Le giuste schermature per proteggersi dai campi elettromagnetici: come sceglierle?

Allo scopo di affrontare in maniera adeguata il problema dell’esposizione ai campi elettromagnetici, date le innumerevoli tipologie di sorgenti che si possono rilevare, è di importanza fondamentale trovare sempre il giusto compromesso tra la funzione che la sorgente inquinante deve svolgere ed i rischi che la stessa può generare per i soggetti potenzialmente esposti.

Infatti, come risulta evidente osservando i 2 esempi riportati sotto, anche in presenza di sorgenti caratterizzate da linee di forza chiuse e particolarmente “strette”, la percentuale di radiazione elettromagnetica dispersa dalla sorgente nell’ambiente, anche se ridotta, non risulta comunque trascurabile.
Per 2 casi esemplificativi di campi a “ridotta dispersione ambientale”, nelle figure seguenti vengono distinte le linee di forza del campo di induzione magnetica da cui ha origine la radiazione dispersa “indesiderata”, da quelle che risultano invece essere “funzionali” per il corretto funzionamento dell’apparecchiatura e del processo ad essa connesso: 

Caso 1): linee di forza del campo di induzione magnetica all’interno di induttori utilizzati nell’industria di lavorazione dell’acciaio, in importanti applicazioni quali processi di ricottura del materiale, piuttosto che in operazioni di saldatura longitudinale del tubo effettuate direttamente in linea.

	Radiazione dispersa “indesiderata”, causa dell’inquinamento elettromagnetico
	Radiazione funzionale
	Radiazione dispersa “indesiderata”, causa dell’inquinamento elettromagnetico

Caso 2): linee di forza del campo di induzione magnetica di un trasformatore con evidenziati i flussi dispersi da quelli utili.

A questo punto, chiarito il motivo dell’importanza dell’abbattimento della radiazione dispersa da una generica sorgente di emissione di campi elettromagnetici, è importante capire anche quali sono le principali vie per ridurre i rischi per i soggetti esposti a CEM:

• intervenire mediante accorgimenti progettuali, volti a ridurre la dose di radiazione elettromagnetica dispersa dalla sorgente nell’ambiente (vedasi, ad es., certi casi di emissioni “indesiderate” nei quali, attraverso l’adozione di taluni accorgimenti progettuali, è possibile ridurre l’intensità della radiazione dispersa al di fuori dell’area direttamente interessata dalla radiazione funzionale al processo).
• intervenire direttamente sulla struttura della sorgente mediante modifiche tecniche, geometriche ed architettoniche dell’apparecchiatura generatrice di radiazione elettromagnetica;
• ricorrere a dispositivi schermanti opportunamente progettati, tenendo conto del tipo di interazione che viene ad instaurarsi all’interno del “sistema” sorgente/ bersaglio.

Poiché non sempre è possibile intervenire direttamente sul rischio alla fonte, come si propongono i primi due orientamenti precedenti, spesso risulta strategico, se non vincolante, ricorrere a protezioni schermanti che, tra l’altro, hanno mediamente un rapporto costo/benefici estremamente vantaggioso: una lastra di materiale schermante non costoso, come il ferro o l’alluminio, si dimostra in molti casi efficace per schermare il campo magnetico creato da una generica linea o impianto di potenza.
Anche all’interno del comma 1 dell’articolo n°210 - Capo IV - Titolo VIII del D. Lgs. 81/08 si precisa che:

“A seguito della valutazione dei rischi, qualora risulti che i valori di azione di cui all’articolo 208 sono superati, il datore di lavoro, a meno che la valutazione effettuata a norma dell’articolo 209, comma 2, dimostri che i valori limite di esposizione non sono superati e che possono essere esclusi rischi relativi alla sicurezza, elabora ed applica un programma d’azione che comprenda misure tecniche e organizzative intese a prevenire esposizioni superiori ai valori limite di esposizione, tenendo conto in particolare:
…
c) delle misure tecniche per ridurre l’emissione dei campi elettromagnetici, incluso se necessario l’uso di dispositivi di sicurezza, schermature o di analoghi meccanismi di protezione della salute;
…

Dunque, s’intuisce facilmente come certe modalità di schermatura, possano assumere un ruolo preponderante tra le varie misure finalizzate alla protezione dei “lavoratori” dai rischi di esposizione ai campi elettromagnetici.
Vediamo quindi qualche considerazione su quest’ultimo ambito, per fornire alcune indicazioni importanti.
Il parametro principale per valutare l’efficienza di un sistema schermante è il grado di efficacia di uno schermo nell’attenuazione dell’intensità del campo elettromagnetico che può interessare un qualsiasi soggetto esposto ad una sorgente di radiazione elettromagnetica. Tale parametro è definito come il rapporto tra la potenza incidente irradiata dalla sorgente e quella trasmessa attraverso il dispositivo schermante che, in scala logaritmica, può essere espresso come:
 

Nel momento in cui l’energia irradiata dalla nostra sorgente interagisce con la superficie schermante, essa si scompone in diverse componenti, tra le quali abbiamo:

• una prima componente, legata sicuramente alla riflessione in corrispondenza della discontinuità di impedenza del mezzo (singola riflessione) aria-metallo;
• una seconda componente legata alla capacità di assorbimento posseduta dal materiale che costituisce lo schermo che, a seconda delle caratteristiche, può presentare valori di conducibilità diversi (tutti legati alle perdite) che, in ogni caso, risultano comunque essere finiti;
• una terza componente derivante dal fenomeno delle riflessioni multiple nella fase di attraversamento dello schermo che, come effetto finale, portano ad un aumento del campo al di là dell’interfaccia.

Inoltre, per quanto riguarda i meccanismi visti sopra di scomposizione dell’energia irradiata nel momento in cui interagisce con il mezzo schermante, ci limitiamo solamente ad aggiungere, in estrema sintesi, che sono di fondamentale importanza:

• la permeabilità dei materiali ferromagnetici (in grado di convogliare e deviare le linee di flusso del campo di induzione magnetica);
• l’elevata conducibilità dei materiali conduttori (in grado di dissipare, attraverso le correnti indotte nello schermo dal campo elettromagnetico incidente, buona parte della potenza irradiata dalla sorgente).

Di conseguenza, sulla base delle considerazioni appena fatte, nella definizione del grado di efficacia di uno schermo, concorrono numerosi fattori di cui bisogna assolutamente tener conto per orientarsi correttamente nella scelta del dispositivo schermante e di cui, qui di seguito, vogliamo fornirvi le informazioni essenziali.

Per operare una scelta corretta dello schermo più efficace, costituiscono indubbiamente alcuni tra i fattori più importanti che devono essere immediatamente presi in considerazione:

1. natura e le caratteristiche della sorgente
2. la tipologia del materiale
3. lo spessore dello schermo

Vediamo ciascun punto nei dettagli. 

1. natura e le caratteristiche della sorgente (tra cui, la geometria, il grado di impedenza, la frequenza, non sono che le principali)

a) in presenza, ad es., di sorgenti di campo lontano (quali antenne di stazioni base, apparati per le telecomunicazioni, sistemi RFID ad alta frequenza, …), generate normalmente da campi elettrici ed onde elettromagnetiche ad alta frequenza e ad alta impedenza (vedi profilo riportato nel grafico sotto), i dispositivi schermanti più efficaci risultano quelli in grado di:

• attenuare per riflessione alle due superfici di transizione (aria/metallo, in ingresso allo schermo e metallo/aria, in uscita al riparo);

o, in alternativa,

• attenuare per dissipazione di energia all'interno del metallo (ricorrendo, in questo caso, a materiali di elevata conducibilità);

Profilo tipico del modulo d’impedenza d’onda di una sorgente elettrica

b) in presenza di sorgenti di campo vicino, ad alta impedenza (quali, ad es., riscaldatori a perdite dielettriche, conduttori nudi aerei con tensioni nominali superiori a 100 kV, apparecchiature provviste di condensatori ad elevate capacità, …), generate normalmente da campi elettrici ed onde elettromagnetiche a media e bassa frequenza, i dispositivi schermanti più efficaci risultano quelli in grado di:

• creare una superficie equipotenziale capace di attenuare sensibilmente il campo nell’intorno della sorgente (gabbia di Faraday);

c) in presenza di sorgenti di campo vicino, a bassa impedenza (quali, ad es., forni e riscaldatori ad induzione, saldatrici, magnetizzatori/smagnetizzatori industriali, …), generate normalmente da campi di induzione magnetica ed onde elettromagnetiche a media e bassa frequenza (vedi profilo riportato nel grafico sotto), i dispositivi schermanti più efficaci risultano quelli in grado di:

• interporre schermi di corrente (è un classico, ad esempio, il metodo della spira chiusa in corto circuito), in grado di generare correnti parassite dissipative all’interno di schermi conduttori.

Profilo tipico del modulo d’impedenza d’onda di una sorgente magnetica

A livello di applicazioni, quest’ultima tecnica di schermatura particolarmente idonea per l’abbattimento della radiazione dispersa da sorgenti a bassa impedenza in campo vicino, oltre che trovare un impiego frequente nella schermatura dei trasformatori degli alimentatori, risulta essere notevolmente efficace anche per la schermatura del campo magnetico disperso dagli induttori (vedasi, ad esempio, gli induttori a spira utilizzati per il trattamento termico dei materiali o per la saldatura longitudinale di tubi prodotti in linea all’interno dell’industria di lavorazione dell’acciaio).

Tipica bobina di riscaldo di un induttore frequentemente installato nella sezione di trattamento termico di un tubificio in linea	Bobina destinata agli oscillatori a triodo, frequentemente utilizzata come induttore nelle sezioni di saldatura dei tubifici in linea

2. la tipologia del materiale che, in generale, può essere suddivisa in 2 gruppi principali:
a) materiali ferromagnetici (quali il ferro, il cobalto, il nichel e numerose leghe, principalmente a base di ferro), contraddistinti da valori di alta permeabilità magnetica (che, per certi materiali, raggiungono anche valori di 103 – 104), caratterizzati da perdite notevoli per isteresi;

Alcuni esempi di permeabilità magnetica relativa di importanti materiali ferromagnetici, quali il Ferro, il Cobalto, il Nichel e di alcune leghe da essi ricavate

b) materiali conduttori (contraddistinti, invece, da valori di elevata conducibilità elettrica), con perdite notevoli dovute alle correnti parassite.

Valori della conduttività di alcuni fra i principali materiali conduttori

La natura del materiale che costituisce il dispositivo schermante, influisce quindi notevolmente sulle modalità di abbattimento della radiazione elettromagnetica dispersa in ambiente:

• uno strato di materiale ad elevata permeabilità magnetica consente infatti una riduzione dell’intensità del campo di induzione magnetica mediante l’assorbimento del campo magnetico presente; il suo effetto schermante, simile ad un “ombrello”, risulta molto intenso nella zona adiacente lo schermo, ma tende a decadere piuttosto rapidamente man mano ci si allontana da quest’ultimo;
• uno strato di materiale ad elevata conducibilità elettrica, in presenza di un campo magnetico variabile (campo induttore) diventa sede di correnti di circolazione le quali, a loro volta, generano un campo magnetico di reazione (campo indotto): l’effetto combinato dei campi si traduce in un abbattimento complessivo del campo magnetico totale.

Quest’ultimo effetto diventa predominante in tutti i casi in cui, per schermare la sorgente di campo elettromagnetico, si ricorre a lamine di materiale conduttore come l’alluminio o il rame. Il campo magnetico esterno crea infatti, per effetto dell’induzione, una corrente parassita la quale genera un campo magnetico che tende a ostacolare il campo esterno.
Spesso, allo scopo di riuscire ad estendere il più possibile le proprietà schermanti del dispositivo nell’area interessata dalla sorgente, si ricorre ad una combinazione dei 2 materiali (ferromagnetico e conduttivo) all’interno di un dispositivo multistrato che permette di realizzare uno schermo con ottime capacità schermanti sia vicino allo schermo (grazie principalmente allo strato ferromagnetico) che lontano da quest’ultimo (grazie principalmente allo strato conduttivo).

3. lo spessore dello schermo, in rapporto alle caratteristiche del materiale schermante ed alla frequenza propria della sorgente:
premesso che, anche da un semplice confronto degli effetti di 2 schermi di materiale diverso (acciaio e rame di cui, nella tabella sopra, abbiamo riportato i rispettivi valori di conduttività), si vede subito che lo spessore di uno schermo non è l’unica variabile da cui dipende l’efficacia di schermatura, riteniamo importante evidenziare il fatto che, affinché uno schermo risulti efficace, indipendentemente dal materiale di cui è costituito, il suo spessore deve comunque essere maggiore della profondità di penetrazione, valutata alla più bassa frequenza di interesse.

Si spiega a questo punto facilmente come mai, in presenza di campi elettrici ed onde elettromagnetiche ad alta frequenza (vedi il caso delle sorgenti di campo lontano), l’interposizione di schermi metallici anche di pochi decimi di mm di spessore, insieme ad un’adeguata messa a terra a radiofrequenza, sia in grado di fornire un’efficace attenuazione dei valori di radiazione elettromagnetica dispersa nell’ambiente circostante alla sorgente.

Nei casi in cui, invece, abbiamo a che fare con sorgenti di campo vicino, lo spessore diventa una variabile secondaria nella definizione dell’efficacia schermante dello schermo. Infatti, per sorgenti a bassa impedenza, ossia sorgenti di tipo magnetico in campo vicino, l’effetto schermante è dovuto principalmente alle perdite per assorbimento. Queste perdite non sono molto elevate quando si lavora a bassa frequenza per cui, anche in presenza di uno schermo di spessore rilevante, non sono in grado di determinare una riduzione significativa della radiazione trasmessa. Occorre quindi ricorrere ad altre tecniche di schermatura del campo magnetico tra cui, come già sopra illustrato, il cosiddetto metodo della spira chiusa in corto circuito o, in alternativa, all’effetto dei materiali ad alta permeabilità (µ r >> 1).

In conclusione, allo scopo di poter soddisfare a determinati obiettivi di abbattimento dei campi elettromagnetici, la scelta del sistema schermante, sia a livello di definizione della forma, che delle dimensioni, che, da ultimo, degli spessori, deve basarsi sul principio di ottimizzazione dei parametri di cui sopra seguendo, come regola di base, quella per cui la mole di materiale schermante interposta tra l’area da schermare (interessata dallo stazionamento o dal transito di potenziali bersagli) e l’apparecchiatura generatrice di CEM debba essere comunque sufficiente per assorbire la radiazione dispersa in ambiente dalla sorgente, in funzione delle caratteristiche delle sorgenti stesse (quali la posizione, la potenza e, non ultima, la frequenza).

A questo punto, sorge spontanea una domanda: come possiamo accertarci che la scelta fatta, all’interno di tutti questi parametri e criteri, è effettivamente quella giusta?

Per avere conferma che l’orientamento preso ed il tipo di schermo scelto siano proprio quelli cercati, non rimane che dotarsi di apposita sonda e procedere con l’effettuazione di tutte le verifiche strumentali del caso!

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