¿Por qué a veces los rayos siguen cayendo sobre edificios equipados con pararrayos?
Se puede ver en todas partes del mundo. En lo alto de edificios, fábricas, chimeneas, torres de cohetes y naves espaciales, antenas parabólicas, etc., se encuentran en lo alto una o incluso varias barras de metal, que son pararrayos.
Algunas de las pagodas de la antigua arquitectura china descendían desde lo alto de la torre con cadenas de hierro y los extremos estaban enterrados en pozos. Estas pagodas rara vez son destruidas por un rayo. En la Edad Media, muchas torres de iglesias en Europa eran a menudo blanco de rayos porque eran tan altas que llegaban al cielo. Sin embargo, han sobrevivido algunos edificios altos. En una catedral, por ejemplo, la cúpula está cubierta con metal dorado y alrededor de ella hay muchas barras de hierro largas y puntiagudas. La cúpula de metal está conectada a un fregadero de hierro en el suelo a través de un tubo de drenaje de hierro. Estos edificios antiguos todavía están bien conservados. En ese momento, la gente no conocía el motivo detrás de esto. Sólo después del desarrollo de la ciencia la gente de hoy descubrió el misterio de por qué no fueron destruidos por un rayo.
En 1749, Franklin hizo otro descubrimiento poco después de completar su experimento de vuelo de cometas. Una vez, cargó una bola de metal aislada con electricidad estática. Cuando una varilla de hierro puntiaguda se acercó a la bola, la electricidad estática de la bola desapareció lentamente. Este incidente le dio una revelación. Pensó que si una barra de hierro puntiaguda recubierta con inhibidor de óxido se colocaba en lo alto de una veleta, una iglesia o un campanario, y se conectaba con un cable a un objeto metálico enterrado en el suelo, durante una tormenta la barra de hierro también se descargaría en el de la misma manera. Así, en 1752, Franklin creó el primer pararrayos del mundo. El uso de pararrayos pronto se promovió en los Estados Unidos, seguido por el Reino Unido en 1762 y Alemania en 1769.
l ¿Por qué los pararrayos pueden proteger contra los rayos?
Algunas personas piensan. El pararrayos se descarga bajo la inducción de la punta de la nube de tormenta, que puede neutralizar la carga en la nube de tormenta, evitando así la caída de rayos. Otros creen que los pararrayos pueden atraer la corriente del rayo y guiarla bajo tierra. Debemos averiguar qué afirmación es correcta para poder diseñar un pararrayos que evite eficazmente la caída de rayos.
Si el pararrayos funciona como el primero, cuantas más puntas de descarga, mejor debería ser el efecto de neutralización de la descarga. Veamos qué sucede realmente. Los árboles son conductores y las innumerables ramas del bosque son como ramas de descarga eléctrica. Es lógico que cuando las nubes de tormenta flotan sobre el bosque, la carga en la nube debería ser neutralizada por la descarga de tantas ramas. El efecto del trueno debería ser el más obvio, pero no es raro que los bosques sean alcanzados por un rayo. . Alguien hizo una serie de cientos de puntas de descarga y las instaló en una torre de antena de 360 metros de altura en una base de la fuerza aérea en los Estados Unidos para proteger la torre de la antena de los rayos. Sin embargo, fue alcanzada por 11 rayos en 3. meses, 5 de los cuales fueron alcanzados por un rayo. Esta vez incluso fue fotografiado.
El juicio más importante es la medición científica experimental. Las mediciones experimentales muestran que la cantidad de electricidad liberada por los pararrayos bajo la acción del campo eléctrico de las nubes de tormenta es muy pequeña. La corriente de descarga en la punta de un pararrayos suele ser de sólo unos pocos microamperios, y un rayo moderado puede liberar entre 25 y 30 culombios de electricidad. Esto equivale a la descarga de miles de pararrayos en pocos minutos.
Al principio, Franklin sostuvo la primera opinión. Pero rápidamente revisó esa opinión. Señaló que la corriente liberada por los pararrayos durante las tormentas es muy pequeña y su función es guiar el rayo hacia sí mismo y seguirlo hacia la tierra.
La función de un pararrayos es “atraer el rayo” en lugar de “evitarlo”.
El nombre correcto debería ser "pararrayos", pero la palabra "pararrayos" está traducida del inglés. El texto original no significa protección contra rayos. Fue traducido por el traductor hace más de cien años según su propio entendimiento. se ha transmitido hasta el día de hoy. Estamos acostumbrados a utilizarla y la denotación de la palabra no importa siempre que reconozcamos su función.
l ¿Por qué los pararrayos pueden atraer rayos?
Esto está relacionado con el fenómeno de la descarga electrostática. Los rayos son en realidad una descarga de chispa entre dos números diferentes de objetos cargados eléctricamente. El campo eléctrico es más fuerte cerca de la parte superior de la parte que sobresale del cuerpo cargado, donde el aire se abre paso por primera vez y la corriente comienza a fluir. Las nubes de tormenta y la tierra también son un par de cuerpos cargados eléctricamente. La punta del suelo es también la parte que sobresale del cuerpo cargado. La punta del suelo es también el lugar por donde el aire puede atravesar más fácilmente. Hay un poste de metal en la parte superior del edificio, y aparentemente aquí es más probable que se produzcan descargas de chispas, y aquí es donde el pararrayos atrae los rayos. Para que la corriente del rayo fluya hacia la tierra, se requiere un canal conductor, por lo que se deben usar cables cortos para conectar las puntas metálicas al dispositivo de conexión a tierra para evitar que la corriente del rayo fluya a varias partes del edificio.
Como se puede observar de lo anterior, el dispositivo de protección contra rayos generalmente consta de tres partes: terminal aéreo, conductor de bajada y cuerpo de puesta a tierra (Figura 13.1). Los pararrayos son sólo una forma de terminales aéreos. Además, existen cinturones de protección contra rayos, redes de protección contra rayos, etc. Por lo general, el pararrayos mencionado en libros y publicaciones periódicas en realidad se refiere a todo el dispositivo de protección contra rayos, incluido el terminal aéreo, el conductor de bajada y el cuerpo de conexión a tierra, en lugar del terminal aéreo en forma de varilla.
Un captador de rayos, también conocido como receptor de rayos, es un conductor metálico que atrae la corriente del rayo. El captador de rayos, de uso común, también se denomina pararrayos. Los pararrayos generalmente están hechos de acero galvanizado, tiras de acero o tubos de acero, ya que la corriente del rayo generalmente fluye a lo largo de la superficie del conductor, por lo que el pararrayos debe tener la mayor sección transversal posible. La punta de la aguja no tiene que ser afilada, puede tener forma esférica o plana. No es necesario dividirlo en varias horquillas, ya que esto no tiene ningún efecto evidente sobre el aumento de la gravedad y no es económico. La aguja debe instalarse firmemente y resistir el viento.
Los conductores de bajada son cables tendidos en el tejado, la pared o el interior de la pared, a través de los cuales se puede conducir la corriente del rayo hasta el suelo. Puede estar hecho de acero redondo o de fleje de acero. Su sección transversal también debería ser lo más grande posible. Cuanto más corto y recto sea el camino de tendido del conductor de bajada, mejor, y debe instalarse en un lugar oculto donde sea difícil ser descubierto. Se debe insertar en el suelo una sección de cable a unos 2 metros del suelo y cubrirla con una funda metálica para evitar daños. Es mejor no utilizar alambre trenzado como conductor porque el alambre trenzado es propenso a la corrosión. El conductor de bajada también debe evitar curvas y esquinas cerradas, donde es fácil romperse bajo el impacto de la corriente del rayo. Es mejor utilizar una forma de arco y fijarlo firmemente. Si se utilizan varios conductores de bajada para dividir el desvío, la distancia entre cada dos debe ser la mayor posible.
Una tierra es un conductor enterrado bajo tierra. Puede descargar la corriente del rayo a la tierra. El cuerpo de tierra suele estar hecho de hierro o acero galvanizado. Para tener una mayor área de contacto con la tierra, se puede convertir en una rejilla o malla y enterrar en un suelo con buena conductividad, como tierra húmeda o arcilla. La profundidad del enterramiento generalmente no es inferior a 0,5 a 0,8 metros. Al enterrar el cuerpo de puesta a tierra, también se debe considerar evitar lugares de fácil acceso para evitar que los peatones resulten dañados por el voltaje del paso de corriente disruptiva.
Los pararrayos son muy útiles para proteger los edificios. Desde el punto de vista de la seguridad, lo mejor es que todos los edificios cuenten con dispositivos de protección contra rayos. Pero, de hecho, no es necesario hacer esto. Es necesario considerar el costo y la practicidad del edificio. En lugares donde rara vez se producen rayos, no es necesario considerar la protección contra rayos. Por lo tanto, la instalación de dispositivos de protección contra rayos solo puede considerarse en función de factores como la actividad de los rayos en cada región, el entorno específico del sitio de construcción, la importancia del edificio en sí y las condiciones físicas y económicas.
Sin embargo, según estadísticas extranjeras, todavía hay muchos casos de edificios residenciales de poca altura que han sido alcanzados por un rayo. En promedio, más de 2.000 hogares en los Estados Unidos son alcanzados por un rayo cada año. Por este motivo, aún es necesario popularizar los conocimientos sobre protección contra el rayo entre la población en general.
A la hora de instalar dispositivos de protección contra rayos, se deben seguir los siguientes principios fundamentales. Los pararrayos deben ser más altos que los edificios que protegen. Todas las partes del dispositivo deben estar firmemente conectadas y no se permite soldar con bridas ni láminas de hierro. Las partes metálicas del tejado, las tuberías de gas, de agua y todos los demás objetos metálicos deben conectarse a bajantes y soldarse. Los dispositivos de protección contra rayos también deben mantenerse alejados de los cables internos y externos del edificio para evitar descargas de chispas.
Si el dispositivo de protección contra rayos está mal conectado a tierra o instalado incorrectamente, la corriente del rayo que atrae puede fluir a otras partes del edificio. causando daños.
l ¿En qué medida los pararrayos pueden proteger los edificios?
El 15 de mayo de 1777, un polvorín en Pfleet, cerca de Londres, fue alcanzado por un rayo y causó daños menores. El dispositivo de protección contra rayos del polvorín fue diseñado por varios científicos, incluido Franklin. Después del accidente, los inspectores comprobaron que el pararrayos estaba intacto. Esta fue la primera vez que observaron las limitaciones de la protección de los pararrayos. En 1979, un científico francés planteó por primera vez la cuestión del alcance de protección de los pararrayos. Más tarde, muchas personas continuaron realizando investigaciones experimentales y propusieron que los pararrayos podrían proteger un espacio en forma de cono dentro de un edificio. La altura del cono es la distancia H desde la parte superior del pararrayos hasta el suelo (Figura 13.2), y el radio de la parte inferior del cono es igual a 1-1,5 veces la altura del pararrayos. Lo anterior se refiere a un solo pararrayos. Un solo pararrayos solo puede proteger edificios que ocupan poco espacio, como chimeneas y edificios pequeños. Para edificios que ocupan un área grande, se deben usar múltiples pararrayos para formar un grupo de pararrayos (Figura 13.3). Su rango de protección es la suma del espacio protegido de cada pararrayos.
En las líneas aéreas de transmisión se utilizan cables de protección contra rayos o cables aéreos de puesta a tierra para proteger contra los rayos. Se trata de uno o dos conductores de acero bien puestos a tierra suspendidos en paralelo en líneas de alta tensión. El efecto protector de un pararrayos es similar al de un espacio dentro de una tienda de campaña con una tienda de campaña con forma humana como techo. La figura 13.4 representa un pararrayos para una línea de transmisión de alto voltaje.
l ¿Los edificios en áreas con actividad frecuente de rayos son vulnerables a los rayos?
Esto no se puede generalizar y depende de factores como la topografía de la zona, las condiciones del suelo y el entorno circundante. Hemos dicho que la caída de un rayo es selectiva. Desde el punto de vista de las condiciones geológicas, los edificios en lugares con baja resistividad del suelo, como lechos de ríos especialmente húmedos, estanques, estanques de juncos y depósitos metálicos que contienen sustancias conductoras, son vulnerables a la caída de rayos. Además, donde hay cambios repentinos en la resistividad del suelo, como en la interfaz de roca y suelo. Los edificios situados en la unión de arrozales y laderas también son vulnerables a los rayos. En términos de terreno, los edificios que sobresalen del suelo, los edificios aislados en áreas abiertas y los edificios cercanos a montañas y ríos son susceptibles a los rayos. También hay centros y terminales ferroviarios. Los edificios en las esquinas de las líneas aéreas también son objetivos clave para los rayos. Por lo tanto, el diseño y la instalación de dispositivos de protección contra rayos deben analizarse específicamente en función del terreno, las características geomorfológicas, la naturaleza del edificio y las condiciones de uso de la ubicación del edificio, y deben diseñarse racionalmente para garantizar la seguridad y la aplicación.
Cuando los rayos alcanzan edificios de gran altura, a veces sufren impactos laterales y desvíos, como en el caso de una torre de televisión de 537 metros de altura cerca de Moscú. Durante la temporada de tormentas de cuatro años y medio, se produjeron 143 rayos. La mayoría de los rayos ocurrieron en la torre entre 20 y 36 metros por debajo de la parte superior de la torre, y dos ocurrieron a 200 y 300 metros por debajo de la misma. cima de la torre. Por lo tanto, este fenómeno debe tenerse en cuenta recientemente en la protección contra rayos de edificios de gran altura.
¿Ha habido algún desarrollo nuevo en los últimos 200 años desde la invención del trueno y el relámpago?
¡Sí! Estos desarrollos están estrechamente relacionados con el desarrollo de edificios modernos de gran altura.
La primera pregunta que surge es: ¿Caerá definitivamente un rayo en el punto más alto del edificio? No necesariamente. Decimos que el aire no es conductor durante una ruptura electrostática, pero no es del todo cierto. Hay muchas razones (que se discutirán más adelante) que hacen que las partículas en la atmósfera conduzcan electricidad, por lo que los canales de ruptura en la atmósfera están relacionados con estos factores conductores. La ubicación de los canales de rayos y las nevadas suele ser aleatoria, y hay varios equipos eléctricos y otros equipos metálicos en los edificios modernos que generarán campos eléctricos y, por lo tanto, afectarán la ubicación de los rayos. Por lo tanto, se debe considerar la protección contra rayos en las altas temperaturas modernas. levantar edificios.
La segunda pregunta es: los edificios modernos generalmente utilizan estructuras de hormigón armado ¿Se pueden utilizar como protección contra rayos para reducir los fondos de protección contra rayos del edificio? Para tal fin. Necesitamos introducir algunos conocimientos electrostáticos sobre superficies equipotenciales y blindaje electrostático. Sabemos que cuando un conductor metálico está cerca de un cuerpo cargado, la superficie metálica inevitablemente se cargará. La distribución de cargas siempre hace que el campo eléctrico fuera del conductor termine en la superficie exterior del conductor y el potencial de todo el conductor. La superficie del conductor es la misma en todas partes. Lo mismo ocurre si el conductor es hueco por dentro.
Por lo tanto, se puede decir que el objeto dentro de la carcasa metálica está protegido por la carcasa metálica y no se ve afectado por el campo eléctrico externo. El uso de malla metálica en lugar de carcasa metálica tiene el mismo efecto. Cuanto mayor sea la densidad, mejor será el efecto de protección. Este metal tiene una superficie de composición isotrópica, que actúa como escudo electrostático contra campos eléctricos externos. Se pueden hacer algunos experimentos para probar este principio. Cubra una rejilla con una malla metálica, no importa cuán alta sea la diferencia de potencial en el exterior, o coloque un objeto cargado en el suelo, la rejilla no tendrá ningún efecto. Retire la malla metálica y las fichas mostrarán inmediatamente un voltaje muy alto. Esto nos recuerda un maravilloso método de protección contra rayos. Cuando cae un rayo, las personas que se esconden en el automóvil nunca serán alcanzadas por un rayo. Incluso si un rayo cae sobre el armazón del automóvil, las personas que están dentro seguirán estando a salvo.
Por las razones anteriores, en los edificios modernos se utiliza un nuevo tipo de instalación de protección contra rayos que es a la vez económica y segura, denominada "red de protección contra rayos oculta". Las barras de acero estructural del edificio están conectadas en su conjunto para formar una gran jaula de metal. Si un rayo cae sobre un edificio, las personas y los equipos que se encuentran en su interior no correrán peligro porque se ha formado una superficie equipotencial. Este tipo de red de protección contra rayos en forma de jaula no solo desempeña una función de protección, sino que también sirve como conductor de bajada. Es un método de protección contra rayos relativamente económico, hermoso y seguro. Si recorre las calles, puede ver que muchos edificios de nueva construcción ya no tienen postes metálicos elevados ni conductores de bajada en sus techos porque han utilizado redes de protección contra rayos tipo jaula. A la red de protección contra rayos de jaula se conectan diversos objetos metálicos y conductores situados en el tejado. Además, alrededor del techo se debe colocar una tira metálica llamada franja de protección contra rayos para conectarlo a la rejilla de protección contra rayos.
¿Los edificios con dispositivos de protección contra rayos son realmente inmunes a la caída de rayos?
Este no es necesariamente el caso. Aunque algunos edificios de gran altura están equipados con dispositivos de protección contra rayos, son "tangiblemente inútiles" debido a razones como cables de tierra rotos. Por ejemplo, el 31 de mayo de 1987, la montaña Wudang en la provincia de Hubei fue alcanzada por un rayo. La razón fue que el cable de protección contra rayos en la parte superior del pararrayos se rompió durante la construcción del edificio y no fue inspeccionado ni reparado más tarde. Otro ejemplo, en 1985, el templo Longhua en Shanghai fue alcanzado por un rayo y una esquina del techo del Salón Maitreya fue cortada. El templo Longhua instaló un pararrayos y no sufrió daños. ¿Por qué fue alcanzado por un rayo? Según el análisis, resulta que Maitreya Hall no se encuentra dentro del rango de protección efectiva de su pararrayos. Se puede observar que para garantizar que el dispositivo de protección contra rayos sea eficaz, además de un correcto diseño y una correcta instalación, también se debe realizar un mantenimiento periódico para mantenerlo en buenas condiciones, de modo que, en general, pueda evitar daños por impacto de rayos. Aquí queremos dar un consejo a los lectores: deben prestar atención a la ciencia y no subestimar los principios científicos de todos los aspectos de la tecnología de protección contra rayos. No sea moralista al instalar pararrayos usted mismo, hacerlo es muy peligroso y no es algo bueno, sino que "atraerá rayos a la casa" y, a su vez, sufrirá desastres por rayos. No podemos ser descuidados en la ciencia y no podemos preocuparnos por los truenos y relámpagos.