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

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 (8.85×10-12 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 1×104A 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