Лінійна блискавка, природа явища та захистХіміч О. С., Тертус Л. С. 2005р.ВступЛінійна блискавка (ЛБ) – електричний розряд в повітрі між землею і хмарами, або між хмарами. ЛБ виникає внаслідок утворення в повітрі різниці потенціалів між електронно неоднорідними осередками в самій хмарі, або між землею і хмарою. По своїй природі ЛБ є електричною дугою, виникнення якої супроводжується світловою та звуковою енергією. Метою даної публікації є поєднання різних почутих та існуючих на даний момент наукових підходів щодо пояснення сутності лінійної блискавки, внесення певних корективів щодо існуючих тривіальних, часто неправильних уявлень щодо природи явища, особливостей дії блискавки, які часто трактуються невірно. Нагальність такої публікації зумовлена відсутністю висвітлення такого природного явища в публіцистичній літературі як блискавка. Природа явищаСлід перш за все відмітити, що небо та Земля нагадують собою модель конденсатора, де поверхня землі та небо є пластинами, між якими можуть утворюватись розряди. Під час звичайного дощу, при падінні водяні краплі при проходженні через перенасичене вологою повітря в напрямку до землі, мають тенденцію до збільшення маси. Збільшуючи свій діаметр під дією прискорення вільного падіння, крапля збільшує свою швидкість. При цьому відбувається дуже незначна часткова втрата електронів молекулами води, які розміщені на поверхні крапель. Від поверхневих молекул води в краплі поступово починають відриватись електрони. Відділення електронів від крапель води призводить до того, що краплі набувають позитивного заряду, який є дуже незначним по своїй величині. Позитивно заряджені краплі несуть свій заряд до поверхні землі і при падінні на її поверхню віддають його. Для зручності, в поясненні нижче наведені ілюстрації, де відрізку АС відповідає громовідвід (висотна будівля, заводська труба, антенна щогла), відрізками СВ та кривими горизонтальними лініями зображена поверхня землі з розподіленим на ній позитивним зарядом. На противагу позитивним зарядам, які покидають місце свого виникнення у вигляді позитивно заряджених крапель, електрони, що залишились в повітрі, відірвавшись від крапель, створюють від’ємний заряд в атмосфері. Ці електрони по мірі свого накопичення, по закону притягання різнойменних зарядів, починають стрімко рухатись до поверхні позитивно зарядженої землі. Вільні від молекул електрони починають рухатись, утворюючи інтенсивні канали руху електронів з повітря до землі з поступовим наростанням інтенсивності руху. Найбільш інтенсивні потоки електронів з неба тікають до землі через найбільш виступаючі ділянки земної поверхні. (Див мал. 1,2) Слід одразу відмітити, що зимою, навіть під час значного снігопаду, факт виникнення блискавки реєструється досить рідко. Над цим питанням мало хто задумується. Пояснюється це тим, що тверда кристалічна структура води тримає молекули на місці, і відрив електронів може відбутись тільки від електронів, що розміщені по бокам кристалічної структури. Молекули, що віддали свої електрони, будучи по бокам сніжинки не можуть переміститись через свою зв’язаність в кристалічній структурі, не даючи можливості іншим молекулам втратити електрони. Окрім того, швидкість падіння сніжинок не швидка, тому зимою блискавка під час тих самих опадів, як правило снігопадів, зустрічається досить рідко через те, що небо залишається більш-менш електрично стабільним.
Мал.1 Розподіл зарядів по поверхні землі та в атмосфері при початку зливи.
Мал. 2 „Наближення” зарядів. Відбувається відтік електронів через відрізок АС який може являти собою будівлю або інший провідник.
При поступовому наближенні зарядів і прискоренні швидкості руху електронів з неба до струмопровідного об’єкту, потоки руху електронів перетворюються в сильний електричний розряд, який за декілька секунд нейтралізує різнойменно заряджені середовища. Під час самого розряду, за лічені десяті долі секунди, в каналі блискавки проходить основна кількість електронів, що обумовила розряд. Товщина самої блискавки (каналу блискавки) становить приблизно 5-10 см і має довжину від одного до декількох сотень кілометрів. Захист від блискавкиЯк відомо, створення громовідводів в свій час врятувало від пожеж сотні дерев’яних будинків. Принцип дії громовідводу полягає в тому, що провідник, як правило товстий металевий дріт, що проходить від даху і до поверхні землі, забезпечує „наближення” позитивного заряду в небо, створює шлях „відтоку” для вільних електронів, що стрімко наближаються з неба до поверхні землі і на своєму шляху обирають траєкторії польоту, де провідники будуть мати найменший опір (або найвищу провідність). Ділянки такого найменшого опору являють собою висотні будівлі, пагорби, вежі, опори електропередач. Всупереч деяким неправильним переконанням, громовідвід, або висотна будівля, опора лінії електропередач (на малюнку відрізок АС), може захищати відносно невелику ділянку землі навколо місця його розміщення. В даному випадку це відрізок СВ. Відстань, на яку захищає громовідвід від місця свого розміщення, відповідає висоті самого громовідводу. Тобто ?АВС є рівнобедреним. Об’єм повітря, який захищається громовідводом нагадує конус, за висоту якого взята висота будівлі (відрізок АС). Такий конус в бічній проекції утворює рівносторонній трикутник зі стороною АВ та вершиною АС.
Мал. 3 Як видно з зображення, відрізки AS, CS, SB мають різний електричний опір. R1< R3< R2 За точку S взяте уявне вогнище від’ємного заряду, що виникло в небі під час грози. Судячи з малюнку най вірогідніша траєкторія розряду пройде по відрізку AS, так як опір цього відрізку найменший, хоча існує ймовірність розряду по SB траєкторії.
Мал. 4 Не згадана вище траєкторія CS шляхом розряду не слугує, т. Я. Опір цього відрізку найбільший, чим і пояснюється частковий захист відрізку СВ від удару блискавки. Як правило, наведенні приклади захисту громовідводами від ударів блискавки мають саме такий принцип захисту, але бувають виключення з цього правила, т. я. сама дуга блискавки далека від прямолінійного електричного розряду і по формі може нагадувати навіть півколо. Громовідводи, нуль в електромережах (N), системи водопостачання, опалення, великі металеві предмети в електротехніці заземлюються. Способів заземлення існує декілька, але принцип один: при заземленні за мету ставиться створення якнайкращого контакту із землею металевого провідника, шляхом його закопування в землю. Що необхідно робити коли злива спіткала зненацька? Найбільш небезпечно при цьому залишатись на відкритому просторі. Інциденти трапляються саме при таких умовах. Необхідно знайти ділянки землі, що знаходяться найнижче на даній місцевості. Захистом можуть слугувати лінії електропередач, особливо високовольтні, в яких громовідведення непогано передбачене. Окрім того, вздовж ліній електропередач, безпосередньо під приблизною зоною захисту території проводами, можна продовжувати рух. В деяких виданнях автори визнають цілком безпечну можливість очікування кінця зливи в автомобілі. Безпечними є також будинки, в яких проведена електрика або встановлене заземлення. В містах, при значній забудові багатоповерхівками, випадки враження людей блискавкою є поодинокими, т. я. основна кількість розрядів вдаряє саме у висотні споруди.
Мал. 5 Об’єкти, що заземлені (Опори електропередач, громовідводи, металеві корпуси від обладнання часто мають таке позначення). Небезпека при ударі може загрожувати навіть при знаходженні близько біля місця, де влучила блискавка, або біля громовідводу, який має погане заземлення. Прикладами таких „невдалих” громовідводів можуть бути дерева, особливо на відкритій місцевості, під якими ще з ранніх літ дітям радять не ховатись під час грози. При влученні блискавкою в такі об’єкти виникає загроза виникнення так званої „крокової напруги” на ділянці землі, де розташований такий псевдо-громовідвід. Суть виникнення такої напруги характеризується тим, що розряд, який потрапляє на землю від блискавки, починає розсіюватись в землі у всіх напрямках. Наприклад, місце удару зазначене вертикальною стрілкою, а напрямок руху електронів на ділянці АВ зазначений довгою горизонтальною стрілкою. Тоді електрони, які потрапили в землю, будуть рухатись радіально у всіх напрямках в землі від місця удару, шукаючи траєкторії проходження з найменшим опором для розсіювання розряду. Між ділянками землі, які неоднаково віддалені від місця удару, буде виникати різниця потенціалів. При знаходженні ніг, навіть у взутті, розставлених на різній відстані на поверхні землі від місця удару розряду, людина може отримати електротравму. (Див. Мал.6) Навіть якщо місце удару блискавки віддалене від місцезнаходження людини на кілька десятків метрів. В такому випадку частина струму пройде через нижні кінцівки, не пошкоджуючи життєво важливі органи. В літературі наведено різний рівень травмування людей при ударі блискавки неподалік., підошви ніг яких були розміщені разом, та підошви ніг яких розміщувались як під час ходи. Дуже часто частина електронів проходить від точки А через ступню, гомілку, стегно, через таз, і вертається аналогічним шляхом через другу ногу в точку В, часто спричиняючи електротравми. Ділянка землі по напрямку від одної ноги до іншої може мати набагато більший опір (R1 ) чим шлях проходження по шляху з опором ( R2 ).
Правило „Стрибання на одній нозі” часто використовується, коли необхідно перейти відрізок шляху на якому лежить оголений дріт під напругою, що впав з лінії електропередач. В такому випадку стрибати на одній нозі маючи хоч якесь взуття можна навіть по самому оголеному дроту, без особливої шкоди для організму, головне – не торкнутись іншою ногою до землі. Наближатись стрибками потрібно при наближенні та віддаленні, до безпечної відстані, продовживши через кілька десятків метрів рух кроками. Величина безпечної відстані залежить від напруги на лінії електропередач та провідності землі, а конкретніше, від кількості вологи в ґрунті.
Чому розряд блискавки кривий по своїй формі та часто має відгалуження від основного каналу блискавки?
Як відомо, однойменні заряди мають тенденцію до відштовхування. Позитивно заряджене повітря біля земної поверхні внаслідок взаємного відштовхування однойменно заряджених частинок вологи і молекул внаслідок свого нагрівання сонцем біля поверхні землі, поступово буде втрачати свою густину. За законом Архімеда таке повітря буде виштовхуватись догори, підсмоктуючи під себе холодні і часто з від’ємним зарядом прошарки повітря. Частково такі переміщення повітря спричиняють сильні вітрові потоки, особливо, коли повітря вдень встигло прогрітись тільки в приземних шарах. При такій передуючій погоді зливи часто супроводжуються вітрами.
Мал. 7 Зображений електрично нерівномірний простір. В наслідок розряду формуються „гілки блискавки”, які примикають до основного каналу. Положення гілок може мати любий кут нахилу щодо основного каналу блискавки.
Мал. 8 Зразу після блискавки відбувається максимальна взаємна нейтралізація зарядів. На деякий проміжок часу середовище залишається однорідним.
Отже, потоки електронів змінюють також свій напрямок руху, який тепер може бути спрямований не вертикально до землі, а горизонтально в область повітря з додатнім зарядом, вирівнюючи електричну неоднорідність в середовищі. За таким принципом формуються також „гілки блискавки”.
Слід одразу зауважити, що позитивно чи негативно заряджене середовище може зміщуватись вітровим потоком, тому часто візуально або при відеозаписах можна відмітити короткочасне швидке зміщення каналу блискавки за напрямком вітру.
Встановлена також залежність розряду блискавки від напрямку силових магнітних ліній Землі. Так, у тропічних широтах та субтропіках ?90% всіх блискавок, що виникають, мають більш горизонтальний характер, паралельно магнітним лініям, а в широтах з помірним кліматом та арктичним - ?50% блискавок спрямовані вертикально.
Мал. 9 Фотографія розряду під час грози. Форма розряду далека від прямолінійної. Розряд проходить по тим об’ємам повітря, які переповнені електронами та мають найбільшу провідність. Друковані видання
Стекольников И. С., Физика молнии и грозозащита, М. — Л., 1943;
Разевиг Д. В., Атмосферные перенапряжения на линиях электропередачи, М. — Л., 3. 1959;
Юман М. А., Молния, пер. с англ., М., 1972;
Имянитов И. М., Чубарина Е. В., Шварц Я. М.,
Электричество облаков, Л., 1971;
Имянитов И. М., Тихий Д. Я., За гранью закона, Л., 1967.
Лінки в Інтернеті по даннії темі
|
