Исследование посвящено изучению физических процессов, связанных с обеспечением защиты от поражения молнией жилого дома. Ученые изучают молнию на протяжении сотен лет. Эти загадочные вспышки электричества хранят еще много секретов. Важно понимать особенности защиты от поражения молнии и уметь проводить грамотный расчет молниеотвода.
Ключевые слова: электронные и ионные явления, разряды, гроза, молниезащита
Мало кому неизвестно о сокрушающих способностях молнии, из-за которых данный атмосферный разряд причисляют к особо опасным, как для имущества человека, так и для его жизни. Тот факт, что от молнии нужно защищаться, могут подтвердить те, кто хотя бы раз увидел результаты ее воздействия. Пожалуй, самое безопасное место во время грозы — в доме, но это не значит, что не нужно принимать мер предосторожности. Насколько защищен наш дом от удара молнии при использовании одиночного стрежневого молниеотвода? На этот вопрос мы и попытались найти ответ в нашей работе.
Цель исследования: изучить методику расчета молниезащиты жилого дома на основе расчетно-практической работы.
Задачи исследования:
- Изучить физическую природу грозы и процесс ее распространения.
- Изучить основы молниезащиты.
- Произвести расчет молниезащиты дома
- Проанализировать полученные результаты.
В ходе изучения литературы [2,6,7] и интернет- источников [1,3–5, 8], по предмету исследования мы установили физическую природу грозы и молнии. Гроза — атмосферное явление, при котором внутри облаков или между облаком и земной поверхностью возникают электрические разряды– молнии, сопровождаемые громом. [1,3–5, 8]
Грозовые разряды (молнии) — это наиболее распространенный источник мощных электромагнитных полей естественного происхождения. Молния представляет собой разновидность газового разряда при очень большой длине искры. Общая длина канала молнии достигает нескольких километров, причем значительная часть этого канала находится внутри грозового облака. Причиной возникновения молний является образование большого объемного электрического заряда. [1,3–5, 8].
Обычным источником молний являются грозовые кучево-дождевые облака, несущие в себе скопление положительных и отрицательных электрических зарядов в верхней и нижней частях облака и образующие вокруг этого облака электрические поля возрастающей напряженности. Образование таких объемных зарядов различной полярности в облаке (поляризация облака) связано с конденсацией вследствие охлаждения водяных паров восходящих потоков теплого воздуха на положительных и отрицательных ионах (центрах конденсации) и разделением заряженных капелек влаги в облаке под действием интенсивных восходящих тепловых воздушных потоков.
Грозовые разряды по внешним признакам могут быть разделены на несколько типов. Обычный тип — линейная молния, с разновидностями: ленточная, ракетообразная, зигзагообразная и разветвленная. Наиболее редкий тип разрядов — шаровая молния. Молния обычно бывает многократной, т. е. состоит из нескольких единичных разрядов, развивающихся по одному и тому же пути, причем каждый разряд, так же как и разряд, получаемый в лабораторных условиях, начинается лидерным и завершается обратным (главным) разрядом. Скорость опускания лидера первого единичного разряда примерно равна 1500 км/с, скорости лидеров последующих разрядов достигают 2000 км/с, а скорость обратного разряда изменяется в пределах 15000 -150000 км/с, т. е. от 0,05 до 0,5 скорости света [10].
Согласно теории создания системы молниезащиты необходимо изменение траектории молнии. Никаких сложных устройств не потребуется для того, что отвести удар молнии от крыши и направить его вдоль стены в землю. Вся система состоит из молниепримника, токоотвода и заземлителя. [7]
Первым разряд принимает молниеприемник. Затем, при помощи токоотвода, разряд отводится к заземлителю, предназначение которого — погасить заряд в земле.
Молниеотвод принимает на себя удар молнии, который в противном случае пришелся бы в некоторое место строения. Степень защищенности постройки напрямую зависит от высоты, на которой установлен молниеотвод, и качества заземления.
Защитное действие молниеотвода характеризуется зоной защиты, то есть пространством вблизи молниеотвода, в которое попадание молнии маловероятно. Молния чаще всего поражает строения, возвышающиеся над окружающей поверхностью. Еще в то время, когда устанавливали первый молниеотвод, возникли споры о размерах зоны, в пределах которой он способен обеспечить надежную защиту. Эти споры продолжаются и до сих пор. В самом деле, если речь идет о полной защите от любого вида разрядов, то решить такой вопрос не так легко. Например, для защиты обычного небольшого дома, вполне достаточно металлического стержня.
По данным последних теоретических и статистических исследований, стержень надежно защищает почти от любого вида разрядов пространство, ограниченное поверхностью конуса, вершина которого совпадает с верхним концом стержня, а радиус основания равен длине стержня.
Рис. 1. Зона одиночного стрежневого молниеотвода
Рассчитать молниезащиту — это значит определить тип защиты, ее зону и параметры. По степени надёжности различают два типа зон: А–99,5 %; Б –95…99,5 %. Изучив методику расчета молниезащиты здания [7], мы поставили себе задачи определить: параметры зон молниезащиты, габаритные размеры защищаемого объекта, возможную поражаемость объекта с использованием одно стрежневой молниезащиты высотой h=50м при максимальной высоте сооружаемого здания 
. Среднегодовое число ударов молнии nв 1 
земной поверхности вместе нахождения здания определяется по картам, составленным на основании метеосводок сроком за 10лет. По основным формулам мы провели расчеты, параметры зон молниезащиты определены на рисунке 2.
Рис. 2. Зоны защиты одиночного стержневого молниеотвода, h-=50м
Таким образом, при использовании стержневого молниеотвода (h=50м) здание защищено со степенью надежности 99,5 % (зона А) в радиусе r=50м, если размеры защищаемого объекта 48*20*20м и со степенью надежности 95 %(зона Б) в радиусе r=75м, если размеры защищаемого объекта 81*20*20 м.
Мы рассмотрели расчет однострежневой молниезащиты и проверили достоверность нашей гипотезы о надежности защиты здания одно стрежневым молниеотводом высотой h=50м
Дальнейшим направлением нашей работы может быть изучение особенностей методики расчета молниезащиты с использованием табличного процессора MS Exсel.
Литература:
- Грозы, удары молний, градобитие. [Электронный ресурс] — режим доступа: https://xreferat.com/102/204–1-grozy-udary-molniiy... (дата обращения 20.04.2018)
- Дягилев Ф. М. «Из истории физики и жизни ее творцов» [Текст] — М. Просвещение, –1986г.– 255с.
- Молнии. Механизм развития. [Электронный ресурс] — режим доступа: http://www.physic-explorer.ru/molnii_mehanizm_razv... (дата обращения 20.04.2018)
- Причина возникновения молний. [Электронный ресурс] — режим доступа: http://www.bio-pc.ru/prichina-vozniknoveniya-molni... (дата обращения 20.04.2018)
- Разряд молнии как источник грозовых перенапряжений. [Электронный ресурс] — режим доступа: http://studopedia.org/9–87046.html (дата обращения 20.04.2018)
- Спасский Б. И. «Физика в ее развитии», пособие для учащихся. [Текст] — М. Просвещение, 1979г. — 208–с. 2.
- Шеховцев В. П. Расчет и проектирование схем электроснабжения. [Текст] — М.: ФОРУМ: ИНФРА-М, 2004г.– 214с.
- Эти удивительные молнии: какие они бывают? Виды молний [Электронный ресурс] — режим доступа: http://ecos.org.ua/?p=184 (дата обращения 20.04.2018)
