Wirkungen des elektrischen Stroms auf den Menschen

Der menschliche Körper ist ein elektrochemisches System. Nerven leiten Reize über kleine elektrische Potenzialunterschiede, Muskeln werden über genau dosierte Impulse gesteuert. Wenn von außen ein elektrischer Strom in dieses System eingespeist wird, überlagert er die feinen körpereigenen Signale — und zwar so stark, dass der Körper auf drei Wegen Schaden nimmt.

Thermische Wirkung

Jeder Stromfluss durch einen Widerstand erzeugt Wärme. Der Körper ist nichts anderes als ein Widerstand mit Schwerpunkt an den Eintritts- und Austrittsstellen, also dort, wo die Kontaktfläche klein und die Stromdichte hoch ist. Sichtbare Folgen sind sogenannte Strommarken — punktförmige, oft kreisrunde Verbrennungen an Eintritt und Austritt. Bei höheren Stromstärken kommen tiefere Verbrennungen dazu, manchmal bis ins Gewebe unter der Haut, ohne dass die Hautoberfläche stark beschädigt wirkt. Das macht Stromverletzungen tückisch: Außen unauffällig, innen schwer verletzt.

Elektrolytische Wirkung

Körperflüssigkeiten sind Elektrolyte. Fließt Gleichstrom über längere Zeit durch das Gewebe, kommt es zu elektrolytischen Vorgängen — Ionen wandern, das chemische Gleichgewicht in den Zellen wird gestört. Diese Wirkung spielt bei kurzen Wechselstromunfällen eine untergeordnete Rolle, weil sich die Wanderungsrichtung ständig umkehrt. Bei länger einwirkendem Gleichstrom ist sie dagegen ein eigener Schädigungspfad.

Physiologische Wirkung

Sie ist meistens der Grund, warum Stromunfälle lebensgefährlich werden. Der eingespeiste Strom reizt die Nerven und löst unkontrollierte Muskelkontraktionen aus. Treffen die Reize die Skelettmuskulatur, krampfen sich Arme oder Beine zusammen — der Verunfallte kann das spannungsführende Teil nicht loslassen. Trifft der Strom die Atemmuskulatur, kann es zu Atemstillstand kommen. Am gefährlichsten ist die Wirkung auf das Herz: Der elektrische Reiz bringt den geordneten Rhythmus der Herzkammern durcheinander, sie zucken nur noch unkoordiniert. Dieses Herzkammerflimmern wirft das Herz aus dem Takt, der Blutkreislauf bricht zusammen, und ohne Defibrillation endet das innerhalb weniger Minuten tödlich.

Ob ein Stromunfall harmlos ausgeht oder tödlich endet, hängt von mehreren Größen ab. Sie wirken zusammen und können sich gegenseitig verstärken oder abschwächen.

Stromstärke durch den Körper

Sie ist die entscheidende Größe für die Gefährdung. Nicht die Spannung selbst schädigt — die Spannung treibt nur den Strom durch den Körper. Erst der durchfließende Strom löst die thermische und physiologische Wirkung aus. Eine hohe Spannung an einem hohen Widerstand ergibt einen kleinen Strom und kann harmlos sein; eine kleine Spannung an einem niedrigen Widerstand ergibt einen großen Strom und kann tödlich sein.

Stromart

Wechselstrom mit Netzfrequenz ist deutlich gefährlicher als Gleichstrom bei vergleichbarer Stromstärke. Der Grund liegt im Herzen: Die Herzmuskelzellen haben eine eigene Reizleitung mit einer empfindlichen Phase im Herzzyklus, in der ein zusätzlicher elektrischer Reiz das Kammerflimmern auslösen kann. Wechselstrom mit 50 Hz trifft diese empfindliche Phase pro Sekunde mehrfach — die Wahrscheinlichkeit, ein Flimmern auszulösen, ist hoch. Gleichstrom liefert einen einmaligen Reiz beim Ein- und beim Ausschalten und bewirkt im Körper eher Muskelverkrampfung und elektrolytische Effekte. Faustregel: Bei vergleichbarer Stromstärke ist Gleichstrom etwa um den Faktor drei bis vier weniger gefährlich als 50-Hz-Wechselstrom — was aber nicht heißt, dass Gleichstrom harmlos wäre.

Frequenz

Innerhalb der Wechselstromfamilie ist der Bereich um die Netzfrequenz besonders kritisch. Höhere Frequenzen, etwa über 1 kHz, werden zunehmend an die Hautoberfläche verdrängt (Skineffekt), wirken weniger tief und sind für das Herz weniger gefährlich — sie können aber stärkere Verbrennungen verursachen.

Einwirkdauer

Je länger der Strom fließt, desto größer die Schadenswahrscheinlichkeit. Ein Stromstoß von 100 mA über 50 ms kann ohne Folgen bleiben; dieselben 100 mA über mehrere Sekunden führen mit hoher Wahrscheinlichkeit zu Herzkammerflimmern. Schutzeinrichtungen wie der Fehlerstrom-Schutzschalter (RCD) nutzen genau diesen Zusammenhang — sie schalten innerhalb von Bruchteilen einer Sekunde ab und halten die kritische Zeit-Strom-Kombination unter der Gefahrenschwelle.

Stromweg durch den Körper

Der Strom nimmt nicht den kürzesten Weg, sondern den mit dem geringsten Widerstand. Entscheidend ist, ob lebenswichtige Organe — vor allem das Herz — im Pfad liegen. Hand–Hand ist gefährlich, Hand–Fuß durch den Brustkorb ebenfalls. Stromwege, die das Herz umgehen (z.B. von einem Finger zum nächsten der gleichen Hand), sind deutlich weniger lebensbedrohlich, können aber lokal schwere Verbrennungen verursachen.

Körperwiderstand

Der Körper ist kein konstanter Widerstand. Er setzt sich aus dem inneren Widerstand der Gewebe (relativ niedrig, in der Größenordnung einiger hundert Ohm) und dem Hautwiderstand zusammen, der den größten Anteil ausmacht und stark schwankt. Trockene, intakte Haut hat einen hohen Widerstand. Feuchte oder verschwitzte Haut, eine größere Kontaktfläche, ein höherer Anpressdruck und kleine Hautverletzungen senken den Hautwiderstand deutlich. Auch die anliegende Spannung selbst beeinflusst den Widerstand: Höhere Spannungen durchschlagen die Hautschicht und reduzieren ihren Widerstand schlagartig. Für Berechnungen im Schutzkonzept wird oft mit einem mittleren Körperwiderstand in der Größenordnung von 1000 bis 1500 Ohm gerechnet.

Welche Stromstärke welche Reaktion im Körper auslöst, ist statistisch gut untersucht. Die ÖVE/ÖNORM EN 60479 beschreibt die Stromwirkungsbereiche für Wechselstrom im Bereich 15 Hz bis 100 Hz und vergleichbar für Gleichstrom. Die Werte sind keine scharfen Grenzen, sondern Bereiche, in denen die meisten Menschen so reagieren, wie hier beschrieben — Streuungen nach oben und unten gibt es immer.

Die Werte gelten für einen typischen Stromweg von der Hand zu den Füßen und für eine Einwirkdauer im Sekundenbereich. Kürzere Einwirkdauern verschieben die Schwellen nach oben — bei wenigen Millisekunden vertragen die meisten Menschen auch deutlich höhere Ströme ohne Kammerflimmern.

Wahrnehmungsschwelle

Unter dieser Grenze spürt man den Stromfluss nicht. Genau darum sind Berührungen mit kleinen Strömen so heimtückisch — eine defekte Maschine kann einen Fehlerstrom abgeben, der unbemerkt durch jeden fließt, der sie berührt, und der ohne ausgelösten Schutzschalter über Stunden bestehen bleibt.

Loslassgrenze

Liegt der Körperstrom darüber, krampft die Hand, die das spannungsführende Teil hält, fester zu, statt es loszulassen — die Beugemuskeln sind stärker als die Strecker. Das ist der gefährliche Übergang: Bis zur Loslassgrenze kann sich eine Person noch selbst aus dem Stromkreis befreien, darüber nicht mehr. Die Einwirkdauer wird damit schlagartig länger, und der nächste Effekt (Atemstillstand, Kammerflimmern) bekommt Zeit zu wirken.

Atemstillstand

Krampft auch die Atemmuskulatur, hört die Atmung auf. Wird der Stromkreis rechtzeitig unterbrochen, setzt sie meist von selbst wieder ein. Geschieht das nicht, kommt es zur Erstickung.

Herzkammerflimmern

Die zentrale Lebensgefahr. Das Herz pumpt nicht mehr koordiniert, sondern zuckt unrhythmisch — der Kreislauf bricht zusammen. Nur eine Defibrillation kann den geordneten Rhythmus zurückbringen.

Vergleich mit Gleichstrom

Die genannten Schwellen liegen bei Gleichstrom deutlich höher. Wahrnehmung tritt etwa erst bei einigen Milliampere ein, Loslassen ist bei Gleichstrom weniger ausgeprägt — der Strom wird eher als anhaltendes Wärmegefühl oder schmerzhafte Verkrampfung erlebt. Herzkammerflimmern durch Gleichstrom benötigt mehrfach höhere Stromstärken als bei 50 Hz und tritt vorwiegend im Moment des Ein- oder Ausschaltens auf. Das macht Gleichstrom nicht harmlos, aber im akuten Stromunfall ein anderes Schadensbild — elektrolytische und thermische Verletzungen treten in den Vordergrund.

Die Schwellenwerte aus dem letzten Kapitel sind Stromstärken — der Strom ist aber das, was am Ende einer Kette steht. Was an einer Anlage greifbar ist, ist die Spannung. Aus der Sicht der Schutztechnik geht es darum, die Spannung, die im Fehlerfall an einem berührbaren Teil anliegen kann, so klein zu halten, dass der dazugehörige Körperstrom unkritisch bleibt.

Berührungsspannung

Das ist die Spannung, die zwischen zwei gleichzeitig berührbaren Punkten am Körper anliegt, wenn ein Mensch den fehlerhaften Stromkreis schließt. Üblich ist die Betrachtung zwischen Hand und Fuß. Wie diese Berührungsspannung entsteht — bei direktem Berühren eines Außenleiters oder bei indirektem Berühren über ein im Fehlerfall spannungsführendes Gehäuse — wird im Detail in den Beiträgen Schutz gegen direktes Berühren und Schutz bei indirektem Berühren – Überblick behandelt. Für die Wirkung auf den Menschen zählt nur, was tatsächlich am Körper anliegt.

Schrittspannung

Wenn ein Außenleiter Erdkontakt bekommt — eine umgestürzte Freileitung, ein liegen gebliebenes Kabel auf der Wiese, ein Erdschluss in einem Mast — verteilt sich das Potenzial trichterförmig in der Umgebung des Fehlerorts. In der Nähe der Berührstelle ist das Potenzial hoch, mit jedem Meter Entfernung nimmt es ab. Wer in diesem Spannungstrichter steht oder geht, hat zwischen seinen beiden Füßen eine Spannungsdifferenz — die Schrittspannung. Sie treibt einen Strom durch beide Beine durch den Unterleib. Je größer die Schrittweite und je näher man am Fehlerort steht, desto größer die Schrittspannung. Daraus folgt eine wichtige Verhaltensregel: Wenn man unbeabsichtigt in einen Spannungstrichter geraten ist, nicht weg­rennen, sondern mit kleinen Schritten oder geschlossenen Füßen langsam hinausarbeiten.

Zulässige Berührungsspannung U_L

Die ÖVE/ÖNORM E 8101 legt fest, welche Berührungsspannung in welcher Umgebung dauerhaft anliegen darf, ohne dass abgeschaltet werden muss:

Diese Werte sind der Bezugspunkt für viele Schutzmaßnahmen — etwa für die Auslegung von Schutzleiter, Potentialausgleich und Abschaltbedingungen. Was nicht heißt, dass eine Berührungsspannung knapp darunter automatisch harmlos ist; es heißt, dass sie dauerhaft anliegen darf, ohne dass das Schutzkonzept eingreift.

Ohmsches Gesetz angewandt auf den Körperstrom

Hängt am Körper eine Berührungsspannung U_B an und hat der Körper den Widerstand R_k, ergibt sich der Körperstrom direkt aus dem Ohmschen Gesetz:

Setzt man typische Werte ein — 230 V Netzspannung, ein Körperwiderstand von 1500 Ω — kommt man auf rund 153 mA. Das liegt weit über der Flimmerschwelle und ist ohne schnelle Abschaltung lebensgefährlich.

Wer mit elektrischen Anlagen arbeitet, soll Stromunfälle erstens vermeiden und zweitens richtig reagieren, wenn sie doch passieren. Beides ist Teil der Sicherheitsarbeit, beides muss sitzen.

Die 5 Sicherheitsregeln

Vor jeder Arbeit an einer Anlage, die unter Spannung stehen könnte, werden in dieser festen Reihenfolge fünf Schritte abgearbeitet:

1. Freischalten. Allpolig vom Netz trennen, an allen Einspeisungen.
2. Gegen Wiedereinschalten sichern. Schalter abschließen, Warnschild anbringen, Sicherungseinsätze mitnehmen.
3. Spannungsfreiheit feststellen. Mit einem zugelassenen, vorher und nachher an einer bekannten Spannungsquelle geprüften Spannungsprüfer an allen Leitern.
4. Erden und kurzschließen. Bei Hochspannungsanlagen verbindlich, bei Niederspannung dort, wo Rückspeisung möglich ist.
5. Benachbarte unter Spannung stehende Teile abdecken oder abschranken. Schutz vor versehentlichem Berühren benachbarter, weiterhin spannungsführender Anlagenteile.

Die Reihenfolge ist kein Vorschlag, sondern verbindlich. Wer die Spannungsfreiheit feststellt, bevor er gegen Wiedereinschalten gesichert hat, kann während der Messung wieder eingeschaltet werden. Wer den Spannungsprüfer nicht vorher an einer bekannten Quelle prüft, glaubt im Zweifel einem defekten Gerät.

Verhalten bei einem Stromunfall

Wenn trotzdem etwas passiert, gilt eine klare Reihenfolge:

• Eigenschutz zuerst. Niemals den Verunfallten anfassen, solange er noch im Stromkreis hängt — sonst gibt es einen zweiten Verunfallten. Erst Strom abschalten: Sicherung herausdrehen, FI auslösen, Stecker ziehen, Hauptschalter weg. Wenn das nicht geht: Person mit einem trockenen, nichtleitenden Gegenstand (Holzstiel, Kunststoff­schaufel) aus dem Stromkreis bewegen.
• Notruf 144. In Österreich die Rettung. Bei größeren Anlagen zusätzlich die Feuerwehr (122) für die Anlagensicherung.
• Erste Hilfe nach den allgemeinen Regeln. Bewusstsein und Atmung prüfen. Bei Bewusstlosigkeit mit normaler Atmung: stabile Seitenlage und Überwachung. Bei fehlender oder unnormaler Atmung: Herzdruckmassage starten, möglichst mit Atemspende, bis Hilfe eintrifft oder ein Defibrillator (AED) verfügbar ist.
• Strommarken nicht eigenständig versorgen. Sie werden ärztlich behandelt, weil sie tiefer reichen können, als äußerlich sichtbar ist.
• Ärztliche Kontrolle auch bei scheinbar unverletzter Person. Herzrhythmusstörungen können verzögert auftreten, manchmal Stunden nach dem Unfall. Wer in einem Stromunfall hängengeblieben war, gehört zur Beobachtung ins Krankenhaus, auch wenn er anschließend „eh wieder geht“. Das ist kein übertriebener Schutz, sondern Standard.