L’elettricità è la linfa vitale della civiltà moderna, alimenta le nostre case, alimenta le nostre industrie e guida l’innovazione tecnologica. Tuttavia, insieme alla sua indispensabile utilità, c’è il rischio sempre presente di scosse elettriche, un fenomeno spesso sottostimato con profonde implicazioni per la salute e la sicurezza umana. In questo articolo vediamo quali sono i principali effetti che si hanno sul corpo umano quando attraversato da corrente.
A cosa serve conoscere gli effetti della corrente sul corpo umano?
La conoscenza degli effetti della corrente sugli esseri umani è il fulcro per promuovere la sicurezza, guidare i progressi tecnologici, garantire la conformità normativa e consentire sia ai professionisti che agli utenti in generale di navigare in modo responsabile nel panorama elettrificato del nostro mondo moderno.
Comprendere gli effetti della corrente elettrica sugli esseri umani è fondamentale per diversi motivi:
- Problemi di sicurezza. La conoscenza degli effetti della corrente sul corpo umano è fondamentale per garantire la sicurezza delle persone sia in ambito domestico che industriale. L’esposizione accidentale alle correnti elettriche può causare lesioni o morte e la consapevolezza dei potenziali rischi aiuta ad attuare misure preventive e a creare ambienti più sicuri.
- Progettazione e ingegneria elettrica. Ingegneri e progettisti che lavorano su sistemi elettrici devono comprendere come le correnti elettriche interagiscono con il corpo umano. Questa comprensione è essenziale per progettare prodotti, elettrodomestici e infrastrutture che diano priorità alla sicurezza degli utenti, rispettino le normative e riducano al minimo il rischio di incidenti elettrici.
- Applicazioni mediche. In campo medico diverse tecniche diagnostiche e terapeutiche prevedono l’applicazione controllata di correnti elettriche al corpo umano. La conoscenza di questi effetti è fondamentale per i professionisti medici per garantire l’efficacia e la sicurezza di trattamenti come la terapia elettroconvulsivante (ECT) o la stimolazione nervosa elettrica transcutanea (TENS).
- Progresso tecnologico. Man mano che la tecnologia continua ad evolversi, innovazioni come dispositivi indossabili, impianti e protesi elettroniche diventano più diffuse. Comprendere l’impatto delle correnti elettriche sul corpo umano è essenziale per sviluppare e migliorare queste tecnologie, garantendo che si integrino perfettamente con la nostra fisiologia senza causare danni.
- Conformità normativa. I governi e gli organismi di regolamentazione stabiliscono standard di sicurezza e linee guida per sistemi e dispositivi elettrici. Una comprensione completa degli effetti della corrente sugli esseri umani è essenziale per sviluppare e far rispettare queste normative, promuovendo una cultura di conformità e responsabilità nella progettazione e nel funzionamento dei sistemi elettrici.
Cosa accade se il corpo umano entra in contatto con parti in tensione?
Se il corpo umano entra in contatto con parti a tensione differente, tale differenza di potenziale porta alla generazione di un flusso di corrente che trova, come resistenza, l’impedenza costituita dal corpo.
Teniamo presente che il flusso di corrente può generarsi se si entra in contatto con solo una parte in tensione poiché può sempre crearsi una differenza di potenziale qualora non siamo adeguatamente isolati dal suolo. In questo caso la parte con cui siamo in contatto diviene quella a potenziale maggiore ed il contatto con il suolo quella a potenziale (circa) nullo. In tale situazione si è creato un circuito dove il flusso di corrente avviene attraverso un mezzo conduttivo rappresentato dal corpo umano.
Come qualsiasi mezzo conduttivo, il corpo umano diventa soggetto al passaggio di corrente che, esattamente come avviene per un cavo elettrico o per un componente, ne risente l’effetto. Il corpo umano però non è solo un mezzo conduttivo ma è l’insieme di organi, muscoli, fibre, tessuti e cellule che funzionano in sincronia gli uni con gli altri attraverso reazioni biochimiche ed elettriche in una complessa sinergia ed equilibrio. Il passaggio di corrente attraverso il corpo umano causato dal contatto con parti a tensioni diverse è chiamato elettrocuzione. In caso di elettrocuzione, il passaggio di corrente provoca una alterazione nel regolare funzionamento del corpo umano il cui equilibrio può risultarne compromesso temporaneamente oppure in maniera irrimediabile.
Nel caso il corpo umano sia attraversato da corrente elettrica, gli effetti dell’elettrocuzione possono essere distinti in due classi:
- Alterazione del funzionamento degli organi vitali;
- Ustione dei tessuti.
La gravità delle conseguenze dell’elettrocuzione dipende da diversi fattori. Nelle sezioni successive analizzeremo in maniera approfondita gli effetti dell’elettrocuzione ed i fattori che incidono sulla gravità del danno che si può generare.
Effetti della corrente elettrica sul corpo umano
La funzionalità del corpo umano è strettamente legata a quella dei segnali (bio)elettrici che governano l’organismo. Nel caso in cui il corpo sia attraversato da corrente elettrica tali segnali vengono perturbati e, oltre un certo livello, questa perturbazione può essere dannosa per l’organismo ed avere effetti pericolosi.
I principali effetti della corrente sul corpo umano sono:
- Percezione: a seconda della superficie di contatto, delle condizioni (asciutte/bagnate/temperatura) e delle caratteristiche delle persona, si ha la sensazione di attraversamento della corrente
- Reazione: contrazione involontaria dei muscoli senza effetti fisiologici per il corpo
- Immobilizzazione (tetanizzazione): a seconda del livello di corrente, del muscolo, dei nervi e dell’area celebrale interessata, si ha una contrazione dei muscoli che non può essere controllata volontariamente
- Rilascio: è quella condizione in cui, a seconda della superficie di contatto e delle caratteristiche della persona, è tuttavia possibile rilasciare il contatto con la parte in tensione
- Fibrillazione ventricolare: a seconda dei parametri fisiologici della persona che entra in contatto con la parte in tensione e di parametri elettrici come la durata ed il percorso della corrente, si generano delle contrazioni rapide ed irregolari dei ventricoli ovvero la cosiddetta fibrillazione ventricolare
- Ustioni e/o bruciature: per correnti piuttosto alte in intensità possono verificarsi ustioni e danni degli organi interni:
- Disturbi respiratori: la corrente può portare a disturbi nel controllo dei muscoli respiratori ed eventualmente anche il blocco respiratorio per paralisi dei muscoli respiratori, danni nei percorsi di attivazione neurale di tali muscoli o danno celebrale nella zona dell’encefalo che comanda tali muscoli.
- Elettroporazione: fenomeno non correlato direttamente ad intensità, durata e percorso della corrente che porta a lesioni a livello cellulare. La corrente può indurre la creazione di pori a livello delle membrane cellulari che possono portare a lesione ed eventuale necrosi dei tessuti.
Impedenza elettrica del corpo umano
Quando una parte del corpo umano entra in contatto con una parte in tensione, la differenza di potenziale (ad esempio tra il punto di contatto ed il suolo) porta ad un flusso di corrente. In tale circuito, secondo la legge di Ohm, i valori di tensione e corrente sono correlati attraverso il valore dell’impedenza elettrica del corpo umano. Tale impedenza non è costante ma dipende da diversi fattori.
I fattori principali che influenzano il valore di impedenza elettrica del corpo umano sono:
- percorso della corrente che attraversa il corpo;
- valore della tensione di contatto;
- durata e frequenza della corrente;
- umidità della pelle;
- area di contatto;
- pressione esercitata;
- temperatura.
L’impedenza elettrica del corpo umano ha una componente resistiva ed una componente capacitiva. In termini elettrici, l’impedenza del corpo umano viene rappresentata tramite lo schema semplificato mostrato di seguito.
Dove:
Zs: impedenza della pelle
Zi: impedenza interna
ZT: impedenza totale
Impedenza della pelle
La pelle è costituita da uno strato semi-isolante e da una piccola parte conduttiva costituita dai pori. L’impedenza della pelle può essere considerata come quella ottenuta da una rete di resistenze e capacità. Tale impedenza è influenzata dalle caratteristiche della tensione, della superficie di contatto e da quelle della pelle stessa. Per valori bassi di tensione di contatto, tale impedenza può variare considerevolmente in quanto questo valore è molto influenzato dall’area di contatto e dalle condizioni della pelle. Per valori alti di tensione di contatto, l’impedenza della pelle assume valori sempre inferiori sino a diventare trascurabile nel momento in cui la pelle è perforata. Un altro fattore importante che influenza il valore di impedenza della pelle è dato dalla frequenza della tensione di contatto. Esiste infatti una correlazione inversa tra l’impedenza della pelle e la frequenza della tensione ovvero, più è alta la frequenza, minore è il valore di impedenza della pelle.
Impedenza interna
L’impedenza interna è prevalentemente resistiva ma presenta una piccola componente capacitiva. L’impedenza interna del corpo umano dipende prevalentemente dal percorso che la corrente fa quanto attraversa il corpo. Si considera, come valore più grande, il valore della impedenza interna che si ha quando la corrente attraversa il corpo dalla mano al piede.
Impedenza totale del corpo
L’impedenza totale del corpo è data dalla serie dell’impedenza della pelle e quella dell’impedenza interna. L’impedenza totale è quindi data da componenti resistive e capacitive. Tale valore è molto influenzato dalla variabilità dell’impedenza della pelle. Per bassi valori di tensione di contatto l’impedenza totale può avere una elevata variabilità, anche nello stesso soggetto e questo a causa della variabilità dell’impedenza della pelle. Per tensioni sempre maggiori, il contributo dell’impedenza della pelle diviene via via trascurabile e l’impedenza totale del corpo può essere considerata pari al valore dell’impedenza interna.
Fattori che influenzano l’impedenza totale del corpo
L’impedenza totale del corpo dipende da diversi fattori che riguardano principalmente il tipo di tensione di contatto, la superficie di contatto e le condizioni della stessa e gli aspetti fisiologici propri del soggetto che subisce il contatto.
Impedenza totale del corpo in funzione della tensione di contatto alternata o continua
Si assuma una tensione alternata a 50 Hz ed una tensione in continua. Per valori di tensione inferiori a 200 V, nel caso di tensione in continua, il contributo capacitivo all’impedenza totale, è trascurabile.
Nella figura seguente viene mostrato l’andamento del valore dell’impedenza totale del corpo al crescere della tensione di contatto, nel caso di tensione alternata e di tensione continua.
A parità di valori di tensione, fino a 200V, l’impedenza totale del corpo risulta inferiore nel caso di corrente alternata rispetto a quella continua. Entro i 200 V, in corrente continua, si può parlare di resistenza del corpo in quanto il contributo capacitivo è trascurabile.
Dall’andamento dei valori di impedenza nel caso di corrente alternata e nel caso di corrente continua, si può dedurre che, a parità di condizioni (della pelle, del corpo, della superficie di contatto, della temperatura, etc), per tensioni inferiori a 200 V, il corpo è attraversato da una corrente con valori superiori nel caso di tensione di contatto alternata. Questo lo si capisce direttamente dalla legge di Ohm in quanto, a parità di tensione (di contatto), per valori di impedenze minori, si avranno valori di corrente superiori.
Impedenza totale del corpo in funzione della frequenza della tensione di contatto
Nel caso di tensione alternata ed a parità degli altri parametri, l’impedenza totale del corpo umano tende a diminuire all’aumentare della frequenza.
Come si può notare dal grafico, l’andamento dell’impedenza del corpo non è lineare con la frequenza della tensione di contatto. I valori presentati sono comunque da ritenersi puramente indicativi in quanto hanno una certa variabilità che dipende dalla popolazione campione. Inoltre, dal grafico si può notare come, a parità di frequenza, l’impedenza del corpo risulta maggiore per tensioni minori.
Impedenza totale del corpo in funzione delle condizioni di asciutto o bagnato
Tra gli aspetti che condizionano il valore dell’impedenza del corpo vi è la condizione di asciutto che viene tipicamente suddivisa in tre categorie: condizione di asciutto, condizione di bagnato in acqua e condizione di bagnato in condizione salina (acqua al 3% di NaCl)
Dal grafico si può osservare come per valori di tensione di contatto in alternata più bassi (al di sotto dei 300 V circa) ci possono essere delle variazioni significative tra le diverse condizioni ed in particolare valori inferiori in condizione di bagnato in condizione salina e, ragionevolmente, valori più alti di impedenza del corpo in condizione di asciutto. Al cresce del valore della tensione di contatto il valore di impedenza del corpo è pressocché invariato in qualsiasi condizione.
Zone tempo / corrente ed effetti sul corpo umano
Quando una parte del corpo umano entra in contatto con una tensione ed un’altra si trova ad una tensione diversa, si crea una differenza di potenziale che porta ad un flusso di corrente attraverso il corpo. L’intensità di tale corrente risente dell’impedenza del corpo a seconda del percorso che compie la corrente e di tantissimi fattori tra cui l’umidità, la superficie di contatto, la frequenza etc.
A parità di condizioni, gli effetti sul corpo umano dovuti al passaggio di corrente sono funzione dell’intensità e della durata del flusso di corrente. A partire dai parametri di intensità e durata del flusso di corrente si distinguono delle zone tempo / corrente che si distinguono per gli effetti che possono indurre sul corpo. Queste zone sono distinte a seconda che la tensione di contatto sia in alternata oppure in continua.
Zone tempo/corrente degli effetti delle correnti alternate
Nel caso di correnti alternate si distinguono 4 zone tempo/corrente dalla AC-1, AC-2, AC-3 alla AC-4, per gravità crescente di effetti sul corpo umano. Nella figura seguente vediamo graficamente come sono raggruppate queste zone.
Ogni zona è delimitata da una curva entro la quale è statisticamente probabile il verificarsi di taluni effetti sul corpo, secondo la tabella seguente.
| Zone | Confini | Effetti fisiologici |
|---|---|---|
| AC-1 | Sino a curva a, 0,5 mA | Nessuna reazione, possibile percezione |
| AC-2 | Da curva a sino a curva b | Percezione e contrazione muscolare involontaria, nessun danno agli organi. |
| AC-3 | Da curva b | Forti contrazioni involontarie muscolari, disturbi respiratori e reversibili dell'attività cardiaca. Possibile immobilizzazione. Danni agli organi poco probabili. |
| AC-4 | Da curva c1 | Possibile arresto cardiaco, blocco respiratorio, ustioni o danni cellulari. Probabilità di fibrillazione ventricolare crescente all'aumentare di corrente e durata del flusso. |
Le curve c1, c2, c3 identificano, all’interno della zona AC-4, delle condizioni di probabilità dello scaturirsi dell’evento fibrillazione ventricolare secondo quanto riportato di seguito:
- l’area tra la curva c1 e la curva c2 identifica la zona tempo/corrente in cui la probabilità che si verifichi la fibrillazione ventricolare è entro il 5%;
- l’area tra la curva c2 e la curva c3 identifica la zona tempo/corrente in cui la probabilità che si verifichi la fibrillazione ventricolare può raggiungere il 50%;
- l’area oltre la curva c3 identifica la zona tempo/corrente in cui la probabilità che si verifichi la fibrillazione ventricolare è superiore al 50%.
Tali condizioni di probabilità si assume un percorso della corrente da mano a piede per un tempo superiore a 200 ms.
Zone tempo/corrente degli effetti delle correnti continue
L’effetto della corrente continua sul corpo umano è diverso da quello della corrente alternata, in particolare a bassi valori della tensione di contatto e questo perché in tale situazione il corpo presenta una impedenza più alta. In maniera analoga a quanto visto per la corrente alternata, si distinguono 4 zone tempo/corrente dalla DC-1, DC-2, DC-3 alla DC-4, per gravità crescente di effetti sul corpo umano. Nella figura seguente vediamo graficamente come sono raggruppate queste zone.
Ogni zona è delimitata da una curva entro la quale è statisticamente probabile il verificarsi di taluni effetti sul corpo, secondo la tabella seguente.
| Zone | Confini | Effetti fisiologici |
|---|---|---|
| DC-1 | Sino a curva a, 2 mA | Possibile percezione in fase di contatto e di rilascio |
| DC-2 | Da curva a sino a curva b | Possibile contrazione muscolare involontaria in fase di contatto e di rilascio senza danni agli organi interni |
| DC-3 | Da curva b | Forti contrazioni muscolari involontarie e possibile innesco di aritmie temporanee |
| DC-4 | Da curva c1 | Possibile arresto cardiaco, blocco respiratorio, ustioni o danni cellulari. Probabilità di fibrillazione ventricolare crescente all'aumentare di corrente e durata del flusso. |
In maniera analoga a quanto visto per la corrente alternata, le curve c1, c2, c3 identificano, all’interno della zona DC-4, delle condizioni di probabilità dello scaturirsi dell’evento fibrillazione ventricolare secondo quanto riportato di seguito:
- l’area tra la curva c1 e la curva c2 identifica la zona tempo/corrente in cui la probabilità che si verifichi la fibrillazione ventricolare è entro il 5%;
- l’area tra la curva c2 e la curva c3 identifica la zona tempo/corrente in cui la probabilità che si verifichi la fibrillazione ventricolare può raggiungere il 50%;
- l’area oltre la curva c3 identifica la zona tempo/corrente in cui la probabilità che si verifichi la fibrillazione ventricolare è superiore al 50%.
Anche in questo caso per le condizioni di probabilità appena descritte, si assume un percorso della corrente da mano a piede per un tempo superiore a 200 ms.
Gli effetti della corrente sul corpo in breve
Quando due parti del corpo si trovano ad un livello di tensione diverso, si genera un flusso di corrente che attraversa il corpo tra la zona di contatto e quella a tensione inferiore che può portare all’alterazione della funzionalità degli organi interni. Questo avviene per esempio se con la mano tocco una superficie in tensione come può essere un cavo lesionato e con il piede sono in contatto con il suolo. In questo caso avrei una differenza di potenziale tra la mano ed il piede attraverso cui si ha un flusso di corrente. L’intensità di questa corrente può variare moltissimo in funzione di diversi fattori tra cui:
- estensione della zona di contatto;
- livello della tensione di contatto;
- tipo di tensione di contatto, continua o alternata;
- frequenza della tensione di contatto, se in alternata;
- condizioni di bagnato o asciutto.
Gli effetti della corrente sul corpo dipendono dalla intensità di questa corrente e dalla durata dell’esposizione a tale flusso. Per correnti di poche decine di milliAmpere, è poco probabile che ci siano eventi dannosi per gli organi interni mentre crescendo in intensità e durata, possono accadere contrazioni muscolari involontarie, lesioni della pelle, lesioni degli organi, lesioni cellulari, blocchi respiratori e fenomeni di fibrillazione ventricolare.