Neden bir yıldırım düşmesi paratoneri tahrip etmiyor?

Yıldırım çarpması büyük miktarda hasara neden olduğu bilinmektedir . Şimşek üzerine istatistikler şunlardır:

bazen 400 kA'nın üzerindeki akım seviyeleri, 50.000 derece F'ye kadar sıcaklıklar ve ışık hızının üçte birine yaklaşan hızlar

Bunlar büyük sayılardır, ancak yıldırımdan korunma sistemleri, yıldırımları korudukları bina veya yapıdan uzağa çekmek için tasarlanmıştır. Yıldırımdan korunma sistemleri, kablolama (aşağı iletken) aracılığıyla toprağa bağlı paratonerler olarak düşünülebilir.

Yıldırımdan korunma için NOAA şartnamesi , yıldırım çubuklarının çapı en az 0,5 inç (13 mm) olmasını gerektirir. Aşağı iletken benzer boyutta bir bakır kablodur ( 4/0 AWG veya 12mm ). Bu tel türü için izin verilen amper , sabit akım için yalnızca yaklaşık 250A'dir . Bunun bir anlık akım kapasite sınırından ziyade bir ısı sınırının olduğunu fark ediyorum.

Yıldırımdan korunma ile ilgili bu kağıttan (sayfa 28):

Yıldırım koruma sisteminin çalışmasıyla ilgili olumlu geri bildirimler nadiren belgelenir ve çoğu zaman fark edilmez. Sadece bazı ender durumlarda, düzgün çalıştığında ve herhangi bir hasar olmaması durumunda yıldırımdan korunma sisteminin vurulduğu belgelenebilir. Grev sona erme noktasında, dikkatli bir denetim sırasında not edilebilecek bazı kanıtlar olabilir, ancak yıldırımdan korunma sisteminin sahibinin böyle dikkatli bir denetim yapmak için gerekli uzmanlığı edinmesi nadiren maliyet etkindir.

Görünüşe göre küçük bir 0.5in (13mm) metal parçası tamamen yok edilmeden çok az veya hiç görünür hasar vermeyen yıldırım çarpmasını nasıl kaldırabilir?

Bir tel için akım sınırı spesifikasyonu, akımın üreteceği sıcaklık ve çok ısınmadan önce telin ne kadar ısıyı dağıtacağı ile sınırlıdır. "Çok sıcak" duruma bağlı olarak değişir. Örneğin, şasi kablolama uygulamalarında aynı kablo türü için elektrik kodunun ev kurulumlarında izin verdiğinden daha yüksek akım değerleri göreceksiniz. Bu çoğunlukla ne kadar sıcak olduğu çok sıcak. Aşırı uygulamalar için nihai sınır iletkenin erimemesidir. Yanındaki herhangi bir yerdeki sıcaklıklar, bir evin içinde bir duvarın içinde ahşap destekler boyunca dolaşmak için güvenli olmaz.

Dediğiniz gibi, tel sürekli 250 A değerindedir . Yıldırım kesinlikle sürekli değildir. 1 ms, ana yıldırım çarpması için "uzun" dur. Bir olayda birkaç vuruş olabilir, ancak toplam süre hala kısadır ve diğer ana olmayan vuruşların önemli ölçüde daha az akımı olacaktır.

Matematik yap. Telin 12 mm çapında olduğunu ve 113 mm² = 113x10 ^-6 m² kesit alanına sahip olduğunu söylüyorsunuz . Bakırın 20 ° C'deki direnci 1.68x10 ^-8 Ωm'dir . Bu telin 1 metre uzunluğunda bir direnci vardır.

(1.68x10 ^-8 )m) (1 m) / (113x10 ^-6 m²) = 149 µΩ

Bu dirençten 400 kA ile güç sonra:

(400 kA) ² (149 µΩ) = 23,8 MW

Akımın uygulandığı 1 ms'lik zamanın çarpımı enerji verir:

(23,8 MW) (1 ms) = 23,8 kJ

Bakır yoğunluğu 8.93 g / cm olan, ve 1 m uzunluğunda 113x10 bir hacme sahiptir ^-6 113 cm³ olan m³.

(113 cm³) (8.93 g / cm³) = 1010 g toplam bakır kütlesi

Bakırın özgül ısısı 0.386 J / g ° C'dir.

(23.8 kJ) / (0.386 J / g ° C) (1010 g) = 61 ° C

Bu, 1 ms boyunca 12 mm çapında bir bakır telin içinden 400 kA'yı koymak, 61 ° C'lik bir sıcaklık artışına neden olacağı anlamına gelir. Bu yıldırım düşmesi için oldukça aşırı bir değer. Ana vuruş genellikle 1 ms'den büyük ölçüde kısalır ve diğer vuruşlar esasen daha az akıma sahiptir. Bununla birlikte, bu sayılarla bile, telin bir süre boyunca kesinlikle kızarmasını sağlarken, telin yapısal bir bozulma olmadan ele alabilme kabiliyeti dahilinde olduğunu göstermektedir.

[Bu bir cevap olarak başladı. Ancak hesaplama 3 büyüklük sırasına göre sona erdi.
Yani, bu daha bir yorum, sanırım. ]

$5 \cdot 10^9 \text{J}$

$10.13 \text{ kg}$
$\text{0.385} \frac{\text{kJ}}{\text{kg °C}}$$1083 \text{°C}$$4.05 \cdot 10^5 \text{J}$
$\text{213} \frac{\text{kJ}}{\text{kg}}$$2.13 \cdot 10^6 \text{J}$

Yıldırımın tüm enerjisinin çubukta dağıldığını varsaymıştım. Ancak bunun mantıklı bir varsayım olduğunu bilmiyorum.

¹ _{Çok yüksek tepe gücü ve akımı olmasına rağmen.}
² _Kaynak
³ _{Preece ve Onderdonk kimlerdi? Erken (1880, 1928) denklemiyle ilgili makale, telin erimesine neden olan akımları tanımlayan denklemler.}