vita in laboratorio 2011

Il rischio elettrico e da campi Il rischio elettrico e da campi elettromagneticielettromagnetici (ovvero come sopravvivere al laboratorio)(ovvero come sopravvivere al laboratorio)

Gianluigi Pessina

INFN Sez. di Milano Bicocca

Rischio elettrico 16 Marzo 2011 - 2 -

L’Elettricità e l’alimentazione per la Strumentazione


Partiamo dalla principale nostra fonte di energia (I)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)


Partiamo dalla principale nostra fonte di energia (II)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 …


LL’’evoluzione della sicurezza (I)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.


LL’’evoluzione della sicurezza (II)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 quando si sta inserendo la spina. Questo anche perché il contatto della presa è volutamente rientrato.

Qui abbiamo un tipico esempio di protezione da rischio accidentale semplice e molto efficiente.


LL’’evoluzione della sicurezza (III)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.


Protezione Elettrica da cortocircuito e dispersione (I)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. differenziale Int. magnetotermico

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.


LL’’interruttore differenziale (I)interruttore differenziale (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.

Int. differenziale

Stru

men

to

I

I

I

I

I

A

B


LL’’interruttore differenziale (interruttore differenziale (IIII))

Int. differenziale

Stru

men

to

I

I

I”

I”

I”

A

B

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.

I’

(calzature non isolate)


LL’’interruttore differenziale (interruttore differenziale (IIIIII))

Int. differenziale

Stru

men

to

I=0

A

B 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 comunque).

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.


LL’’interruttore differenziale (interruttore differenziale (IVIV))

Curiosità:

L’impedenza del corpo verso terra con piedi scalzi, a secco è di circa 2 kΩ.

Con piedi umidi si scende a 500 Ω.

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.


LL’’interruttore magnetotermicointerruttore magnetotermico

A

B

Int. differenziale

Stru

men

to

I

I

I

I

I

Int. magnetotermico

corto

circ

uito

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.


Cortocircuito senza protezioneCortocircuito senza protezione

Innesco di esplosioniInnesco 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 64-

2 (Impianti elettrici nei luoghi con pericolo di esplosione).Casi particolari Direttiva ATEX.

• Un incendio potrebbe allora svilupparsi se in contatto con la parte mal funzionante fosse presente del materiale non-ignifugo.

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.


Gli interruttori di sicurezza nei Gli interruttori di sicurezza nei LabLab

15

Solo il personale autorizzato può aprire i quadri elettrici: in modo da potere constatare il ristabilirsi della normalità.

Quadro Elettrico di distribuzioneQuadro 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 viene vista come un omissione o mancanza: non occorre avere timore reverenziale verso nessuno nel segnalare un evento: la presenza del personale addetto è una sicurezza.


Condizione di pericolo (I)Condizione di pericolo (I)

A

B

Int. differenzialeI

I

I

I

Int. magnetotermico

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 → → l’int. differenziale non agisce.

La corrente assorbita non è elevata → → neanche l’int. magnetotermico agisce.

Purtroppo però il malcapitato subisce la scossa elettrica che crea inziale forte dolore e successivo danno fisico, che può essere anche letale.


Condizione di pericolo (II)Condizione di pericolo (II)I

I

I

I

Int. magnetotermico

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.

Int. differenzialeA

B


Cosa succede durante la folgorazione (I)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.


Cosa succede durante la folgorazione (II)Cosa succede durante la folgorazione (II)

Soglia di percezione

Soglia ditetanizzazione

Soglia difibrillazioneventricolare

Più in dettaglio si possono osservare i vari effetti in funzione sia della durata che dell’intensità di corrente.

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.

Scossa ricevuta a piedi nudi.


Cosa succede durante la folgorazione (III)Cosa succede durante la folgorazione (III)Informazioni generaliInformazioni 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.


A proposito di valori di tensione (I)A proposito di valori di tensione (I)


A proposito di valori di tensione: bassissime tensioniA 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.


A proposito di valori di tensione: alte tensioni (I)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.


NO SI

A proposito di valori di tensione: alte tensioni (II)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.

Una volta tolta l’alta tensione da un dispositivo scaricare comunque preventivamente qualsiasi elemento metallico, prima della manipolazione.


Norme per la strumentazione (I)Norme per la strumentazione (I)

= Conformité Européenne

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.


Norme per la strumentazione (II)Norme per la strumentazione (II)Una condizione fondamentale rispettata è la “messa a terra” che assicura l’utilizzatore dello strumento di BASSISSIMA TENSIONE.

strumento

Involucro metallico o schermo

Presa di Terra, o massa

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.

Terminali di uscita

Equipotenzialità tra utilizzatore ed involucro: nessun pericolo


Norme per la strumentazione (III)Norme per la strumentazione (III)

strumentoI

Questa configurazione consente anche un sorta di auto- protezione. 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.

Presa di Terra, o massa

Ancora nessun pericolo


Campi Elettromagnetici


Campo elettromagnetico (I)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.


Campo elettromagnetico (Campo elettromagnetico (IIII))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 …


Campo elettromagnetico (Campo elettromagnetico (IIIIII))


Campo elettromagnetico (Campo elettromagnetico (IVIV))

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.


Elettrosmog (I)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.


Elettrosmog (II)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.


Elettrosmog (III)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.


Elettrosmog (IV)Elettrosmog (IV)

Elettrodomestico B [μT] alla distanza di3 cm 30 cm 100 cm

Forno elettrico 1-50 0,15-0,5 0,07-1Termosifoni portatili 10-180 0,15-5 0,02-0,06

Lavatrice 0,8-50 0,15-0,5 0,01-0,15Lavastoviglie 3,5-20 0,15-5 0,07-3Trapano 400-800 0,15-0,5 0,08-0,2Lampade da tavolo 40-400 0,15-5 0,02-25Robot da cucina 60-700 0,15-0,5 0,02-0,25Asciugacapelli 6-2000 0,15-5 <0,01-0,3Ferro da stiro 8-30 0,15-0,5 0,01-0,025Forno a microonde 75-200 0,15-5 0,25-0,6

Apparecchi elettrici –

campo B

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.


Effetti del campo sul corpo umanoEffetti 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.


Campo elettromagnetico e strumentazioneCampo 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.


Conclusioni (I)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.


Conclusioni (II)Conclusioni (II)

Esempi di etichette di pericolo:

vita in laboratorio 2011

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