Помогнете на развитието на сайта, споделяйки статията с приятели!
Противно на общоприетото схващане, гръмоотводите не привличат мълнията, а й се противопоставят. Това изобретение на Бенджамин Франклин през 1752 г. става постоянен елемент в защитата на сградите от опасни мълнии. Благодарение на основните закони на електростатиката ни предпазва по време на гръмотевични бури.
Какво е мълния?
Мълнията е естествен електростатичен разряд, който възниква в атмосферата, обикновено по време на гръмотевична буря. Може да се случи между земята и слой гръмотевични облаци или изключително в атмосферата, между два слоя облаци. Разрядът се причинява от наличието на голяма потенциална разлика, която достига стойности от 10-100 MV (мегаволта).Самото разреждане протича при ток до няколкостотин килоампера. При удара се генерира заряд от около 5 кулона и се освобождава до 1 GJ (гигаджаула) енергия, което води до плазма с температура около 50 000 К (келвина).
Горните цифри показват колко опасна е мълнията. За хората те могат да бъдат фатални, са една от причините за пожари, а също така представляват опасност за всяко електрическо оборудване.
Ориз. 1. Разпределение на електрически заряди в облак
Причина за мълния
Феноменът електростатична поляризация, т.е. разделянето на положителните и отрицателните заряди в обема на облака е отговорно за електрическите разряди в атмосферата. По правило долният слой на облака натрупва отрицателен заряд, докато горният му слой остава положително зареден. Причината за това разпределение са многобройните сблъсъци на водни молекули и ледени кристали вътре в облака и разликите в разпределението на електрическия заряд между молекулите на течната и замръзналата вода.Електрическото поле, създадено от облака, предизвиква поляризация на земната повърхност. На външния му слой се индуцира положителен заряд.
Въздухът е изолатор. Въпреки това, при наличие на силно електрическо поле, дори в диелектрик, може да възникне път на проводимост. Това се дължи на явлението йонизация, т.е. отделяне на електрони от атоми. Във въздуха се натрупват свободни електрони и положителни йони, които осигуряват проводимост на заряда. Превръщането на диелектричен въздух в проводяща плазма позволява голямо количество заряд да тече между облака и земята под формата на светкавица.
Светкавица се появява и над земята, между долния и горния слой на гръмотевичните облаци.
Гръмоотвод или мълниезащитна система
Изобретяването на гръмоотвода се приписва на Бенджамин Франклин (1706-1790), един от основателите на Съединените щати, който също е философ, учен, изобретател и политик.
Ориз. 2. Скици на ранни мълниезащитни инсталации (JAH Reimarus, подробни правила за мълниезащита за всички сгради, 1797 г.).
Ориз. 3. Декоративни вложки за гръмоотводи (L. Clasen. Гръмоотводи в тяхното проектиране и монтаж, 1895 г.).
Ориз. 4. Модерна мълниезащита
Гръмоотводът изпълнява двойна роля/Първо, позволява да се намали потенциалната разлика между облака и защитения обект, причинявайки феномена на йонизация на въздуха и неутрализиране на заряда в облака. Ако това не е достатъчно и разрядът все пак се появи, гръмоотводът осигурява безопасно разреждане на заряда към земята.
Гръмоотводът обикновено има формата на заострен прът (виж - фиг. 4.), който се монтира в най-високата точка на сградата. Този прът е заземен, т.е. свързан с дебел проводник, който го свързва с така наречения земен електрод, т.е. метален електрод, поставен във влажен слой на земята.
Защита от мълнии
Разпределението на електрическия заряд на повърхността на земята и в облака създава електрическо поле, насочено от положително заредената земя към отрицателно заредения долен слой на облака. Под действието на това поле в гръмоотвода се индуцира положителен заряд и свободните електрони се втурват към земята. Върху заострената част на гръмоотвода се натрупва електрически заряд с висока повърхностна плътност. След това има коронен разряд - явление, което възниква поради факта, че въздухът около гръмоотвода се йонизира.
Забележка. Коронният разряд е електрически разряд, който възниква в йонизиран газ. Това е възможно дори когато потенциалната разлика е твърде малка, за да създаде пробив или дъга, поради образуването на плазма около заредения електрод.
Отрицателните електрони се привличат от положително зареден гръмоотвод, а положителните йони се привличат от облак.Това от своя страна намалява количеството на отрицателния заряд в облака и намалява потенциалната разлика между облака и земята, което противодейства на образуването на мълния.
Въпреки това, една йонизация на въздуха около защитения обект може да не е достатъчна. Гръмотевичните облаци (купесто-дъждовни) са ниски облаци, понякога високи само няколкостотин метра. Те обаче могат да се простират вертикално на няколко километра. При голямо натрупване на заряд в долния им слой може да възникне електрически разряд. В този случай гръмоотводът осигурява защита срещу неконтролиран поток от голям заряд.
Тъй като гръмоотводът е най-високата точка на сградата, той е най-вероятно да бъде ударен от мълния. За щастие гръмоотводът е заземен, така че зарядът може да се оттича към земята, без да причинява опасност.