Чому удар блискавки не знищує блискавку?

Як відомо, удари блискавки завдають величезної кількості шкоди . У статистиці на блискавки є:

поточні рівні іноді перевищують 400 кА, температура до 50 000 градусів Ф., а швидкість наближається до третини швидкості світла

Це величезна кількість, але системи захисту від блискавки призначені для відведення блискавки від будівлі чи споруди, яку вони захищають. Системи захисту від блискавки можна вважати просто блискавковими стрижнями, підключеними до землі за допомогою кабелю (дорожнього провідника).

Специфікація NOAA для захисту від блискавки вимагає, щоб блискавковідводи були діаметром не менше 0,5 дюймів (13 мм). Нижній провідник - мідний кабель аналогічного розміру ( 4/0 AWG або 12 мм ). Допустимий струм струму для цього типу проводів становить лише близько 250А для постійного струму. Я розумію, що це скоріше обмеження теплоти, а не миттєва межа струму.

З цієї статті про захист від блискавки (стор. 28):

Позитивні відгуки про роботу системи захисту від блискавки рідко задокументовані і найчастіше навіть не помічаються. Лише в деяких рідкісних випадках можна зафіксувати, що система ураження блискавкою була уражена, якщо вона працює належним чином і немає пошкоджень. На місці припинення удару іноді є докази, які можна відзначити під час ретельного огляду, але рідко власнику системи блискавкозахисту досить ефективно отримати експертизу, необхідну для проведення такого ретельного огляду.

Як, здавалося б, невеликий 0,5-дюймовий (13 мм) шматок металу може обробити удар блискавки з невеликими або відсутніми видимими пошкодженнями набагато менше, не будучи повністю знищеними?

Специфікація граничного струму для проводу обмежена теплотою, яку буде виробляти струм, і тим, скільки тепла може дріти провід, перш ніж стає занадто гарячим. "Занадто гаряче" залежить від обставин. У додатках проводки шасі ви побачите більш високі показники струму для одного типу проводів, ніж, наприклад, електричний код, який дозволяє встановити в домашніх умовах. В основному це пов'язано з тим, наскільки гаряче занадто жарко. Кінцевою межею для екстремальних застосувань є те, що провідник не плавиться. Температура в будь-якій точці поблизу, яка б не була небезпечною, бігати по дерев'яних опорах всередині стіни будинку.

Як ви кажете, провід розрахований на 250 А безперервно . Блискавка, безумовно, не є суцільною. 1 мс "довгий" на час основного удару блискавки. В одній події може бути кілька ударів, але загальний час все ще короткий, а інші неосновні удари матимуть значно менший струм.

Зробіть математику. Ви кажете, що дріт діаметром 12 мм, тому площа поперечного перерізу становить 113 мм² = 113х10 ^-6 м². Питомий опір міді при температурі 20 ° С становить 1,68х10 ^-8 Ом. Отже, довжина 1 метра цього проводу має опір

(1,68x10 ^-8 Ом) (1 м) / (113x10 ^-6 м²) = 149 мкОм

Тоді потужність 400 кА через цей опір:

(400 кА) ² (149 мкОм) = 23,8 МВт

Час, що застосовується струм 1 мс, дає енергію:

(23,8 МВт) (1 мс) = 23,8 кДж

Щільність міді становить 8,93 г / см³, а наша 1 м довжина має об'єм 113х10 ^-6 м³, що становить 113 см³.

(113 см³) (8,93 г / см³) = 1010 г загальної маси міді

Питома теплота міді становить 0,386 Дж / г ° С.

(23,8 кДж) / (0,386 Дж / г ° С) (1010 г) = 61 ° С

Це означає, що розміщення 400 кА через мідний дріт діаметром 12 мм протягом 1 мс призведе до підвищення температури на 61 ° С. Це досить екстремальне значення для удару блискавки. Основний хід зазвичай істотно коротший, ніж 1 мс, а інші штрихи мають значно менший струм. Однак навіть з цими номерами видно, що хоча дріт, безумовно, надовго запечеться, він цілком відповідає можливостям дроту без будь-яких структурних збоїв.

[Це почалося як відповідь. Але підрахунок закінчився на 3 порядки.
Отже, це більше коментар, я думаю. ]

Один блискавковий болт має кінцеву кількість енергії ¹ . Номер бального парку становить , що еквівалентно 145 л бензину ² . $5 \cdot 10^9 \text{J}$

Припустимо, що вся енергія блискавки розсіюється в стрижні. Скажімо, вийшов блискавковідвід діаметром 12 мм і довжиною 10 м. Щільність міді становить 8960 кг / м ³ ,
тому маса нашого стрижня становить . Питома теплота міді - . Скільки енергії потрібно, щоб нагріти мідний стрижень від 25 ° С до температури плавлення міді, що становить ? Це . Теплота плавлення міді - . Скільки енергії потрібно, щоб розплавити наш стрижень? Це .0,385 $10.13 \text{ kg}$
1083° C4,05⋅105J213$\text{0.385} \frac{\text{kJ}}{\text{kg °C}}$$1083 \text{°C}$$4.05 \cdot 10^5 \text{J}$
2,13⋅106$\text{213} \frac{\text{kJ}}{\text{kg}}$$2.13 \cdot 10^6 \text{J}$

Я зробив припущення, що вся енергія блискавки розсіюється в стрижні. Але я не знаю, що це здорове припущення.

¹ _{Хоча він має дуже високу пікову потужність і струм.}
² _{Джерело}
³ _{Хто були Прайс та Ондердонк? Стаття про ранні (1880, 1928) рівняннях, що описують струми, які спричиняють плавлення дроту.}