CORRENTE ELETTRICA E CORPO UMANO

Materie:Appunti
Categoria:Elettrotecnica

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Testo

CORRENTE ELETTRICA E CORPO UMANO
È ben noto che le prime scoperte riguardanti, i fenomeni elettrici riferiti al corpo umano, siano strettamente collegate alle esperienze rivolte a mettere in evidenza come il funzionamento del sistema nervoso e dei muscoli sia, almeno in parte, dovuto alla presenza di tensioni e correnti elettriche.
Luigi Galvani è stato il primo scienziato che ha ritenuto di aver dimostrato, mediante i suoi primi esperimenti, la capacità dei tessuti biologici di suscitare fenomeni elettrici riportando, i risultati dei suoi esperimenti compiuti sul muscolo gastrocnemio di rana. Galvani credeva di aver messo in evidenza che il nervo di una rana fosse in grado di produrre una corrente elettrica.
Pose dunque su basi sperimentali i precedenti tentativi di collegare la fisica con la biologia.
Entrando in merito, si scoprì dopo anni di ricerca che, il corpo umano e’ per lo più composto di una soluzione salina conduttrice, si può dire sia costituito da un insieme d’atomi che, quando perdono o acquistano elettroni, diventano ioni: sono tali le cellule e il liquido interstiziale che le separano.
Gli ioni ( k+, Na+…), si muovono in zone di minor concentrazione e sono soggetti al campo elettrico generato dall’insieme degli altri ioni.
Poiché la cellula ha verso gli ioni un comportamento di tipo selettivo,gli ioni non si diffondono allo stesso modo dentro e fuori la cellula: ad esempio la cellula è molto permeabile a K+ piuttosto che a Na+.
Lo ione K+ è trasportato all’interno della cellula mentre lo ione Na + è espulso con la tipica azione di pompaggio biochimico a spese dell’organismo “pompa metabolica”.
La cellula viene quindi a possedere un potenziale negativo all’interno rispetto all’esterno chiamato: potenziale di riposo.
Nei mammiferi le cellule del sistema nervoso centrale, presentano un potenziale di riposo di -70 mV: d.d.p. notevole se si considerano le piccole dimensioni della cellula. (fig. 1)
(fig. 1)
La membrana cellulare separando cariche elettriche si comporta come un condensatore. Non è perfettamente isolante ed è attraversata da un certo numero di ioni perciò, oltre ad un valore di capacità, presenterà anche una resistenza elettrica.
Il modello elettrico semplificato delle cellule umane sarà perciò rappresentato da un condensatore C in parallelo con una resistenza R e da un generatore di tensione che rappresenta il potenziale di riposo determinato dalla diversa concentrazione di ioni nella cellula. (fig. 2)
(fig. 2)
Parlando invece del potenziale d’azione della cellula, se ad essa viene applicato un impulso di corrente di polarità inversa a quella della cellula stessa, il potenziale da negativo diviene positivo per ritornare di nuovo al valore iniziale. L’andamento del potenziale, prende il nome di potenziale d’azione.
L’ampiezza minima dell’impulso di corrente necessario ad eccitare la cellula, e a determinare l’inversione del potenziale, decresce con l’aumentare della durata per tendere ad un valore costante secondo una curva denominata curva d’eccitabilità. (fig. 3)
(fig. 3)
Il termine Io rappresenta la minima intensità dello stimolo capace di produrre l’eccitamento della cellula se applicato per un tempo indefinito: Reobase.
La curva che si ricava è simile ad un’iperbole equilatera e dunque la cellula è sensibile approssimativamente alla carica It.
I segnali elettrici d’ogni cellula del nostro corpo e quindi collegati all’attività biologica, controllano il funzionamento dei vari organi e sono trasmessi dai neuroni del sistema nervoso.
Stimoli elettrici che superano la soglia d’eccitabilità, e che provengono dall’esterno, possono essere pericolosi e influire sulle funzioni vitali.
Andremo ora a vedere come la pericolosità di questi stimoli può variare a seconda
- dell’intensità e della natura della corrente elettrica I,
- dalla natura del contatto,
- dalla costituzione fisica della persona colpita,
- dalla frequenza.
La pericolosità della corrente diminuisce all’aumentare della frequenza, infatti, la durata dell’impulso ad eccitare la cellula è inversamente proporzionale alla frequenza, diminuisce all’aumentare della frequenza e quindi è necessario aumentare l’intensità dello stimolo per provocare la modificazione del potenziale di riposo.
Ad alte frequenze la pericolosità della corrente elettrica diminuisce anche per il fatto che tende a passare attraverso la pelle. Il fenomeno descritto si chiama appunto “effetto pelle” e le lesioni del passaggio della corrente elettrica sono solo superficiali e non interessano organi vitali. Dalla figura 4 si può notare come le correnti a frequenza di 50 cicli al secondo si trovino nella fascia di frequenze più pericolose.
(fig. 4)
Anche la corrente continua può essere pericolosa ma è necessaria un’intensità maggiore di quella alternata a 50 Hz a causa di un fenomeno che avviene nella cellula sottoposta ad uno stimolo continuo detto di accomodazione:
cioè in presenza di uno stimolo esterno ininterrotto la cellula si adatta alla nuova situazione aumentando la soglia di eccitabilità.
Il valore di corrente percepibile da una persona è quindi individuale e dipende da diversi fattori:
non è facile determinare i minimi valori di corrente che superano la soglia di percezione e quindi si ricorre a criteri statistici e sperimentali.
EFFETTI DELL’ELETTRICITA’ SUL CORPO UMANO
Quando una corrente elettrica attraversa un corpo umano, può produrre un’azione diretta sui vasi sanguigni e cellule nervose, determinare un’alterazione permanente nel sistema cardiaco, nell’attività cerebrale e nel sistema nervoso centrale;
Infine può recare danni all’apparato visivo, all’epidermide ecc.
Per quanto riguarda il sistema nervoso se lo stimolo elettrico applicato ad una fibra nervosa ha intensità e durata appropriate, produce un potenziale d’azione che si propaga lungo la fibra nervosa fino al muscolo, contraendosi per poi tornare allo stato di riposo.
Se gli stimoli elettrici sono ripetitivi, gli effetti possono sommarsi e il muscolo si contrae in modo progressivo dando origine alla contrazione tetanica ( tetanizzazione ) e in questa posizione permangono finche non cessano gli stimoli.
Correnti molto elevate non producono solitamente la tetanizzazione perché il corpo quando entra in contatto con esse riceve un’eccitazione muscolare talmente elevata che i movimenti muscolari involontari generalmente “staccano” il soggetto dalla sorgente.
Il valore più grande di corrente per cui una persona è ancora in grado di staccarsi dalla sorgente elettrica si chiama corrente di rilascio e mediamente per una corrente di 50\100 Hz è di circa 10 mA per le donne e di 15 mA per gli uomini.
Nella figura sottostante sono sintetizzate le conseguenze del passaggio della corrente elettrica.

Una complicazione dovuta alla tetanizzazione, è la paralisi dei centri nervosi che controllano la respirazione.
Se una scossa elettrica attraversa i muscoli che controllano il movimento dei polmoni, la contrazione involontaria di questi muscoli altera il normale funzionamento del sistema respiratorio e
il soggetto può morire soffocato o subire le conseguenze dei danni dovuti all’asfissia ( danno anossico cerebrale ).
Come stato accennato in precedenza, una persona che subisce un’elettrocuzione ( scossa elettrica ) rischia di compromettere il funzionamento del muscolo cardiaco, uno degli organi nobili del nostro organismo (cuore, polmoni, cervello).
Il cuore, ha la funzione di pompare il sangue lungo le vene e le arterie del corpo, perciò i muscoli del cuore si contraggono e si espandono ritmicamente a circa 60\100 volte al minuto (sistole e diastole). Questi movimenti sono coordinati da un vero e proprio generatore d’impulsi elettrici, provocando le contrazioni che danno 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.
Una corrente esterna che attraversa il cuore potrebbe avere effetti molto gravi perché potrebbe alterare la sincronizzazione e il coordinamento nei movimenti del cuore con la paralisi dell’operazione di pompaggio del sangue: fibrillazione.
La fibrillazione è l’effetto più pericoloso, dovuto alla sovrapposizione delle correnti provenienti dall’esterno con quelle fisiologiche, che, generando delle contrazioni scoordinate, fanno perdere il giusto ritmo al cuore. È particolarmente pericolosa nella zona ventricolare perché fenomeno non reversibile in quanto persiste anche se lo stimolo è cessato.
I fattori che possono rendere probabile l’innesco della fibrillazione ventricolare, sono:
• l’intensità della corrente elettrica I che attraversa il corpo di cui una piccola parte passa attraverso il cuore dando origine alla fibrillazione.
• ogni individuo reagisce in modo diverso al passaggio della I e la quantità necessaria ad innescare la fibrillazione varia caso per caso.
Sicuramente comune in tutti i fattori e fondamentale, è il percorso seguito dalla I sulla probabilità d’innesco: “fattore di percorso” che indica la pericolosità dei diversi percorsi seguiti dalla I considerando come riferimento il percorso mano sinistra-piedi. Qui di seguito sono elencati fattori di percorso riguardanti il passaggio della I nel corpo umano.
Mani - Piedi
Mano sinistra - Piede sinistro 1
Mano sinistra - Piede destro 1
Mano sinistra - Entrambi i piedi 1
Mano sinistra - Mano destra 0,4
Mano sinistra –Dorso 0,7
Mano sinistra –Torace 1,5
Mano destra - Piede sinistro 0,8
Mano destra - Piede destro 0,8
Mano destra - Entrambi i piedi 0,8
Mano destra - Dorso 0,3
Mano destra - Torace 1,3
Glutei - Mani 0,7
Altra caratteristica fondamentale per l’innesco della fibrillazione, è determinata dal fatto che si ha un istante di tempo in cui il ciclo cardiaco normale è molto instabile per cui, se lo shock coincide con questo istante esiste un’elevatissima probabilità di innesco della fibrillazione. Tale fenomeno è chiamato “periodo” vulnerabile”.
Non vanno dimenticate come conseguenza di uno shock elettrico le ustioni. Sostanzialmente sono prodotte dal calore che si sviluppa per effetto Joule della corrente elettrica che fluisce attraverso il corpo. Le ustioni peggiori si hanno sulla pelle dove si viene a manifestare il cosiddetto “marchio elettrico”. È anche importante specificare che una conseguenza così grave è dovuta al fatto che la nostra cute presenta una resistività maggiore dei tessuti interni, la densità della corrente elettrica è maggiore nei punti di entrata e di uscita, addirittura densità di corrente di 50 mA provocano la carbonizzazione della pelle in pochi secondi. Ad alte tensioni, si manifesta una distruzione dei tessuti superficiali e profondi, rottura di arterie e quindi emorragie, distruzione dei centri nervosi.
Caratteristica importante che influisce sulla gravità dell’ustione è la resistività che la nostra cute offre al passaggio di corrente elettrica. Più precisamente tratteremo ora la resistenza elettrica del corpo umano.
Dare dei valori precisi alla resistenza elettrica del corpo umano risulta piuttosto difficoltoso essendo questa influenzata da molte variabili: percorso della corrente, stato della pelle (presenza di calli, sudore, umidità, tagli, abrasioni ecc..), superficie di contatto, tensione di contatto (sperimentalmente si è visto che all’aumentare della tensione diminuisce la resistenza). Come tale 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 avvenisse tramite strati isolanti (guanti, calzari, pedane ecc.) alla Rc occorre ovviamente aggiungere la resistenza di tali materiali.
In termini circuitali, il corpo umano corrisponde ad un’impedenza capacitiva. La capacita Cs risiede principalmente nella pelle che si interpone come isolante tra l’elettrodo e il tessuto sottostante, in parallelo si pone una resistenza Rs dovuta ai pori della pelle, e in serie ad entrambe la resistenza interna del corpo umano R1.

Circuito equivalente del corpo umano tra due punti
Dal circuito equivalente si può rilevare che Rs e Cs sono la resistenza e la capacità dei punti di contatto mentre R1 è 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 . A frequenza industriale l’impedenza Z si riduce alle sole resistenze del corpo umano. Si è visto che la corrente elettrica può risultare pericolosa a partire da valori di 10 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 dei valori di corrente veri e propri.
Analizzando le variabili che influiscono sulla resistenza del corpo umano entra in gioco la tensione di contatto.
Supponiamo di avere la carcassa di un apparecchio messa a terra (collegata ad un dispersore) che disperde la corrente di guasto Ig , assume una tensione:
Ut = tensione totale di terra
Una persona che toccasse tale carcassa durante un guasto d’isolamento è soggetta ad una tensione Uc (tensione di contatto) che può essere minore o al limite uguale alla Ut. La situazione più pericolosa si ha se il contatto avviene lontano dal dispersore in un punto del terreno in cui il potenziale è prossimo allo zero. Se ad esempio il punto di contatto avvenisse tramite una conduttura idrica la resistenza di contatto verso terra della persona Rtc sarebbe molto piccola aumentando la tensione di contatto Uc fino a farla coincidere in modo sensibile alla tensione totale di terra Ut. La tensione, preesistente al contatto, che si stabilisce tra la carcassa e il posto che potrebbe essere occupato dalla persona, si chiama tensione di contatto a vuoto Uc0 che può essere usata, in favore della sicurezza, al posto della Uc.
La tensione di contatto dipende essenzialmente dalla Rc del corpo umano. Se al limite la Rc fosse infinita, attraverso il corpo umano non passerebbe alcuna corrente pur avendo applicata la Uc0 e la sicurezza sarebbe la più elevata possibile. Purtroppo la Rc non solo non è infinita ma pure di difficile valutazione e quindi si è dovuto raggiungere un compromesso assumendo dei valori di Rc convenzionali (valori non superati dal 5% della popolazione), in condizioni asciutte con area degli
elettrodi di 80cm2. La resistenza del corpo umano dipende da diversi fattori ma soprattutto dal percorso della corrente, dalle condizioni ambientali, dalla superficie di contatto degli elettrodi con la pelle e dalla tensione. Normalmente la corrente fluisce in un percorso mani-mani o mani-piedi mentre se è elevata la probabilità che il percorso della corrente sia diverso si configura il “luogo conduttore ristretto” per il quale occorre prendere particolari misure di sicurezza. Il percorso mano-mano è meno pericoloso del percorso mani-piedi (la Rc è minore e la probabilità di innescare la fibrillazione cardiaca è minore rispetto al percorso verticale) tuttavia nel percorso verticale la Rc ha in serie la resistenza verso terra della persona Rtc che è a favore della sicurezza, tanto che per valori di Rtc elevati diventa più pericoloso in certi casi il percorso trasversale mano-mano.
Da queste considerazioni per tracciare la curva di sicurezza ci si è prudenzialmente riferiti al percorso mani-piedi di una persona che afferra un apparecchio elettrico con le due mani e con i due piedi appoggiati al suolo. Sono stati esaminati diversi tipi di pavimenti a secco e a umido ed è stato assunto un valore di Rtc di 1000 W (largamente cautelativo) per i luoghi ordinari e di 200 W in condizioni particolari (all’aperto, in mancanza del pavimento, la Rtc equivale a circa due volte la resistività del terreno, identificata come la resistenza di una piastra metallica appoggiata sul terreno di area equivalente a quella dei piedi, e quindi è prudenziale per resistività del terreno superiori a 100 Wm ) trascurando, a favore della sicurezza, la resistenza delle calzature. Nella tabella sono riportati i valori di resistenza in funzione della tensione nel percorso mani-piedi (CEI 1335 P, art.5) dalla quale si ricava per ogni valore di tensione la corrente che fluisce attraverso la resistenza Rc+Rtc . Il valore di corrente così calcolato va riportato sulla curva di sicurezza tempo corrente dalla quale è facile ricavare il tempo per cui può essere tollerato quel valore di tensione. Questi valori sono raccolti nella tabella qui sotto riportata e vengono utilizzati per tracciare la curva di sicurezza tensione/tempo (la Rc ha lo stesso valore sia in condizioni ordinarie che in condizioni particolari in quanto non è influenzata in modo significativo dalle condizioni ambientali).
Tensione di contatto
Valori di Rc che non sono superati dal 5% della popolazione
(percorso mani - piedi)
25 V
50 V
75 V
100 V
125 V
220 V
700 V
1000 V
val. asymptotic
875 W
725 W
625 W
600 W
562 W
500 W
375 W
350 W
325 W
Valori della resistenza Rc al variare della tensione
Tensione di contatto
Condizioni ordinarie
Condizioni particolari
Rc+Rtc
I
t
Rc+Rtc
I
t
25 V
50 V
75 V
90 V
110 V
150 V
230 V
280 V
500 V
------
1725 W 1625 W
1600 W 1535 W
1475 W
1375 W
1370 W
1360 W
------ 29 mA
46 mA 56 mA 72 mA 102 mA 167 mA 204 mA 368 mA
------
5 s
0,60 s 0,45 s 0,36 s 0,27 s 0,17 s 0,12 s
0,04 s
1075 W
925 W
825 W
780 W
730 W
660 W
575 W
570 W
------
23 mA 54 mA 91 mA 115 mA 151 mA 227 mA 400 mA 491 mA ------
5 s
0,47 s
0,30 s
0,25 s
0,18 s
0,10 s
0,03 s
0,02 s
------
Curve di sicurezza tensione - tempo
Per la sicurezza, più che ai limiti di corrente pericolosa, ci si riferisce ai limiti di tensione pericolosa.
• Curve di sicurezza tensione-tempo in condizioni ambientali particolari e ordinarie
Ovviamente sia la corrente che la tensione sono legati dalla legge di Ohm: Rc e Uc oppure, a favore della sicurezza, Rc + Rtc e UC0. Poiché i valori di Rc variano a seconda del percorso della corrente nel corpo umano per semplificare l’individuazione delle tensioni pericolose si sono stabiliti in modo convenzionale valori prudenziali di Rc e di Rtc tali da ottenere i valori massimi delle tensioni di contatto a vuoto sopportabili dal corpo umano in funzione del tempo. Si è in questo modo costruita una “curva di sicurezza “ dei limiti tensione-tempo in condizioni normali e in condizioni particolari. La tensione corrispondente al tempo 5s è denominata tensione di contatto limite UL. Questo è il limite superiore delle tensioni che possono permanere su una massa per un tempo indefinito senza pericolo per le persone. In condizioni normali si considera UL=50V mentre in condizioni particolari UL=25V (Ad esempio ambienti bagnati, strutture adibite ad uso zootecnico, ecc..).
Tensione di contatto (c.a.)
Tensione di contatto (c.c.)
Tempo di sopportabilità

Esempio



  


  1. fabio

    curiosità sulla corrente, per approfondimenti scientifici.


Come usare