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Elettrofisiologia e rischio elettrico Gli Effetti Della corrente elettrica Come è noto, se a un conduttore solido (un metallo) si applica una differenza di potenziale (d.d.p.) costante, nel conduttore si genera un flusso ordinato di cariche elettriche negative (elettroni) denominato corrente elettri...

Elettrofisiologia e rischio elettrico Gli Effetti Della corrente elettrica Come è noto, se a un conduttore solido (un metallo) si applica una differenza di potenziale (d.d.p.) costante, nel conduttore si genera un flusso ordinato di cariche elettriche negative (elettroni) denominato corrente elettrica la cui intensità i assume valore costante e si parla di corrente continua l e cariche si muovono nello stesso verso, con velocità mediamente uguale). L'intensità di corrente (misurata in ampere, A) esprime la quantità di carica (in coulomb, C) che fluisce attraverso una sezione del conduttore nell'unità di tempo (in secondi, s): Si ricordi che per convenzione il verso della corrente elettrica è opposto a quello delle cariche negative. La d.d.p. (in volt, V)e l'intensità di corrente nel metallo sono tra loro legate dalla prima legge di Ohm, in cui la costante di proporzionalità R è la resistenza elettrica (espressa in o h m) del conduttore: Dunque, per un fissatovalore di Vl'intensità di corrente ètanto minore quan- to maggiore la resistenza del conduttore e viceversa. Una corrente elettrica può fluire non solo in un solido, cui in prima battuta si fa riferimento, ma anche in un liquido (una soluzione elettrolitica) o in un gas: mentre in un metallo si ha movimento solo di cariche negative (gli elettroni), in un liquido o un gas contribuiscono alla corrente anche cariche positive (ioni). Se la d.d.p. applicata ai capi del conduttore non è costante ma varia sinusoi- dalmente nel tempo, anche l'intensità di corrente varia sinusoidalmente: si dice che la correnteè alternata e le cariche (gli elettroni) "oscillano" con una certa frequenza, che nel caso della corrente alternata prodotta industrialmen- te nelle centrali elettriche e immessa nella rete elettrica vale 50 Hz. In casodi intensità o tensioni variabili sinusoidalmente da istante a istante, ci si riferisce di norma a valori medi, chiamati valori efficaci. In un circuito puramente resistivo, ossia nel quale siano trascurabili i com- ponenti induttivi e capacitivi, la relazione tra V e i è ancora espressa dalla legge di Ohm. Parlando in generale, una corrente elettrica può dare luogo a vari effetti: effetto termico o effetto Joule: il corpo attraversato dalla corrente si riscalda; effetto magnetico: una corrente elettrica genera nello spazio un campo magnetico; effetto chimico: sotto appropriate condizioni, l'energia elettrica associata alla corrente si trasforma in energia chimica (si pensi al processo di carica di un accumulatore) o, viceversa, energia chimica immagazzinata in una batteria si trasforma in energia elettrica; effetto biologico: una corrente elettricache fluisce in un organismo vivente può interferire con le funzioni vitali, arrivando anche a produrre la morte: si parla di folgorazione, elettrocuzione o shock elettrico. Si parla di rischio elettrico (si veda il » Percorso )3 in relazione alla proba- bilità che si produca un evento dannoso a seguito di un contatto fisico con elementi sotto tensione: se questi sono progettati per essere ordinariamen- te sotto tensione, si ha contatto diretto; se invece l'elettrocuzione avviene per contatto con elementi che di solito non sono sotto tensione, ma che tali risultano a causa di guasto o riduzione dell'isolamento, si parla di contatto indiretto. Dati Statistici Alcuni Dati Statistici danno l'idea di quale possa essere la pericolosità dell'energia elettrica: secondo l'ISTAT, in Italia avvengono mediamente ogni anno circa 400 infortuni mortali per elettrocuzione (il 4,5% del totale: percentuale circa 30 volte maggiore di quella corrispondente all'insieme degli infortuni non elettrici). Dei circa 4 milioni di incidenti domestici annui, circa 240 mila sono di origine elettrica. In ambito domestico, la maggior parte degli infortuni avviene in bagno; in ambito lavorativo, sono i cantieri edili a registrare un'elevata percentuale di infortuni elettrici, che si verificano sulla betoniera, nell'uso degli apparecchi portatili, per contatto con linee elettriche aeree ecc. Si stima che circa il 10-15% degli incendi abbia origine da malfunzionamenti dell'impianto elettrico o degli apparecchi utilizzatori: si tratta di circa cinquemila incendi "da causa elettrica" all'anno. Gli Effetti Dell'elettricità sul corpo umano Gli effetti della corrente elettrica sul corpo umano, che è un discreto conduttore essendo in gran parte composto da una soluzione salina, sono studiati nell'ambito dell'elettrofisiologia. La struttura cellulare ( FIGURA 1 alla pagina seguente) prevede che esista una. d. p. tra interno (a potenziale inferiore) ed esterno, pari a circa 70 mV, valore non trascurabile rispetto alle piccole dimensioni della cellula stessa: tale d.d.p. permette l'espulsione degli ioni sodio e l'ingresso nella cellula degli ioni potassio. Al processo di pompaggio biochimico che si viene in questo modo a creare ci si riferisce con il termine di pompa metabolica. La membrana cellulare può quindi essere schematizzatacome un condensa- tore. Non essendo perfettamente isolante, attraverso d iessa avviene il transito di un certo numero di ioni: alla membrana è dunque associabile un valore non solo di capacità, ma anche di resistenza elettrica. L'applicazione di una differenza di potenziale di durata e ampiezza opportune determina un'inversione delle polarità di tale condensatore, con andamento oscillante smorzato; l'andamento del potenziale, anche detto potenziale d'azio- ne, è rappresentativo dello stato di eccitazione della cellula. L'ampiezza dello stimolo in grado di eccitare la cellula ètanto maggiore quan- to minore è las u a durata. Se si considera una corrente alternata come un sus- seguirsi di impulsi, si deduce che una corrente a dalta frequenza è meno peri- colosa rispetto a una a bassa frequenza. Infatti, al crescere della frequenza, e dunque al diminuire del periodo, aumenta l'intensità dello stimolo necessario per produrre l'eccitamento della cellula: in una corrente ad alta frequenza la durata dello stimolo è talmente breve che la corrente non influisce praticamen- te sullo stato della cellula. Inoltre, ad alta frequenza la corrente tende a passa- re lungo la pelle (effetto pelle) del soggettoche si infortuna: è dunque la pelle, piuttosto che gli organi vitali interni, a essere interessata dai danni provocati dal passaggio della corrente elettrica. Per questa ragione, a parità d icondizioni, le correnti ad alta frequenza rappresentano un pericolo minore: il campo di frequenze 50 ÷ 100 Hz è quello a cui corrisponde la maggiore pericolosità. I segnali elettrici connessicon l'attività biologica, che controllano il funziona- mento dei vari organi, sono trasmessi dai neuroni del sistema nervoso: per- tanto, stimoli elettrici esterni e di intensità tale da eccitare la cellula possono risultare pericolosi, venendo a influenzare le funzioni vitali. La pericolosità dipende dall'intensità, dalla frequenza e dalla natura della corrente elettrica (continua o alternata), dalla durata del contatto nonché dalla costituzione fisica (massa corporea e stato di salute) del soggetto. Tra gli effetti del passaggio della corrente elettrica nel corpo umano si posso- no ricordare, in quanto particolarmente pericolosi: la tetanizzazione, che determina la contrazione dei muscoli interessati al pas- saggio della corrente, a seguito della quale risulta difficile staccarsi dalla parte in tensione: c'è quindi rischio che il contatto si prolunghi, con aumento del danno all'organismo. Il massimo valore di intensità di corrente al di là del quale una persona non è più in grado di staccarsi della sorgente elettrica è detto corrente di rilascio: in media vale tra 10 mA e 15 mA alla frequenza di 50 Hz; l'arresto della respirazione, conseguente alla paralisi dei centri nervosi che controllano la respirazione. Se la corrente elettrica attraversa i muscoli che permettono il movimento dei polmoni, viene alterato il normale funzio- namento del sistema respiratorio e il soggetto rischia la morte per soffoca- mento o traumi dovuti all'asfissia. In questi casi, poiché il cervello privato di ossigenazione (anossia) per tempi superiori a qualche minuto comincia a subire danni irreversibili, è necessario prestare soccorso all'infortunato in tempi rapidi, anche tramite respirazione artificiale; la fibrillazione ventricolare rappresenta l'effetto più pericoloso: le cor- renti provenienti dall'esterno si sovrappongono a quelle fisiologiche, che normalmente regolano il ritmo di contrazione (sistole) e rilassamento (diastole) dell'organo. I muscoli cardiaci (fibrille) non si contraggono più in modo coordinato e il cuore ( FIGURA )2entra in fibrillazione, per- dendo la capacità di pompare il sangue nell'organismo: la fibrillazione che interessa il ventricolo (fibrillazione ventricolare) è particolarmente grave, perché persiste anche se lo stimolo è cessato (di minor gravità la fibrillazione atriale, che interessa appunto la regione atriale). Il normale funzionamento del cuore può essere ripristinato sottoponendo l'orga- no a una violenta scarica elettrica, che dovrebbe ristabilire la sincronia delle contrazioni muscolari: tale scarica è applicata tramite gli elettrodi del defibrillatore. Poiché ogni individuo reagisce in modo diverso al passaggio della corrente, l'intensità di corrente necessaria a innescare la fibrillazione varia da caso a caso. Il percorso seguito dalla corrente nell'organismo ha comunque una grande influenza sulla probabilità d'in- nesco: particolarmente pericolosa è la situazione in cui la corrente segue il percorso mano sinistra-torace; ustioni possono infine essere prodotte dall'energia termica sviluppata per effetto Joule dalla corrente elettrica che fluisce attraverso il corpo (per esempio, se attraverso la pelle si innesca una corrente avente densità di circa 60 mA/mm?, la pelle verrà carbonizzata in pochi secondi). I limiti di pericolosità della corrente elettrica I limiti convenzionali di pericolosità della corrente elettrica in funzione della durata del passaggio della corrente attraverso il corpo umano, come stabiliti dallo IEC (International Electrotechnical Commission), sono riassunti in gra- fici tempo-corrente come quello della» FigURA 3 relativo a correnti alternate con frequenze nell'intervallo 15÷ 100 Hz (per correnti continue il grafico è simile). Come si nota, la soglia di percezione (retta a) è posta in corrispondenza del valore di 0,5 mA: al di sotto di tale valore il passaggio di corrente, di qualunque durata, non provoca alcuna reazione (regione 1 del grafico). Per intensità inferiori a 10 mA (limite di rilascio) non si manifestano, in genere, effetti dannosi, indipendentemente dalla durata del passaggio (regione 2, 0,5 mA < i < 10 mA). Per intensità nel range 10 mA < i < 500 mA, la pericolosità dipende dalla durata T del passaggio della corrente. Come si è detto, per correnti alternate di frequenza di rete (50 Hz) si può assumere come soglia di pericolosità un'intensità di 10 mA: la d.d.p. in grado di produrre una tale intensità dipende evidentemente dalla resistenza elettrica R del conduttore interessato. Nel caso di passaggio nel corpo umano, la determinazione di R non è agevole, perché dipende da numerosi fattori, primo fra tutti lo stato della pelle: R si riduce in presenza di sudore, umidità, ferite, graffi, mentre aumenta in presenza di ispessimenti (callosità). La resistenza complessiva dipende inoltre dal percorso della corrente all'interno del corpo umano (i percorsi che offrono la maggiore resistenza sono quello mano-mano e quello mano-piede), dal fatto di trovarsi all'aperto o in locali chiusi, dalla resistenza del piano di calpestio, dalla resistenza di contatto con il suolo, che varia per esempio a seconda che si indossano calzature isolanti o si sia invece a piedi nudi. Sulla base di tali considerazioni si comprende la difficoltà di una valutazione della resistenza totale, per la quale si può assumere il valore indicativo di 1 kg. Misure di protezione e comportamenti corretti In ambito domestico il rischio elettrico è da ricondurre principalmente a impianti non a norma o non mantenuti in condizioni di sicurezza o utilizzati in maniera impropria, nonché all'uso corretto di apparecchiature o attrezzature connesse alla rete elettrica. Per la protezione dal rischio elettrico è quindi necessario anzitutto fare attenzione alla presenza di qualunque deterioramento dei componenti elettrici (lacerazioni all'isolamento dei conduttori, danneggiamento di prese a spina ecc.), provvedendo nel caso alla tempestiva sostituzione del materiale danneggiato. Non si devono mai predisporre connessioni elettriche "di fortuna" o comunque derivanti dall'impiego di più prese o adattatori>( FIGURA 4,) perché ciò può determinare un sovraccarico e un surriscaldamento dei componenti elettrici con conseguente rischio d'incendio per cortocircuito. E necessario prestare sempre la massima attenzione nelle situazioni in cui si debba accedere ai conduttori o componenti sotto tensione, evitando ogni utilizzo improprio degli apparecchi elettrici o qualsiasi contatto con mani bagnate o umide o appoggiando su pavimenti bagnati, specialmente se si è scalzi, in quanto in tali circostanze la resistenza elettrica del corpo diminuisce. La pulizia delle apparecchiature (tipicamente, il monitor del computer) eseguita usando liquidi deve essere sempre effettuata collegando dalla rete le apparecchiature stesse. Ove sia necessario disconnettere un cavo da una presa elettrica, si deve agire afferrando l'isolante della spina, mai semplicemente tirando il cavo; è anche da evitare l'abbandono lungo le vie di transito di prolunghe o apparecchiature elettriche, specialmente se collegate alla rete elettrica. Naturalmente, ogni intervento di riparazione o di modifica dell'impianto elettrico (dimensionato all'effettiva potenza elettrica richiesta) o di apparecchiature deve essere affidato solo a personale qualificato e autorizzato. Adottando le misure di protezione qui in breve indicate si riduce il rischio di contatto diretto: questo può tuttavia produrre anche per semplice cedi- mento della protezione passiva dell'elemento sotto tensione. A protezione da tale eventualità gli impianti elettrici sono dotati di interruttori ad alta sensibilità, comunemente denominati salvavita, di interruzione automatica della corrente - ( FigURA.5) Semplificando un poco i termini del discorso, possiamo dire che tale dispositivo confronta la differenza Ai tra quantità di corrente entrante nel circuito e quantità uscente (di qui il nome di interruttore differenziale): in condizioni normali, tale differenza è nulla. Tuttavia, nel caso di deterioramento dell'isolamento di un apparecchiatura connessa all'impianto elettrico, la carcassa metallica dell'apparecchiatura potrebbe risultare sotto tensione, con folgorazione di chi dovesse accidentalmente toccarla: in questo caso. Ai non è più uguale a zero, perché una frazione della corrente entrante si disperde a terra senza ritornare all'interruttore differenziale a monte dell'impianto. Il dispositivo quindi scatta, aprendo il circuito elettrico: interruttori ad alta sensibilità entrano in funzione in pochi millisecondi se Ai ≤ 30 mA. Come è stato discusso in precedenza, sotto tali ipotesi la corrente che attraversa in soggetto di norma non è in grado di provocare danni (nel grafico della FIGURA 3a, pagina 56, il punto rappresentativo della situazione cade infatti-i, al peggio, nella zona 2).