Skutki wyładowań atmosferycznych

Skutki mechaniczne wyładowań atmosferycznych

Proszę sobie wyobrazić, że gromada elektronów pędząca z prędkością w granicach dwóch tysięcy kilometrów na sekundę, niesie ze sobą niemałą energię kinetyczną! Jeśli spokojnie rozważymy jej wielkość, czyli średni ładunek jaki sobą reprezentuje, otrzymamy wielkość na poziomie 100 C (kulombów), a to oznacza, iż cała masa tej gromady wynosi około pół milionowej części grama. Niby niewiele, a jednak dokładnie licząc, energia kinetyczna takiej masy przekracza tysiąc dżuli, czyli jest nie tak wiele mniejsza od energii wystrzelonej kuli karabinowej! Powoduje też skutki porównywalne do wystrzelonej kuli.

Oddziaływanie cieplne

Prądy zasadniczego wyładowania atmosferycznego sięgają wartości 200 tysięcy amperów, a bywa, że i więcej. Co to może dla nas oznaczać? Wspomnijmy dla porównania, że prąd w domowych spawarkach, jakich powszechnie używamy, ma wartość najczęściej w zakresie zbliżonym do 200 amperów. To wystarcza do topienia stali i łączenia jej. Jakie więc będą skutki przepływu prądu o wielkości tysiąc razy większej?

Oczywiście, czas przepływu takiego prądu jest bardzo krótki, trwa od ułamka tysięcznej części sekundy do najwyżej kilku milisekund, jednak jego ogromna wartość nie pozostaje bez wpływu na miejsce uderzenia. Na przykład w dachu pokrytym blachodachówką dochodzi do jej wielomiejscowej perforacji, czyli wytopienia dziurek w miejscach gdzie nastąpiło przebicie warstwy ochronnej. Uszkodzeniu ulegają obudowy montowanych na dachu klimatyzatorów czy wentylatorów, a przepływający do ziemi prąd wyładowania rozgrzewa na swej drodze wszystkie metalowe elementy, ze skutkiem zależnym od ich rezystancji, a w praktyce – od ich przekroju. I tak, prąd piorunowy o wartości jaką przyjęliśmy, czyli 200 tysięcy amperów, podwyższa temperaturę pręta o przekroju  50 mm2  o ponad 200°C, natomiast drut o przekroju 25 mm2 zostaje wtedy stopiony!

Skutki napięciowe

W sytuacji bezpośredniego uderzenia w budynek, przy braku prawidłowo działającej instalacji odgromowej, zachodzi obawa nie kontrolowanego przepływu prądu piorunowego do ziemi. Pamiętając przy tym, że podczas wyładowaniu w przewodzący element dachu, napięcie pomiędzy tym punktem a ziemią sięga wartości milionów woltów, możemy spotkać się z bardzo niebezpiecznymi zjawiskami. Dla takich napięć nie istnieją żadne przerwy izolacyjne, przeskok ładunku z dachu do przewodów elektrycznych instalacji elektrycznej zewnętrznej domu, czy też poddasza, jest wysoce prawdopodobny, może więc wystąpić wniknięcie pioruna do wnętrza domu ze wszystkimi tegoż skutkami. Zniszczeniem urządzeń i/albo porażeniem znajdujących się wewnątrz osób.

Skutki wywołane przez pole elektryczne

Rys. Spinpol H.T.

Przy bezpośrednim wyładowaniu w budynek, niezależnie od tego, czy jest chroniony przez instalację odgromową czy też nie, pomiędzy miejscem wyładowania a ziemią wytworzy się napięcie elektryczne. Jeśli założymy, że jego wartość wynosi milion woltów (1 MV), a miejsce uderzenia pioruna znajduje się 10 metrów nad ziemią, to w przestrzeni powstanie pole elektryczne E o wartości 1 kV/cm (1 kilowolt na centymetr). W takiej sytuacji, dwa dowolne przewody położone wewnątrz budynku utworzą okładki kondensatora o jakiejś pojemności C.

Z kolei teoria mówi, że każdy kondensator umieszczony w polu elektrycznym wytwarza napięcie elektryczne, którego wielkość jest zależna od iloczynu pola E oraz odległości pomiędzy jego okładkami d.

Jeśli więc założymy, że taka odległość d wynosi 10 cm,  to z prostej zależności otrzymamy napięcie U = 10 000V. W sytuacji, kiedy obydwa przewody podłączone są do tego samego urządzenia, powstały kondensator rozładuje się w jego wnętrzu, powodując  uszkodzenie znajdujących się w nim, wrażliwych na przepięcia elementów.

Tak w uproszczeniu wygląda mechanizm jednej z przyczyn powstawania uszkodzeń w domowym sprzęcie elektronicznym, wywołanych uderzeniem pioruna.

Skutki działania pola magnetycznego

Rys. Spinpol H.T.

Efekt sprzężenia elektromagnetycznego pomiędzy dwoma uzwojeniami jest zjawiskiem dobrze znanym i wykorzystywanym do budowy między innymi silników elektrycznych oraz transformatorów. Niestety, w przypadku wyładowania piorunowego, daje skutki niepożądane, bardziej nawet dotkliwe niż te wywoływane przez pole elektryczne.

Dla zobrazowania wielkości zagrożenia podam, że w pętli z przewodów o wymiarach 10 x 10 metrów, usytuowanej w odległości 1 metr od przewodu odprowadzającego, powstaje impuls napięciowy rzędu pół miliona woltów!
Jest to zjawisko bardzo niekorzystne, tym bardziej, że powstały impuls przepięciowy jest przenoszony na sieć zasilającą i odczuwalny nawet w odległości do 2 kilometrów od miejsca wyładowania.

Stanisław Liberski
fot. PIRO4D / pixabay.com