便需要從室內移到室外,因此借了淡水的羅媽媽農場來做實驗,那裏有土壤有電源,完全符合我們的需求,而且我還挑了毛毛細雨去做實驗,保證是潮濕的土壤,可說是最讚的環境。由於電源距離土壤還是有點距離,光拉電線與布置測試環境就花了一些時間。

實驗環境如下圖,我把導電貼片貼在土上,也就是緊鄰電表左上角的白色圓圈,實際測量後電流是10.71mA,這電流比其他地面材料都還大,如果貼片面積增加,電流會跟著增加,所以赤腳時絕對不要觸摸電源。

水中電流 經過潮濕的土壤竟然有10.7mA
水中電流 經過潮濕的土壤竟然有10.7mA

一定有人好奇,這些不同材質的地板,與電源之間的電壓在開路Open時候的壓差是多少,我實際測量過,全部都在110V左右。

火線與地板的開路電壓幾乎是110V

水質與電流

除了地板的材質會影響電流之外,水質也會影響電流,水裡的離子濃度越高,導電性越好,所以若你把水加入鹽巴,我保證電流增加得嚇嚇叫。那你說不同地區的自來水導電性是否有差? 我沒測量過,但我想應該是有差,颱風過後的自來水很混濁,我猜導電性應該很好。

水的電阻

一定有人會想要算出這桶水的電阻,應該很多人想直接R=V/I再減去1K ohm就認為這是這桶水的電阻了,但水桶內的電阻並不是這樣計算,因為還要考慮地電阻。

為何剛剛我要強調Open,因為開路時電流I=0,地表面與大地深處之間的地電阻R並沒有壓差V=IR=0,一但把電極接上開始有電流經過時,地電阻會分掉110V的
部分 電壓,電源與地面之間的電壓差就會變小。

所以要測量這桶水的電阻,不能直接把上面的電流與電壓拿來計算,最快的方法就是直接把火線與中性線放進水桶內才能測量,這件事情我會另外撰文說明,今天就先讓大家知道通過水的電流大概是多少。

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