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. . per portare energia
I fulmini,
un fenomeno da non sottovalutare.
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I fulmini
Il fulmine (chiamato anche saetta o folgore) è una scarica elettrica di grandi dimensioni che avviene nell’atmosfera, e che si instaura fra due corpi con una elevata differenza di potenziale elettrico.
I fulmini più facilmente osservabili sono quelli fra una nuvola e il suolo, ma sono comuni anche scariche fra due nuvole o all’interno di una stessa nuvola. Inoltre qualsiasi
oggetto sospeso nell’atmosfera può innescare un fulmine; si sono osservati infatti fulmini tra una nuvola e un aeroplano, e tra un aeroplano e il suolo.
Tipologia di fulmini
Esistono quattro diverse tipologie di fulmini:
●
●
●
●
Negativo discendente, la scarica pilota ha carica negativa e parte dall’alto.
Positivo discendente, la scarica pilota ha carica positiva e parte dall’alto.
Negativo ascendente, la scarica pilota ha carica negativa e parte dal basso.
Positivo ascendente, la scarica pilota ha carica positiva e parte dal basso.
La velocità è variabile sia dalle condizioni di umidità che dalla differenza di potenziale
della scarica, ma si muove tra i 40.000 e i 50.000 km/s.
Pericolosità dei fulmini
Un corpo colpito da un fulmine viene riscaldato per effetto Joule, e le grandi correnti in
gioco possono, a seconda dei casi, incendiarlo o fonderlo all’istante; quando un fulmine
si scarica nell’acqua, essa può vaporizzarsi.
Quando un fulmine colpisce una persona, si parla di folgorazione: in una frazione di un
secondo un fulmine può danneggiare il cervello e arrestare il battito cardiaco. Dato che
l’impulso elettrico è caratterizzato anche da alte frequenze[4], parte della corrente
scorre sull’esterno del corpo, ustionando in particolar modo la pelle; proprio per questo motivo è comunemente definita effetto pelle la proprietà della corrente, alle alte
frequenze, di passare all’esterno della superficie del conduttore. Si stima che in tutto il
mondo, in un anno, più di mille persone vengano colpite da un fulmine.
Anche se una persona non viene colpita direttamente, un fulmine può comunque provocare danni gravi. L’onda d’urto può investire le persone vicine, spostandole e stordendole.
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Se il fulmine si scarica su un albero, questo esplode a causa della improvvisa vaporizzazione della linfa, proiettando schegge.
Per ridurne i rischi si utilizzano i parafulmini. Essere colpiti da un fulmine è un evento
improbabile, ma non rarissimo, se non si adottano adeguate precauzioni quando può
manifestarsi.
Quadro generale dei fenomeni elettrici nell’atmosfera.Le scariche elettriche sono attratte dalla presenza di materiali conduttori oppure di energia nelle sue varie forme, e,
a parità di materiale, tendono a concentrarsi sulle punte. La densità di carica elettrica
misurabile in un materiale conduttore risulta, infatti, massima nelle sue punte e spigoli,
dove tendono a concentrarsi le particelle elettriche libere: è in base a questo principio
che funziona il parafulmine.
L’automobile o la casa, e più in generale i luoghi chiusi sono dei posti sicuri in caso di
temporale, a patto che non siano aperte delle finestre, e di non toccare oggetti che
conducono l’elettricità e calore: soltanto a queste condizioni, l’automobile e la casa
funzionano come una gabbia di Faraday con un campo magnetico pari a zero, interposta
fra il temporale esterno e la persona che vuole proteggersi.
Non si può più parlare di gabbia di Faraday, e viene meno la protezione dai fulmini, se
vi sono porte o finestre aperte, o in presenza di sorgenti elettromagnetiche, come un
cellulare acceso.
In mancanza di un luogo chiuso, la posizione più sicura è piegarsi sulle proprie ginocchia,
senza stare in piedi o sdraiati sul terreno, evitando di stare in gruppo con altre persone,
perché il calore del corpo è di nuovo una forma di energia, che può attrarre scariche
elettriche.
Il corpo umano è esso stesso un conduttore elettrico, perciò una posizione piegati sulle
ginocchia e isolatamente è quella che minimizza la superficie conduttrice e di scambio
termico che potrebbe attrarre un fulmine.
Danni da folgorazione
La folgorazione o elettrocuzione, volgarmente detta anche scossa, è l’attraversamento
del corpo umano da parte di corrente elettrica. In medicina, il termine è usato in particolare con riferimento agli effetti patologici di tale fenomeno.
I limiti di corrente da considerare sono:
● Inferiore a 0,5 mA (soglia di percezione): non si ha alcun danno e percezioni dolorose
per tempi indefiniti;
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● Fino a 10 mA (limite di rilascio): non si hanno effetti pericolosi oltre alla percezione
dolorosa, ed è possibile rilasciare la muscolatura;
● Da 10-500 mA: non si è in grado di rilasciare i muscoli contratti dalla corrente
(tetanizzazione) e la pericolosità della scarica è in funzione del tempo di applicazione;
● Oltre 500 mA: intensità pericolosa per qualunque durata temporale. In corrente
continua i predetti valori vanno corretti rispettivamente a: 2, 40 e 500 mA.
Sebbene la pericolosità di uno shock elettrico è definita dall’intensità della corrente
elettrica, ai fini pratici si preferisce definire soglie di tensione di rischio. In base alla
norma tecnica IEC 60479-1 la soglia di tensione minima considerata pericolosa è di 50
V in corrente alternata e 120 V in corrente continua.
Per tensioni minori, in base alla legge di Ohm l’impedenza del corpo umano non permette il passaggio di una intensità di corrente pericolosa.
Per confronto la distribuzione dell’energia elettrica per uso domestico avviene a tensioni di 230 V AC in Italia, Europa e altre parti del mondo, ed a 120 V negli Stati Uniti,
in Giappone e altre nazioni, ben al di sopra quindi della soglia di pericolosità.
Contatori Enel
Scatola di derivazione
Server aziendale
Computer portatile
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Scheda elettronica TV
Set da Golf
Fusoliere di un aereo passeggeri
Ala sinistra Boeing
Appartamento incendiato
Tetto danneggiato
Bovini folgorati dalla recinzione
Pecore folgorate in un corso d’acqua
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Come proteggersi dai fulmini ?
Esistono solo due tipologie di protezione che possono arrestare un fulmine e sono:
● LPS esterni ( Impianto di parafulmine ).
● LPS interni ( Scaricatori di sovratensioni ).
Che cosa è un impianto parafulmine o LPS ?
Per arrivare al parafulmine Franklin aveva fatto alcune importanti considerazioni sulle
scariche elettriche atmosferiche, arrivando a stabilire che i danni da queste provocati non erano dovuti tanto alla loro potenza, quanto al calore che esse generavano
nell’impatto con qualsiasi oggetto. Inoltre scoprì che quando un fulmine, che non è altro che una scarica elettrica, colpisce un oggetto, lo attraversa soltanto per una parte:
bisognava quindi pensare a qualcosa che attirasse il fulmine e ne disperdesse la forza
per mezzo di un percorso obbligato. Scoprendo la particolarità delle punte metalliche,
quelle in oro soprattutto, di attirare le scariche elettriche, agendo quindi come una
sorta di calamita nei confronti del fulmine, Franklin risolse la difficoltà maggiore:
quella di catturarlo durante la sua scarica. Il parafulmine consiste quindi in una lunga
e sottile asta metallica con la punta rivestita di un metallo nobile (ad alta conducibilità
elettrica) posta sulla sommità dell’edificio da salvaguardare; da questa deriva un filo
metallico che viene collegato a terra: la scarica elettrica viene attirata dalla punta
e dispersa a terra mediante il filo. Inoltre il parafulmine a causa della sua forma, ha
anche una azione preventiva nei confronti del fulmine. Questo conseguentemente al
fatto che il suolo ed il parafulmine (collegato a terra) si polarizzano positivamente per
induzione in risposta alla carica negativa presente sulla parte inferiore della nuvola.
Il parafulmine così polarizzato, grazie al potere dispersivo delle punte, contribuisce
a diminuire la differenza di potenziale esistente tra la nuvola ed il suolo, rendendo
meno probabile che si raggiunga il potenziale minimo capace di dare inizio alla scarica.
Un parafulmine efficiente protegge un’area di raggio pari a circa cinque volte la sua
altezza. Quindi per edifici o torri di 50-100 metri la capacità protettiva sugli edifici
sottostanti è molto buona in un raggio di 250-500 metri.
La scarica elettrica (fulmine) è accompagnata da rumore (tuono) e da una radiazione
luminosa (lampo) ed è dovuta ad elevata differenza di potenziale elettrico tra nube
e terra. Il tuono è dovuto alla rapida espansione dell’aria che si surriscalda sul suo
cammino e nelle immediate vicinanze. La sua velocità è circa 335 m/s mentre quella
del lampo è di circa 300.000 km/s. Per conoscere a che distanza è caduto un fulmine
basta contare i secondi che intercorrono tra la visione del lampo e la percezione del
suono. Ogni secondo sono 335 metri e quindi un chilometro di distanza ogni 3 secondi.
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Che cosa è uno scaricatore ?
Lo scaricatore è un dispositivo elettrico per la protezione dei circuiti o degli impianti
elettrici dalle sovratensioni. Nella maggior parte dei casi, è schematicamente costituito da alcuni varistori in grado di mettere a terra il circuito durante il picco di tensione.
Le sovratensioni possono essere di origine atmosferica (fulmini) o accidentalmente
generate dal distributore di energia elettrica e possono causare danni ai componenti e
impianti elettrici di un’abitazione, industria o altro, nonché rappresentare un fattore
di rischio di folgorazione per persone e animali.
Il dispositivo è progettato in modo tale che, in caso di una sovratensione, la corrente
elettrica che si sviluppa venga dirottata verso un circuito preferenziale separato rispetto all’impianto da proteggere e scaricata a terra. A seconda delle esigenze e del
tipo di impianto da proteggere, esistono diverse classi di scaricatori.
In Italia sono in vigore le norme CEI 81-10 (2006-04) per quanto riguarda l’utilizzo degli
scaricatori e la norma CENELEC HD 60364-5.534(2007-02) per quanto riguarda le caratteristiche dei i dispositivi di protezione contro le sovratensioni.
Che cosa è un varistore ?
Il Varistore è un componente elettronico che serve a proteggere gli altri componenti
di un dispositivo elettronico da fenomeni transitori di sovratensione. Il suo comportamento può essere rappresentato da un resistore (non lineare) che, superata la tensione
caratteristica per cui è progettato, abbassa bruscamente la sua resistenza in modo che
il disturbo venga fortemente attenuato (sono infatti chiamati anche VDR, acronimo per
Voltage Dependent Resistor: resistore variabile con la tensione) scaricandolo a terra.
Il comportamento dei varistori risulta simmetrico: valgono le stesse caratteristiche sia
con tensioni positive che negative. Il loro comportamento assomiglia a quello di due
diodi zener in antiserie (due diodi zener in serie ma collegati con polarità opposta).
Curve caratteristiche tensione (U/V) - corrente (I/A) di varistori in ZnO e SiCMateriali
semiconduttori come carburo di silicio (SiC), Selenio (Se), ossido di zinco (ZnO), e Silicio (Si) possono essere usati nella realizzazione di varistori.
Il tipo più comune di varistore è realizzato in ossido di zinco. Il carburo di silicio, usato in passato, ha una caratteristica meno efficace come si può vedere dai diagrammi
tensione corrente (l’ossido di zinco conferisce al varistore una forma più squadrata:
questo comporta una tensione più precisa quando deve intervenire per bloccare un
impulso di sovratensione).
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Che cosa è uno spinterometro ?
Lo spinterometro è un componente che serve per proteggere gli altri componenti di
un circuito da fenomeni transitori di sovratensione. Il suo comportamento può essere
rappresentato come un impedenza di valore elevato che, in presenza di un’eventuale
sovratensione applicata ai suoi capi, superando il valore di tensione di innesco, istantaneamente riduce la tensione al valore di tensione d’arco (tensione residua di poche
decine di volt). La sovratensione viene in tal modo troncata dallo spinterometro realizzando una forte scarica di corrente verso terra. Il valore della tensione di innesco è un
parametro variabile, influenzato dalla ripidezza del fronte della sovratensione oppure,
in alcuni casi, a seconda della tipologia costruttiva dello spinterometro, da condizioni
atmosferiche. Il comportamento dello spinterometro è simmetrico: valgono le stesse
caratteristiche sia con tensioni positive che con tensioni negative. La corrente di scarica, una volta terminata la sovratensione, può perdurare a causa del sostentamento
della tensione nominale del circuito, originando la corrente susseguente. La forma degli elettrodi ed altri accorgimenti tecnici possono estinguere tale corrente susseguente
ma è in genere necessario prevedere protezioni di massima corrente.
I tipi più comuni di spinterometro sono quelli ad aria e quelli a gas. Lo spinterometro
ad aria consiste di due elettrodi, di varia forma, separati da uno spazio in aria. Gli spinterometri ad aria non sono facilmente utilizzabili in bassa tensione; per basse tensioni
nominali, infatti, la distanza fra elettrodi è così esigua (pochi millimetri) da rendere
probabile la saldatura degli elettrodi causando così un corto permanente. Nello spinterometro a gas i due elettrodi sono posizionati invece all’interno di un contenitore di
gas nobile. Questi spinterometri hanno caratteristiche simili a quelli ad aria ma offrono
indipendenza del valore di tensione di innesco da fattori ambientali essendo gli elettrodi alloggiati all’interno di un ambiente isolato e valori “controllabili” di tensione
di innesco. In genere questa tipologia di scaricatori offre correnti di scarica inferiore
rispetto agli scaricatori ad aria.
Avvertenze
Spesso, una volta installato il parafulmine, ci si dimentica che il suo effetto protettivo
resta efficace se tale è anche la messa a terra del conduttore metallico che dovrà
disperdere nel terreno l’eventuale scarica. È necessario pertanto procedere periodicamente alla misurazione della resistenza di terra tramite appositi strumenti per
verificare la buona conducibilità del terreno (bassa resistenza elettrica) circostante
la messa a terra. La conducibilità del terreno dipende dal clima (secco o umido) e la
sua consistenza (terra o roccia). Molti parafulmini messi a protezione di campanili o
stazioni radio di alta montagna sono spesso installati con messa a terra in zone rocciose
o che in estate hanno una conducibilità molto ridotta.
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Gamma completa
La società Arnocanali S.p.A. ha una esperienza trentennale nel settore della protezione
da scariche di sovratensione con la quale vanta innumerevoli lavori di prestigio. Uno
specialista sarà a vostra disposizione al numero verde per informazioni, consigli per una
corretta scelta tecnica ed economica, sopralluoghi ed eventuali valutazioni di rischio.
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Scaricatori di sovratensione SPD
Parafulmine
Componenti per impianti di parafulmine
Dispersori
Dispersori e accessori di messa a terra
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