Lo studio dei pericoli, dell'elettrofisiologia e della prevenzione degli incidenti elettrici richiede la comprensione di diversi concetti tecnici e medici.

Le seguenti definizioni dei termini elettrobiologici sono tratte dal capitolo 891 dell'International Electrotechnical Vocabulary (Electrobiology) (International Electrotechnical Commission) (IEC) (1979).

An scossa elettrica è l'effetto fisiopatologico derivante dal passaggio diretto o indiretto di una corrente elettrica esterna attraverso il corpo. Include contatti diretti e indiretti e correnti sia unipolari che bipolari.

Si dice che gli individui, vivi o deceduti, che hanno subito scosse elettriche abbiano sofferto elettrificazione; il termine elettrocuzione dovrebbero essere riservati ai casi in cui sopraggiunge la morte. Fulmini sono scosse elettriche mortali derivanti da fulmini (Gourbiere et al. 1994).

Le statistiche internazionali sugli incidenti elettrici sono state compilate dall'Ufficio internazionale del lavoro (ILO), dall'Unione europea (UE), dal Union Internationale des producteurs etdistribuurs d'énergie électrique (UNIPEDE), l'International Social Security Association (ISSA) e il Comitato TC64 della Commissione Elettrotecnica Internazionale. L'interpretazione di queste statistiche è ostacolata dalle differenze nelle tecniche di raccolta dei dati, nelle polizze assicurative e nelle definizioni di incidenti mortali da paese a paese. Tuttavia, sono possibili le seguenti stime del tasso di elettrocuzione (tabella 1).

Tabella 1. Stime del tasso di folgorazione - 1988

^* Secondo la National Fire Protection Association (Massachusetts, Stati Uniti) queste statistiche statunitensi riflettono più un'ampia raccolta di dati e obblighi di segnalazione legale che un ambiente più pericoloso. Le statistiche statunitensi includono i decessi per esposizione ai sistemi di trasmissione di pubblica utilità e le scariche elettriche causate dai prodotti di consumo. Nel 1988, 290 morti sono state causate da prodotti di consumo (1.2 morti per milione di abitanti). Nel 1993 il tasso di morte per folgorazione per tutte le cause è sceso a 550 (2.1 morti per milione di abitanti); Il 38% era legato ai prodotti di consumo (0.8 decessi per milione di abitanti).

Il numero di folgorazioni sta lentamente diminuendo, sia in termini assoluti sia, in modo ancora più marcato, in funzione del consumo totale di energia elettrica. Circa la metà degli incidenti elettrici è di origine professionale, mentre l'altra metà si verifica in casa e durante le attività del tempo libero. In Francia, il numero medio di decessi tra il 1968 e il 1991 è stato di 151 decessi all'anno, secondo il Istituto nazionale di sanità e ricerca medica (INSERISCI).

Basi fisiche e fisiopatologiche dell'elettrificazione

Gli specialisti elettrici dividono i contatti elettrici in due gruppi: contatti diretti, che comportano il contatto con componenti sotto tensione, e contatti indiretti, che comportano contatti con messa a terra. Ognuno di questi richiede misure preventive fondamentalmente diverse.

Da un punto di vista medico, il percorso della corrente attraverso il corpo è il determinante chiave prognostico e terapeutico. Ad esempio, il contatto bipolare della bocca di un bambino con la spina di una prolunga provoca ustioni estremamente gravi alla bocca, ma non la morte se il bambino è ben isolato da terra.

In contesti professionali, dove sono comuni tensioni elevate, è anche possibile che si formi un arco elettrico tra un componente attivo ad alta tensione e lavoratori che si avvicinano troppo. Anche situazioni lavorative specifiche possono influire sulle conseguenze degli incidenti elettrici: ad esempio, i lavoratori possono cadere o agire in modo inappropriato se sorpresi da una scossa elettrica altrimenti relativamente innocua.

Gli incidenti elettrici possono essere causati dall'intera gamma di tensioni presenti nei luoghi di lavoro. Ogni settore industriale ha il proprio insieme di condizioni in grado di causare contatti diretti, indiretti, unipolari, bipolari, archi o indotti e, in ultima analisi, incidenti. Sebbene esuli ovviamente dallo scopo di questo articolo descrivere tutte le attività umane che coinvolgono l'elettricità, è utile ricordare al lettore i seguenti principali tipi di lavoro elettrico, che sono stati oggetto di linee guida preventive internazionali descritte nel capitolo su prevenzione:

1. attività che prevedono lavori su cavi sotto tensione (l'applicazione di protocolli estremamente rigorosi è riuscita a ridurre il numero di elettrificazioni durante questo tipo di lavori)
2. attività che comportano lavori su cavi non alimentati, e
3. attività svolte in prossimità di cavi sotto tensione (queste attività richiedono la massima attenzione, in quanto spesso sono svolte da personale non elettricista).

Fisiopatologia

Tutte le variabili della legge di Joule della corrente continua—

L=V x I x t = RI²t

(il calore prodotto da una corrente elettrica è proporzionale alla resistenza e al quadrato della corrente) - sono strettamente correlati. Nel caso di corrente alternata si deve tener conto anche dell'effetto della frequenza (Folliot 1982).

Gli organismi viventi sono conduttori elettrici. L'elettrificazione si verifica quando c'è una differenza di potenziale tra due punti nell'organismo. È importante sottolineare che il pericolo di incidenti elettrici non nasce dal mero contatto con un conduttore in tensione, ma piuttosto dal contatto simultaneo con un conduttore in tensione e un altro corpo a diverso potenziale.

I tessuti e gli organi lungo il percorso della corrente possono subire un'eccitazione motoria funzionale, in alcuni casi irreversibile, oppure possono subire lesioni temporanee o permanenti, generalmente a seguito di ustioni. L'entità di queste lesioni è una funzione dell'energia rilasciata o della quantità di elettricità che le attraversa. Il tempo di transito della corrente elettrica è quindi fondamentale per determinare il grado di lesione. (Ad esempio, anguille elettriche e razze producono scariche estremamente sgradevoli, capaci di indurre una perdita di coscienza. Tuttavia, nonostante una tensione di 600V, una corrente di circa 1A e una resistenza soggetta di circa 600 ohm, questi pesci non sono in grado di indurre un shock letale, poiché la durata della scarica è troppo breve, dell'ordine di decine di microsecondi.) Pertanto, ad alte tensioni (> 1,000 V), la morte è spesso dovuta all'entità delle ustioni. A tensioni più basse, la morte è una funzione della quantità di elettricità (D=Io x t), raggiungendo il cuore, determinato dal tipo, dalla posizione e dall'area dei punti di contatto.

Le sezioni seguenti discutono il meccanismo di morte dovuto a incidenti elettrici, le terapie immediate più efficaci ei fattori che determinano la gravità della lesione, vale a dire resistenza, intensità, voltaggio, frequenza e forma d'onda.

Cause di morte negli incidenti elettrici nell'industria

In rari casi, l'asfissia può essere la causa della morte. Ciò può derivare da tetano prolungato del diaframma, inibizione dei centri respiratori in caso di contatto con la testa o densità di corrente molto elevate, ad esempio a seguito di fulmini (Gourbiere et al. 1994). Se le cure possono essere fornite entro tre minuti, la vittima può essere rianimata con pochi sbuffi di respirazione bocca a bocca.

D'altra parte, il collasso circolatorio periferico secondario alla fibrillazione ventricolare rimane la principale causa di morte. Ciò si sviluppa invariabilmente in assenza di massaggio cardiaco applicato contemporaneamente alla rianimazione bocca a bocca. Questi interventi, che dovrebbero essere insegnati a tutti gli elettricisti, dovrebbero essere mantenuti fino all'arrivo del pronto soccorso medico, che richiede quasi sempre più di tre minuti. Moltissimi elettropatologi e ingegneri in tutto il mondo hanno studiato le cause della fibrillazione ventricolare, al fine di progettare migliori misure protettive passive o attive (International Electrotechnical Commission 1987; 1994). La desincronizzazione casuale del miocardio richiede una corrente elettrica sostenuta di frequenza, intensità e tempo di transito specifici. Soprattutto, il segnale elettrico deve arrivare al miocardio durante il cosiddetto fase vulnerabile del ciclo cardiaco, corrispondente all'inizio dell'onda T dell'elettrocardiogramma.

La Commissione elettrotecnica internazionale (1987; 1994) ha prodotto curve che descrivono l'effetto dell'intensità di corrente e del tempo di transito sulla probabilità (espressa in percentuale) di fibrillazione e sul percorso della corrente mano-piede in un maschio di 70 kg in buona salute. Questi strumenti sono appropriati per le correnti industriali nella gamma di frequenza da 15 a 100 Hz, con frequenze più elevate attualmente in fase di studio. Per tempi di transito inferiori a 10 ms, l'area sotto la curva del segnale elettrico è un'approssimazione ragionevole dell'energia elettrica.

Ruolo dei vari parametri elettrici

Ciascuno dei parametri elettrici (corrente, tensione, resistenza, tempo, frequenza) e forma d'onda sono determinanti importanti del danno, sia di per sé che in virtù della loro interazione.

Sono state stabilite soglie di corrente per la corrente alternata, nonché per altre condizioni sopra definite. L'intensità della corrente durante l'elettrificazione non è nota, poiché è funzione della resistenza del tessuto al momento del contatto (I = V/R), ma è generalmente percepibile a livelli di circa 1 mA. Correnti relativamente basse possono causare contrazioni muscolari che possono impedire a una vittima di lasciare andare un oggetto energizzato. La soglia di questa corrente è funzione della densità, dell'area di contatto, della pressione di contatto e delle variazioni individuali. Praticamente tutti gli uomini e quasi tutte le donne e i bambini possono lasciar andare correnti fino a 6 mA. A 10 mA è stato osservato che il 98.5% degli uomini e il 60% delle donne e il 7.5% dei bambini possono lasciar andare. Solo il 7.5% degli uomini e nessuna donna o bambino può lasciare andare a 20mA. Nessuno può lasciar andare a 30 mA e oltre.

Correnti di circa 25 mA possono provocare il tetano del diaframma, il muscolo respiratorio più potente. Se il contatto viene mantenuto per tre minuti, può verificarsi anche un arresto cardiaco.

La fibrillazione ventricolare diventa un pericolo a livelli di circa 45 mA, con una probabilità negli adulti del 5% dopo un contatto di 5 secondi. Durante l'intervento al cuore, certamente una condizione speciale, una corrente da 20 a 100 × 10^-6Una applicata direttamente al miocardio è sufficiente per indurre la fibrillazione. Questa sensibilità miocardica è la ragione per i severi standard applicati ai dispositivi elettromedicali.

Tutte le altre cose (V, R, frequenza) a parità di frequenza, le soglie di corrente dipendono anche dalla forma d'onda, dalla specie animale, dal peso, dalla direzione della corrente nel cuore, dal rapporto tra il tempo di transito della corrente e il ciclo cardiaco, il punto del ciclo cardiaco in cui arriva la corrente e fattori individuali.

La tensione coinvolta negli incidenti è generalmente nota. In caso di contatto diretto, la fibrillazione ventricolare e la gravità delle ustioni sono direttamente proporzionali alla tensione, poiché

V = RI ed W = V x I x t

Le ustioni derivanti da scosse elettriche ad alta tensione sono associate a molte complicazioni, solo alcune delle quali sono prevedibili. Di conseguenza le vittime di incidenti devono essere assistite da specialisti competenti. Il rilascio di calore avviene principalmente nei muscoli e nei fasci neurovascolari. La fuoriuscita di plasma a seguito di un danno tissutale provoca uno shock, in alcuni casi rapido e intenso. Per una data superficie, le ustioni elettrotermiche, ustioni causate da una corrente elettrica, sono sempre più gravi di altri tipi di ustione. Le ustioni elettrotermiche sono sia esterne che interne e, sebbene ciò possa non essere inizialmente evidente, possono indurre danni vascolari con gravi effetti secondari. Questi includono stenosi interne e trombi che, in virtù della necrosi che inducono, richiedono spesso l'amputazione.

La distruzione dei tessuti è anche responsabile del rilascio di cromoproteine ​​come la mioglobina. Tale rilascio si osserva anche nelle vittime di lesioni da schiacciamento, sebbene l'entità del rilascio sia notevole nelle vittime di ustioni da alta tensione. Si ritiene che la precipitazione della mioglobina nei tubuli renali, secondaria all'acidosi causata dall'anossia e dall'iperkaliemia, sia la causa dell'anuria. Questa teoria, confermata sperimentalmente ma non universalmente accettata, è alla base delle raccomandazioni per la terapia immediata di alcalinizzazione. L'alcalinizzazione endovenosa, che corregge anche l'ipovolemia e l'acidosi secondarie alla morte cellulare, è la pratica raccomandata.

Nel caso di contatti indiretti, la tensione di contatto (V) e anche il limite di tensione convenzionale deve essere preso in considerazione.

La tensione di contatto è la tensione a cui è sottoposta una persona quando tocca contemporaneamente due conduttori tra i quali esiste un differenziale di tensione dovuto ad un isolamento difettoso. L'intensità del flusso di corrente risultante dipende dalle resistenze del corpo umano e del circuito esterno. Questa corrente non deve superare i livelli di sicurezza, vale a dire che deve conformarsi a curve tempo-corrente sicure. La più alta tensione di contatto che può essere tollerata indefinitamente senza indurre effetti elettropatologici è definita limite di tensione convenzionale o, più intuitivamente, il tensione di sicurezza.

Il valore effettivo della resistenza durante gli incidenti elettrici è sconosciuto. Le variazioni nelle resistenze in serie, ad esempio vestiti e scarpe, spiegano gran parte della variazione osservata negli effetti di incidenti elettrici apparentemente simili, ma esercitano poca influenza sull'esito di incidenti che coinvolgono contatti bipolari ed elettrificazioni ad alta tensione. Nel caso di corrente alternata, al calcolo standard basato su tensione e corrente deve essere aggiunto l'effetto dei fenomeni capacitivi e induttivi (R=V/I).

La resistenza del corpo umano è la somma della resistenza della pelle (R) nei due punti di contatto e la resistenza interna del corpo (R). La resistenza della pelle varia con i fattori ambientali e, come notato da Biegelmeir (International Electrotechnical Commission 1987; 1994), è parzialmente funzione della tensione di contatto. Anche altri fattori come la pressione, l'area di contatto, lo stato della pelle nel punto di contatto e fattori individuali influenzano la resistenza. Non è quindi realistico tentare di basare le misure preventive su stime della resistenza cutanea. La prevenzione dovrebbe invece basarsi sull'adattamento di attrezzature e procedure all'uomo, piuttosto che il contrario. Per semplificare le cose, la CEI ha definito quattro tipologie di ambiente – secco, umido, umido e per immersione – e ha definito di volta in volta dei parametri utili alla programmazione delle attività di prevenzione.

La frequenza del segnale elettrico responsabile degli incidenti elettrici è generalmente nota. In Europa è quasi sempre 50 Hz e nelle Americhe è generalmente 60 Hz. In rari casi che coinvolgono ferrovie in paesi come Germania, Austria e Svizzera, può essere 16 ²/₃ Hz, frequenza che teoricamente rappresenta un maggior rischio di tetanizzazione e di fibrillazione ventricolare. Va ricordato che la fibrillazione non è una reazione muscolare ma è causata da stimoli ripetuti, con una sensibilità massima a circa 10 Hz. Questo spiega perché, a parità di tensione, la corrente alternata a bassissima frequenza è considerata da tre a cinque volte più pericolosa della corrente continua per quanto riguarda gli effetti diversi dalle ustioni.

Le soglie precedentemente descritte sono direttamente proporzionali alla frequenza della corrente. Pertanto, a 10 kHz, la soglia di rilevamento è dieci volte superiore. L'IEC sta studiando curve di rischio di fibrillazione riviste per frequenze superiori a 1,000 Hz (International Electrotechnical Commission 1994).

Al di sopra di una certa frequenza, le leggi fisiche che regolano la penetrazione della corrente nel corpo cambiano completamente. Gli effetti termici legati alla quantità di energia rilasciata diventano l'effetto principale, poiché i fenomeni capacitivi e induttivi iniziano a prevalere.

La forma d'onda del segnale elettrico responsabile di un incidente elettrico è generalmente nota. Può essere un importante determinante di lesioni in incidenti che comportano il contatto con condensatori o semiconduttori.

Studio clinico di scosse elettriche

Classicamente, le elettrificazioni sono state suddivise in incidenti a bassa tensione (da 50 a 1,000 V) e ad alta tensione (> 1,000 V).

La bassa tensione è un pericolo familiare, anzi onnipresente, e gli shock dovuti ad essa si verificano in ambito domestico, ricreativo, agricolo, ospedaliero e industriale.

Nell'esaminare la gamma di scosse elettriche a bassa tensione, dalle più banali alle più gravi, dobbiamo iniziare con scosse elettriche semplici. In questi casi, le vittime sono in grado di liberarsi dal danno da sole, mantenere la coscienza e mantenere una ventilazione normale. Gli effetti cardiaci sono limitati alla semplice tachicardia sinusale con o senza alterazioni elettrocardiografiche minori. Nonostante le conseguenze relativamente minori di tali incidenti, l'elettrocardiografia rimane una precauzione medica e medico-legale appropriata. L'indagine tecnica su questi incidenti potenzialmente gravi è indicata come complemento all'esame clinico (Gilet e Choquet 1990).

Le vittime di scosse che comportano scosse elettriche da contatto un po' più forti e più durature possono soffrire di perturbazioni o perdita di coscienza, ma guarire completamente più o meno rapidamente; il trattamento accelera il recupero. L'esame obiettivo rivela generalmente ipertonie neuromuscolari, problemi di ventilazione iperriflessiva e congestione, l'ultima delle quali è spesso secondaria ad ostruzione orofaringea. I disturbi cardiovascolari sono secondari all'ipossia o all'anossia, o possono assumere la forma di tachicardia, ipertensione e, in alcuni casi, anche infarto. I pazienti con queste condizioni richiedono cure ospedaliere.

Le vittime occasionali che perdono conoscenza entro pochi secondi dal contatto appaiono pallide o cianotiche, smettono di respirare, hanno polsi appena percettibili e mostrano midriasi indicativa di lesione cerebrale acuta. Anche se di solito è dovuto alla fibrillazione ventricolare, la patogenesi precisa di questa morte apparente è, tuttavia, irrilevante. Il punto importante è il rapido inizio di una terapia ben definita, poiché è noto da tempo che questo stato clinico non porta mai alla morte vera e propria. La prognosi in questi casi di scosse elettriche, da cui è possibile una guarigione totale, dipende dalla rapidità e dalla qualità dei primi soccorsi. Statisticamente, è molto probabile che questo venga somministrato da personale non medico, ed è quindi indicata la formazione di tutti gli elettricisti negli interventi di base atti a garantire la sopravvivenza.

In caso di morte apparente, il trattamento di emergenza deve avere la priorità. In altri casi, invece, occorre prestare attenzione a traumi multipli conseguenti a tetano violento, cadute o proiezione in aria della vittima. Una volta risolto il pericolo immediato di pericolo di vita, è necessario occuparsi di traumi e ustioni, compresi quelli causati da contatti a bassa tensione.

Gli incidenti che coinvolgono alta tensione provocano ustioni significative così come gli effetti descritti per gli incidenti a bassa tensione. La conversione dell'energia elettrica in calore avviene sia internamente che esternamente. In uno studio sugli incidenti elettrici in Francia realizzato dal dipartimento medico dell'azienda elettrica EDF-GDF, quasi l'80% delle vittime ha riportato ustioni. Questi possono essere classificati in quattro gruppi:

1. ustioni da arco, che di solito coinvolgono la pelle esposta e complicate in alcuni casi da ustioni dovute a indumenti bruciati
2. ustioni elettrotermiche multiple, estese e profonde, causate da contatti ad alta tensione
3. ustioni classiche, causate da indumenti in fiamme e dalla proiezione di materia in fiamme, e
4. ustioni miste, causate da archi elettrici, ustioni e flusso di corrente.

Gli esami di follow-up e complementari vengono eseguiti secondo necessità, a seconda dei particolari dell'infortunio. La strategia utilizzata per stabilire una prognosi oa fini medico-legali è ovviamente determinata dalla natura delle complicanze osservate o attese. Nelle elettrificazioni ad alta tensione (Folliot 1982) e nei fulmini (Gourbiere et al. 1994), l'enzimologia e l'analisi delle cromoproteine ​​e dei parametri della coagulazione del sangue sono obbligatorie.

Il corso del recupero dal trauma elettrico può essere compromesso da complicanze precoci o tardive, in particolare quelle che coinvolgono i sistemi cardiovascolare, nervoso e renale. Queste complicazioni di per sé sono una ragione sufficiente per ricoverare le vittime di elettrificazioni ad alta tensione. Alcune complicanze possono lasciare sequele funzionali o estetiche.

Se il percorso della corrente è tale che una corrente significativa raggiunge il cuore, saranno presenti complicazioni cardiovascolari. I più frequentemente osservati e i più benigni di questi sono i disturbi funzionali, in presenza o in assenza di correlati clinici. Le aritmie - tachicardia sinusale, extrasistole, flutter e fibrillazione atriale (in quest'ordine) - sono le anomalie elettrocardiografiche più comuni e possono lasciare sequele permanenti. I disturbi della conduzione sono più rari e difficilmente correlabili a incidenti elettrici in assenza di un precedente elettrocardiogramma.

Sono stati segnalati anche disturbi più gravi come insufficienza cardiaca, lesioni valvolari e ustioni miocardiche, ma sono rari, anche nelle vittime di incidenti ad alta tensione. Sono stati segnalati anche casi netti di angina e persino infarto.

Lesioni vascolari periferiche possono essere osservate nella settimana successiva all'elettrificazione ad alta tensione. Sono stati proposti diversi meccanismi patogenetici: lo spasmo arterioso, l'azione della corrente elettrica sugli strati mediali e muscolari dei vasi e la modificazione dei parametri della coagulazione del sangue.

È possibile un'ampia varietà di complicazioni neurologiche. Il primo a comparire è l'ictus, indipendentemente dal fatto che la vittima abbia inizialmente subito una perdita di coscienza. La fisiopatologia di queste complicanze comporta il trauma cranico (di cui occorre accertare la presenza), l'effetto diretto della corrente sulla testa, o la modificazione del flusso ematico cerebrale e l'induzione di un edema cerebrale ritardato. Inoltre, le complicanze periferiche midollari e secondarie possono essere causate da traumi o dall'azione diretta della corrente elettrica.

I disturbi sensoriali coinvolgono l'occhio e il sistema audiovestibolare o cocleare. È importante esaminare la cornea, il cristallino e il fondo oculare il prima possibile e seguire le vittime di arco elettrico e contatto diretto con la testa per effetti ritardati. La cataratta può svilupparsi dopo un periodo intermedio senza sintomi di diversi mesi. I disturbi vestibolari e la perdita dell'udito sono principalmente dovuti agli effetti dell'esplosione e, nelle vittime di fulmini trasmessi attraverso le linee telefoniche, a traumi elettrici (Gourbiere et al. 1994).

I miglioramenti nelle pratiche di emergenza mobile hanno notevolmente ridotto la frequenza delle complicanze renali, in particolare l'oligo-anuria, nelle vittime di elettrificazioni ad alta tensione. La reidratazione precoce e attenta e l'alcalinizzazione per via endovenosa sono il trattamento di scelta nelle vittime di gravi ustioni. Sono stati segnalati alcuni casi di albuminuria ed ematuria microscopica persistente.

Ritratti clinici e problemi diagnostici

Il quadro clinico delle scosse elettriche è complicato dalla varietà delle applicazioni industriali dell'elettricità e dalla crescente frequenza e varietà delle applicazioni mediche dell'elettricità. Per molto tempo, tuttavia, gli incidenti elettrici sono stati causati esclusivamente da fulmini (Gourbiere et al. 1994). I fulmini possono comportare quantità notevoli di elettricità: una vittima su tre dei fulmini muore. Gli effetti di un fulmine - ustioni e morte apparente - sono paragonabili a quelli derivanti dall'elettricità industriale e sono attribuibili a scosse elettriche, alla trasformazione dell'energia elettrica in calore, agli effetti delle esplosioni e alle proprietà elettriche dei fulmini.

I fulmini sono tre volte più diffusi negli uomini che nelle donne. Ciò riflette modelli di lavoro con diversi rischi di esposizione ai fulmini.

Le ustioni derivanti dal contatto con superfici metalliche collegate a terra di bisturi elettrici sono gli effetti più comuni osservati nelle vittime di elettrificazione iatrogena. L'entità delle correnti di dispersione accettabili nei dispositivi elettromedicali varia da un dispositivo all'altro. Per lo meno, dovrebbero essere seguite le specifiche dei produttori e le raccomandazioni sull'uso.

Per concludere questa sezione, vorremmo discutere il caso speciale di scossa elettrica che coinvolge donne incinte. Ciò può causare la morte della donna, del feto o di entrambi. In un caso notevole, un feto vivo è stato partorito con successo mediante taglio cesareo 15 minuti dopo che sua madre era morta a causa di una scossa elettrica da 220 V (Folliot 1982).

I meccanismi fisiopatologici dell'aborto causato da scosse elettriche richiedono ulteriori studi. È causata da disturbi della conduzione nel tubo cardiaco embrionale sottoposto a gradiente di voltaggio o da una lacerazione della placenta secondaria a vasocostrizione?

Il verificarsi di incidenti elettrici come questo fortunatamente raro è un altro motivo per richiedere la notifica di tutti i casi di lesioni derivanti dall'elettricità.

Diagnosi Positiva e Medico-Legale

Le circostanze in cui si verifica la scossa elettrica sono generalmente sufficientemente chiare da consentire una diagnosi eziologica inequivocabile. Tuttavia, questo non è sempre il caso, anche in ambienti industriali.

La diagnosi di insufficienza circolatoria a seguito di scossa elettrica è estremamente importante, poiché richiede che gli astanti inizino un pronto soccorso immediato e di base una volta che la corrente è stata interrotta. L'arresto respiratorio in assenza di polso è un'indicazione assoluta per l'inizio del massaggio cardiaco e della respirazione bocca a bocca. In precedenza, questi venivano eseguiti solo in presenza di midriasi (dilatazione delle pupille), segno diagnostico di danno cerebrale acuto. La pratica corrente è, tuttavia, iniziare questi interventi non appena il polso non è più rilevabile.

Poiché la perdita di coscienza dovuta alla fibrillazione ventricolare può richiedere alcuni secondi per svilupparsi, le vittime potrebbero essere in grado di prendere le distanze dall'attrezzatura responsabile dell'incidente. Ciò può avere una certa importanza medico-legale, ad esempio quando una vittima di un incidente viene trovata a diversi metri da un armadio elettrico o da un'altra fonte di tensione senza tracce di lesioni elettriche.

Non si può sottovalutare il fatto che l'assenza di ustioni elettriche non esclude la possibilità di folgorazione. Se l'autopsia di soggetti trovati in ambienti elettrici o vicino ad apparecchiature in grado di sviluppare voltaggi pericolosi non rivela lesioni Jelinek visibili e nessun segno apparente di morte, dovrebbe essere presa in considerazione la folgorazione.

Se il corpo viene trovato all'aperto, si arriva a una diagnosi di fulmine con il processo di eliminazione. I segni di un fulmine dovrebbero essere ricercati entro un raggio di 50 metri dal corpo. Il Museo di Elettropatologia di Vienna offre un'interessante mostra di tali segni, tra cui vegetazione carbonizzata e sabbia vetrificata. Gli oggetti metallici indossati dalla vittima possono fondersi.

Sebbene il suicidio con mezzi elettrici rimanga fortunatamente raro nell'industria, la morte per concorso di colpa rimane una triste realtà. Ciò è particolarmente vero nei siti non standard, in particolare quelli che comportano l'installazione e il funzionamento di impianti elettrici provvisori in condizioni difficili.

Gli incidenti elettrici dovrebbero a tutti gli effetti non verificarsi più, data la disponibilità di efficaci misure preventive descritte nell'articolo “Prevenzione e norme”.

Di ritorno

Tutti i materiali differiscono nel grado in cui le cariche elettriche possono attraversarli. conduttori consentire alle cariche di fluire, mentre isolatori ostacolare il movimento delle cariche. L'elettrostatica è il campo dedicato allo studio delle cariche, o corpi carichi a riposo. Elettricità statica risultati quando cariche elettriche che non si muovono sono accumulate su oggetti. Se le cariche fluiscono, ne risulta una corrente e l'elettricità non è più statica. La corrente che risulta dallo spostamento delle cariche è comunemente chiamata dai profani elettricità, ed è discussa negli altri articoli di questo capitolo. Elettrificazione statica è il termine utilizzato per designare qualsiasi processo che porti alla separazione di cariche elettriche positive e negative. La conduzione è misurata con una proprietà chiamata conduttanza, mentre un isolante è caratterizzato dalla sua resistività. La separazione della carica che porta all'elettrificazione può verificarsi come risultato di processi meccanici, ad esempio il contatto tra oggetti e l'attrito o la collisione di due superfici. Le superfici possono essere due solidi o un solido e un liquido. Il processo meccanico può, meno comunemente, essere la rottura o la separazione di superfici solide o liquide. Questo articolo si concentra sul contatto e l'attrito.

Processi di elettrificazione

Il fenomeno della generazione di elettricità statica per attrito (triboelettrificazione) è noto da migliaia di anni. Il contatto tra due materiali è sufficiente per indurre l'elettrificazione. L'attrito è semplicemente un tipo di interazione che aumenta l'area di contatto e genera calore—attrito è il termine generico per descrivere il movimento di due oggetti in contatto; la pressione esercitata, la sua velocità di taglio e il calore generato sono i principali determinanti della carica generata dall'attrito. A volte l'attrito porterà anche allo strappo di particelle solide.

Quando i due solidi in contatto sono metalli (contatto metallo-metallo), gli elettroni migrano dall'uno all'altro. Ogni metallo è caratterizzato da un diverso potenziale iniziale (potenziale di Fermi) e la natura va sempre verso l'equilibrio, cioè i fenomeni naturali lavorano per eliminare le differenze di potenziale. Questa migrazione di elettroni provoca la generazione di un potenziale di contatto. Poiché le cariche in un metallo sono molto mobili (i metalli sono ottimi conduttori), le cariche si ricombineranno anche nell'ultimo punto di contatto prima che i due metalli si separino. È quindi impossibile indurre l'elettrificazione avvicinando due metalli e poi separandoli; le cariche fluiranno sempre per eliminare la differenza di potenziale.

Quando metallo e isolante entrano in contatto quasi senza attrito nel vuoto, il livello di energia degli elettroni nel metallo si avvicina a quello dell'isolante. Le impurità superficiali o sfuse fanno sì che ciò si verifichi e impediscono anche la formazione di archi (la scarica di elettricità tra i due corpi carichi, gli elettrodi) al momento della separazione. La carica trasferita all'isolante è proporzionale all'affinità elettronica del metallo, e ogni isolante ha anche un'affinità elettronica, o attrazione per gli elettroni, ad essa associata. Pertanto, è anche possibile il trasferimento di ioni positivi o negativi dall'isolante al metallo. La carica sulla superficie dopo il contatto e la separazione è descritta dall'equazione 1 nella tabella 1.

Tabella 1. Relazioni di base in elettrostatica - Raccolta di equazioni

Equazione 1: carica per contatto di un metallo e un isolante

In generale, la densità di carica superficiale () dopo il contatto e la separazione 

può essere espresso da:

where

e è la carica di un elettrone
N_E è la densità dello stato energetico sulla superficie dell'isolante
f_i è l'affinità elettronica dell'isolante, e
f_m è l'affinità elettronica del metallo

Equazione 2: carica in seguito al contatto tra due isolanti

La seguente forma generale dell'equazione 1 si applica al trasferimento di carica
tra due isolanti con stati energetici diversi (solo superfici perfettamente pulite):

where N_E1 ed N_E2 sono le densità di stato energetico sulla superficie dei due isolanti, 

ed  ^Ø₁ ed ^Ø ₂ sono le affinità elettroniche dei due isolanti.

Equazione 3: Massima densità di carica superficiale

La rigidità dielettrica (E_G) del gas circostante impone un limite superiore alla carica che è
possibile generare su una superficie isolante piana. In aria, E_G è di circa 3 MV/m.
La massima densità di carica superficiale è data da:

Equazione 4: carica massima su una particella sferica

Quando le particelle nominalmente sferiche vengono caricate dall'effetto corona, il massimo
La carica che ogni particella può acquisire è data dal limite di Pauthenier:

where

q_max è la carica massima
a è il raggio della particella
e_I è la permittività relativa e

Equazione 5: Scariche dai conduttori

Il potenziale di un conduttore isolato che trasporta carica Q è dato da V = Q/C ed
l'energia immagazzinata da:

Equazione 6: Andamento temporale del potenziale del conduttore carico

In un conduttore caricato da una corrente costante (I_G), il corso temporale del
potenziale è descritto da:

where R_f è la resistenza alla perdita del conduttore

Equazione 7: Potenziale finale del conduttore carico

Per lungo tempo corso, t >R_f C, questo si riduce a:

e l'energia immagazzinata è data da:

Equazione 8: Energia immagazzinata del conduttore carico

Quando due isolanti entrano in contatto, si verifica il trasferimento di carica a causa dei diversi stati della loro energia superficiale (equazione 2, tabella 1). Le cariche trasferite sulla superficie di un isolante possono migrare più in profondità all'interno del materiale. L'umidità e la contaminazione superficiale possono modificare notevolmente il comportamento delle cariche. L'umidità superficiale in particolare aumenta le densità dello stato energetico superficiale aumentando la conduzione superficiale, che favorisce la ricombinazione di carica e facilita la mobilità ionica. La maggior parte delle persone lo riconoscerà dalle loro esperienze di vita quotidiana dal fatto che tendono ad essere soggette a elettricità statica durante le condizioni di siccità. Il contenuto di acqua di alcuni polimeri (plastica) cambierà man mano che vengono caricati. L'aumento o la diminuzione del contenuto d'acqua può anche invertire la direzione del flusso di carica (la sua polarità).

La polarità (positività e negatività relative) di due isolanti in contatto tra loro dipende dall'affinità elettronica di ciascun materiale. Gli isolanti possono essere classificati in base alle loro affinità elettroniche e alcuni valori illustrativi sono elencati nella tabella 2. L'affinità elettronica di un isolante è una considerazione importante per i programmi di prevenzione, discussi più avanti in questo articolo.

Tabella 2. Affinità elettroniche di polimeri selezionati*

* Un materiale acquista una carica positiva quando entra in contatto con un materiale elencato sopra di esso, e una carica negativa quando entra in contatto con un materiale elencato sotto di esso. Tuttavia, l'affinità elettronica di un isolante è multifattoriale.

Sebbene ci siano stati tentativi di stabilire una serie triboelettrica che classificherebbe i materiali in modo che quelli che acquisiscono una carica positiva al contatto con i materiali appaiano più in alto nella serie rispetto a quelli che acquisiscono una carica negativa al contatto, non è stata stabilita alcuna serie universalmente riconosciuta.

Quando un solido e un liquido si incontrano (per formare a interfaccia solido-liquido), il trasferimento di carica avviene a causa della migrazione degli ioni presenti nel liquido. Questi ioni derivano dalla dissociazione di impurità eventualmente presenti o da reazioni elettrochimiche di ossidoriduzione. Poiché, in pratica, non esistono liquidi perfettamente puri, ci saranno sempre almeno alcuni ioni positivi e negativi nel liquido disponibili per legarsi all'interfaccia liquido-solido. Esistono molti tipi di meccanismi mediante i quali può verificarsi questo legame (p. es., adesione elettrostatica a superfici metalliche, assorbimento chimico, iniezione elettrolitica, dissociazione di gruppi polari e, se la parete del vaso è isolante, reazioni liquido-solido).

Poiché le sostanze che si dissolvono (dissociano) sono elettricamente neutre per cominciare, genereranno un numero uguale di cariche positive e negative. L'elettrificazione avviene solo se le cariche positive o negative aderiscono preferenzialmente alla superficie del solido. In questo caso si forma uno strato molto compatto, noto come strato di Helmholtz. Poiché lo strato di Helmholtz è carico, attirerà verso di sé ioni di polarità opposta. Questi ioni si raggrupperanno in uno strato più diffuso, noto come strato di Gouy, che poggia sulla superficie dello strato compatto di Helmholtz. Lo spessore dello strato Gouy aumenta con la resistività del liquido. I liquidi conduttori formano strati di Gouy molto sottili.

Questo doppio strato si separerà se il liquido scorre, con lo strato di Helmholtz che rimane legato all'interfaccia e lo strato di Gouy che viene trascinato dal liquido che scorre. Il movimento di questi strati carichi produce una differenza di potenziale (il zeta potenziale), e la corrente indotta dalle cariche in movimento è nota come corrente continua. La quantità di carica che si accumula nel liquido dipende dalla velocità con cui gli ioni si diffondono verso l'interfaccia e dalla resistività del liquido (R). La corrente in streaming è, tuttavia, costante nel tempo.

Né i liquidi altamente isolanti né quelli conduttori si caricheranno: il primo perché sono presenti pochissimi ioni, e il secondo perché nei liquidi che conducono molto bene l'elettricità, gli ioni si ricombineranno molto rapidamente. In pratica l'elettrificazione avviene solo nei liquidi con resistività maggiore di 10⁷Ωm o inferiore a 10¹¹Ωm, con i valori più alti osservati per r 10⁹ a 10¹¹ Ωm.

I liquidi che scorrono indurranno l'accumulo di carica nelle superfici isolanti su cui scorrono. La misura in cui la densità di carica superficiale si accumulerà è limitata da (1) quanto velocemente gli ioni nel liquido si ricombinano all'interfaccia liquido-solido, (2) quanto velocemente gli ioni nel liquido vengono condotti attraverso l'isolante, o ( 3) se si verifica un arco superficiale o di massa attraverso l'isolatore e la carica viene quindi scaricata. Il flusso turbolento e il flusso su superfici ruvide favoriscono l'elettrificazione.

Quando un'alta tensione, diciamo diversi kilovolt, viene applicata a un corpo carico (un elettrodo) che ha un piccolo raggio (ad esempio un filo), il campo elettrico nelle immediate vicinanze del corpo carico è elevato, ma diminuisce rapidamente con distanza. Se c'è una scarica delle cariche immagazzinate, la scarica sarà limitata alla regione in cui il campo elettrico è più forte della rigidità dielettrica dell'atmosfera circostante, un fenomeno noto come effetto corona, perché anche l'arco emette luce. (Le persone potrebbero effettivamente aver visto formarsi piccole scintille quando hanno sperimentato personalmente uno shock dovuto all'elettricità statica.)

La densità di carica su una superficie isolante può anche essere modificata dagli elettroni in movimento generati da un campo elettrico ad alta intensità. Questi elettroni genereranno ioni da qualsiasi molecola di gas nell'atmosfera con cui entrano in contatto. Quando la carica elettrica sul corpo è positiva, il corpo carico respingerà tutti gli ioni positivi che sono stati creati. Gli elettroni creati da oggetti caricati negativamente perderanno energia mentre si allontanano dall'elettrodo e si legheranno alle molecole di gas nell'atmosfera, formando così ioni negativi che continuano a ritirarsi lontano dai punti di carica. Questi ioni positivi e negativi possono posarsi su qualsiasi superficie isolante e modificare la densità di carica della superficie. Questo tipo di carica è molto più facile da controllare e più uniforme delle cariche create dall'attrito. Ci sono limiti all'entità degli oneri che è possibile generare in questo modo. Il limite è descritto matematicamente nell'equazione 3 nella tabella 1.

Per generare cariche più elevate è necessario aumentare la rigidità dielettrica dell'ambiente, creando il vuoto o metallizzando l'altra superficie del film isolante. Quest'ultimo stratagemma attira il campo elettrico nell'isolante e di conseguenza riduce l'intensità del campo nel gas circostante.

Quando un conduttore in un campo elettrico (E) è collegato a terra (vedi figura 1), le cariche possono essere prodotte per induzione. In queste condizioni, il campo elettrico induce la polarizzazione, la separazione dei centri di gravità degli ioni negativi e positivi del conduttore. Un conduttore temporaneamente messo a terra in un solo punto trasporterà una carica netta quando scollegato da terra, a causa della migrazione di cariche in prossimità del punto. Questo spiega perché le particelle conduttrici situate in un campo uniforme oscillano tra gli elettrodi, caricandosi e scaricandosi ad ogni contatto.

Figura 1. Meccanismo di carica di un conduttore per induzione

Rischi associati all'elettricità statica

Gli effetti negativi causati dall'accumulo di elettricità statica vanno dal disagio che si prova quando si tocca un oggetto carico, come la maniglia di una porta, alle lesioni molto gravi, anche mortali, che possono verificarsi a causa di un'esplosione indotta dall'elettricità statica. L'effetto fisiologico delle scariche elettrostatiche sull'uomo varia da fastidiosi formicolii ad azioni riflesse violente. Questi effetti sono prodotti dalla corrente di scarica e, soprattutto, dalla densità di corrente sulla pelle.

In questo articolo descriveremo alcuni modi pratici in cui le superfici e gli oggetti possono caricarsi (elettrificazione). Quando il campo elettrico indotto supera la capacità dell'ambiente circostante di sopportare la carica (ovvero supera la rigidità dielettrica dell'ambiente), si verifica una scarica. (In aria, la rigidità dielettrica è descritta dalla curva di Paschen ed è una funzione del prodotto della pressione per la distanza tra i corpi carichi.)

Gli scarichi di disturbo possono assumere le seguenti forme:

• scintille o archi che collegano due corpi carichi (due elettrodi metallici)

• scariche parziali, oa pennello, che collegano un elettrodo metallico e un isolante, o anche due isolanti; queste scariche sono dette parziali perché il percorso conduttivo non cortocircuita totalmente due elettrodi metallici, ma è solitamente multiplo e a spazzola

• scariche corona, note anche come effetti puntiformi, che si verificano nel forte campo elettrico attorno a corpi o elettrodi carichi di piccolo raggio.

I conduttori isolati hanno una capacità netta C rispetto al suolo. Questa relazione tra carica e potenziale è espressa nell'equazione 5 nella tabella 1.

Una persona che indossa scarpe isolanti è un esempio comune di conduttore isolato. Il corpo umano è un conduttore elettrostatico, con una capacità tipica rispetto a terra di circa 150 pF e un potenziale fino a 30 kV. Poiché le persone possono essere conduttori isolanti, possono sperimentare scariche elettrostatiche, come la sensazione più o meno dolorosa che talvolta si produce quando una mano si avvicina alla maniglia di una porta o ad un altro oggetto metallico. Quando il potenziale raggiunge circa 2 kV, si sperimenterà l'equivalente di un'energia di 0.3 mJ, sebbene questa soglia vari da persona a persona. Scariche più forti possono causare movimenti incontrollabili con conseguenti cadute. Nel caso di lavoratori che utilizzano strumenti, i movimenti riflessi involontari possono causare lesioni alla vittima e ad altri che potrebbero lavorare nelle vicinanze. Le equazioni da 6 a 8 nella tabella 1 descrivono l'andamento temporale del potenziale.

L'arco elettrico effettivo si verificherà quando la forza del campo elettrico indotto supera la rigidità dielettrica dell'aria. A causa della rapida migrazione delle cariche nei conduttori, essenzialmente tutte le cariche fluiscono verso il punto di scarica, rilasciando tutta l'energia immagazzinata in una scintilla. Ciò può avere gravi implicazioni quando si lavora con sostanze infiammabili o esplosive o in condizioni infiammabili.

L'avvicinamento di un elettrodo messo a terra a una superficie isolante carica modifica il campo elettrico e induce una carica nell'elettrodo. Man mano che le superfici si avvicinano l'una all'altra, l'intensità del campo aumenta, portando infine a una scarica parziale dalla superficie isolata carica. Poiché le cariche sulle superfici isolanti non sono molto mobili, solo una piccola parte della superficie partecipa alla scarica e l'energia rilasciata da questo tipo di scarica è quindi molto inferiore a quella degli archi.

La carica e l'energia trasferita sembrano essere direttamente proporzionali al diametro dell'elettrodo metallico, fino a circa 20 mm. La polarità iniziale dell'isolante influenza anche la carica e l'energia trasferita. Le scariche parziali da superfici caricate positivamente sono meno energetiche di quelle da superfici caricate negativamente. Impossibile stabilire, a priori, l'energia trasferita da una scarica da una superficie isolante, in contrasto con la situazione che coinvolge le superfici conduttrici. Infatti, poiché la superficie isolante non è equipotenziale, non è nemmeno possibile definire le capacità in gioco.

Scarico strisciante

Abbiamo visto nell'equazione 3 (tabella 1) che la densità di carica superficiale di una superficie isolante in aria non può superare 2,660 pC/cm².

Se consideriamo una lastra isolante o un film di spessore a, appoggiato su un elettrodo metallico o avente una faccia metallica, è facile dimostrare che il campo elettrico viene attirato nell'isolante dalla carica indotta sull'elettrodo quando le cariche si depositano sulla faccia non metallica. Di conseguenza, il campo elettrico nell'aria è molto debole e inferiore a quello che sarebbe se una delle facce non fosse di metallo. In questo caso la rigidità dielettrica dell'aria non limita l'accumulo di carica sulla superficie isolante ed è possibile raggiungere densità superficiali di carica molto elevate (>2,660 pC/cm²). Questo accumulo di carica aumenta la conducibilità superficiale dell'isolante.

Quando un elettrodo si avvicina a una superficie isolante, si verifica una scarica strisciante che coinvolge gran parte della superficie carica che è diventata conduttrice. A causa delle grandi superfici interessate, questo tipo di scarica rilascia grandi quantità di energia. Nel caso delle pellicole, il campo d'aria è molto debole e la distanza tra l'elettrodo e la pellicola non deve essere superiore allo spessore della pellicola affinché si verifichi una scarica. Una scarica strisciante può verificarsi anche quando un isolante carico viene separato dal suo sottorivestimento metallico. In queste circostanze, il campo d'aria aumenta bruscamente e l'intera superficie dell'isolante si scarica per ristabilire l'equilibrio.

Scariche elettrostatiche e rischi di incendio ed esplosione

In atmosfere esplosive, violente reazioni di ossidazione esotermica, che comportano trasferimento di energia all'atmosfera, possono essere innescate da:

• fiamme libere

• scintille elettriche

• scintille di radiofrequenza vicino a una forte sorgente radio

• scintille prodotte da collisioni (p. es., tra metallo e cemento)

• scariche elettrostatiche.

A noi interessa qui solo l'ultimo caso. I punti di infiammabilità (la temperatura alla quale i vapori liquidi si infiammano a contatto con una fiamma libera) di vari liquidi e la temperatura di autoaccensione di vari vapori sono riportati nella Sezione Chimica di questo Enciclopedia. Il rischio di incendio associato alle scariche elettrostatiche può essere valutato facendo riferimento al limite inferiore di infiammabilità di gas, vapori e aerosol solidi o liquidi. Questo limite può variare notevolmente, come illustra la tabella 3.

Tabella 3. Limiti inferiori tipici di infiammabilità

Una miscela di aria e un gas o vapore infiammabile può esplodere solo quando la concentrazione della sostanza infiammabile è compresa tra i suoi limiti di esplosività superiore e inferiore. All'interno di questo intervallo, l'energia minima di accensione (MIE), l'energia che una scarica elettrostatica deve possedere per accendere la miscela, dipende fortemente dalla concentrazione. È stato costantemente dimostrato che l'energia di accensione minima dipende dalla velocità del rilascio di energia e, per estensione, dalla durata della scarica. Anche il raggio dell'elettrodo è un fattore:

• Gli elettrodi di piccolo diametro (dell'ordine di diversi millimetri) provocano scariche corona piuttosto che scintille.

• Con elettrodi di diametro maggiore (dell'ordine di alcuni centimetri), la massa dell'elettrodo serve a raffreddare le scintille.

In generale, le MIE più basse si ottengono con elettrodi sufficientemente grandi da prevenire le scariche corona.

La MIE dipende anche dalla distanza interelettrodica, ed è minima alla distanza di tempra (“distanza di pincement”), la distanza alla quale l'energia prodotta nella zona di reazione supera le perdite termiche agli elettrodi. È stato dimostrato sperimentalmente che ogni sostanza infiammabile ha una distanza massima di sicurezza, corrispondente alla minima distanza interelettrodica alla quale può verificarsi un'esplosione. Per gli idrocarburi, questo è inferiore a 1 mm.

La probabilità di esplosioni di polvere dipende dalla concentrazione, con la probabilità più alta associata a concentrazioni dell'ordine da 200 a 500 g/m³. Il MIE dipende anche dalla dimensione delle particelle, con polveri più fini che esplodono più facilmente. Sia per i gas che per gli aerosol, la MIE diminuisce con la temperatura.

Esempi industriali

Molti processi abitualmente utilizzati per la manipolazione e il trasporto di prodotti chimici generano cariche elettrostatiche. Questi includono:

• versando polveri dai sacchi

• screening

• trasporto in tubazioni

• agitazione di liquidi, soprattutto in presenza di più fasi, solidi sospesi o goccioline di liquidi non miscibili

• spruzzatura o nebulizzazione di liquidi.

Le conseguenze della generazione di cariche elettrostatiche includono problemi meccanici, pericolo di scariche elettrostatiche per gli operatori e, se si utilizzano prodotti contenenti solventi o vapori infiammabili, anche esplosioni (vedi tabella 4).

Tabella 4. Onere specifico associato a operazioni industriali selezionate

Gli idrocarburi liquidi, come petrolio, cherosene e molti comuni solventi, hanno due caratteristiche che li rendono particolarmente sensibili ai problemi di elettricità statica:

• alta resistività, che consente loro di accumulare alti livelli di cariche

• vapori infiammabili, che aumentano il rischio di scariche a bassa energia che innescano incendi ed esplosioni.

Le cariche possono essere generate durante il flusso di trasporto (ad es. attraverso tubazioni, pompe o valvole). Il passaggio attraverso filtri fini, come quelli utilizzati durante il riempimento dei serbatoi degli aerei, può comportare la generazione di densità di carica di diverse centinaia di microcoulomb per metro cubo. Anche la sedimentazione delle particelle e la generazione di nebbie o schiume cariche durante il riempimento a flusso dei serbatoi possono generare cariche.

Tra il 1953 e il 1971, l'elettricità statica è stata responsabile di 35 incendi ed esplosioni durante o dopo il riempimento di serbatoi di cherosene, e ancora più incidenti si sono verificati durante il riempimento di serbatoi di camion. La presenza di filtri o spruzzi durante il riempimento (dovuti alla generazione di schiume o nebbie) sono stati i fattori di rischio più comunemente identificati. Incidenti si sono verificati anche a bordo di petroliere, soprattutto durante la pulizia delle cisterne.

Principi di prevenzione dell'elettricità statica

Tutti i problemi legati all'elettricità statica derivano da:

• generazione di cariche elettriche

• accumulo di queste cariche su isolanti o conduttori isolati

• campo elettrico prodotto da queste cariche, che a sua volta si traduce in una forza o in una scarica dirompente.

Le misure preventive cercano di evitare l'accumulo di cariche elettrostatiche e la strategia scelta è evitare in primo luogo di generare le cariche elettriche. Se ciò non è possibile, dovrebbero essere attuate misure volte a mettere a terra le cariche. Infine, se le scariche sono inevitabili, gli oggetti sensibili dovrebbero essere protetti dagli effetti delle scariche.

Soppressione o riduzione della generazione di carica elettrostatica

Questo è il primo approccio alla prevenzione elettrostatica che dovrebbe essere intrapreso, perché è l'unica misura preventiva che elimina il problema alla fonte. Tuttavia, come discusso in precedenza, le cariche si generano ogni volta che due materiali, di cui almeno uno isolante, entrano in contatto e successivamente si separano. In pratica, la generazione di carica può avvenire anche per contatto e separazione di un materiale con se stesso. La generazione di carica coinvolge infatti gli strati superficiali dei materiali. Poiché la minima differenza nell'umidità superficiale o nella contaminazione della superficie provoca la generazione di cariche statiche, è impossibile evitare completamente la generazione di cariche.

Per ridurre la quantità di cariche generate dalle superfici a contatto:

• Evita che i materiali entrino in contatto tra loro se hanno affinità elettroniche molto diverse, cioè se sono molto distanti nella serie triboelettrica. Ad esempio, evitare il contatto tra vetro e teflon (PTFE), o tra PVC e poliammide (nylon) (vedi tabella 2).

• Ridurre la velocità di flusso tra i materiali. Questo riduce la velocità di taglio tra materiali solidi. Ad esempio, si può ridurre la portata dell'estrusione di film plastici, del movimento di materiali frantumati su un trasportatore o di liquidi in una tubazione.

Non sono stati stabiliti limiti di sicurezza definitivi per le portate. Lo standard britannico BS-5958-Parte 2  Codice di condotta per il controllo dell'elettricità statica indesiderabile raccomanda che il prodotto della velocità (in metri al secondo) e il diametro del tubo (in metri) sia inferiore a 0.38 per liquidi con conducibilità inferiore a 5 pS/m (in pico-siemens per metro) e inferiore a 0.5 per liquidi con conducibilità superiori a 5 pS/m. Questo criterio è valido solo per liquidi monofase trasportati a velocità non superiori a 7 m/s.

Va notato che la riduzione del taglio o della velocità del flusso non solo riduce la generazione di carica, ma aiuta anche a dissipare eventuali cariche generate. Questo perché velocità di flusso inferiori comportano tempi di permanenza superiori a quelli associati alle zone di rilassamento, dove le portate sono ridotte da strategie come l'aumento del diametro del tubo. Questo, a sua volta, aumenta la messa a terra.

Messa a terra dell'elettricità statica

La regola base della prevenzione elettrostatica è eliminare le differenze di potenziale tra gli oggetti. Questo può essere fatto collegandoli o mettendoli a terra. I conduttori isolati, tuttavia, possono accumulare cariche e quindi possono caricarsi per induzione, un fenomeno che è unico per loro. Le scariche dai conduttori possono assumere la forma di scintille ad alta energia e pericolose.

Questa regola è coerente con le raccomandazioni relative alla prevenzione delle scosse elettriche, che richiedono anche che tutte le parti metalliche accessibili delle apparecchiature elettriche siano messe a terra come nella norma francese Impianti elettrici a bassa tensione (NFC 15-100). Per la massima sicurezza elettrostatica, la nostra preoccupazione qui, questa regola dovrebbe essere generalizzata a tutti gli elementi conduttori. Ciò include i telai dei tavoli in metallo, le maniglie delle porte, i componenti elettronici, i serbatoi utilizzati nelle industrie chimiche e il telaio dei veicoli utilizzati per il trasporto di idrocarburi.

Dal punto di vista della sicurezza elettrostatica, il mondo ideale sarebbe quello in cui tutto sarebbe un conduttore e sarebbe permanentemente messo a terra, trasferendo così tutte le cariche nella terra. In queste circostanze, tutto sarebbe permanentemente equipotenziale e il campo elettrico - e il rischio di scarica - sarebbero di conseguenza nulli. Tuttavia, non è quasi mai possibile raggiungere questo ideale, per i seguenti motivi:

• Non tutti i prodotti che devono essere maneggiati sono conduttori e molti non possono essere resi conduttivi mediante l'uso di additivi. Ne sono un esempio i prodotti agricoli e farmaceutici e i liquidi ad alta purezza.

• Proprietà desiderabili del prodotto finale, come trasparenza ottica o bassa conduttività termica, possono precludere l'uso di materiali conduttivi.

• È impossibile mettere a terra in modo permanente apparecchiature mobili come carrelli metallici, strumenti elettronici cordless, veicoli e persino operatori umani.

Protezione contro le scariche elettrostatiche

Va tenuto presente che questa sezione riguarda solo la protezione delle apparecchiature elettrostaticamente sensibili da scariche inevitabili, la riduzione della generazione di carica e l'eliminazione delle cariche. La capacità di proteggere le apparecchiature non elimina la necessità fondamentale di prevenire in primo luogo l'accumulo di cariche elettrostatiche.

Come illustra la figura 2, tutti i problemi elettrostatici coinvolgono una sorgente di scarica elettrostatica (l'oggetto caricato inizialmente), un bersaglio che riceve la scarica e l'ambiente attraverso il quale si propaga la scarica (scarica dielettrica). Va notato che il bersaglio o l'ambiente possono essere sensibili alle cariche elettrostatiche. Alcuni esempi di elementi sensibili sono elencati nella tabella 5.

Figura 2. Schema del problema delle scariche elettrostatiche

Tabella 6. Esempi di apparecchiature sensibili alle scariche elettrostatiche

Tutela dei lavoratori

I lavoratori che hanno motivo di ritenere di essersi caricati elettricamente (ad esempio, quando scendono da un veicolo con tempo asciutto o camminano con determinati tipi di scarpe), possono applicare una serie di misure protettive, come le seguenti:

• Ridurre la densità di corrente a livello della pelle toccando un conduttore messo a terra con un pezzo di metallo come una chiave o uno strumento.

• Ridurre il valore di picco della corrente scaricando su un oggetto dissipatore, se disponibile (un tavolo o un dispositivo speciale come un cinturino da polso protettivo con resistenza seriale).

Protezione in atmosfere esplosive

Nelle atmosfere esplosive, è l'ambiente stesso che è sensibile alle scariche elettrostatiche, e le scariche possono causare incendi o esplosioni. La protezione in questi casi consiste nel sostituire l'aria, o con una miscela di gas il cui contenuto di ossigeno è inferiore al limite inferiore di esplosività, oppure con un gas inerte, come l'azoto. Il gas inerte è stato utilizzato nei silos e nei recipienti di reazione nell'industria chimica e farmaceutica. In questo caso, sono necessarie adeguate precauzioni per assicurare che i lavoratori ricevano un adeguato apporto di aria.

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