1
Учебный материал
РОССИЙСКОЙ КОЛЛЕКЦИИ РЕФЕРАТОВ (с) 1996
http://referat.students.ru; http://www.referats.net;
http://www.referats.com
ФИЗИЧЕСКАЯ ПРИРОДА И ОПАСНЫЕ ФАКТОРЫ АТМОСФЕРНОГО ЭЛЕКТРИЧЕСТВА
Атмосферное электричество образуется и концентрируется в облаках
- образованиях из мелких водяных частиц, находящихся в жидком и
твердом состоянии.
Площадь океанов и морей составляет 71 % поверхности земного шара.
Каждый 1 см2 поверхности Земли в течение года в среднем получает
460 кДж солнечной энергии. Подсчитано, что из этого количества 93
кДж/(см*год) расходуется на испарение воды с поверхности водных
бассейнов. Поднимаясь вверх, водяные пары охлаждаются и
конденсируются в мельчайшую водяную пыль, что сопровождается выде
лением теплоты парообразования (2260 кДж/л). Образовавшийся избы
ток внутренней энергии частично расходуется на эмиссию частиц с
поверхности мельчайших водяных капелек. Для от
деления от молекулы воды протона (Н) требуется 5,1 эВ, для
отделения электрона -12,6 эВ, а для отделения молекулы от кристалла
льда достаточно 0,6 эВ, поэтому основными эмитируемыми частицами
являются молекулы воды и протоны. Количество эмитируемых протонов
пропорционально массе частиц. Результирующий поток протонов всегда
направлен от более крупных капелек к мелким. Соответственно более
крупные капельки приобретают отрицательный заряд, а мелкие - положи
тельный. Чистая вода - хороший диэлектрик и заряды на поверхности
капелек сохраняются длительное время. Более крупные тяжелые
отрицательно заряженные капельки образуют нижний отрицательно
заряженный слой облака. Мелкие легкие капельки объединяются в
верхний положительно заряженный слой облака. Электростатическое
притяжение разноименно заряженных слоев поддерживает сохранность
облака как целого.
Эмиссия протонов возникает дополнительно при кристаллизации
водяных частиц (превращении их в снежинки, градинки), так как при
этом выделяется теплота плавления, равная 335 кДж/л. При
соударениях капелек, снежинок, градинок работа ветра в конечном
счете приводит к эмиссии протонов, к изменению величины заряда час
тиц. Следовательно, атмосферное электричество (АтЭ) и статическое
электричество (СтЭ) имеют одинаковую физическую природу.
Различаются они масштабом образования зарядов и знаком эмитируемых
частиц (электроны или протоны).
О единстве природы АтЭ и СтЭ свидетельствуют опытные данные.
Qsuni снег представляет собой типичное сыпучее тело; при трении
снежинок друг о друга и их ударах о землю и о местные предметы снег
должен электризоваться, что и происходит в действительности.
Наблюдения на Крайнем Севере и в Сибири показывают, что при низких
температурах во время сильных снегопадов и метелей электризация
снега настолько велика, что происходят зимние грозы, в облаках
снежной пыли бывают видны синие и фиолетовые вспышки, наблюдается
свечение остроконечных предметов, образуются шаровые молнии. Очень
;ильные метели иногда заряжают телеграфные провода так сильно, что
подк:лючаемые к ним электролампочки светятся полным накалом. Те же
явления наблюдаются во время сильных пыльных (песчанных) бурь.
Наличие множества взаимодействующих факторов дает сложную картину
распределения зарядов АтЭ в облаках и их частях. По
экспериментальным данным нижняя часть облаков чаще всего имеет
отрицательный заряд, а верхняя - положительный, но может иметь
место и противоположная полярность частей облака. Облака могут
также нести преимущественно заряд одного знака.
Заряд облака (части облака) образуют мельчайшие одноименно
заряженные частицы воды (в жидком и твердом состоянии), размещенные
в объеме нескольких км3.
Электрический потенциал грозового облака составляет десятки
миллионов вольт, но может достигать 1 млрд. В. Однако общий заряд
облака равен нескольким кулонам.
Основной формой релаксации зарядов АтЭ является молния-
электрический разряд между облаком и землей или между облаками
(частями облаков). Диаметр канала молнии равен примерно 1 см, ток в
канале молнии составляет десятки килоампер, но может достигать 100
кА, температура в канале молнии равна примерно 25 000°С,
продолжительность разряда составляет доли секунды.
Молния является мощным поражающим опасным фактором. Прямой удар
молнии приводит к механическим раз-рушениям зданий, сооружений,
скал, деревьев, вызывает пожары и взрывы, является прямой или
косвенной причиной гибели людей. Механические разрушения вызываются
мгновенным превращением воды и вещества в пар высокого давления на
путях протекания тока молнии в названных объектах. Прямой удар
молнии называют первичным воздействием атмосферного электричества.
К вторичному воздействию АтЭ относят: электростатическую и
электромагнитную индукции; занос высоких потенциалов в здания и
сооружения.
Рассмотрим опасные факторы вторичного воздействия АтЭ. Образовав
шийся электростатический заряд облака наводит (индукцирует) заряд
opnrhbnonknfmncn знака на предметах, изолированных от земли
(оборудование внутри и вне зданий, металлические крыши зданий,
провода ЛЭП, радиосети и т. п.). Эти заряды сохраняются и после
удара молнии. Они релаксируют обычно путем электрического разряда
на ближайшие заземленные предметы, что может вызвать
электротравматизм людей, воспламенение горючих смесей и взрывы. В
этом заключается опасность электростатической индукции.
Явление электромагнитной индукции заключается в следующем. В
канале молнии протекает очень мощный и быстро изменяющийся во
времени ток. Он создает мощное переменное во времени магнитное
поле. Такое поле индуцирует в металлических контурах электро
движущую силу разной величины. В местах сближения контуров между ни
ми могут происходить электрические разряды, способные воспламенить
горючие смеси и вызвать электротравматизм.
Занос высоких потенциалов в здание происходит в результате
прямого удара молнии в металлокоммуникации, расположенные на уровне
земли или над ней вне зданий, но входящие внутрь зданий. Здесь под
металлокоммуникациями понимают рельсовые пути, водопроводы,
газопроводы, провода ЛЭП и т. п. Занесение высоких потенциалов
внутрь здания сопровождается электрическими разрядами на
заземленное оборудование, что может привести к воспламенению
горючих смесей и электротравматизму людей.
ЗАЩИТА ОТ АТМОСФЕРНОГО ЭЛЕКТРИЧЕСТВА
Требуемая степень защиты зданий, сооружений и открытых установок
от воздействия атмосферного электричества зависит от
взрывопожароопасности названных объектов и обеспечивается
правильным