Tại sao không sét đánh phá hủy cột thu lôi?

Sét đánh đã được biết là gây ra thiệt hại lớn . Các chỉ số trên một tia sét là:

mức hiện tại đôi khi vượt quá 400 kA, nhiệt độ tới 50.000 độ F. và tốc độ đạt gần một phần ba tốc độ ánh sáng

Đây là những con số khổng lồ, nhưng các hệ thống chống sét được thiết kế để kéo sét ra khỏi tòa nhà hoặc cấu trúc mà chúng đang bảo vệ. Hệ thống chống sét có thể được nghĩ đơn giản là các cột thu lôi được nối với mặt đất thông qua hệ thống cáp (dây dẫn).

Đặc điểm kỹ thuật của NOAA về chống sét yêu cầu các thanh sét có đường kính ít nhất 0,5in (13mm). Dây dẫn xuống là cáp đồng có kích thước tương tự ( 4/0 AWG hoặc 12 mm ). Cường độ cho phép đối với loại dây này chỉ khoảng 250A cho dòng điện không đổi. Tôi nhận ra rằng đây là giới hạn nhiệt nhiều hơn là giới hạn công suất hiện tại.

Từ bài báo này về chống sét (trang 28):

Phản hồi tích cực về hoạt động của một hệ thống chống sét hiếm khi được ghi lại và thường không được chú ý. Chỉ trong một số trường hợp hiếm hoi, nó mới có thể được ghi nhận rằng một hệ thống chống sét đã bị tấn công nếu nó hoạt động đúng và không có thiệt hại. Đôi khi có bằng chứng tại điểm chấm dứt đình công có thể được ghi nhận trong quá trình kiểm tra cẩn thận, nhưng hiếm khi có hiệu quả về chi phí đối với chủ sở hữu hệ thống chống sét để có được chuyên môn cần thiết để tiến hành kiểm tra cẩn thận như vậy.

Làm thế nào một mảnh kim loại 0,5 inch (13mm) dường như có thể xử lý sét đánh với rất ít hoặc không có thiệt hại rõ ràng mà không bị phá hủy hoàn toàn?

Thông số giới hạn hiện tại cho dây bị giới hạn bởi nhiệt mà dòng điện sẽ tạo ra và lượng nhiệt có thể tiêu tan của dây trước khi quá nóng. "Quá nóng" tùy thuộc vào hoàn cảnh. Bạn sẽ thấy xếp hạng hiện tại cao hơn cho cùng loại dây trong các ứng dụng dây khung gầm so với mã điện cho phép cài đặt tại nhà, ví dụ. Điều này chủ yếu là do nóng quá nóng. Giới hạn cuối cùng cho các ứng dụng cực đoan là dây dẫn không tan chảy. Nhiệt độ ở bất cứ nơi nào gần đó sẽ không an toàn chạy dọc theo các giá đỡ bằng gỗ bên trong một bức tường trong nhà.

Như bạn nói, dây được đánh giá 250 A liên tục . Sét được quyết định không liên tục. 1 ms là "dài" cho thời gian của sét đánh chính. Có thể có một vài nét trong một sự kiện, nhưng tổng thời gian vẫn còn ngắn và các nét không chính khác sẽ có dòng điện ít hơn đáng kể.

Làm toán. Bạn nói rằng dây có đường kính 12 mm, do đó có diện tích mặt cắt là 113 mm² = 113x10 ^-6 mét vuông. Điện trở suất của đồng ở 20 ° C là 1,68x10 ^{-8 m} . Do đó, chiều dài 1 mét của dây này có điện trở là

(1.68x10 ^-8 m) (1 m) / (113x10 ^-6 m²) = 149 Đánh

Sức mạnh với 400 kA thông qua mức kháng cự này là:

(400 kA) ² (149 Gian) = 23,8 MW

Lần 1 ms thời gian hiện tại được áp dụng mang lại năng lượng:

(23,8 MW) (1 ms) = 23,8 kJ

Mật độ của đồng là 8,93 g / cm³ và chiều dài 1 m của chúng tôi có thể tích 113x10 ^-6 m³, là 113 cm³.

(113 cm³) (8,93 g / cm³) = 1010 g tổng khối lượng đồng

Nhiệt dung riêng của đồng là 0,336 J / g ° C.

(23,8 kJ) / (0,386 J / g ° C) (1010 g) = 61 ° C

Điều này có nghĩa là đặt 400 kA qua dây đồng có đường kính 12 mm trong 1 ms sẽ khiến nhiệt độ tăng 61 ° C. Đó là một giá trị khá cực đoan cho một sét đánh. Các nét chính thường ngắn hơn đáng kể 1 ms và các nét khác có dòng điện ít hơn đáng kể. Tuy nhiên, ngay cả với những con số này cho thấy rằng trong khi dây chắc chắn sẽ trở nên khó chịu trong một thời gian, nó cũng nằm trong khả năng xử lý của dây mà không có bất kỳ lỗi cấu trúc nào.

[Điều này bắt đầu như một câu trả lời. Nhưng tính toán đã kết thúc 3 đơn đặt hàng cường độ ngắn.
Vì vậy, đây là nhiều hơn một bình luận, tôi đoán. ]

$5 \cdot 10^9 \text{J}$

$10.13 \text{ kg}$
$\text{0.385} \frac{\text{kJ}}{\text{kg °C}}$$1083 \text{°C}$$4.05 \cdot 10^5 \text{J}$
$\text{213} \frac{\text{kJ}}{\text{kg}}$$2.13 \cdot 10^6 \text{J}$

Tôi đã đưa ra một giả định rằng tất cả năng lượng của sét bị tiêu tan trong thanh. Nhưng, tôi không biết đó là một giả định lành mạnh.

¹ _{Mặc dù nó có công suất cực đại và dòng điện rất cao.}
² _Nguồn
³ _{Ai là Preece và Onderdonk? Bài báo về các phương trình đầu (1880, 1928) mô tả dòng điện làm cho dây bị nóng chảy.}