Громоотвод как работает: как работает? Принцип действия, инструкция по сборке!
как работает? Принцип действия, инструкция по сборке!
Сегодня мы погрузимся в мир теоретической физики, чтобы разобраться с тем, как работает громоотвод. На самом деле, это неправильное название, так как гром является звуковым эффектом — отвести его от здания не только нельзя, но и не имеет никакого смысла. Правильное название конструкции «молниеотвод», и оно наиболее точно отражает суть данного устройства.
Громоотвод — как работает
Содержание статьи
- 1 Что такое громоотвод и как он функционирует
- 1.1 Немного физики
- 1.2 Цены на молниезащиту и заземление
- 2 Принцип действия молниеотвода
- 3 Как правильно устроить молниеотвод на здании
- 3.1 Цены на держатели для токоотвода
- 3.2 Видео — Громоотвод в действии
Что такое громоотвод и как он функционирует
Итак, молниеотвод – это устройство, предназначенное для защиты зданий и сооружений от удара молний. Представляет собой заостренный металлический штырь, который устанавливается в вертикальном положении на крыше зданий или на отдельно стоящей высокой мачте.
От нижнего конца штыря идет проводник, который уходит в землю – заземление.
Принцип действия молниеотвода
Большинство людей думают, что основная функция молниеотвода заключается в том, что при прямом попадании молнии во время грозы он отводит заряд по проводнику в землю, где тот рассеивается, не повреждая здание. Да, это утверждение верное, и при попадании молнии именно так и произойдет.
Однако так бывает только в случае прямого попадания, что случается крайне редко. В прочих ситуациях громоотвод работает по-другому. Удивлены? На самом деле, все не так сложно и объяснимо, и сейчас вы в этом убедитесь.
Молния крайне редко попадает в громоотвод
Молниезащита тросовая
Немного физики
При образовании грозовых облаков происходит разделение зарядов. Мельчайшие капли воды приобретают отрицательные и положительные заряды, при этом отрицательные заряды скапливаются преимущественно в нижней части кучевого облака.
- На поверхности земли, а также на зданиях и сооружениях под заряженным облаком скапливаются индуцированные заряды противоположного знака, то есть положительные.
Нюансы разделения зарядов
- Между землей и облаками увеличивается напряженность электрического поля. Появляется разность потенциалов, достигающая миллионов вольт. Данной разницы достаточно для образования разряда, коим и является молния.
- Разряд молнии начинается со ступенчатого лидера. Под этим понимается слабосветящийся разряд, который движется по направлению от облака к земле со скоростью 50 000 км/сек. Путь молнии прокладывается по воздуху — он неоднороден, а значит, есть места с более высокой электропроводностью (больше количество заряженных частиц). По ним-то молния и проходит. По-другому можно сказать, что молния выбирает наименьший путь сопротивления.
Разряд молнии
- Приближаясь к земле, лидер направляется в те участки, где в данный момент имеется наибольшее количество индуцированных зарядов противоположного знака. Когда лидер достигает земли, все отрицательные заряды, находящиеся в ионизированном канале, устремляются в землю – сначала заряды из нижней части канала, а затем и из облака.
Таким образом, основной разряд идет снизу-вверх.Молния выбирает наименьший путь сопротивления
Наверное, всем известно, что молния поражает высокие объекты: деревья, вышки, мачты, дома. Но происходит так не всегда, так как многое зависит от электропроводности этих объектов. Например, ствол дерева содержит влагу, что позволяет образующимся в земле индуцированным зарядам перетекать на верхушку дерева, а значит, расстояние до нисходящего ступенчатого лидера сокращается. Ему нужно проделать меньший путь, поэтому удар с высокой долей вероятности придется в рассматриваемый объект. Так будет, если рассмотреть одиноко стоящее дерево.
Совет! Именно поэтому нельзя прятаться во время грозы под деревьями, которые стоят особняком. В относительной безопасности вы будете только в зарослях, да и то – не факт.
Большинство специалистов рекомендует поднимать молниеотвод на высоту до 18-20 м, особенно если здание находится в плотной застройке частного сектора
Справедливо перетекание зарядов также для высоких сооружений и зданий, однако если поблизости находится объект с более высокой электропроводностью, он накопит в себе больше индуцированных зарядов, и молния поразит именно его — несмотря на то, что оно может быть намного ниже.
Единственным проверенным средством, помогающим уберечься от удара атмосферного разряда, является молниеотвод
Данный эффект полностью объясняет поведение молнии. Иногда люди недоумевают, почему заряд поражает не высокое строение, а какой-нибудь маленький сарай, находящийся поблизости. Причиной может быть то, что он стоял на водоносном слое почвы, а вода, как мы знаем, является прекрасным проводником и однозначно будет содержать большее количество индуцированных зарядов.
Молниезащита загородного дома
Можно часто наблюдать деревья, пораженные молнией, около рек. Как известно, в силу гравитации реки протекают в самых низких участках рельефа, но так как вода в реке – это хороший проводник, содержащий много зарядов, в этой области создаются самые оптимальные условия для попадания молнии.
История молниеотвода
Совет! По этой причине во время грозы стоит держаться подальше от рек и водоемов.
Цены на молниезащиту и заземление
Молниезащита и заземление
Принцип действия молниеотвода
Итак, мы разобрались с поведением молнии, но до сих пор непонятно, как функционирует громоотвод.
Сейчас мы объясним и этот вопрос.
- Как уже было сказано, на земле появляется большое количество индуцированных зарядов, возникает сильное электрическое поле, которое будет усиленно у заостренных предметов, коим и является молниеотвод.
Принцип работы молниеотвода сводится к тому, чтобы переключить электрический удар на специальную проводную шину, отправляющую заряд молнии глубоко в землю
- В результате этого на верхушке устройства возникает коронный разряд, через который разряды из земли стекают вверх по воздуху в направлении грозового облака. Это означает только одно – индуцированные заряды не могут накапливаться на здании, а значит, молния в него бить не будет, так как наверняка поблизости найдутся более заряженные объекты.
- Вероятность того, что молния попадет в здание с громоотводом, падает практически до нуля. Именно поэтому случаи ударов в громоотводы такие редкие.
Принцип действия активного громоотвода
Согласитесь, все очень просто и понятно, если понимаешь суть явления.
Мы уже давно живем в информационном веке, поэтому быть невеждой современному человеку не к лицу.
Как правильно устроить молниеотвод на здании
Разобрав принцип работы громоотвода, будет неправильно оставить без внимания способ его устройства. Во второй части статьи мы расскажем, как своими руками смонтировать качественную защиту для вашего дома, чтобы уберечься от ударов молнии.
ГРОМООТВОДЫ. Фигура 1) Платиновый наконечник громоотводного стержня. 2) Проволочный кабель, зажатый наконечником. 3) Проволочный кабель с наконечником. 4) Соединение верхней части стержня а, который для сбережения места укорочен и обломан на чертеже. 5, 6) Пучки из стержней. 7, 8, 9 и 10) Скрепления основания стержня с деревянными частями крыши. 11 и 12) Муфты для соединения проводников. 13) Скрепление основания стержня с проводником, загибающимся вниз. 14) Конец подземного проводника, опущенный в воду колодца. 15, 16, 17) Подземные части проводника. 18) Якорь и корзина с углем — подземная оконечность проводника.
Существует множество вариантов исполнения молниеотвода, начиная с самых простых самодельных вариантов и заканчивая профессиональными системами от именитых производителей. Мы настоятельно советуем использовать заводские решения, так как они гарантированно будут работать (при правильном монтаже) и, что немаловажно, выглядят намного привлекательнее с эстетической точки зрения.
В качестве примера мы разберем, как монтируется молниезащита от белорусского производителя «ТерраЦинк». Данная система включает в себя широкий ассортимент аксессуаров и комплектующих, позволяющих выполнять монтаж на строениях разной формы и сложности. Основу системы составляет молниеприемник, который в зависимости от габаритов может представлять собой молниеприемную мачту или молниеприемный стержень. Всего насчитывается более 20 видов элементов.
Молниезащита «ТерраЦинк»
В комплект будут входить основание, треноги и держатели токоотвода.
Токоотводов компанией представлено 30 видов, что позволяет подобрать оптимальный вариант под любой фасад здания. Также система включает в себя 15 видов соединителей и зажимов токоотвода.
Держатель треугольной формы
Интересно знать! В качестве токоотвода для частных домов чаще всего используют 8-миллиметровый оцинкованный прут.
Система «ТерраЦинк» хороша еще и тем, что для установки вам не потребуется специальных инструментов. Монтаж выполняется за очень короткое время при том, что его можно осуществлять на эксплуатируемые здания. Комплектующие имеют небольшие размеры, что делает их незаметными на фоне строения.
Расположение элементов молниезащиты
Таблица. Как происходит установка такой молниезащиты?
| Шаги, фото | Описание работ |
|---|---|
Шаг 1. Установка держателей под токоотвод | Работа начинается с того, что на конёк кровли монтируются регулируемые держатели с металлическим стержнем. Фиксируются они очень просто — за счет затягивания крепежного винта. |
Шаг 2. Монтаж остальных держателей | Токопровод у нас пройдет по всей крыше, поэтому держатели устанавливаются по всему коньку с шагом 1 м. |
Шаг 3. Прокладка токопровода | Фиксируем в держателях токопровод диаметром 8 мм при помощи пластиковой защелки на верхушке держателя. Комментарий. Некоторые держатели имеют иное крепление токопровода, поэтому обязательно изучите перед монтажом прилагаемую инструкцию. |
Шаг 4. Торцевой загиб токопровода | Чтобы увеличить площадь покрытия молниезащиты, свободный конец токопровода, выступающий за край конька, рекомендуется загнуть вверх под углом 45 градусов. Делаем это с двух сторон. |
Шаг 5. Монтаж держателя токоотвода | На следующем этапе необходимо закрепить держатель под токоотвод. Монтируется он под черепицу или иные кровельные материалы, поэтому в месте установки придется произвести небольшой демонтаж, чтобы добраться до деревянной стропильной системы и обрешетки. |
Шаг 6. Установка держателей на скате | Далее аналогичным образом крепятся держатели прямо по кровле до самой нижней части. Шаг установки также составляет 1 м. |
Шаг 7. Дальнейшая разводка токопровода | В держатели 42202, идущие по кровле, устанавливается токопровод. Фиксация элемента аналогична той, что выполнялась ранее с коньковыми держателями. |
Шаг 8. Соединение токопровода | Подведенные с боков токопроводы необходимо соединить с центральным. Делается это при помощи зажимов №51515 при затягивании болтов. |
Шаг 9. Монтаж держателя под молниеприемник | Далее начинается процесс монтажа молниеприемника. Первым делом устанавливаем держатель. Проще всего его закрепить к вертикальной поверхности, например, стенке дымохода. 1. Для этого в ней просверливаются отверстия, в которые вставляются пластиковые дюбеля. 2. В них вкручиваются кронштейны до надежной фиксации. 3. Ставится стержень (молниеприемник), который фиксируется скобами, прикручиваемыми к кронштейну на болтовые соединения. |
Шаг 10. Соединения молниеприемника с токопроводом | С нижнего конца у стержня имеется резьба, на которую накручивается зажим прута №55422. Высоту расположения этого элемента стоит отрегулировать так, чтобы он находился на одном уровне с коньковым токопроводом. Далее происходит соединение по уже рассмотренному принципу. |
Шаг 11. Монтаж фасадных держателей | По фасаду, снизу-вверх, устанавливаются пластиковые держатели. Их монтаж аналогичен тому, как мы ранее крепили держатель молниеотвода. Шаг установки также составляет 1 м. |
Шаг 12. Закрепление токопровода на вертикали | Далее соединяем токопровод со стеновыми держателями. Свес кровли при этом необходимо обогнуть так, чтобы нигде не было контакта с кровлей и прочими элементами, особенно металлическими. Если при прокладке необходимо обойти водоотлив коттеджа, то используйте держатели для водостока. Токопровод при этом можно пропустить по водосточной трубе, используя специальные крепежные элементы. |
Шаг 13. Установка контрольного зажима | Токопровод должен заканчиваться на высоте 70 см от земли. На его конец крепится контрольный зажим |
Шаг 14. Копка траншеи | Далее необходимо выкопать траншею, по которой будут проложены металлические шины заземления. Длина траншеи составляет 1 м, а глубина – 50 см. |
Шаг 15. Установка держателя полосы | Под контрольным зажимом устанавливаем держатель полосы. |
Шаг 16. Установка полосы заземления | Затем прикрепляем полосу заземления. Она погружается в траншею с загибом и проходит по ее дну. |
Шаг 17. Установка контрольно-измерительного колодца | Устанавливаем контрольно измерительный колодец на край траншеи. |
Шаг 18. Сборка штырей для заземлителя | Осуществляем сборку комплекта штырей для заземлителя. Тут все просто – на резьбу накручивается переходная муфта, через которую элементы легко соединяются друг с другом. Внимание! Количество штырей, а соответственно, и глубина их погружения в почву, рассчитываются при составлении проекта. |
Шаг 19. Подготовка инструмента | По мере наращивания штыри забиваются в землю. Для этого вам понадобится специальная насадка на перфоратор и ответный ударный винт, который вкручивается в муфту, после чего удаляется и на его место становится следующий элемент штыря. |
Шаг 20. Установка штыря | Забиваем штырь перфоратором на расчетную глубину. Обязательно при соединении его частей пользуемся антикоррозионной токопроводящей смазкой. Также используем антикоррозионную ленту, которой обматываются все соединения, находящиеся под землей. |
Шаг 21. | Далее устанавливаем на конец штыря зажим для прута, после чего выполняем стыковку с полосой заземления. При этом зажим разворачивается перпендикулярно, как показано на картинке. |
Соединение штыря и полосы заземленияВиды расположения молниезащиты кровли
Цены на держатели для токоотвода
Держатели для токоотвода
На этом работа заканчивается. Вам останется лишь засыпать траншею и красиво все замаскировать. Если монтаж выполнен правильно, то система образует вокруг дома зону, при попадании в которую, молния уйдет в землю.
Видео — Громоотвод в действии
Как работает громоотвод, молниезащита Днепр • Протипожежний центр «БРАНДМАУЕР»
Содержание статьи:
- Что такое громоотвод?
- История изобретения громоотвода
- Эффекты разрядов атмосферного электричества
- Улавливание и отведение электричества
- Проектирование и монтаж систем молниезащиты
ЧТО ТАКОЕ ГРОМООТВОД?
Нужно отметить, что название громоотвод не совсем корректное.
По сути дела, гром это лишь звуковой эффект, сопровождающий разряд атмосферного электричества. Правильнее говорить, молниеотвод. Ведь именно молния во время грозы, является тем каналом, по которому электрический искровой разряд продвигается к земле. Разность потенциалов между грозовыми облаками и землёй достигает миллионов вольт. Этот электрический ток огромной мощности может принести непоправимые разрушения зданиям и сооружениям, если их от него не защитить.
Итак, громоотвод – это внешнее устройство, установленный на здании или сооружении, служащее для защиты от удара молнии. Такое устройство стремится замкнуть молнию на себя, чтобы иметь контролируемую точку удара и предотвратить удар молнии по нежелательной области или людям.
Но прежде чем объяснить, как работает громоотвод, мы хотели бы проследить его историю и познакомить вас с возможными последствиями ударов молнии.
ИСТОРИЯ ИЗОБРЕТЕНИЯ ГРОМООТВОДА
15 июня 1752 года, во время шторма в Филадельфии, ученый-изобретатель по имени Бенджамин Франклин (да-да, тот, что изображён на стодолларовой купюре) взорвал металлического каркасного воздушного змея.
Змей был привязан шелковым шнуром, в который предварительно Франклин вставил металлический ключ, поместив его рядом с рукой. Благодаря этому эксперименту он смог заметить, что через шелковую нить электричество достигало ключа и летели электрические искры.
Он сумел показать, что металлический ключ был электростатически заряжен. Далее он доказал, что облака были электрически заряжены, а что удары молнии были большими электростатическими разрядами.
Франклин обнаружил, что если молния, или электрический огонь, как он это называл, выйдет из облаков и найдет металлический канал на пути к земле, она останется там и рассеется. В результате серии экспериментов, в 1753 году, он открыл громоотвод типа Франклина. А воздушный змей, учавствовавший в экпериментах изобретателя стал самым известным в истории.
ЭФФЕКТЫ РАЗРЯДОВ АТМОСФЕРНОГО ЭЛЕКТРИЧЕСТВА
Как уже упоминалось, у разрядов атмосферного электричествае есть два очень характерных сопутствующих эффекта. Это молния, которая является световым эффектом из-за высокой циркуляции тока.
А также, гром, который является звуковым эффектом из-за расширяющейся волны воздуха, который нагревается за несколько микросекунд до очень высоких температур.
Но кроме этих эффектов мы можем упомянуть такие, как тепловые, физиологические, электрохимические эффекты и т. д. Наиболее важные, с точки зрения, разрушительного действия разрядов электричества, являются тепловые и физиологические.
Тепловые эффекты возникают из-за высокой температуры, достигаемой каналом стримера, по которому течет ток молнии. При основном разряде его температура находится в диапазоне 20000 — 30000 °C. Такие высокие температуры, конечно, вызывают большие повреждения, когда электрический удар попадает, например, в дерево или какое-либо строение.
С другой стороны, физиологические эффекты воздействуют на живые существа. Они проявляются в виде поражения электрическим током из-за ступенчатых контактных напряжений, которые появляются при разрядке молнии на землю.
УЛАВЛИВАНИЕ И ОТВЕДЕНИЕ ЭЛЕКТРИЧЕСТВА
Так как же всё-таки работает громоотвод? Для того чтобы защитить здание или сооружение от удара молнии, необходимо укротить стихийную природу атмосферного электричества.
Это означает, что электрический разряд должен быть пойман и контролируемо отведен в безопасном направлении, где в дальнейшеми будет утилизирован или рассеян. В подавляющем числе случаев, электрический разряд безопасно рассеивается в грунт.
В общем случае система молниезащиты состоит из:
- системы захвата (громоотводы)
- соединяющих проводников
- системы заземления
- ограничители напряжения
Для улавливания электрического разряда громоотвод имеет металлический наконечник, который соединен проводящей сетью с низкоимпедансной системой заземления (менее 10 ом). Для лучшего улавливания громоотвод должен быть установлен всегда над самой высокой точкой здания или сооружения, которое нужно защитить.
Во время грозы, высокое напряжение возникает между системой облако-земля из-за большого количества электрических зарядов, которые присутствуют как в основании облака, так и на поверхости земли. Это высокое напряжение является спусковым крючком для запуска нисходящего стримера (потока ионизированного газа), который рассекает диэлектрический воздушный слой между облаком и землей.
Образуется проводящий канал в виде трещин, подобных ветвям дерева, который мы можем наблюдать во время грозы. Очень высокое электрическое поле, возникающее в этой зоне, производит циркуляцию восходящих электрических зарядов противоположного знака через тело молниеотвода. Таким образом, инициируется восходящий стример, который встретится, замкнув цепь с нисходящим. После этого, захватывая его, рекомбинируется с ним и по системе заземления разгрузит всю мощь электрического заряда в землю, где тот безопасно рассеивается, благодаря огромной массе нашей планеты .
ПРОЕКТИРОВАНИЕ И МОНТАЖ
Для правильного проектирования системы молниезащиты сооружения необходимо сначала провести анализ степени риска поражения молнией и определить, необходима ли его защита. В утвердительном случае, когда молниезащита необходима, мы должны рассчитать, какой уровень защиты или коэффициент безопасности следует применить в этой конструкции (I, II, III или IV). Как только уровень защиты конструкции будет рассчитан, выбирается система молниезащиты, которая наилучшим образом соответствует индивидуальным потребностям каждого проекта.
Проектирование и монтаж систем молниезащиты сложный и ответственный процесс. Доверьте его специалистам нашей компании. Обращайтесь в ЧП КИПЦ «Брандмауер» – задача будет реализована на вашем объекте профессионально и не выходя за обозначенные рамки срока и сметы.
Делайте Ваши заказы!
Громоотвод: кто его изобрел и как он работает
Он привязал металлический ключ к своим воздушным змеям и продолжал запускать их в ненастные дни, пока 15 июня 1752 , ему не удалось поймать еще один болт. Электричество шло по струне воздушного змея, пока не достигло ключа. Так он продемонстрировал, что можно притягивать молнии к металлическим конструкциям, тем самым уберегая другие элементы от поражения.
Год спустя, в 1753 году, начали устанавливать первые громоотводы. Металлические стержни длиной от пяти до десяти метров с медным или платиновым наконечником (материалы с высокой электропроводностью). Их прогрессивная установка на крышах в Соединенных Штатах (а позже и в остальном мире) помогла спасти бесчисленное количество жизней и предотвратить пожары.
После того, как молния попала в ловушку, металлический стержень продолжал формировать проводящую линию . Эта линия была сделана из металлических стержней или медных проводов. В любом случае их функция заключается в подведении электричества к земле. Рассеиватель , который является не чем иным, как продолжением этой линии, был помещен под землю. Там электричество молнии разбавляется и поглощается, никому не причиняя вреда.
Эволюция оригинальной молнии: Никола Тесла
С тех пор, как Франклину пришла в голову его великая идея, много лило дождя (и гремел гром). Тем не менее, почти 300 лет спустя в мире есть много громоотводов, которые продолжают использоваться именно так, как он их спроектировал. Металлический стержень с медным наконечником, проводящая линия также имеет медь и подземный рассеиватель.
Однако эта схема претерпела важные изменения. В 1918 году Никола Тесла , первооткрыватель переменного тока , заметно усовершенствовал изобретение.
Он понял, что кончик громоотвода ионизирует воздух и по этой причине притягивает молнию. Однако в то же время он превращал циркулирующий воздух в проводник, что могло привести к неконтролируемым повреждениям. Так был создан громоотвод с точкой сбора и широким основанием , который был намного надежнее оригинала.
Позднее сочетание новых материалов и новых технологий добавило громоотводу еще больше усложнения, особенно в двух направлениях:
- Деионизирующие молниеотводы с электростатическим зарядом: молнии от образования на них. Сегодня большинство специалистов считают, что они не доказали его эффективность.
- Молниеотводы с разрядным устройством : они измеряют электростатические заряды облаков, чтобы предсказать, когда произойдёт удар молнии. Когда они его обнаруживают, они запускают вверх электромагнитный импульс, который служит для захвата болта на расстоянии. Таким образом, возможные повреждения от болта уменьшаются при падении на молниеотводы.
Интересные факты и анекдоты о молниях и громоотводах
- Краны не обладают молниезащитой: принцип работы громоотвода основан на сочетании отрицательного электрического заряда грозы с положительным электрическим зарядом земли. Молния притягивается металлическими проводниками. Это также относится к металлическим конструкциям, таким как краны, которые становятся огромными коллекторами молний.
- Эйфелева башня была спроектирована как гигантский громоотвод: на самом деле она была спроектирована как лаборатория для всех видов научных исследований, особенно для проверки теорий об электричестве и метеорологии. Этот громоотвод высотой более 325 метров получает в среднем 5 ударов молнии в год. В 1902 г. впервые фотограф М.Г. Лоппе увековечил момент, когда буря стала эмблемой Парижа.
Учебник по физике: молния
Возможно, самым известным и мощным проявлением электростатики в природе является гроза.
Грозовые бури неизбежны от внимания человечества. Они никогда не приглашаются, никогда не планируются и никогда не остаются незамеченными. Ярость удара молнии разбудит человека посреди ночи. Они посылают детей мчаться в родительские спальни, плача, чтобы убедиться, что все будет в безопасности. Ярость удара молнии способна прервать полуденные разговоры и занятия. Они являются частой причиной отмены игр с мячом и игр в гольф. Дети и взрослые толпятся у окон, наблюдая за молниями в небе, трепеща перед силой статических разрядов. Действительно, гроза — это самое мощное проявление электростатики в природе.
В этой части Урока 4 мы обсудим два вопроса:
- Какова причина и механизм, связанные с ударами молнии?
- Как громоотводы служат для защиты зданий от разрушительных последствий удара молнии?
Накопление статического заряда в облаках
Научное сообщество давно размышляет над причиной ударов молнии. Даже сегодня она является предметом множества научных исследований и теоретизирования.
Детали того, как облако становится статически заряженным, до конца не изучены (на момент написания этой статьи). Тем не менее, есть несколько теорий, которые имеют большой смысл и демонстрируют многие концепции, ранее обсуждавшиеся в этом разделе «Урока физики».
Предвестником любого удара молнии является поляризация положительных и отрицательных зарядов в грозовом облаке. Известно, что вершины грозовых туч приобретают избыток положительного заряда, а нижние части грозовых туч приобретают избыток отрицательного заряда. Два механизма кажутся важными для процесса поляризации. Один механизм включает в себя разделение заряда в процессе, напоминающем зарядку трением. Известно, что облака содержат бесчисленные миллионы взвешенных капель воды и частиц льда, движущихся и вращающихся турбулентным образом. Дополнительная вода с земли испаряется, поднимается вверх и образует скопления капель по мере приближения к облаку. Эта поднимающаяся вверх влага сталкивается с каплями воды внутри облаков.
При столкновениях электроны отрываются от поднимающихся капель, вызывая отделение отрицательных электронов от положительно заряженной капли воды или скопления капель.
Второй механизм, способствующий поляризации грозового облака, включает процесс замерзания. Поднимающаяся влага сталкивается с более низкими температурами на больших высотах. Эти более низкие температуры заставляют скопление капель воды замерзать. Замерзшие частицы имеют тенденцию к более плотному скоплению и образуют центральные области скопления капель. Замерзшая часть скопления поднимающейся влаги заряжается отрицательно, а наружные капли приобретают положительный заряд. Воздушные потоки внутри облаков могут отрывать внешние части от скоплений и уносить их вверх к вершине облаков. Замерзшая часть капель с их отрицательным зарядом имеет тенденцию притягиваться к нижней части грозовых облаков. Таким образом, облака становятся еще более поляризованными.
Считается, что эти два механизма являются основными причинами поляризации грозовых облаков.
В конце концов, грозовое облако становится поляризованным: положительные заряды переносятся к верхним частям облаков, а отрицательные части притягиваются к нижней части облаков. Не менее важное влияние на поверхность Земли оказывает поляризация облаков. Электрическое поле облака пронизывает окружающее его пространство и вызывает движение электронов на Земле. Электроны на внешней поверхности Земли отталкиваются отрицательно заряженной нижней поверхностью облака. Это создает противоположный заряд на поверхности Земли. Здания, деревья и даже люди могут испытывать накопление статического заряда, поскольку электроны отталкиваются нижней частью облака. С облаком, поляризованным на противоположности, и с положительным зарядом, индуцированным на поверхности Земли, сцена готова для второго акта драмы удара молнии.
Механика удара молнии
По мере увеличения накопления статического заряда в грозовом облаке электрическое поле, окружающее облако, становится сильнее.
Обычно воздух, окружающий облако, был бы достаточно хорошим изолятором, чтобы предотвратить выброс электронов на Землю. Тем не менее, сильные электрические поля, окружающие облако, способны ионизировать окружающий воздух и делать его более проводящим. Ионизация включает в себя отрыв электронов от внешних оболочек молекул газа. Таким образом, молекулы газа, из которых состоит воздух, превращаются в суп из положительных ионов и свободных электронов. Изолирующий воздух превращается в проводящий плазма . Способность электрических полей грозового облака превращать воздух в проводник делает возможным перенос заряда (в виде молнии) от облака к земле (или даже к другим облакам).
Молния начинается с развития шагового лидера . Избыточные электроны на дне облака начинают путешествие по проводящему воздуху к земле со скоростью до 60 миль в секунду. Эти электроны следуют зигзагообразными путями к земле, разветвляясь в разных местах. Переменные, которые влияют на детали фактического пути, недостаточно известны.
Считается, что присутствие примесей или частиц пыли в различных частях воздуха может создавать области между облаками и землей, которые обладают большей проводимостью, чем другие области. По мере роста ступенчатого лидера он может подсвечиваться пурпурным свечением, характерным для ионизированных молекул воздуха. Тем не менее, лидер шага не является настоящим ударом молнии; он просто обеспечивает дорогу между облаком и Землей, по которой в конечном итоге пройдет молния.
По мере приближения электронов ступенчатого лидера к Земле происходит дополнительное отталкивание электронов вниз от поверхности Земли. Количество положительного заряда, находящегося на поверхности Земли, становится еще больше. Этот заряд начинает мигрировать вверх через здания, деревья и людей в воздух. Этот поднимающийся вверх положительный заряд, известный как стример , приближается к ступенчатому лидеру в воздухе над поверхностью Земли. Стример может встретить лидера на высоте, эквивалентной длине футбольного поля.
Как только происходит контакт между стримером и лидером, намечается полный проводящий путь, и начинается молния. Точка контакта между наземным зарядом и облачным зарядом быстро поднимается вверх со скоростью до 50 000 миль в секунду. Целый миллиард триллионов электронов может пройти этот путь менее чем за миллисекунду. За этим первоначальным ударом следует несколько вторичных ударов или всплесков заряда в быстрой последовательности. Эти вторичные всплески разнесены во времени так близко друг от друга, что могут показаться единым ударом. Огромный и быстрый поток заряда на этом пути между облаком и Землей нагревает окружающий воздух, заставляя его сильно расширяться. Расширение воздуха создает ударную волну, которую мы наблюдаем как гром.
Молниеотводы и другие средства защиты
Высотные здания, фермерские дома и другие конструкции, подверженные ударам молнии, часто оснащаются молниеотводами . Крепление заземленного молниеотвода к зданию является защитной мерой, которая предпринимается для защиты здания в случае удара молнии.
Концепция громоотвода была первоначально разработана Беном Франклином. Франклин предложил, чтобы громоотводы состояли из заостренного металлического столба, который поднимался вверх над зданием, которое он должен защищать. Франклин предположил, что громоотвод защищает здание одним из двух способов. Во-первых, стержень служит для предотвращения разряда молнии заряженным облаком. И, во-вторых, громоотвод служит для безопасного отвода молнии в землю в случае, если облако разрядит свою молнию через молнию. Теории Франклина о работе громоотводов продержались пару столетий. И только в последние десятилетия научные исследования предоставили доказательства, подтверждающие, как они работают для защиты зданий от повреждений молнией.
Первую из двух предложенных Франклином теорий часто называют теорией рассеяния молнии . Согласно теории, использование громоотвода в здании защищает здание, предотвращая удар молнии. Идея основана на том принципе, что напряженность электрического поля вокруг заостренного объекта велика.
Интенсивные электрические поля, окружающие заостренный предмет, служат для ионизации окружающего воздуха, повышая тем самым его проводящую способность. Диссипативная теория утверждает, что по мере приближения грозового облака между статически заряженным облаком и громоотводом устанавливается проводящий путь. Согласно теории, статические заряды постепенно мигрируют по этому пути к земле, что снижает вероятность внезапного и взрывного разряда. Сторонники теории рассеяния молнии утверждают, что основная роль молниеотвода состоит в том, чтобы разряжать облако в течение более длительного периода времени, тем самым предотвращая чрезмерное накопление заряда, характерное для удара молнии.
Вторая из предложенных Франклином теорий о работе громоотвода является основой теории отвода молнии . Теория отвода молнии утверждает, что громоотвод защищает здание, обеспечивая проводящий путь заряда к Земле. Громоотвод обычно прикрепляется толстым медным кабелем к заземляющему стержню, закопанному в землю внизу.
Внезапный разряд из облака будет направлен к поднятому громоотводу, но безопасно направлен на Землю, что предотвратит повреждение здания. Громоотвод, прикрепленный к нему кабель и заземляющий столб обеспечивают путь с низким сопротивлением от области над зданием к земле под ним. Отводя заряд через систему молниезащиты, здание избавлено от ущерба, связанного с прохождением через него большого количества электрического заряда.
Исследователи молний теперь в целом убеждены, что теория рассеяния молнии дает неточную модель работы молниеотводов. Действительно, кончик громоотвода способен ионизировать окружающий воздух и делать его более проводящим. Однако этот эффект распространяется только на несколько метров выше кончика громоотвода. Несколько метров повышенной проводимости над кончиком стержня не способны разрядить большое облако, растянувшееся на несколько километров. К сожалению, в настоящее время не существует научно проверенных методов предотвращения молнии. Кроме того, недавние полевые исследования показали, что кончик громоотвода не обязательно должен быть заостренным, как предполагал Бен Франклин.