物理

如何避免一见钟情

我们无法防止闪电掉落,但是有一个简单的设备可以部分引导闪电:避雷针。

让·米歇尔·科蒂(Jean-Michel Courty)和ÉdouardKierlik 对于科学N°413

雷电是无法避免的自然现象。这些强烈的电击可能会造成致命的伤害。为了保护自己,我们使用接地的长金属棒:避雷针。它们应该吸引雷电和通道电流离开要保护的区域。这些设备如何工作?他们在保护什么区域?

回答这些问题需要理解闪电的形成方式。本杰明·富兰克林(Benjamin Franklin)猜想,闪电本质上是电的。法国博物学家托马斯·弗朗索瓦·达利巴德(Thomas-FrançoisDalibard)于1752年首次证实了这一假设,这得益于观察到暴风雨天气中由十米长的金属桅杆与电容器相连而产生的火花。

实际上,达利巴德的桅杆和后来的富兰克林的风筝都没有被雷击,但它们确实从周围的空气中吸收了电荷。富兰克林因此想到了避雷针的绝妙主意,避雷针是应该能够释放云并防止雷电掉落的设备。但是避雷针并不能完全做到这一点。没有暴力就不可能捕获云层的电力,今天和昨天一样,似乎没有什么可以阻止闪电的形成。另一方面,由于避雷针的作用,它的打击可能会部分定向。

闪电的形成首先需要雷暴云,也就是大云,由于各种过程不能总是被很好地理解,因此云的上部带正电,而基本费用为负。由于静电的影响,后者在地平面上会吸引正电荷,这会稍微导电。因此形成一种巨型电容器,其中存在几千万伏的电势差。电位差为1亿伏,云层底部位于1,000米的高度,因此每米获得的电场接近100,000伏。

云对地:巨大的电容器

该场的强度是平静天气时的1000倍,但仍远低于空气破坏性场(每米360万伏,超过此极限会产生电弧)。然而,由于云层底部的大气不稳定性,电荷可以局部形成弯曲的导电结构,该结构通过峰值效应产生更高的电场:空气可以电离并引发放电。

放电采用高导电性灯丝的形式,带有高电荷,足以维持电离。十分之九,此“示踪剂”在附近的云中丢失;否则,它下降到地面。当风将电离的空气吹走时,示踪剂在缺少离子时停止,然后在电离恢复时再次启动:它以锯齿状跳跃,以每秒200公里的速度前进。

当它们接近地面时,示踪剂尖端的负电荷会增加电场。当距离达到几十米时,该场的强度足以引发从地面到示踪物的向上放电的形成(见图2)。这样的细丝就达到了它的目标,这就是通过导体连接到地面的1亿伏特的云的基础:产生了强大的放电,在十微秒内达到了30,000安培的强度。然后,该强度降低约500毫秒。一见钟情,就会发出强烈的光芒和雷声。而且,由于排放通道在云层和地面之间是开放的,因此可能会受到其他打击。

放置桅杆的简单方法

然后可以理解,雷电优先撞击最高的地方,可能最靠近下降的示踪物。这就是为什么我们在结构顶部放置避雷针的原因。但是,有必要评估保护区,并尝试确定可能在何处出现向上的示踪剂。严格说来,这个问题很困难,但是现象学定律可以解决这个问题。

向下示踪剂的载荷越大,该载荷导致形成向上示踪剂的距离就越大。对于最大电流为3000安培的闪电,此距离为20米;对于10,000安培的电流,此距离为44米;对于100,000安培的电流,此距离为200米。正是基于此属性,确定了避雷针位置的方法(称为滚动球面法)是基础。

此方法由什么组成?让我们想象一个球体,该球体的中心在下降的示踪剂的末端,并且其半径等于给定强度下上升的示踪剂的诞生距离。该球体接触地面或连接到地面的元素后,就会立即产生闪电。为了找出给定强度的闪光灯可能到达的点,只需在地面上滚动一个球体并存在障碍物即可。球体接触的所有点都可以通过闪电到达,而其他所有点都在保护区内。

我们刚刚推断出一定强度的闪光。但是,由于较高强度的闪电具有较大的作用距离,因此滚动球法显示,我们刚刚确定的区域也受到了这些强度更高的闪电的保护。另一方面,较低强度的闪光具有较低的动作距离,它可以到达受初始强度保护的位置(小球体比大球体更容易潜入)。换句话说,在户外,您永远不会完全免受雷击。所有可以做的就是根据闪电的强度估计雷击的可能性,然后确保不会被强度超过特定阈值的闪电击中。这使得可以根据发生的风险来确定防护设备的尺寸。

由于诸如避雷针之类的保护装置的作用是为雷击提供场所,因此涌现了许多想法,以使这些场所对雷电更具吸引力。原理是使尖端顶部的空气电离,以促进出现上升的放电现象。在开始之间 xxe 世纪和1980年代,安装了数千个带有放射性尖端的避雷针。由于放射性元素的危险和其散布的危险(在材料磨损后),自1987年以来就禁止使用它们。此外,每个人都可以参加“放射性野生动物园”,该活动旨在确定仍然存在于屋顶上的所有放射性避雷针。

这些放射性桅杆现在已被产生高电压的电子设备所取代,并具有吸引雷击的希望。但是魔术过滤器并不存在:到目前为止,对这些设备进行的研究都同意说,如果它们具有比放射性点危险低得多的巨大优点,那么它们就不会更有效。而不是简单的一点。

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