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Quali sono le caratteristiche e i principi di funzionamento di un parafulmine? Ne esistono di diversi tipi? Sono efficaci nella protezione dai fulmini?

(Risponde Nicola Buratti)

Etimologia:

Para-: primo elemento di parole composte, tratto da parare; indica riparo, protezione rispetto a ciò che è espresso nel secondo elemento (paracadute, parafango, parafulmine)

Fulmine: [fùl-mi-ne] s.m. - scarica elettrica, accompagnata da rumore (tuono) (nota 1) e radiazione luminosa (lampo), che si produce per una forte differenza di potenziale elettromagnetico tra una nube e la terra o tra due nubi ¶ Dal lat. fulmine, abl. Di fulmen -minis. (trad. fulmine, saetta; derivato dal verbo Fulgeo , forma poetica di Fulgo, risplendere, brillare, sfavillare, accendersi)

Storia:

Le prime esperienze sui parafulmini si devono a Benjamin Franklin (1706-1790) [1] [Fig.1] nel 1751 e pubblicati in seguito nel 1752 sul Poor Richard's Almanac. Nell'esperimento originale Franklin voleva dimostrare la natura elettrica del fulmine e, assistito dal figlio William, fece volare un aquilone munito di una punta metallica e collegato a terra tramite un filo di seta. Durante il temporale la punta dell'aquilone si caricò di elettricità e Franklin ne verificò la presenza avvicinando la mano ad una chiave legata al filo ad altezza d'uomo. In questo modo lo scienziato chiuse il circuito formato tra aquilone-(punta metallica)-filo-terra e percepì il passaggio di corrente attraverso il proprio corpo. Solo in seguito si rese conto della pericolosità del suo esperimento, quando seppe della morte del suo collega svedese G.W. Richmann (1711-1753) che aveva tentato di ripetere l'esperimento, venendo fulminato dalla scarica elettrica ben più intensa di quella che avvertì Franklin. In seguito a questa esperienza B.F. sviluppo il concetto di parafulmine, utilizzando anche esperienze condotte sulla Bottiglia di Leida (nella figura in basso a sinistra, ai piedi di Franklin).

Un'altra esperienza simile a quella che condusse al parafulmine, fu quella condotta da Michael Faraday (1791-1867) [2] chimico e fisico inglese. Faraday si fece rinchiudere in una gabbia a forma di campana e si posizionò al centro di essa in modo da non toccare con il suo corpo nessuna parte della gabbia, ma solo il pavimento con i piedi. La gabbia venne collegata ad un generatore di corrente continua, ma nonostante si vedessero scintille sprizzare tra le maglie della gabbia, Faraday non riportò alcuna bruciatura, dimostrando in questo modo l'assenza di campi elettrici all'interno dei

Fig.1 [4] conduttori metallici.

Caratteristiche del parafulmine:

Il parafulmine è costituito da un'asta metallica (generalmente di ferro) disposta verticalmente sul punto più alto dell'oggetto da proteggere. La punta esposta del parafulmine è generalmente composta di rame od ottone e rivestita di una sottile pellicola dorata per proteggerla dall'ossidazione ed impedirne la diminuzione delle proprietà di conduttore. Completano il dispositivo una fune metallica conduttrice (preferibilmente un cavo di rame) che collega il parafulmine per la via conduttrice a minore resistenza elettrica (il cavo appunto) alla così detta "terra", costituita a sua volta da piastre o tubi di rame o di acciaio zincato (sempre per prevenirne la corrosione) infossati nel terreno e collegati possibilmente a loro volta a condutture presenti nella zona (generalmente acqua od elettricità) che ne aumentano la dispersione elettrica e quindi l'efficacia. Queste ultime parti prendono il nome di dispersore per il fatto che la loro funzione è quella di disperdere la corrente elettrica convogliata sul parafulmine dalla scarica di un fulmine sull'oggetto.

Tipi di parafulmine [3]:

Quello descritto finora prende il nome di parafulmine a stilo e corrisponde al tipo ideato da Franklin, e viene di solito impiegato nella protezione di edifici molto alti ed a sviluppo prevalentemente verticale, come torri, fumaioli di fabbriche, ciminiere, grattacieli. Il suo raggio d'azione Spesso le punte dell'asta del parafulmine sono multiple e raccolte a configurazione stellare rispetto ad un punto centrale collegato al cavo conduttore di rame; questa configurazione aumenta il raggio di protezione del parafulmine rispetto all'asta verticale singola. A seconda del tipo di materiale utilizzato e della geometria della punta identifichiamo tra i parafulmini a stilo: quello a punta multipla in bronzo di Granet, quella di platino di Perrot, la punta multipla di Padre Secchi, a carbone di Patterson, a forca di Collaud, la punta multipla in zinco del Genio Militare, la punta a scaglioni di Buchin, quella ad aghi infusibili di Borghini e lo scricatore a propaggine costituito da una sfera a più punte.

Per la protezione di edifici più estesi si preferisce la Gabbia Melsens, formata da una rete di conduttori che contorna l'intero edificio, in modo da formare una vera e propria gabbia di Faraday che avvolge l'intera costruzione e messa a terra con il suolo. Tale sistema è più costoso ma più efficace e sfrutta come conduttori la rete di tubazioni dell'acqua già presente nell'edificio.

In alternativa diverse aste possono essere collegate in serie od in parallelo e posizionate in più punti dell'oggetto da proteggere in modo da assicurarne la protezione uniforme in tutte le sue parti costituendo una gabbia di Faraday esterna; generalmente questo sistema viene utilizzato per la protezione di edifici come duomi o cattedrali che presentano multe guglie (es. Duomo di Milano) e campanili in modo da assicurarne la copertura totale.

Il parafulmine radioattivo possiede le punte delle aste ricoperte di sostanze a debole radioattività, con la funzione di ionizzare l'aria circostante la punta e facilitare l'efficacia dell'asta ad attirare su di sé il fulmine piuttosto che sull'edificio.

Per la protezione di linee elettriche di trasporto di alta ed altissima tensione si utilizzano scaricatori di alta tensione, ovvero funi di guardia posizionate sopra ai cavi di alta tensione e collegate a terra lungo i pali di sostegno stessi. I parafulmini sulle navi sono del tipo a stilo sugli alberi collegati con funi di guardia tese tra gli alberi e discese collegate elettricamente alla parte dello scafo immerso in acqua.

L'ultimo tipo, il parafulmine laser [4], è più moderno ed ancora in fase di progettazione / sperimentazione e sfrutta il principio che fasci laser di opportuna lunghezza d'onda e focalizzati con opportune geometrie a seconda dei casi, ionizzano l'aria nei punti di focalizzazione costituendo un cammino conduttore preferenziale alla scarica del fulmine. Vengono utilizzati laser infrarossi ed ultravioletti utilizzati singolarmente od accoppiati (sistema più efficace). Il sistema è ancora in fase di prototipo per cui non è ancora utilizzato nelle costruzioni comuni. Verosimilmente, dato l'alto costo di funzionamento del laser, verrà impiegato a protezione di edifici come centrali elettriche.

Principio di funzionamento:

Il parafulmine si basa sull'idea che in caso di caduta accidentale di un fulmine sopra di un edificio, è meglio fare in modo che la scarica elettrica colpisca un punto predefinito in fase di progetto e che la corrente elettrica associata all'evento segua un cammino prestabilito, lontano da parti infiammabili o danneggiabili dell'edificio. In pratica il sistema asta-cavo conduttore-dispersore-terra costituiscono all'interno dell'edificio la via elettrica a minore resistenza elettrica presente e la corrente elettrica seguirà questa via piuttosto che un'altra. In caso di assenza di parafulmine la scarica elettrica potrebbe colpire parti incendiabili dell'edificio e provocare incendi (nota 3), come è accaduto per molte cattedrali romaniche e gotiche prima della sua invenzione; infatti le cupole ed i campanili delle cattedrali costituivano le parti più alte delle cittadine ed i fulmini vi si scaricavano preferenzialmente.

Il parafulmine sfrutta il principio detto "delle punte" che si basa sulla legge fisica che minore è il raggio dell'oggetto conduttore, maggiore è il campo elettrico nelle vicinanze (nota 2) dell'oggetto. Dato che nei corpi non a simmetria sferica le cariche elettriche superficiali non sono distribuite in modo uniforme, per fare in modo che l'interno del conduttore il campo elettrico si annulli, queste saranno concentrate sulle punte (spigoli). In questo modo nei pressi della punta conduttrice dell'asta del parafulmine si crea un campo elettrico che ionizza l'aria e che costituisce una via preferenziale di passaggio della corrente (minore resistenza) rispetto all'aria circostante. Quindi un fulmine che passi nelle vicinanze di un tetto di una casa e che sfiori nella sua traiettoria il parafulmine, viene attratto preferibilmente da questo, scaricandosi lungo il cavo conduttore ed arrivando al dispersore che provvede a disperderne il potenziale elettrico. Così il fulmine segue la via preferenziale predefinita e non una potenziale via pericolosa per l'integrità dell'edificio. Il parafulmine non attrae i fulmini dalle nuvole, ma veicola quelli che si scaricano al suolo lungo un cammino preferenziale non dannoso.

In generale un parafulmine efficiente protegge un'area di raggio pari a circa cinque volte la sua altezza da terra. Per questo motivo le ciminiere ed i fumaioli industriali, essendo molto alti (50-100 m), avevano un'elevata capacità protettiva verso gli edifici sottostanti.

Episodi curiosi:

Leggendo i giornali può capitare di trovare qualche episodio strano a soggetto meteorologico; eccone alcuni:

  • A differenza di quanto afferma il detto "un fulmine non cade mai due volte nello stesso punto" l'ufficio meteorologico degli Stati Uniti riporta lo strano caso in cui un ranger di un parco nazionale è stato colpito sette volte da un fulmine.

  • Marzo 1876: Secondo "Scientific American", molti testimoni della contea di Bath (Kentuky) riferirono di avere visto piovere pezzetti di carne dal cielo sereno ed alcuni frammenti sembravano proprio carne arrosto. La causa potrebbe essere un fulmine che ha cotto in volo uno stormo di uccelli.

  • 9 luglio 1995: Un fulmine durante un temporale a Bristol (Florida) colpì un albero e inviò la scarica attraverso l'acqua di una vicina fossa biologica. L'esplosione dell'acqua catapultò in aria un uomo di 69 anni che se ne stava seduto sul water. Il poveraccio venne soccorso, ma non riportò gravi conseguenze fisiche per l'accaduto.

Note:

  1. Il fulmine genera un tuono per effetto della rapida espansione dell'aria che si surriscalda lungo il suo tragitto e nelle immediate vicinanze. Se la velocità dell'onda d'urto provocata dall'espansione ha una velocità di circa 300 m/s si ha una deflagrazione (subsonica), mentre se si arriva a 8000 - 10000 m/s si ha una detonazione (ipersonica al di sopra di 350 m/s). La velocità del suono in aria in condizioni normali è di circa 330-340 m/s, mentre quella della luce provocata dal lampo è circa 300000 km/s per cui mentre il lampo arriva praticamente istantaneamente sull'osservatore, il suono può essere in ritardo anche di qualche secondo: possiamo stabilire quindi approssimativamente la distanza di un fulmine contando i secondi che intercorrono tra il lampo ed il tuono e tenendo presente che ogni secondo è pari ad una distanza di circa 300 metri. Un tuono che arrivi dopo tre secondi dal lampo sarà ad una distanza di circa un chilometro.
  2. L'equazione per stabilire l'intensità del campo elettrico presso le punte è [5]:
  3. E = q (4pe0r2)-1

    Dove:

    E = campo elettrico (Volt, V)

    q = carica elettrica (Coulomb, C)

    e0= costante dielettrica (8.85x10-12 F/m)

    r = distanza dalla superficie della punta

    Una punta ha un raggio di qualche millesimo di millimetro, quindi si possono generare anche campi elettrici intensi sulla sommità di un parafulmine.

  4. Quando una corrente elettrica attraversa una resistenza (nel caso di un conduttore sarà molto basa, mentre nel caso di un resistore sarà molto maggiore) si osserva il riscaldamento di quest'ultima ed la dissipazione della corrente elettrica a valle della resistenza stessa, secondo la legge:

P= i2R ovvero P=V2/R

Dove:

P = potenza (watt, W)

I = intensità di corrente (Ampere, A)

V = differenza di potenziale (Volt, V)

R =resistenza elettrica (Ohm, W )

Durante la scarica di un fulmine a terra scorre una corrente di 1x104A in un tempo di 20 ms con una potenza quindi di 10000xR watt; a seconda del tipo di resistenza offerta dal materiale incontrato (legno, mattoni, plastica, metalli) la potenza è sufficiente a scaldare il materiale legnoso e plastico e ad innescare un principio di incendio. Quando un fulmine colpisce un albero, se questo non è ricoperto di pioggia, lo attraversa scaricandosi all'interno delle vie linfatiche; qui la resistenza è sufficiente a riscaldare i tessuti fino all'evaporazione provocando un'onda d'urto in grado di lacerare il tronco e provocare la rottura dell'albero; in caso in cui l'albero sia ricoperto da un velo d'acqua piovana, questa agisce come conduttore alle elevate tensioni di un fulmine, ionizzandosi e scaricando il fulmine a terra lungo la superficie dell'albero che così rimane intatto.

 

Bibliografia:

1.Enciclopedia cronologia delle scoperte e delle invenzioni, Giorgio Rivieccio, Rusconi 1995

2.La nuova enciclopedia delle scienze, Garzanti 1988

3.Enciclopedia Motta, Quarta edizione, Motta 1968

4.Il controllo dei fulmini con il laser, J.C.Diels, R.Bernstein, K.E.Stahlkopf,X.M.Zhao, Le scienze 350, ottobre 1997

5.Fisica 2, Halliday, Resnick, Krane, 4a edizione, Ambrosiana 1994

6. dizionario della lingua italina, Garzanti 1988

7. IL - dizionario della lingua latina, Castiglione Mariotti, grazanti 1985

 

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