Il rischio elettrico e da campi
elettromagnetici
(ovvero come sopravvivere al laboratorio)
Gianluigi Pessina
INFN Sez. di Milano Bicocca
L’Elettricità e l’alimentazione per la Strumentazione
Rischio elettrico 7 Marzo 2012
-2-
Partiamo dalla principale nostra fonte di energia (I)
Ogni strumento che useremo
avrà bisogno di energia, che sarà
fornita dalla rete elettrica: 230 V
AC 50 Hz
L’azione basilare è la connessione dello
strumento alla rete.
Non appena lo strumento può acquisire energia si
mette in funzione per soddisfare le nostre esigenze.
(Notiamo che a sua volta lo strumento potrebbe
emettere radiazione elettromagnetica rispondente ai
limiti di emissione ammissibili se lo strumento fosse
marchiato CE)
Rischio elettrico 7 Marzo 2012
-3-
Partiamo dalla principale nostra fonte di energia (II)
Ma attenzione: la nostra fonte di energia potrebbe fornire
troppa energia, sfociando in una situazione rischiosa.
L’attenzione fondamentale riguarda la nostra incolumità.
Occorre evitare di subire la “scossa elettrica” (noto
pericolo nascosto) …
… mai toccare direttamente i fili della
rete elettrica o ….
… le parti di uno strumento sottoposte
direttamente alla tensione di rete applicata.
Però non siamo lasciati del tutto soli al nostro
destino. Molto si è evoluto nel corso degli anni nei
riguardi della sicurezza di ogni ambiente in cui
possiamo trovarci …
Rischio elettrico 7 Marzo 2012
-4-
L’evoluzione della sicurezza (I)
Le vecchie spine avevano i
terminali di contatto
completamente accessibili …
Con un’incauta manipolazione era certamente
possibile toccare un terminale mentre si
innestava la spina nella presa.
Ovviamente qui ci si riferisce ad una
distrazione: tutti sanno che non bisogna
toccare un terminale sotto tensione.
Ma proprio qui sta il punto: la sicurezza deve
occuparsi principalmente di proteggerci da
eventi accidentali.
Rischio elettrico 7 Marzo 2012
-5-
L’evoluzione della sicurezza (II)
Le spine attuali hanno tutte una
protezione plastica sovrapposta ai
terminali della dimensione confrontabile
a quella di un dito.
In questo modo anche la distrazione
occasionale nell’infilare la spina non può
portare alla scossa perché il dito non è in
grado di potere toccare la parte metallica
durante l’inserimento. Questo anche
perché il contatto della presa è
volutamente rientrato.
Qui abbiamo un tipico esempio di
protezione da rischio accidentale semplice
e molto efficiente.
Rischio elettrico 7 Marzo 2012
-6-
L’evoluzione della sicurezza (III)
Con le prese Schuco il livello di
sicurezza da rischio accidentale è
ancora più evoluto perché il ricettacolo
della presa è molto rientrato rispetto
alla lunghezza dei terminali e le dita
non possono essere infilate
contemporaneamente ai terminali.
Rischio elettrico 7 Marzo 2012
-7-
Protezione Elettrica da cortocircuito e dispersione (I)
La situazione di pericolo con l’elettricità non si riduce al solo esempio
considerato. Situazioni più complesse potrebbero portare ad un contatto
improprio dei conduttori (fili) collegati alla rete elettrica sotto tensione. Per
questo nelle case e negli ambienti di lavoro sono predisposti 2 ulteriori
dispositivi di prevenzione: l’interruttore differenziale e l’interruttore
magnetotermico.
Int. magnetotermico
Int. differenziale
Sono dispositivi che automaticamente aprono il
circuito, cioè sconnettono il dispositivo collegato,
in caso venga riscontrata la condizione di
emergenza a cui sovraintendono. Il loro tempo di
intervento va da 0.1 sec a 0.5 sec.
-8Rischio elettrico 7 Marzo 2012
L’interruttore differenziale (I)
I
Strumento
Int. differenziale
A
I
I
B
I
I
In condizioni normali di operazione tutta la corrente, il flusso di carica
che scorre nel sistema, è uguale in A e B: la quantità di carica che esce
da A è esattamente uguale a quella che entra in B. In questa situazione
di regolarità i 2 interruttori rossi vengono mantenuti chiusi dal dispositivo
ed il sistema opera correttamente.
Rischio elettrico 7 Marzo 2012
-9-
L’interruttore differenziale (II)
Int. differenziale
A
I
I”
B
I”
I”
Strumento
I
I’
(calzature non
isolate)
Se ora si verifica un contatto accidentale parte della corrente
che esce da A viene deviata verso altra direzione ed in B si ha
una diversa corrente: I” I.
Il malcapitato subirebbe il tipico fenomeno della scossa con
ovvi effetti dolorosi se l’interruttore differenziale non fosse
presente.
Rischio elettrico 7 Marzo 2012
- 10 -
L’interruttore differenziale (III)
A
B
I=0
Strumento
Int. differenziale
I=0
In un intervallo di tempo compreso tra 0.1 s e 0.5 s l’interruttore differenziale
si accorge della differenza tra le 2 correnti ed agisce aprendo il circuito,
proteggendo il malcapitato (che una limitata scossa la subisce limitatamente
al periodo di azione dell’interruttore).
La differenza che deve sussistere tra le 2 correnti in genere basta che sia
dell’ordine di 30 mA, o 0,03 A. Questa corrente è molto piccola se
confrontata a quella tipica assorbita da uno strumento di media potenza. Ad
esempio un aspirapolvere da 1000 W assorbe poco meno di 5 A, circa 166
volte la corrente di innesto per la sicurezza.
Il ripristino del sistema dopo l’evento in considerazione può avvenire solo col
riarmo manuale dell’interruttore differenziale. Il ripristino non è volutamente
automatico: in questo modo chi attua il ripristino è sicuro che le condizioni di
normalità
sono
ritornate
attive.
- 11 Rischio
elettrico
7 Marzo
2012
L’interruttore differenziale (IV)
Curiosità:
L’impedenza del corpo verso terra con piedi scalzi, in assenza di umidità è
di circa 2 k .
Con piedi umidi si scende a 500
.
Perciò dalla rete elettrica a 220 V la corrente assorbibile con una scossa in
queste condizioni è compresa tra 0.11 A e 0.44 A. Attenzione che questo è il
valore efficace dell’onda sinusoidale a 50 Hz, il valore di picco è 2 volte
più grande.
Rischio elettrico 7 Marzo 2012
- 12 -
L’interruttore magnetotermico
I
I
B
I
cortocircuito
I
Int. differenziale
A
I
Strumento
Int. magnetotermico
I
In caso di cortocircuito accidentale la corrente in A e B cambierebbe
notevolmente di valore, ma rimarrebbe simile: l’int. differenziale non
agirebbe.
Ecco allora che l’int. magnetotermico si accorge dell’eccessivo assorbimento
di corrente (attraverso il riscaldamento di un elemento sensibile presente al
suo interno) e nel giro di una frazione di sec interviene interrompendo il
circuito.
Anche qui il ripristino della situazione normale può avvenire solo dopo il
riarmo manuale.
Rischio elettrico 7 Marzo 2012
- 13 -
Cortocircuito senza protezione
La presenza dell’interruttore magnetotermico è fondamentale. In caso
contrario l’energia fornita durante il cortocircuito non sarebbe limitata e la
temperatura della parte guasta salirebbe repentinamente.
• Un incendio potrebbe allora svilupparsi se in contatto con la parte mal
funzionante fosse presente del materiale non-ignifugo.
Innesco di esplosioni
• Il pericolo di esplosione può esserci se sono presenti materiali tipo:
• Es.: di gas Isobutano
• Gas estremamente infiammabili F +;
Gli Impianti elettrici devono essere realizzati secondo la Norma CEI 642 (Impianti elettrici nei luoghi con pericolo di esplosione).
Casi particolari Direttiva ATEX.
Rischio elettrico 7 Marzo 2012
- 14 -
Gli interruttori di sicurezza nei Lab
Quadro Elettrico di distribuzione
Nei nostri Laboratori gli interruttori di
protezione sono ubicati di fianco alle porte di
accesso.
Non sono raggiungibili dall’utente perché
chiusi a chiave dietro una porta di vetro.
A seguito di una condizione di emergenza
occorre chiamare il personale addetto sempre
presente in portineria.
Una tale ricorrenza non deve essere
considerata come un’omissione o mancanza:
non occorre avere timore reverenziale verso
nessuno nel segnalare un evento: la presenza
del personale addetto è una sicurezza.
Solo il personale autorizzato può aprire i quadri elettrici: in modo da
potere constatare il ristabilirsi della normalità.
Rischio elettrico 7 Marzo 2012
- 15 15
Condizione di pericolo (I)
Int. magnetotermico
Int. differenziale
A
I
I
B
I
I
Esiste una condizione estrema al verificarsi della quale non si ha protezione:
il malcapitato tocca i 2 terminali dell’alimentazione ed allo stesso tempo
indossa calzature a suola gommosa, che lo isolano dalla terra.
Qui non si ha corrente dispersa
La corrente assorbita non è elevata
agisce.
l’int. differenziale non agisce.
neanche l’int. magnetotermico
Purtroppo però il malcapitato subisce la scossa elettrica che crea inziale
forte dolore e successivo danno fisico, che può essere anche letale.
- 16 Rischio elettrico 7 Marzo 2012
Condizione di pericolo (II)
Int. magnetotermico
I
Int. differenziale
A
B
I
I
I
Perciò la condizione di minimo rischio in presenza di protezione
magnetotermica e differenziale si ha quando non si è isolati dalla massa, o
terra della rete elettrica.
L’ideale sono scarpe con suola ad alta resistività che limitano la quantità di
corrente che potrebbe fluire nel corpo nel caso in questione e non isolano
dalla terra.
Rischio elettrico 7 Marzo 2012
- 17 -
Cosa succede durante la folgorazione (I)
Modello semplificato:
Il cervello gestisce ogni organo e muscolo del
corpo “comunicando” mediante l’invio di
deboli segnali elettrici.
Quando si subisce la scossa nel nostro corpo
circola una corrente molto grossa che si
sovrappone ai deboli comandi inviati dal
cervello.
Il marasma che si viene a creare determina
l’incapacità di comandare i muscoli sottoposti
a scossa: si tende a restare attaccati alla rete
elettrica con conseguente incremento del
danno fisico (tetanizzazione).
Se si vuole aiutare una persona soggetta a scossa occorre: spingerla per
mezzo di in oggetto isolante allontanandola dalla sorgente elettrica. In
alternativa dare una spinta violenta (in entrambi i casi mettere in atto
repentinamente le procedure di Pronto soccorso). Questo consente di evitare
di rimanere a propria volta attaccati alla rete elettrica per cercare di salvare la
persona malcapitata.
- 18 Rischio elettrico 7 Marzo 2012
Cosa succede durante la folgorazione (II)
Soglia di
fibrillazione
ventricolare
Soglia
di percezione
Più in dettaglio si
possono osservare i
vari effetti in funzione
sia della durata che
dell’intensità di
corrente.
Soglia di
tetanizzazione
Scossa ricevuta
a piedi nudi.
1. Assenza di reazioni - Soglia di percezione dita mani;
2. Nessun effetto fisiologico pericoloso - Soglia di tetanizzazione
(contrazioni ripetute e non controllabili dei muscoli);
3. Effetti pato-fisiologici (reversibili) - Soglia di fibrillazione ventricolare;
4. Probabile fibrillazione ventricolare e gravi bruciature.
Rischio elettrico 7 Marzo 2012
- 19 -
Cosa succede durante la folgorazione (III)
Informazioni generali
Va altresì detto che l’effetto del danno
dipende anche da come varia nel tempo
il segnale elettrico. Ovvero da quanto sia
la frequenza di ripetizione dell’onda
elettrica stimolante.
Nella situazione più comune la
frequenza dell’onda è 50 Hz e
l’ampiezza del segnale elettrico 230 V
AC.
Rischio elettrico 7 Marzo 2012
- 20 -
A proposito di valori di tensione (I)
Rischio elettrico 7 Marzo 2012
- 21 -
A proposito di valori di tensione: bassissime tensioni
Nel caso degli alimentatori e strumenti di elettronica tipicamente usati in
laboratorio si resta nel campo delle BASSISSIME TENSIONI (< 50 V DC).
In realtà tipicamente si opera al di sotto dei 25 V DC. Livelli di tensione di
questa natura non provocano danno per contatto diretto.
Si consiglia comunque di evitare sempre di toccare direttamente, per
quanto possibile, i terminali.
Per scrupolo non toccare mai assolutamente terminali sottoposti a
tensione maggiore di 25 V DC 30 V DC.
Rischio elettrico 7 Marzo 2012
- 22 -
A proposito di valori di tensione: alte tensioni (I)
Occorre considerare che per alcuni di voi sorgerà la necessità di dovere
utilizzare alte tensioni, fino a (<) 5000 V DC utilizzate per polarizzare
rivelatori di particelle.
Sebbene i livelli di potenza sostenibili dagli alimentatori usati in queste
applicazioni siano molto bassi occorre comunque avere estrema cautela
nel manipolare questi sistemi: una scossa con alta tensione anche di
breve durata può provocare danni cardiaci ingenti.
Occorre osservare 2 regole fondamentali con l’utilizzo delle alte tensioni:
 Non toccare assolutamente niente sottoposto ad alta
tensione, anche se isolato;
 Non avvicinarsi (mai a meno di 0.5 m) ad un elemento
metallico sottoposto ad alta tensione: la vicinanza di
una punta, un dito, ad un contatto metallico sottoposto
ad alta tensione provoca l’acuirsi del campo elettrico
degenerando in una scarica (effetto parafulmine) con
ovvie conseguenze fortemente dannose per il corpo
umano.
Rischio elettrico 7 Marzo 2012
- 23 -
A proposito di valori di tensione: alte tensioni (II)
Con le alte tensioni occorre osservare estrema attenzione
se vi sono condensatori. Questi componenti, essendo non
dissipativi, sono in grado di conservare il campo elettrico
per tempi estremamente lunghi, ingannando l’incauto che
crede di avere tolto l’alta tensione.
Evitare di toccare i terminali di condensatori che sono stati
sottoposti a campi elettrici intensi. Se proprio non si può
evitare, scaricarli con cura evitando l’uso del cortocircuito
diretto che potrebbe provocare danno al condensatore
stesso che potrebbe sfociare in possibili esplosioni.
NO
Rischio elettrico 7 Marzo 2012
SI
Una volta tolta l’alta
tensione da un
dispositivo scaricare
comunque
preventivamente
qualsiasi elemento
metallico, prima della
manipolazione.
- 24 -
A proposito di valori di tensione: alte tensioni (III)
Nel laboratorio di Fisica I
avrete un primo contato
con sorgenti di alta
tensione in relazione alla
misura della repulsione
elettrostatica, nella
dimostrazione della legge
di Coulomb.
Per effettuare l’esperienza
occorre depositare una
debole carica su 2 palline
molto leggere.
Palline che devono essere caricate.
Rischio elettrico 7 Marzo 2012
- 25 -
A proposito di valori di tensione: alte tensioni (IV)
Le palline vengono caricate mediante il contatto con una punta posta ad
potenziale variabile da qualche centinaio di V a 6000 V.
Sorgente di tensione
variabile.
Manopola di regolazione
della tensione.
Pallina nella fase di carica con la sonda
ad alta tensione.
Rischio elettrico 7 Marzo 2012
- 26 -
A proposito di valori di tensione: alte tensioni (V)
Questo è un caso in cui
occorre fare attenzione a
come si manipola lo
strumento.
Sebbene …
Punta sottoposta alla
alta tensione.
Protezione ad alto
isolamento.
Zona di impugnatura della sonda:
ben lontana dalla punta.
Rischio elettrico 7 Marzo 2012
- 27 -
A proposito di valori di tensione: alte tensioni (VI)
… La sonda contiene una
resistenza di valore elevato
per limitare la corrente a
valori di solo qualche
decina di A,
assolutamente non
pericolosi anche nel caso
accidentale in cui si tocchi
la punta con le mani.
200 M
I MAX
6000 V
200 M
30 A
Tuttavia si è sempre di fronte ad uno
strumento che potrebbe diventare
pericoloso a causa di un malfunzionamento
di qualsiasi natura. Quindi: (1) la persona
che manipola la sonda la deve tenere ad
un’estremità, mentre (2) Tutti gli altri stiano
ad almeno 1 mt di distanza.
Rischio elettrico 7 Marzo 2012
- 28 -
Norme per la strumentazione (I)
Esistono differenti specifiche di
sicurezza a cui ogni tipo di
prodotto elettrico deve
soddisfare. La presenza del
marchio CE è un logo che
attesta la conformità di un
prodotto ai requisiti di sicurezza
previsti da una o più direttive
comunitarie.
Da molti anni è oramai d’obbligo
l’osservanza della marcatura CE
per tutti i prodotti elettrici in
commercio.
= Conformité Européenne
Rischio elettrico 7 Marzo 2012
- 29 -
Norme per la strumentazione (II)
Una condizione fondamentale rispettata è la “messa a terra” che assicura
l’utilizzatore dello strumento di BASSISSIMA TENSIONE.
Terminali di uscita
Involucro metallico o schermo
strumento
Presa di Terra,
o massa
Rischio elettrico 7 Marzo 2012
Mediante la connessione
a massa dello schermo
non c’è modo per
l’utilizzatore di toccare
punti a potenziale
elevato presenti
all’interno dello
strumento. L’unico
accesso avviene
attraverso i terminali di
uscita, a bassa tensione.
Equipotenzialità tra
utilizzatore ed
involucro: nessun
pericolo
- 30 -
Norme per la strumentazione (III)
Questa configurazione consente anche un sorta di autoprotezione. In caso di guasto interno che sfocia nella nascita di
un contatto elettrico tra guscio e strumento si determina un
flusso di corrente verso la massa: l’int. Differenziale, a monte
della presa di corrente, agisce spegnendo tutto perché ravvisa
la mancanza di omogeneità tra la corrente di andata e ritorno.
I
strumento
Presa di Terra,
o massa
Ancora
nessun
pericolo
Rischio elettrico 7 Marzo 2012
- 31 -
Campi Elettromagnetici
Rischio elettrico 7 Marzo 2012
- 32 -
Campo elettromagnetico (I)
Il campo elettromagnetico non esiste solo confinato nelle reti elettriche che
abbiamo considerato.
Lo spazio è pervaso da campi elettrici e magnetici di intensità più o meno
elevata e varia dipendenza dal tempo.
Considerando che la carica in moto produce campi magnetici abbiamo che
tutti le linee aeree o sotterrate ad alta tensione sono sorgenti di campi
magnetici di bassa frequenza.
I ponti radio sono invece sorgenti di campi di alta frequenza.
In funzione della intensità e frequenza di ripetizione abbiamo dei gradi di
pericolosità più o meno accertati.
Rischio elettrico 7 Marzo 2012
- 33 -
Campo elettromagnetico (II)
Una forma comune di dipendenza dal tempo del campo è quella
sinusoidale.
Considerando che la propagazione del campo nello spazio libero è prossima
a quella della luce l’estensione della lunghezza d’onda è elevata per i campi
di bassa frequenza.
Il campo di bassa frequenza si estende su grandi volumi, mentre ad alte
frequenze si possono ottenere concentrazioni molto elevate in piccoli
volumi.
Da qui l’idea di maggiore pericolosità per i campi di alta frequenza, ma …
Rischio elettrico 7 Marzo 2012
- 34 -
Campo elettromagnetico (III)
Rischio elettrico 7 Marzo 2012
- 35 -
Campo elettromagnetico (IV)
Non appena si entra nella zona rosa il grado di pericolosità del campo si fa
molto accentuato. Diventando di pertinenza alla radioattività.
Per i campi di bassa ed alta frequenza esistono delle norme che possiamo
riassumere brevemente per verificarne il nostro grado di attenzione.
Rischio elettrico 7 Marzo 2012
- 36 -
Elettrosmog (I)
Per i campo di bassa frequenza (< 100 MHz) si parla di “elettrosmog”. Molti
studi sono stati svolti sulle possibili cause di malattie più o meno gravi.
Fino ad ora non sembra essere stata accertata nessuna causa diretta.
Per prevenzione sono dettate delle norme sui tempi di esposizione in
funzione dell’intensità del campo per i lavoratori e popolazione civile.
Rischio elettrico 7 Marzo 2012
- 37 -
Elettrosmog (II)
Un’altra questione aperta riguarda ed ha riguardato l’uso massiccio degli
apparecchi cellulari.
Anche in questo caso non è stato ancora accertato un rischio vero. Tuttavia
si consiglia l’adozione dell’auricolare, se è previsto un uso frequente.
Rischio elettrico 7 Marzo 2012
- 38 -
Elettrosmog (III)
I limiti indicati sono valori che si riscontrano in situazioni non ordinarie.
In laboratorio devono essere creati appositamente.
In quel caso occorre fare attenzione alla tabella, possibilmente procurandosi
un misuratore di campo.
- 39 Rischio elettrico 7 Marzo 2012
Elettrosmog (IV)
Apparecchi elettrici – campo B
Elettrodomestico
B [ T] alla distanza di
3 cm
30 cm
100 cm
1-50
0,15-0,5
0,07-1
Termosifoni portatili
10-180
0,15-5
0,02-0,06
Lavatrice
0,8-50
0,15-0,5
0,01-0,15
Lavastoviglie
3,5-20
0,15-5
0,07-3
Trapano
400-800
0,15-0,5
0,08-0,2
Lampade da tavolo
40-400
0,15-5
0,02-25
Robot da cucina
60-700
0,15-0,5
0,02-0,25
Asciugacapelli
6-2000
0,15-5
<0,01-0,3
Ferro da stiro
8-30
0,15-0,5
0,01-0,025
75-200
0,15-5
0,25-0,6
Forno elettrico
Forno a microonde
I campi con cui ordinariamente si convive hanno intensità di almeno 3
ordini di grandezza inferiori. Sicuramente devono fare molta più attenzione
al livello del campo i portatori di pacemaker, stimolatori cardiaci, etc.
- 40 Rischio elettrico 7 Marzo 2012
Effetti del campo sul corpo umano
La problematica del campo elettromagnetico nelle nostre applicazioni è
legato quasi esclusivamente all’uso di sorgenti ionizzanti.
Argomento che verrà affrontato nelle tematiche di sicurezza legate del III
anno.
Rischio elettrico 7 Marzo 2012
- 41 -
Campo elettromagnetico e strumentazione
Secondo la normativa CE la strumentazione che usiamo deve soddisfare
delle norme che riguardano 2 condizioni:
1. lo strumento deve osservare dei limiti nella emissione di
campi residui;
2. allo stesso tempo lo strumento deve possedere capacità
di reiezione, entro certi limiti, dei campi nei quali può
essere immerso.
Queste 2 regole non riguardano direttamente la salute dell’utilizzatore,
ma bensì limitano il più possibile la reciproca influenza di strumenti
costretti ad operare in zone limitrofe.
Rischio elettrico 7 Marzo 2012
- 42 -
Conclusioni (I)
 Le normative sono un insieme di regole a cui il datore di lavoro o chi per
esso deve fare soddisfare all’ambiente che deve prevedere la presenza
umana.
 Le norme consentono il più possibile di potere salvaguardare
l’incolumità e la salute umana sia per quanto riguarda gli infortuni e, non
ultimo, la salute su lungo periodo.
 Siccome le norme sono molte e complesse sarebbero di difficile
interpretazione agli utilizzatori finali.
 Ecco che è previsto che siano chiaramente indicate e comprensibili a
chiunque adeguate indicazioni di attenzione laddove il livello di
pericolosità è maggiormente presente.
 Laddove l’indicazione diretta non sia completamente esaustiva una
scheda tecnica deve essere allegata e muoversi col prodotto.
Rischio elettrico 7 Marzo 2012
- 43 -
Conclusioni (II)
Esempi di etichette di pericolo (attenzione, sono sempre gialle):
Rischio elettrico 7 Marzo 2012
- 44 -