¿Cuál es el principio del pararrayos?
Principio del pararrayos
Fecha: 2005-12-29 18:08 Clics: 125
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Propósito experimental
Aplicación del principio de descarga de la punta.
Principio experimental
La superficie exterior de un conductor cargado es una superficie equipotencial, donde el radio de curvatura es pequeño y la densidad de carga es alta. Dado que el radio de curvatura de la punta del conductor es extremadamente pequeño, la densidad de carga es extremadamente grande y el campo eléctrico en las proximidades fuera de la superficie del conductor es proporcional a la densidad de carga del conductor, por lo que hay un campo eléctrico extremadamente fuerte en el barrio de punta. 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 ya no se acumula más, pero la carga en el conductor continuará drenando. Si este tipo de punta conductora se instala en un edificio, evitará que el edificio acumule demasiada carga y sea alcanzado por un rayo durante la temporada de tormentas. La punta conductora instalada en la parte superior del 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 las placas supera 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 vuelve a agregar alto voltaje. El proceso anterior se repite, formando una descarga de chispa intermitente entre la bola y la placa superior. Se puede escuchar un crujido y se pueden ver chispas saltando.
4. Utilice unos alicates de electricista con mangos aislados para colocar un bloque de cobre con una parte superior cónica sobre la placa circular (a modo de comparación, este bloque de cobre tiene la misma altura que el bloque de cobre antes mencionado). El fenómeno de descarga de chispas mencionado anteriormente se detiene inmediatamente, pero se puede escuchar el más mínimo sonido de descarga de corona. Esto se debe al fuerte campo eléctrico formado cerca de la punta del segundo bloque de cobre, que ioniza las moléculas de aire, provocando que la placa esté en un estado de descarga de corona continua, que es el llamado 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 la descarga de chispa se detiene. Los pararrayos se fabrican utilizando el principio de descarga de punta para evitar fuertes descargas de chispas.
El principio de funcionamiento del pararrayos de descarga avanzada
El principio de funcionamiento del pararrayos de descarga avanzada es generar un líder ascendente que es más rápido que el pararrayos ordinario. Esta descripción se basa en el caso de descargas descendentes de polaridad negativa, cuya forma de descarga es la más generalizada.
Historia de los Pararrayos
Los rayos son uno de los fenómenos naturales más comunes en la tierra. En promedio, caen más de 100 rayos por segundo en toda la superficie de la Tierra. La temperatura central de un rayo puede alcanzar entre 17.000 y 25.000 grados Celsius y libera de millones a cientos de millones de julios de energía en 1‰ a 1/10 de segundo... Un rayo de larga distancia tiene que atravesar unos 50 Gira antes de caer al suelo, dejando una huella sinuosa en el cielo. El valor máximo actual durante un rayo puede alcanzar los 10.000 amperios, lo que lleva 5 culombios de electricidad a la tierra. Las formas de los relámpagos incluyen dendritas, tiras, láminas, cuentas y bolas. Entre ellos, los raros rayos en forma de bola han atraído el mayor interés entre los científicos. En el siglo XIX se realizaron 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 de existencia es de entre 1 y 5 segundos. La bola de fuego explotará violentamente cuando desaparezca, lo cual es muy destructivo. El 15 de agosto de 1989, el depósito de petróleo de Huangdao en Qingdao, mi país, provocó una gran explosión en el tanque de almacenamiento de petróleo debido a un ataque con un rayo. Después de observar 120.000 fotografías de relámpagos en la Red de Observación de Meteoros de las Praderas de América del Norte, los científicos estadounidenses concluyeron que los relámpagos en forma de bola están separados del final de los relámpagos en forma de bola por "una condensación de moléculas metaestables excitadas y plasma".
La invención del pararrayos tiene una historia de más de 240 años. Gracias a su protección, miles de edificios de gran altura han quedado libres de la amenaza de los rayos, contribuyendo a la civilización y la prosperidad humana. Más tarde, el rey Jorge III ordenó a los británicos que utilizaran pararrayos con puntas esféricas, y los franceses hicieron que las cabezas de los pararrayos fueran cónicas. Estados Unidos siempre ha insistido en utilizar los pararrayos puntiagudos de Ful.
Según el informe del "New York Times", el nuevo pararrayos que se utiliza hoy en día en los Estados Unidos tiene forma de plumero y 2.000 alambres delgados salen de la parte superior y pueden disipar la carga estática acumulada alrededor. edificio y tiene una gran capacidad para evitar la formación de 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 y los aplicaron en la práctica mucho antes que Occidente. Según el "Libro de la dinastía Han posterior", poco después de que el Palacio Weiyang y la Terraza Bailiang, los palacios importantes en ese momento, fueran alcanzados por un rayo y se incendiaran, un alquimista llamado "Yongzhi" sugirió al emperador Wu de la dinastía Han que Instale "Pez Búho" en el techo del palacio "para evitar desastres. Durante los siguientes dos mil años, la mayoría de las cumbreras de los tejados de los edificios antiguos de mi país estaban decoradas con tejas metálicas de este tipo, algunas con dragones, otras con peces voladores y otras con gallos. Aunque no hay ningún cable guía conectado al suelo, los aleros y las paredes empapados por las fuertes lluvias desempeñan naturalmente un papel en la conexión a tierra. Debido a que este tipo de decoración de azulejos es más alta que el edificio, incluso una mina terrestre violenta generalmente solo destruirá la decoración de azulejos y salvará 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 torres antiguas que eran mucho más altas que los edificios ordinarios, instalaron "hilos de calabaza" de acero en la parte superior, centrándose naturalmente en la protección contra rayos. . objetivo. También está conectado a la columna central de la torre que está recubierta con polvo metálico para facilitar la conducción. En el extremo inferior de la columna se encuentra una cueva de dragón para almacenar metal, formando un dispositivo de protección contra rayos muy completo. Por ejemplo, la Torre 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. La torre tiene 31,5 metros de altura, mucho más que los edificios circundantes debido a un antiguo templo de hierro de 4 metros de altura. Está instalado en la parte superior de la torre, está compuesto por Fubo, rueda de fases y calabaza del tesoro y otras partes, ha pasado por miles de años de viento y lluvia sin haber sido alcanzado por un rayo. En 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": "Hay una especie de decoración llamada dragón en el techo de algunos edificios en China. Su cabeza está levantada hacia el cielo y su boca está abierta. "Estos monstruos miran hacia arriba. La lengua que sobresale es un núcleo de metal en la punta, y el otro extremo está conectado al metal enterrado en el suelo, lo que permite que los rayos lleguen al suelo sin dañar el edificio", según el registro de este occidental. ¡También es necesario 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 utilizaba la punta de la aguja para ir lentamente Neutraliza la carga en la nube de tormenta. Se utiliza para protección contra rayos. La práctica posterior demostró que no podía "protegerse de los rayos", sino que los dirigía hacia sí mismo para proteger el equipo que lo rodeaba. Más tarde, después de que Lomonosov de Rusia repitiera el famoso experimento de la cometa de Franklin (su amigo Lichmann experimentó con él y murió al ser alcanzado por un rayo directo), publicó un artículo en 1753 (sobre la causa del experimento de la cometa). también lo hizo en el discurso sobre Fenómenos Atmosféricos Producidos por la Electricidad). Un hecho importante poco conocido es que poco después de que Franklin publicara su teoría del pararrayos, un ingeniero francés construyó un pararrayos basado en su teoría y pronto ocurrió un rayo. Esta es la primera vez que los humanos han intentado activamente cambiar la trayectoria de los truenos y relámpagos, y también es una prueba de que los rayos directos pueden proteger a las personas. Como científico honrado, el ingeniero francés informó inmediatamente con alegría del éxito del pararrayos de Franklin.
En la aplicación práctica de los pararrayos se debe solucionar el problema de su rango de protección. Esto se ha cuantificado gradualmente durante muchos años en laboratorios y aplicaciones prácticas, 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 avance de este trabajo de investigación científica.
En 1925-1926, Peek fue el primero en utilizar un generador de voltaje de impulso para provocar que un "rayo artificial" descargara un modelo de pararrayos en el laboratorio, y estudió el rango de protección: la relación del coeficiente de protección. Se estudió la relación entre la altura de la nube y la altura de la aguja (H/h), y se estudió la influencia de la polaridad de la nube en el coeficiente de protección. De 1930 a 1934, los países comenzaron a utilizar ampliamente pararrayos para proteger centrales eléctricas y subestaciones. 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 cables de protección contra rayos para proteger las subestaciones en 1934. El rango de protección de los cables de protección contra rayos se determina de la siguiente manera: cuando la resistencia de la estructura es suficiente, la altura de suspensión de los cables de protección contra rayos debe ser de 0,45 m por distancia de protección horizontal de 0,45 m. Elevarse 0,3 m cuando la resistencia de la estructura sea limitada, debe elevarse 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 es similar al estándar japonés de protección contra rayos de 60° a finales de los años 1960. A principios de la década de 1960 (Davis en 1963) y principios de la década de 1970, Estados Unidos, Gran Bretaña y otros países propusieron sucesivamente la teoría del rango de impacto para el rango de protección de las líneas de protección contra rayos para proteger las líneas de transmisión, es decir, considerando la magnitud del rayo. amplitud de corriente para seleccionar el rango de protección. Los trabajadores de alto voltaje de mi país (el profesor Zhu Mumei supervisó al camarada Wang Xiaoyu) también propusieron métodos similares cuando estudiaban la protección contra rayos para líneas de transmisión de 1962 a 1964. En cuanto a la protección de centrales y subestaciones eléctricas, mi país sólo utilizó pararrayos en la década de 1950 por temor a que la rotura de los cables de protección contra rayos afectara a toda la planta 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.
El inventor del pararrayos——Franklin