เหตุใดฟ้าผ่าจึงไม่ทำลายสายล่อ

ฟ้าผ่าได้รับทราบเพื่อก่อให้เกิดจำนวนมหาศาลของความเสียหาย สถิติสายฟ้าคือ:

ระดับปัจจุบันบางครั้งเกิน 400 kA, อุณหภูมิถึง 50,000 องศา F. และความเร็วใกล้หนึ่งในสามของความเร็วแสง

เหล่านี้เป็นจำนวนมาก แต่ระบบป้องกันฟ้าผ่าได้รับการออกแบบมาเพื่อดึงสายฟ้าออกจากอาคารหรือโครงสร้างที่พวกเขาปกป้อง ระบบป้องกันฟ้าผ่านั้นสามารถคิดได้ว่าเป็นแท่งฟ้าผ่าที่เชื่อมต่อกับพื้นดินผ่านสายเคเบิล (ตัวนำคอนดักเตอร์)

ข้อกำหนด NOAA สำหรับการป้องกันฟ้าผ่ากำหนดว่าแท่งฟ้าผ่าต้องมีเส้นผ่านศูนย์กลางอย่างน้อย 0.5 นิ้ว (13 มม.) ตัวนำคอนดักเตอร์เป็นสายทองแดงขนาดเท่ากัน ( 4/0 AWG หรือ 12mm ) จำนวนแอมแปร์ที่อนุญาตสำหรับสายชนิดนี้มีเพียง250Aสำหรับกระแสคงที่ ฉันรู้ว่านี่เป็นขีดจำกัดความร้อนมากกว่าขีด จำกัด กำลังการผลิตปัจจุบันโดยทันที

จากบทความนี้เรื่องการป้องกันฟ้าผ่า (หน้า 28):

ผลตอบรับเชิงบวกเกี่ยวกับการทำงานของระบบป้องกันฟ้าผ่านั้นไม่ค่อยมีการบันทึกไว้และมักจะไม่สังเกตเห็นแม้แต่น้อย มีเพียงบางกรณีเท่านั้นที่สามารถบันทึกไว้ว่ามีระบบป้องกันฟ้าผ่าหากทำงานได้อย่างถูกต้องและไม่มีความเสียหาย บางครั้งมีหลักฐานที่จุดยุติการนัดหยุดงานซึ่งสามารถสังเกตได้ในระหว่างการตรวจสอบอย่างระมัดระวัง แต่ไม่ค่อยคุ้มค่าสำหรับเจ้าของระบบป้องกันฟ้าผ่าเพื่อรับความเชี่ยวชาญที่จำเป็นในการดำเนินการตรวจสอบอย่างระมัดระวัง

ชิ้นส่วนโลหะขนาดเล็ก 0.5 นิ้ว (13 มม.) จะสามารถจัดการกับฟ้าผ่าได้อย่างไรโดยมีความเสียหายเพียงเล็กน้อยหรือไม่มีเลยที่มองเห็นได้น้อยกว่าโดยไม่ถูกทำลายอย่างสมบูรณ์

ข้อกำหนดขีด จำกัด กระแสไฟฟ้าสำหรับลวดถูก จำกัด ด้วยความร้อนที่กระแสไฟฟ้าจะผลิตและความร้อนที่ลวดสามารถกระจายไปก่อนที่จะร้อนเกินไป "ร้อนเกินไป" ขึ้นอยู่กับสถานการณ์ คุณจะเห็นการจัดอันดับปัจจุบันสูงขึ้นสำหรับสายชนิดเดียวกันในแอพพลิเคชั่นเดินสายแชสซีกว่ารหัสไฟฟ้าที่อนุญาตให้ติดตั้งในบ้านได้ นี่เป็นสาเหตุหลักมาจากความร้อนที่ร้อนจัด ข้อ จำกัด ขั้นสูงสุดสำหรับการใช้งานที่หนักหน่วงคือตัวนำไม่ละลาย อุณหภูมิทุกที่ที่อยู่ใกล้กับที่จะไม่ปลอดภัยวิ่งตามแนวรองรับไม้ภายในผนังในบ้าน

ในขณะที่คุณพูดว่าลวดจัดอยู่ในอันดับสำหรับ 250 อย่างต่อเนื่อง สายฟ้านั้นไม่ต่อเนื่อง 1 ms คือ "ยาว" สำหรับช่วงเวลาของจังหวะฟ้าผ่าหลัก อาจมีหลายสโตรกในเหตุการณ์หนึ่ง แต่เวลาทั้งหมดยังคงสั้นและสโตรกอื่นที่ไม่ใช่หลักจะมีกระแสไฟฟ้าน้อยกว่าอย่างมีนัยสำคัญ

ทําคณิตศาสตร์. คุณบอกว่าลวดมีเส้นผ่านศูนย์กลาง 12 มม. ดังนั้นมีพื้นที่หน้าตัด 113 มม. ² = 113x10 ^-6 ² ความต้านทานของทองแดงที่ 20 ° C คือ 1.68x10 ^-8 Ωm ความยาว 1 เมตรของสายนี้จึงมีความต้านทาน

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

พลังงานที่มี 400 kA ถึงความต้านทานนี้คือ:

(400 kA) ² (149 µΩ) = 23.8 MW

คูณ 1 มิลลิวินาทีเวลาที่กระแสไฟฟ้าถูกใช้จะให้พลังงาน:

(23.8 MW) (1 ms) = 23.8 kJ

ความหนาแน่นของทองแดงอยู่ที่ 8.93 g / cm³และความยาว 1 เมตรของเรามีปริมาตร 113x10 ^-6 m³ซึ่งคือ 113 cm³

(113 cm³) (8.93 g / cm³) = 1,010 กรัมมวลรวมของทองแดง

ความร้อนจำเพาะของทองแดงคือ 0.386 J / g ° C

(23.8 kJ) / (0.386 J / g ° C) (1,010 g) = 61 ° C

ซึ่งหมายความว่าการใส่ 400 kA ผ่านสายทองแดงขนาดเส้นผ่าศูนย์กลาง 12 มม. เป็นเวลา 1 มิลลิวินาทีจะทำให้อุณหภูมิเพิ่มขึ้น 61 ° C นั่นเป็นค่าที่ค่อนข้างสูงสำหรับการโจมตีด้วยสายฟ้า จังหวะหลักมักจะสั้นกว่า 1 ms อย่างมากและจังหวะอื่น ๆ จะมีกระแสไฟฟ้าน้อยกว่าอย่างมาก อย่างไรก็ตามแม้จะมีตัวเลขเหล่านี้ก็แสดงให้เห็นว่าในขณะที่ลวดจะได้รับรสชาติอย่างแน่นอนในขณะที่มันเป็นความสามารถในการจัดการลวดโดยไม่ต้องล้มเหลวของโครงสร้าง

[สิ่งนี้เริ่มเป็นคำตอบ แต่การคำนวณสิ้นสุดลง 3 คำสั่งของขนาดสั้น
ดังนั้นนี่เป็นความคิดเห็นที่มากขึ้นฉันเดา ]

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

$10.13 \text{ kg}$
$\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}$

ฉันได้ตั้งสมมติฐานว่าพลังงานทั้งหมดของสายฟ้านั้นกระจายไปในแกน แต่ฉันไม่รู้ว่ามันเป็นสมมติฐานที่มีเหตุผล

¹ _{แม้ว่ามันจะมีกำลังสูงสุดและกระแสสูงมาก}
² _{ที่มา}
³ _{ใครคือ Preece และ Onderdonk บทความเกี่ยวกับสมการต้น (2423, 2471) อธิบายกระแสที่ทำให้ลวดละลาย}