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Elettrotecnica

 

Effetti dell'elettricità sul corpo umano

Quando una corrente elettrica attraversa un corpo umano può produrre effetti pericolosi, consistenti generalmente in alterazioni delle varie funzioni vitali, in lesioni al sistema nervoso, ai vasi sanguigni, all’apparato visivo e uditivo, all’epidermide ecc.
Alcuni tra questi effetti risultano particolarmente pericolosi.

Si contraggono i muscoli interessati dal passaggio della corrente e risulta molto difficile staccarsi dalla parte in tensione, il contatto si prolunga nel tempo con effetti ancora più dannosi.
Il valore più grande di corrente per cui una persona è ancora in grado di staccarsi della sorgente elettrica si chiama corrente di rilascio e mediamente è compreso tra i 10 mA e i 15 mA per una corrente di 50 Hz.

Da notare che correnti molto elevate non producono solitamente la tetanizzazione perché quando il corpo è attraversato da esse, l’eccitazione muscolare è talmente intensa che i movimenti muscolari involontari generalmente favoriscono il distacco del malcapitato dalla sorgente.

Una complicanza dovuta alla tetanizzazione è la paralisi dei centri nervosi che controllano la respirazione.
La corrente elettrica che attraversa i muscoli che controllano il movimento dei polmoni può provocare la contrazione involontaria di questi muscoli e alterare il normale funzionamento del sistema respiratorio.

Le conseguenze per il soggetto possono essere morte per soffocamento o traumi dovuti all’asfissia.
In questi casi il fenomeno è reversibile ma si evitano danni al tessuto cerebrale solo se si provvede con prontezza, anche con l’ausilio della respirazione artificiale, al soccorso dell’infortunato.

È l’effetto più pericoloso e dipende dalla sovrapposizione fra le correnti entranti e quelle fisiologiche che, generando delle contrazioni scoordinate, fa perdere il giusto ritmo al cuore.

Il cuore ha la funzione di pompare il sangue lungo le vene e le arterie del corpo.
Per questo scopo, i muscoli del cuore, chiamati fibrille, si contraggono e si espandono ritmicamente circa 60/100 volte al minuto (sistole e diastole).
Questi movimenti sono coordinati da un vero e proprio generatore d’impulsi elettrici, il nodo seno-atriale.

Appositi tessuti conduttori si incaricano di propagare questi impulsi che, passando attraverso il nodo chiamato atrio-ventricolare, arrivano alle fibre muscolari del cuore.
Quando gli impulsi elettrici arrivano alle fibrille, queste ultime producono le contrazioni dando luogo al battito cardiaco.
Il cuore, proprio a causa della natura elettrica del suo funzionamento, è particolarmente sensibile a qualunque corrente elettrica che proviene dall’esterno, sia essa causata da uno shock elettrico o introdotta volontariamente come nel caso del pace-maker.

La corrente generata dal pace-maker è semplicemente un supporto agli impulsi elettrici prodotti nel nodo seno-atriale e non produce anomalie nel normale funzionamento del cuore ma lo aiuta a correggere certe disfunzioni.
Una corrente esterna che attraversa il cuore potrebbe in questo caso avere effetti molto gravi per l’infortunato perché potrebbero alterarsi la sincronizzazione e il coordinamento nei movimenti del cuore con la paralisi dell’operazione di pompaggio del sangue.
Questa anomalia si chiama fibrillazione ed è particolarmente pericolosa nella zona ventricolare perché diventa un fenomeno non reversibile in quanto il fenomeno persiste anche se lo stimolo è cessato.
Meno pericolosa, grazie alla sua natura reversibile, è invece la fibrillazione atriale.

La fibrillazione ventricolare è reversibile entro i primi due o tre minuti soltanto se il cuore è sottoposto ad una scarica elettrica molto violenta.
Solo così si possono evitare gravi danni al tessuto del cuore stesso, al cervello e nel peggiore dei casi la morte dell’infortunato.
Per raggiungere lo scopo viene impiegato il defibrillatore, un’apparecchiatura medica che applica un impulso elettrico al torace dell’infortunato tramite due elettrodi.

 

I fattori che possono rendere probabile l’innesco della fibrillazione ventricolare sono diversi.
I più significativi sono:
- l’intensità della corrente che attraversa il corpo; una piccola parte di corrente passa attraverso il cuore.
È molto difficile la determinazione di risultati affidabili poiché, nonostante i numerosi studi che sono stati realizzati per valutare il minimo valore di corrente che può dare inizio a questo fenomeno, l’impossibilità di realizzare esperimenti diretti sull’uomo rende molto difficoltosa una raccolta di dati che sia sufficientemente attendibile;

- percorso della corrente; ogni individuo reagisce in modo diverso al passaggio della corrente per cui la quantità di corrente necessaria ad innescare la fibrillazione può variare da caso a caso; nonostante questo, il percorso seguito dalla corrente ha una grande influenza sulla probabilità d’innesco.

Per questo motivo è stato definito un “fattore di percorso” F (tabella 1) che indica, a parità di corrente, la probabilità che si inneschi la fibrillazione dei diversi percorsi seguiti dalla corrente, considerando come riferimento il percorso mano sinistra-piedi preso uguale a 1.
Il fattore di percorso consente di ricavare il valore delle correnti Ih che hanno la stessa probabilità di innescare la fibrillazione di una corrente Iref, presa come riferimento, relativa ad un percorso mano sinistra-piedi: Ih=Iref/F.
Dalla tabella 1 si può notare che il percorso mano-mano risulta il meno pericoloso, fattore di percorso 0,4, mentre il contatto mano sinistra-torace, fattore di percorso 1,5, il più pericoloso (si configura in questo caso un “luogo conduttore ristretto” dove si devono applicare misure di protezione particolari);

- periodo del ciclo cardiaco in cui si manifesta lo shock elettrico; si ha un istante in cui il ciclo cardiaco normale è molto instabile e, se lo shock elettrico coincide con questo istante, esiste un’elevatissima probabilità di innesco della fibrillazione.
Questo periodo d’instabilità si chiama “periodo vulnerabile” (figura 1);

- durata del contatto; la probabilità d’innesco della fibrillazione aumenta se l’infortunato è in contatto con la corrente esterna per una durata maggiore del ciclo cardiaco.

Tabella 1 - Fattori di percorso
Percorso
Fattore di percorso
Mani - Piedi
1,0
Mano sinistra - Piede sinistro
1,0
Mano sinistra - Piede destro
1,0
Mano sinistra - Piedi
1,0
Mano sinistra - Mano destra
0,4
Mano sinistra - Schiena
0,7
Mano sinistra - Torace
1,5
Mano destra - Piede sinistro
0,8
Mano destra - Piede destro
0,8
Mano destra - Piedi
0,8
Mano destra - Schiena
0,3
Mano destra - Torace
1,3
Glutei - Mano destra e sinistra / Mani
0,7

 

Sono prodotte dal calore che si sviluppa per effetto Joule dalla corrente elettrica che fluisce attraverso il corpo (per esempio, se attraverso la pelle si innesca un flusso di corrente la cui densità è di circa 60 mA/mm2, questa verrà carbonizzata in pochi secondi).

I limiti convenzionali di pericolosità della corrente elettrica sia alternata che continua, in funzione del tempo per cui fluisce attraverso il corpo umano, sono stati riassunti in un grafico tempo-corrente (dati IEC).

Per correnti alternate fino a 0,5 mA (soglia di percezione) il passaggio di corrente non provoca nessuna reazione qualunque sia la durata; per correnti superiori e fino a 10 mA (limite di rilascio - durata qualsiasi) non si hanno in genere effetti pericolosi; per correnti superiori a 10 mA il contatto non è pericoloso se la sua durata è decrescente rispetto al valore di corrente.

Il piano tempo-corrente è stato suddiviso in quattro zone (figura 2):
Zona 1 - Normalmente non si hanno effetti dannosi;
Zona 2 - Non si hanno normalmente effetti fisiopatologici pericolosi;
Zona 3 - Soglia di fibrillazione ventri- colare. Possono verificarsi effetti quasi sempre reversibili che possono divenire pericolosi se a causa del fenomeno della tetanizzazione, che impedisce il rilascio, ci si porta nella zona 4;
Zona 4 - La pericolosità aumenta allontanandosi dalla curva “c1”. Si può innescare la fibrillazione con conseguente arresto cardiaco, arresto della respirazione e ustioni.

Per contatti con la corrente continua la curva di pericolosità è leggermente diversa da quella vista in precedenza.
Le correnti convenzionali di pericolosità sono raccolte in un grafico tempo-corrente dove le correnti diventano pericolose per valori leggermente superiori rispetto alle correnti in alternata.

Dare dei valori precisi alla resistenza elettrica del corpo umano RB risulta piuttosto difficoltoso essendo questa influenzata da molte variabili.

È possibile valutarla solo statisticamente e quindi le norme CEI fanno riferimento a valori convenzionali riferiti ad un campione medio di popolazione.
Nel caso che il contatto avvenga tramite strati isolanti (guanti, calzari, pedane ecc.) alla RB occorre ovviamente aggiungere la resistenza di tali materiali.

Dal circuito equivalente di figura 3 si può rilevare che RP e CP sono la resistenza e la capacità dei punti di contatto mentre Ri la resistenza interna del corpo umano.
Tali valori possono essere diversi a seconda dei casi e l’impedenza capacitiva è rilevante solo per frequenze superiori a 1000 Hz perché a frequenza industriale l’impedenza si riduce alle sole resistenze del corpo umano.

La corrente elettrica, per frequenze di 50- 100 Hz, può risultare pericolosa a partire da valori di 10 mA.
Si parla di pericolosità della corrente ma, ai fini pratici, è più conveniente riferirsi ai valori di tensione che sono in grado di far circolare una particolare corrente piuttosto che a valori di corrente veri e propri.

Se indichiamo con ZB l’impedenza totale del corpo umano, con UST la tensione di contatto a vuoto e con IB la corrente che attraversa la persona e assumendo 10 mA come limite convenzionale di pericolosità della corrente elettrica a 50 Hz, il corpo umano risulta soggetto ad una tensione di contatto UST data dal prodotto ZB*IB.

Per ricondurre il rischio a livelli accettabili deve quindi essere: U>sub>ST/ZB ≤ 10mA

Ricordando che alla frequenza industriale di 50 Hz si può trascurare la componente reattiva, l’impedenza equivalente del corpo umano può essere vista come composta da tre resistenze collegate in serie fra loro:
- la resistenza relativa al contatto con la pelle nel punto di entrata Rpe;
- la resistenza interna Ri, che dipende in gran misura dal tragitto che compie la corrente all’interno del corpo umano;
- la resistenza relativa al contatto con la pelle nel punto di uscita Rpu.

Da cui: ZB = RB = Rpe + Ri + Rpu.

Come si è detto, determinare il valore di RB non è sempre agevole dipendendo Rpe, Ri ed Rpu da diversi fattori (tabella 1).
Il valore complessivo della resistenza è influenzato notevolmente dallo stato della pelle, si riduce in presenza di sudore, umidità, ferite, graffi mentre aumenta in presenza di calli.
Dipende dal percorso della corrente all’interno del corpo umano (i percorsi che offrono la maggiore resistenza sono quello mano-mano e quello mano-piede), diminuisce se aumenta la superficie e la pressione di contatto ma anche se aumenta la tensione di contatto.

In figura 4, di ogni parte del corpo, sono indicati i valori di resistenza espressa in percentuale della resistenza di riferimento, presa uguale a cento, relativa ad un contatto mano-mano.


In figura 5 è rappresentata l’impedenza del corpo umano in funzione della tensione applicata.


Il grafico si riferisce al contatto mano-mano o mano-piede, fra due elettrodi con area di 50-100 cm2, in condizioni di pelle asciutta, relativo a tre gruppi di individui che presentano tre diversi livelli di probabilità, riferiti rispettivamente al 5%, 50% e 95% delle persone, di superare i valori indicati.

Ad esempio, con riferimento alla curva relativa al 5% degli individui, si può notare che per tensioni intorno ai 50 V risulta RB=1500 ohm mentre per tensioni di 230 V risulta RB=1000 ohm.

Quando una corrente elettrica attraversa un corpo umano può produrre effetti pericolosi, consistenti generalmente in alterazioni delle varie funzioni vitali, in lesioni al sistema nervoso, ai vasi sanguigni, all’apparato visivo e uditivo, all’epidermide

Nella tetanizzazione si contraggono i muscoli interessati dal passaggio della corrente e risulta molto difficile staccarsi dalla parte in tensione

La fibrillazione ventricolare è l’effetto più pericoloso e dipende dalla sovrapposizione fra le correnti entranti e quelle fisiologiche che, generando delle contrazioni scoordinate, fa perdere il giusto ritmo al cuore

Le ustioni sono prodotte dal calore che si sviluppa per effetto Joule dalla corrente elettrica che fluisce attraverso il corpo

I limiti convenzionali di pericolosità della corrente elettrica sia alternata che continua, in funzione del tempo per cui fluisce attraverso il corpo umano, sono stati riassunti dalla IEC in un grafico tempo-corrente

La resistenza elettrica del corpo umano è valutabile solo statisticamente e quindi le norme CEI fanno riferimento a valori convenzionali riferiti ad un campione medio di popolazione