¿Cuál es el principio del pararrayos?

Principio del Pararrayos

Fecha: 2005-12-29 18:08 Clicks: 125.

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Propósito experimental

Aplicación del principio de descarga de punta.

Principio experimental

La superficie exterior de un conductor cargado es una superficie equipotencial y la densidad de carga es alta donde el radio de curvatura es pequeño. Dado que el radio de curvatura de la punta del conductor es extremadamente pequeño y la densidad de carga es extremadamente alta, y el campo eléctrico en las proximidades fuera de la superficie del conductor es proporcional a la densidad de carga del conductor, existe un fuerte campo eléctrico en la punta. vecindario. Cuando el campo eléctrico es lo suficientemente fuerte como para provocar la ruptura del aire, se produce una descarga en la punta. La carga en el conductor no se acumula más, sino que se pierde continuamente. Si se instala una punta conductora de este tipo en un edificio, se puede evitar que el edificio acumule cargas excesivas y sea alcanzado por un rayo durante las temporadas de tormentas. La punta de un conductor instalado en lo alto de un edificio para evitar la caída de rayos es un pararrayos.

Operaciones y fenómenos experimentales

1. Conecte las dos placas circulares de metal en el soporte aislante a los dos polos del extremo de salida de la fuente de alimentación electrostática de alto voltaje. Coloque un bloque de cobre con una parte superior esférica en la placa inferior y ajuste la distancia entre las placas para que la parte superior de la bola esté aproximadamente a 1 cm de la placa superior. 2. Encienda la fuente de alimentación de alto voltaje. Cuando el voltaje entre placas excede los 10 kV, se forma una descarga de chispa entre la bola de cobre y la placa superior.

3. Después de la descarga, el voltaje entre las placas desaparece y se agrega alto voltaje. Al repetir el proceso anterior, se forma una descarga de chispas intermitente entre la bola y la placa superior, y se puede escuchar el sonido de estallido y se pueden ver las chispas que saltan.

4. Utilice unos alicates de electricista con mangos aislados para colocar un bloque de cobre con una parte superior cónica en la placa redonda (a modo de comparación, este bloque de cobre tiene la misma altura que el bloque de cobre de arriba). El fenómeno de descarga de chispas mencionado anteriormente se detuvo inmediatamente, pero se escuchó el más mínimo sonido de descarga de corona. Esto se debe a que el fuerte campo eléctrico cerca de la punta del segundo bloque de cobre ioniza las moléculas de aire, lo que hace que la placa esté en un estado de descarga de corona continua, lo que se denomina fenómeno de descarga de la punta. Como resultado de la descarga de la punta, el voltaje entre las placas no puede alcanzar el valor de la descarga de chispa, por lo que cesa la descarga de chispa. Los pararrayos se fabrican según el principio de descarga de punta para evitar fuertes descargas de chispas.

El principio de funcionamiento del pararrayos de predescarga

El principio de funcionamiento del pararrayos de predescarga es generar un líder ascendente más rápido que los pararrayos ordinarios. Esta descripción se basa en la situación de descarga negativa hacia abajo, que es la más común.

La historia de los pararrayos

El rayo es el fenómeno natural más común en la Tierra. En promedio, caen más de 100 rayos por segundo sobre la superficie de la Tierra. La temperatura central de un rayo puede alcanzar los 17.000 ~ 25.000 grados Celsius. En 1/10 de segundo, libera de millones a cientos de millones de julios de energía... Un rayo de larga distancia tarda unos 50 círculos antes de caer. tierra, dejando un rastro de energía en el aire. La siguiente pista sinuosa. Cuando cae un rayo, la corriente puede saltar a 10.000 amperios, trayendo 5 culombios de electricidad a la tierra. Las formas de los relámpagos incluyen dendritas, tiras, escamas, cuentas y bolas. Entre ellos, los raros rayos en forma de bola atraen el mayor interés de los científicos. En el siglo XIX, alguien hizo más de 1.000 registros de observación de rayos. Los hay de varios colores, los más comunes son el rojo, el naranja y el amarillo. La velocidad de movimiento es relativamente lenta y el tiempo actual es de entre 1 y 5 segundos. Después de que la bola de fuego desaparezca, explotará violentamente y será extremadamente destructiva. El 15 de agosto de 1989, el depósito de petróleo de Huangdao en Qingdao, China, fue alcanzado por un rayo esférico y el tanque de almacenamiento de petróleo explotó. Los científicos estadounidenses observaron 6.543.802 fotografías de relámpagos en la Red de Observación de Meteoros de las Praderas de América del Norte y creyeron que los relámpagos en forma de bola se separaron del final de los relámpagos ordinarios: una "condensación de plasma y moléculas metaestables excitadas".

La invención del pararrayos tiene una historia de más de 240 años. Gracias a su protección, miles de edificios de gran altura han escapado a la amenaza de los rayos, contribuyendo a la civilización y la prosperidad humanas. Más tarde, el rey Jorge III ordenó a los británicos que utilizaran pararrayos con una parte superior esférica, y los franceses hicieron que la cabeza del pararrayos tuviera forma cónica. Estados Unidos siempre ha insistido en utilizar pararrayos con punta de Fourier. Según el New York Times, el nuevo pararrayos que se utiliza actualmente en Estados Unidos parece un plumero, con 2.000 finos alambres que se extienden desde la parte superior. Los cables tienen forma radial, lo que puede dispersar la carga estática acumulada alrededor del edificio y tienen fuertes capacidades de protección contra rayos.

El pararrayos semiconductor inventado por el profesor Xie Guangrun de mi país es también un nuevo tipo de dispositivo de protección contra rayos.

Nuestros ancestros inteligentes inventaron los dispositivos de protección contra rayos mucho antes que Occidente y los pusieron en práctica. Según el "Libro de la dinastía Han posterior", el Palacio Weiyang y la Terraza Bailiang, un palacio importante en ese momento, fueron alcanzados por un rayo y pronto se incendiaron. Un alquimista llamado "Yongzhi" sugirió al emperador Wu de la dinastía Han que se instalara un "tiburón" en el techo del palacio para evitar desastres. Durante los siguientes dos mil años, este tipo de decoración de tejas metálicas se instaló principalmente en los techos de los antiguos edificios chinos, incluidos dragones, peces voladores, gallos, etc. Aunque no hay cables para la conexión a tierra, los aleros y las paredes que están mojados por las fuertes lluvias desempeñan naturalmente el papel de conexión a tierra. Debido a que estas losas son más altas que el edificio, incluso un rayo violento generalmente solo destruirá las losas y preservará el cuerpo principal del edificio.

Alrededor del período de los Tres Reinos, los artesanos se habían dado cuenta de la importancia de la conexión a tierra. Cuando construyeron una torre antigua que era mucho más alta que los edificios ordinarios, instalaron una "cuerda de calabaza" hecha de acero en la parte superior, naturalmente con el propósito de protegerla contra los rayos. Y está conectado a la columna central de la torre recubierta con polvo metálico, que es fácil de conducir la electricidad. En el extremo inferior de la columna se encuentra un agujero de dragón para almacenar metal, formando un dispositivo de protección contra rayos muy completo. Por ejemplo, la Pagoda del Templo Baosheng en el condado de Gaochun, provincia de Jiangsu, fue construida en el año 229 d.C. durante el período de los Tres Reinos. Tiene 31,5 metros de altura, mucho más que los edificios circundantes. Porque el palacio de hierro de 4 metros de altura está instalado en lo alto de la torre y consta de un cuenco cubierto, una rueda de fase y una calabaza del tesoro. Ha experimentado miles de años de viento y lluvia y nunca ha sido alcanzado por un rayo. . Durante la dinastía Ming, también aparecieron dispositivos completos de protección contra rayos que consistían en postes metálicos y cables de conexión a tierra. En 1688, el misionero occidental Maccarian llegó a China y escribió en "Notas sobre China": "En los tejados de algunos edificios en China hay una especie de decoración llamada dragón, con la cabeza inclinada hacia el cielo y la boca abierta. Las lenguas de estos monstruos son Un núcleo metálico afilado, cuyo otro extremo está conectado a un metal enterrado en el suelo, permite que los rayos lleguen al suelo sin dañar el edificio." Según este registro occidental, fueron más de 70 años. ¡antes que Franklin!

Características estructurales de los pararrayos

Dispositivos convencionales de protección contra rayos y su desarrollo

En 1750, Franklin propuso un pararrayos, que libera carga eléctrica a través de su punta. de la aguja y la neutraliza lentamente y las cargas eléctricas en las nubes de tormenta. La práctica posterior demostró que no puede "aligerarse", sino que dirige el rayo hacia sí mismo para proteger el equipo circundante. Más tarde, después de que el ruso Lomonosov repitiera el famoso experimento de la cometa de Franklin (su amigo Lichtman lo utilizó para el experimento y murió por la caída directa de un rayo), también publicó un artículo en 1753 (sobre el tema de la electricidad inducida). la conferencia sobre fenómenos atmosféricos). Un hecho importante y poco conocido es que poco después de que Franklin publicara su teoría del pararrayos, un ingeniero francés construyó un pararrayos basándose en su teoría y pronto se produjeron rayos. Esta es la primera vez que los humanos han intentado activamente cambiar la forma en que caen los rayos, y también es una prueba de que los rayos directos pueden proteger a las personas. El ingeniero francés, que era un científico honrado, informó inmediatamente del éxito del pararrayos de Franklin.

La aplicación práctica de los pararrayos debe solucionar el problema de su rango de protección. Esto se ha cuantificado gradualmente en laboratorios y aplicaciones prácticas a lo largo de los años, y su precisión básicamente ha satisfecho las necesidades del diseño de ingeniería. Es el desarrollo de sistemas de transmisión y energía de alto voltaje en varios países lo que promueve el progreso de este trabajo de investigación científica.

En 1925-1926, Peek utilizó por primera vez un generador de voltaje de impulso para provocar una descarga de "rayo artificial" modelo de pararrayos en el laboratorio. Se estudió la relación entre el rango de protección-coeficiente de protección y la relación entre la altura de la nube y la altura de la aguja (H/h), así como la influencia de la polaridad de la nube en el coeficiente de protección. De 1930 a 1934, varios países comenzaron a utilizar ampliamente pararrayos para proteger centrales y subestaciones de energía. En ese momento, la red eléctrica de 230 KV había existido durante muchos años y la red eléctrica de voltaje ultra alto de 287 KV estaba en construcción. Por ejemplo, la American Gas and Electric Company (AGE) comenzó a utilizar pararrayos y pararrayos para proteger las subestaciones en 1934. El rango de protección de la línea de protección contra rayos se determina de la siguiente manera: cuando la resistencia estructural es suficiente, la altura de suspensión de la línea de protección contra rayos debe aumentarse en 0,3 m por cada 0,45 m de distancia horizontal de protección cuando la resistencia estructural es limitada; la altura de suspensión de la línea de protección contra rayos debe aumentarse en 0,3 m por cada 0,6 m de distancia horizontal de protección. Esto corresponde a ángulos de protección de 56° y 64° respectivamente. Esto está cerca de los estándares de protección contra rayos de Japón a finales de los años 1960 y 1960.

A principios de los años 1960 (1963 Davis) y principios de los años 1970, Estados Unidos, Gran Bretaña y otros países propusieron la teoría del alcance de impacto, que considera la magnitud de la corriente del rayo para seleccionar el alcance de protección. Los trabajadores de alto voltaje de mi país (guiados por el profesor Zhu Mumei y el camarada Wang Xiaoyu) también propusieron métodos similares al estudiar la protección contra rayos para líneas de transmisión entre 1962 y 1964. En cuanto a la protección de centrales y subestaciones eléctricas, en la década de 1950 nuestro país solo utilizaba pararrayos, temiendo que la rotura del pararrayos afectara a toda la central y subestación. No fue hasta mediados de la década de 1970 que quedó claro que los pararrayos podían usarse para proteger centrales eléctricas y subestaciones.

Franklin, el inventor del pararrayos