научная статья по теме ЗАЩИТИ СВОЙ ДОМ ОТ МОЛНИИ Энергетика

Текст научной статьи на тему «ЗАЩИТИ СВОЙ ДОМ ОТ МОЛНИИ»

( I ^

ЗАЩИТИ свой дом от мопнии

V_)

Доктор технических наук Э.М. БАЗЕЛЯН

В один из грозовых июньских дней вместе со штормовым предупреждением центральное телевидение снова рекомендовало выключать мобильные телефоны и не раскрывать зонтики, чтобы не привлекать к себе молнию. О заячьей сушёной лапке в правом кармане речи не было, хотя пользы от неё столько же. Наверное, пора перестать удивляться, коль скоро в нашей школе физика исключена из обязательных экзаменационных предметов и потому большинство молодых людей становятся полноправными членами земной технократической цивилизации, не имея ни малейшего представления о её фундаментальных основах. Грустно всё это, а главное, - не оставляет перспектив в будущем. Не заботясь о полноценном образовании, страна лишается возможности развития - и технического, и нравственного.

Обяжи меня преподавать физику, я бы выбрал самую что ни есть гуманитарную школу, чтобы показать молодым, что лишая себя естественнонаучного образования, они лишаются возможности проникнуть в мир яростных страс-£ тей человеческих, ничуть не менее зна-8 чимых, чем те, что описаны Шекспиром

1 и Пушкиным.

| Наверное, я бы обязательно расска-§ зал о Майкле Фарадее, молодом уче-

2 нике переплётчика. В самом начале | XIX в., окончив начальную (тогда - пятилетнюю) школу в Лондоне, он вдруг

К заинтересовался наукой. Английское § общество понимало пользу знаний. Уже <? тогда работал Королевский институт. | Его главной задачей была общественная | пропаганда наиболее весомых научных = достижений. Институт существовал на частные пожертвования и те самые шиллинги, что надо было заплатить за вход

на воскресные лекции. Их читали выдающиеся учёные того времени. Так Майкл Фарадей услышал электрохимика Гемфри Деви (благодаря электролизу расплавов он открыл щелочные металлы) и навсегда заболел электричеством. Он добился места лаборанта у Деви, но, как любой гений, не пошёл дорогой учителя, а нашёл собственную задачу, и ей не было ещё равных в истории исследования электричества. В 1820 г. Эрстед установил, что электрический ток создаёт магнитное поле. Факт безусловный. Но в природе уже наблюдался принцип обратимости: механическое движение рождает тепло и, наоборот, теплота производит движение. Не исключено, что принцип этот универсален. Если так, то магнитное поле обязано создавать электрический ток. Так думал Фарадей.

На решение проблемы ушли годы. История обросла правдоподобными легендами. Говорят, что Фарадей постоянно носил с собой пару магнитиков в надежде, что они позволят ему решить загадку. По другому историческому анекдоту он изготовил катушку с проводом, в полую сердцевину которой вводился магнит. К катушке был подключён гальванометр. Экспериментатор следил за его стрелкой после ввода магнита. К несчастью, гальванометр, якобы, стоял на другом столе. Посмотреть на него во время ввода магнита не удавалось. Прошли годы, прежде чем выяснилось, что электрический ток возбуждается в проводящем контуре, когда его пронизывает изменяющееся во времени магнитное поле. Оно менялось, когда магнит вводился в катушку или вынимался из неё. По легенде в эти короткие мгновенья экспериментатор отворачивался от гальванометра и не видел его вздрагивающей стрелки. Фарадей понял проис-

2

© Э.М. Базелян

ходящее далеко не сразу и не сразу родился электрический век, в котором мы живём. У человека появился неограниченный источник электрической энергии. Для её производства достаточно было перемещать магнит руками либо при помощи ветра, воды, пара - любое механическое движение посредством магнитного поля превращалось в энергию электрического тока. Инженерная мысль создала на этой основе электрические генераторы.

Прочитав заголовок этой статьи, читатель вправе спросить: "Почему Майкл Фарадей? К защите дома от молнии прямое отношение имеет другой самоучка - Бенджамин Франклин!" В том нет сомнений. Распознав электрическую природу молнии и придумав молниеотвод, Франклин решил очень важную проблему в молниезащите, единственно важную в его время, - он научился спасать дома от контакта с каналом молнии и тем самым ликвидировать пожары. Все это сохранило свою значимость и сегодня, однако проблема термического действия молнии отодвинулась на второй план, уступив первенство её электромагнитному полю.

Дорогой читатель, давайте пройдем к вашему дому и разберёмся во всём прямо на месте. Время выбрано удачно. Небо потемнело, уже слышны глухие раскаты, а неслабый ветер обещает скорое приближение грозы. Начал накрапывать дождь. Пожалуй, время открыть зонты. Не бойтесь, пожалуйста. Говорят, что металл притягивает молнию? Притягивает, но ничем не лучше, чем тело человека. В какой-то мере этот вопрос мы уже обсуждали в журнале1. Молния никогда не ударяет в человека, в зонт, дерево или дом. На деле её перехватывает плазменный канал, что прорастает навстречу от этих наземных сооружений. Специалисты называют такой канал встречным лидером. В начале его развития требуется ток в 10-20 А. Через металлический стержень (стойка зонта) столь слабый

1 Базелян Э.М. Молниезащита сегодня // Энер-

гия: техника, экономика, экология. 2011. № 5.

в масштабе молнии ток проходит без потери напряжения, не препятствуя росту встречного лидера. Тело человека - проводник куда менее качественный. Его сопротивление принимают равным 1000 Ом. Ток в 10 А по закону Ома приводит здесь к потере напряжения 10 000 В, величина несопоставимо малая по сравнению с напряжением в многие миллионы вольт между облаком и землей.

В лаборатории не раз пытались повлиять на многометровую искру включением подобного сопротивления. Эффект оказывался нулевым. К тому же металлическая стойка зонта не шунтирует сопротивления человека. Зонт остаётся в его руке и не достаёт до земли. С зонтом или без зонта ток встречного лидера всё равно потечёт по человеку. Влияние зонта, если и проявляется, то только через увеличение высоты. Средний человек возвышается над землей примерно на Л = 1.8 м. За счёт зонта эта высота нарастает примерно на 0.5 м. Двух приведённых цифр достаточно для оценки эффекта. Вне города, в чистом поле сосредоточенный объект собирает молнии с круга радиусом примерно в три свои высоты. Для человека без зонта площадь стягивания составит в = 9пЛ2 - 90 м2, с зонтом вырастет до 150 м2. Значит, зонт увеличит число ударов молнии в 150 : 90 - 1.6 раза. Есть о чём беспокоиться? Чтобы правильно ответить на этот вопрос, надо обратиться к абсолютным цифрам. Для средней полосы России на 1 км2 поверхности земли при- „ ходится около 3-4 молний в год. При пло- § щади стягивания 150 м2 нужно ожидать £ ежегодно N = (3-4) х 150 : 1 000 000 = I = (4.5-6) х 10-4 молний в год, что эквива- 2 лентно примерно одному реальному уда- ® ру за 1 : (4.5-6) х 10-4 - 2200-1700 лет | жизни. Как видите, опасность не слиш- 2 ком велика, особенно если учесть, что | человек не торчит всю свою жизнь в от- § крытом поле, часто отсиживается в гро- « зу под крышей, а в городе вероятность | удара молнии, как минимум, на порядок ? меньше из-за активного перехвата гро- = зовых разрядов высокими зданиями. Они играют роль естественных молние-

отводов. Подумайте теперь, стоит ли пренебрегать зонтом под не слишком тёплым ливнем.

Мы у дома. Самое время оценить для него число прямых ударов молнии. Методика прежняя - расчёт площади стягивания. Нанесите в плане контур своего дома. Параллельно внешнему периметру проведите замкнутую линию, отстоящую от контура на 3 высоты дома. Если дом разновысокий, пусть это будет максимальная высота. Линия ограничит площадь стягивания молний (с некоторым запасом при максимальной высоте). Вычислите её любым методом, хоть по клеточкам на линованной бумаге. В случае обычного дома, не замка поп-звезды, вряд ли получится больше 5000 м2 = = 0.005 км2. Значит, в средней полосе России надо ожидать 0.015-0.02 удара молнии за год, то есть не больше одного удара за полвека жизни в доме.

Теперь другая оценка. Дом питается по воздушной линии электропередачи напряжением 220/380 В. Во многих районах нашей страны это ещё линия с голыми проводами. Между фазным и нулевым проводами такой линии вполне порядочное расстояние, скажем й = 0.4 м, а от трансформаторной подстанции до вашего дома примерно I = 200 м. Полезно посмотреть, что может навести молния в такой линии по закону электромагнитной индукции, открытому Фарадеем. Вспомните его опыты. Напряжение возникает только при изменении магнитного поля. Его индукция от длинного вертикального канала молнии с током 1М на расстоянии г равна

П0IМ

В =-. В этой формуле из школьного

2к г

учебника физики = 4п х 10-7 - магнитная проницаемость вакуума. Электродвижущая сила (ЭДС), возбуждаемая током, определяется изменением магнитного потока Ф = Вв через проводящий контур площади в, в нашем случае он ограничен проводами электрической сети £ = = 0.4 х 200 = 80 м2. Чтобы вместо магнитной индукции получить скорость её изменения, надо заменить в формуле ток молнии на скорость его роста А1 . Это дает элементарную расчётную формулу для наведенной ЭДС:

_ А! По £

иМ г .

2кг

Скорость роста тока молнии заслуживает отдельного разговора. Полезно хорошо почувствовать эту величину. Вот, например, спираль вашего электрического чайника с током 10 А. Он питается от электрической сети переменного тока частотой 50 Гц. Ток меняется во времени по синусоиде с периодом 1 : 50 = = 0.02 с, нарастая от нуля до максимума за четверть периода, то есть за 0.005 с. Средняя скорость роста равна при этом А1 = 10 : 0.005 = 2000 А/с. Так вот, для молнии при расчёте воздействия её магнитного поля скорость роста тока принимается не меньше 100 млрд А/с. Мой компьютер не выдержал такого количества нулей, посчитав их при наборе текста за ошибку. Пришлось повторить запись в грамотной форме - 1011 А/с.

Легко подсчитать, что ждёт линию электропередачи вашего дома. Для оценки будем ориентироваться не на самую близкую молнию. Пусть она ударила в землю на расстоянии г = 200 м от линии.

1011 X 4к10-7 X 80

= 8000 В.

Тогда иМ = =

М 2 к X 200

Перенапряжение в 8 кВ электрическая проводка дома безусловно не выдерж

Для дальнейшего прочтения статьи необходимо приобрести полный текст. Статьи высылаются в формате PDF на указанную при оплате почту. Время доставки составляет менее 10 минут. Стоимость одной статьи — 150 рублей.

Показать целиком