Pomóż w opracowaniu witryny, udostępniając artykuł znajomym!
Wbrew powszechnemu przekonaniu piorunochrony nie przyciągają piorunów, lecz przeciwstawiają się im. Wynalazek Benjamina Franklina z 1752 roku na stałe wpisał się w ochronę budynków przed niebezpiecznym piorunem. Dzięki podstawowym prawom elektrostatyki zapewnia nam bezpieczeństwo podczas burzy.
Co to jest błyskawica?
Błyskawica to naturalne wyładowanie elektrostatyczne, które występuje w atmosferze, zwykle podczas burzy. Może wystąpić między ziemią a warstwą chmur burzowych lub wyłącznie w atmosferze, między dwiema warstwami chmur. Wyładowanie jest spowodowane obecnością dużej różnicy potencjałów, która osiąga wartości 10-100 MV (megawoltów).Samo rozładowanie przebiega pod prądem do kilkuset kiloamperów. Po uderzeniu generowany jest ładunek o wartości około 5 kulombów i uwalniane jest do 1 GJ (gigadżuli) energii, w wyniku czego powstaje plazma o temperaturze około 50 000 K (kelwinów).
Powyższe liczby pokazują, jak niebezpieczne są błyskawice. Dla ludzi mogą być śmiertelne, są jedną z przyczyn pożarów, a także stanowią zagrożenie dla wszelkich urządzeń elektrycznych.
Ryż. 1. Rozkład ładunków elektrycznych w chmurze
Przyczyna pioruna
Zjawisko polaryzacji elektrostatycznej, tj. rozdzielenie ładunków dodatnich i ujemnych w objętości chmury odpowiada za wyładowania elektryczne w atmosferze. Z reguły dolna warstwa chmury gromadzi ładunek ujemny, podczas gdy jej górna warstwa pozostaje naładowana dodatnio. Przyczyną takiego rozkładu są liczne zderzenia cząsteczek wody i kryształków lodu wewnątrz chmury oraz różnice w rozkładzie ładunku elektrycznego między cząsteczkami cieczy i zamarzniętej wody.Pole elektryczne wytwarzane przez chmurę powoduje polaryzację powierzchni ziemi. Na jego zewnętrznej warstwie indukowany jest ładunek dodatni.
Powietrze jest izolatorem. Jednak w obecności silnego pola elektrycznego, nawet w dielektryku, może wystąpić ścieżka przewodzenia. Wynika to ze zjawiska jonizacji, tj. odrywanie elektronów od atomów. W powietrzu gromadzą się wolne elektrony i jony dodatnie, które zapewniają przewodnictwo ładunku. Przekształcenie powietrza dielektrycznego w przewodzącą plazmę umożliwia przepływ dużej ilości ładunku między chmurą a ziemią w postaci błyskawicy.
Błyskawice pojawiają się również nad ziemią, pomiędzy dolną a górną warstwą chmur burzowych.
Piorunochron lub instalacja odgromowa
Wynalezienie piorunochronu przypisuje się Benjaminowi Franklinowi (1706-1790), jednemu z założycieli Stanów Zjednoczonych, który był także filozofem, naukowcem, wynalazcą i politykiem.
Ryż. 2. Szkice wczesnych instalacji odgromowych (JAH Reimarus, szczegółowe zasady ochrony odgromowej dla wszystkich budynków, 1797).
Ryż. 3. Wkładki ozdobne do piorunochronów (L. Clasen. Piorunochrony w ich projektowaniu i montażu, 1895).
Ryż. 4. Nowoczesna ochrona odgromowa
Piorunochron spełnia podwójną rolę/Po pierwsze pozwala zmniejszyć różnicę potencjałów między chmurą a chronionym obiektem, powodując zjawisko jonizacji powietrza i neutralizując ładunek w chmurze. Jeśli to nie wystarczy, a wyładowanie nadal występuje, piorunochron zapewnia bezpieczne odprowadzenie ładunku do ziemi.
Piorunochron ma zwykle postać spiczastego pręta (patrz - rys. 4.), który jest instalowany w najwyższym punkcie budynku. Pręt ten jest uziemiony, tj. podłączony do grubego przewodnika, który łączy go z tzw. elektrodą uziemiającą, tj. metalowa elektroda umieszczona w wilgotnej warstwie ziemi.
Ochrona odgromowa
Rozkład ładunku elektrycznego na powierzchni ziemi iw chmurze tworzy pole elektryczne skierowane od dodatnio naładowanej ziemi do ujemnie naładowanej dolnej warstwy chmury. Pod działaniem tego pola w piorunochronie indukowany jest ładunek dodatni, a wolne elektrony pędzą na ziemię. Na spiczastej części piorunochronu gromadzi się ładunek elektryczny o dużej gęstości powierzchniowej. Następnie dochodzi do wyładowania koronowego - zjawiska, które występuje w wyniku jonizacji powietrza wokół piorunochronu.
Uwaga. Wyładowanie koronowe to wyładowanie elektryczne, które występuje w zjonizowanym gazie. Jest to możliwe nawet wtedy, gdy różnica potencjałów jest zbyt mała, aby spowodować przebicie lub łuk, ze względu na tworzenie się plazmy wokół naładowanej elektrody.
Elektrony ujemne są przyciągane do dodatnio naładowanego piorunochronu, a jony dodatnie do chmury.To z kolei zmniejsza ilość ładunku ujemnego w chmurze i zmniejsza różnicę potencjałów między chmurą a ziemią, co przeciwdziała powstawaniu wyładowań atmosferycznych.
Jednak jedna jonizacja powietrza wokół chronionego obiektu może nie wystarczyć. Chmury burzowe (cumulonimbus) to niskie chmury, czasami o wysokości zaledwie kilkuset metrów. Mogą jednak rozciągać się w pionie na kilka kilometrów. Przy dużym nagromadzeniu ładunku w ich dolnej warstwie może dojść do wyładowania elektrycznego. W tym przypadku piorunochron zapewnia ochronę przed niekontrolowanym przepływem dużego ładunku.
Ponieważ piorunochron jest najwyższym punktem budynku, istnieje największe prawdopodobieństwo uderzenia pioruna. Na szczęście piorunochron jest uziemiony, więc ładunek może spłynąć do ziemi bez powodowania zagrożenia.