Вопреки распространенному мнению, молниеотводы не притягивают молнию, а противодействуют ей. Это изобретение Бенджамина Франклина в 1752 году стало постоянным элементом защиты зданий от опасных молний. Благодаря основным законам электростатики, он обеспечивает нашу безопасность во время грозы.
Что такое молния?
Молния — это естественный электростатический разряд, возникающий в атмосфере, обычно во время грозы. Он может возникать между землей и слоем грозовых облаков или исключительно в атмосфере, между двумя слоями облаков. Разряд вызывается наличием большой разности потенциалов, которая достигает значений 10-100 МВ (мегавольт). Сам разряд протекает под током до нескольких сотен килоампер. При ударе возникает заряд около 5 кулонов, и высвобождается до 1 ГДж (гигаджоулей) энергии, в результате чего образуется плазма с температурой порядка 50 000 К (кельвинов).
Приведенные цифры показывают, насколько опасна молния. Для человека они могут быть смертельными, являются одной из причин пожаров, а также представляют опасность для любого электрооборудования.
Причина возникновения молнии
Явление электростатической поляризации, т.е. разделение положительных и отрицательных зарядов в объеме облака, ответственно за электрические разряды в атмосфере. Как правило, нижний слой облака накапливает отрицательный заряд, а его верхний слой остается положительно заряженным. Причиной такого распределения являются многочисленные столкновения молекул воды и кристаллов льда внутри облака и различия в распределении электрического заряда между молекулами жидкой и замороженной воды. Электрическое поле, создаваемое облаком, вызывает поляризацию поверхности земли. На его внешнем слое индуцируется положительный заряд.
Воздух является изолятором. Однако в присутствии сильного электрического поля даже в диэлектрике может возникнуть путь проводимости. Это связано с явлением ионизации, т.е. отрывом электронов от атомов. В воздухе накапливаются свободные электроны и положительные ионы, которые обеспечивают проводимость заряда. Превращение диэлектрического воздуха в проводящую плазму позволяет большому количеству заряда протекать между облаком и землей в виде молнии.
Молнии также возникают над землей, между нижним и верхним слоями грозовых облаков.
Молниеотвод или система молниезащиты
Изобретение громоотвода приписывают Бенджамину Франклину (1706-1790), одному из основателей США, который также был философом, ученым, изобретателем и политиком.
Молниеотвод выполняет двойную роль/Во-первых, это позволяет снизить разность потенциалов между облаком и защищаемым объектом, вызывая явление ионизации воздуха и нейтрализуя заряд в облаке. Если этого недостаточно и разряд все-таки происходит, молниеотвод обеспечивает безопасный отвод заряда на землю.
Молниеотвод обычно имеет форму остроконечного стержня (см. — рис. 4.), который устанавливается на самой высокой точке здания. Этот стержень заземлен, т.е. присоединен к толстому проводнику, который соединяет его с так называемым заземлителем, т.е. металлическим электродом, помещенным во влажный слой земли.
Защита от ударов молнии
Распределение электрического заряда на поверхности земли и в облаке создает электрическое поле, направленное от положительно заряженной земли к отрицательно заряженному нижнему слою облака. Под действием этого поля в молниеотводе индуцируется положительный заряд, а свободные электроны устремляются к земле. На заостренной части молниеотвода накапливается электрический заряд с высокой поверхностной плотностью. Затем возникает коронный разряд — явление, возникающее из-за того, что воздух вокруг молниеотвода становится ионизированным.
Примечание. Коронный разряд — это электрический разряд, возникающий в ионизированном газе. Это возможно даже тогда, когда разность потенциалов слишком мала для создания пробоя или дуги, благодаря образованию плазмы вокруг заряженного электрода.
Отрицательные электроны притягиваются к положительно заряженному молниеотводу, а положительные ионы — к облаку. Это, в свою очередь, уменьшает количество отрицательного заряда в облаке и снижает разность потенциалов между облаком и поверхностью земли, что противодействует образованию молнии.
Однако одной ионизации воздуха вокруг защищаемого объекта может быть недостаточно. Грозовые облака (кучево-дождевые) относятся к низким облакам, расположенным на высоте иногда всего несколько сотен метров. Однако они могут простираться вертикально на несколько километров. При большом накоплении заряда в их нижнем слое может возникнуть электрический разряд. В этом случае молниеотвод обеспечивает защиту от неконтролируемого потока большого заряда.
Поскольку молниеотвод является самой высокой точкой здания, вероятность попадания в него молнии наибольшая. К счастью, проводник молнии заземлен, поэтому заряд сможет стечь на землю, не вызывая опасности.