Αλεξικέραυνο

Από τη Βικιπαίδεια, την ελεύθερη εγκυκλοπαίδεια
Μετάβαση στην πλοήγηση Πήδηση στην αναζήτηση
A lightning rod at the highest point of a tall building, connected to a ground rod by a wire.
Διάγραμμα απλού συστήματος αντικεραυνικής προστασίας

Ένα αλεξικέραυνο είναι μια μεταλλική ράβδος τοποθετημένη σε μια κατασκευή και προορίζεται να προστατεύει την κατασκευή από κεραυνό. Εάν ο κεραυνός χτυπήσει την κατασκευή, θα χτυπήσει κατά προτίμηση τη ράβδο και θα οδηγηθεί στη γείωση μέσω ενός σύρματος, αντί να περάσει μέσα από τη δομή, όπου θα μπορούσε να προκαλέσει πυρκαγιά ή να προκαλέσει ηλεκτροπληξία.

Σε ένα σύστημα αντικεραυνικής προστασίας, το αλεξικέραυνο είναι ένα μόνο στοιχείο του συστήματος. Το αλεξικέραυνο απαιτεί σύνδεση με τη γη για να εκτελέσει την προστατευτική του λειτουργία. Τα αλεξικέραυνα διατίθενται σε πολλές διαφορετικές μορφές, όπως κοίλες, συμπαγείς, μυτερές, στρογγυλεμένες, επίπεδες λωρίδες ή ακόμα και σαν βούρτσα με τρίχες. Το κύριο χαρακτηριστικό που είναι κοινό σε όλα τα αλεξικέραυνα είναι ότι όλα είναι κατασκευασμένα από αγώγιμα υλικά, όπως χαλκός και αλουμίνιο. Ο χαλκός και τα κράματά του είναι τα πιο κοινά υλικά που χρησιμοποιούνται στην αντικεραυνική προστασία.[1]

Ιστορία[Επεξεργασία | επεξεργασία κώδικα]

Η αρχή του αλεξικέραυνου αναλύθηκε για πρώτη φορά από τον Πρόκοπ Ντίβις στο Πριμέτιτσε, στη σημερινή Τσεχική Δημοκρατία το 1753.

Καθώς τα κτίρια γίνονται πιο ψηλά, ο κεραυνός γίνεται πιο απειλητικός. Οι κεραυνοί μπορούν να καταστρέψουν κατασκευές από τα περισσότερα υλικά, όπως τοιχοποιία, ξύλο, σκυρόδεμα και χάλυβα, επειδή τα τεράστια ρεύματα και οι τάσεις που εμπλέκονται μπορούν να θερμάνουν τα υλικά σε υψηλή θερμοκρασία. Η θερμότητα προκαλεί πιθανότητα πυρκαγιάς της δομής.

Ένα αλεξικέραυνο μπορεί να χρησιμοποιήθηκε σκόπιμα στον Κεκλιμένο Πύργο του Νεβιάνσκ. Το κωδωνοστάσιο του πύργου στεφανώνεται με μεταλλική ράβδο σε σχήμα επιχρυσωμένης σφαίρας με ακίδες. Αυτό το αλεξικέραυνο γειώνεται μέσα από το σκελετό του οπλισμού, το οποίο διαπερνά ολόκληρο το κτίριο. Ο Πύργος του Νεβιάνσκ χτίστηκε μεταξύ 1721 και 1745, με εντολή του βιομήχανου Ακινφίι Ντεμίντοφ. Ο Πύργος του Νεβιάνσκ χτίστηκε 28 χρόνια πριν από το πείραμα και την επιστημονική εξήγηση του Βενιαμίν Φραγκλίνου. Ωστόσο, η πραγματική πρόθεση πίσω από τη μεταλλική στέγη και τις ράβδους οπλισμού παραμένει άγνωστη.[2]

Ο πύργος της εκκλησίας πολλών ευρωπαϊκών πόλεων, που ήταν συνήθως το υψηλότερο κτίσμα της πόλης, ήταν πιθανό να χτυπηθεί από κεραυνό. Νωρίς, οι χριστιανικές εκκλησίες προσπάθησαν να αποτρέψουν την εμφάνιση των καταστροφικών συνεπειών του κεραυνού προσευχόμενοι. Ο Πέτερ Άλβαρντς («Λογικές και Θεολογικές Θεωρήσεις για τη Βροντή και την Αστραπή», 1745) συμβούλεψε τα άτομα που αναζητούσαν κάλυψη από κεραυνούς να πάνε οπουδήποτε εκτός από μέσα ή γύρω από μια εκκλησία.[3]

Υπάρχει συνεχιζόμενη συζήτηση για το εάν μια «μετεωρολογική μηχανή», που εφευρέθηκε από τον ιερέα Πρόκοπ Ντίβις και ανεγέρθηκε στο Πρίμετιτσε (τώρα μέρος του Ζνόιμο), Μοραβία (τώρα Τσεχική Δημοκρατία) τον Ιούνιο του 1754, λογίζεται ως μεμονωμένη εφεύρεση του αλεξικέραυνου. Η συσκευή του Ντίβις, σύμφωνα με τις ιδιωτικές του θεωρίες, είχε στόχο να αποτρέψει εντελώς τις καταιγίδες, στερώντας συνεχώς τον αέρα από την περιττή ηλεκτρική του ενέργεια. Η συσκευή, ωστόσο, ήταν τοποθετημένη σε έναν ελεύθερο στύλο και πιθανώς καλύτερα γειωμένη από τα αλεξικέραυνα του Φράνκλιν εκείνη την εποχή, επομένως εξυπηρετούσε τον σκοπό ενός αλεξικέραυνου.[4] Μετά από τοπικές διαμαρτυρίες, ο Ντίβις έπρεπε να σταματήσει τα καιρικά του πειράματα γύρω στο 1760.

Σε αυτό που αργότερα έγινε Ηνωμένες Πολιτείες, ο μυτερός αγωγός αλεξικέραυνου εφευρέθηκε από τον Βενιαμίν Φραγκλίνο το 1752 ως μέρος της πρωτοποριακής του εξερεύνησης του ηλεκτρισμού. Αν και δεν ήταν ο πρώτος που πρότεινε τη συσχέτιση μεταξύ ηλεκτρικής ενέργειας και κεραυνού, ο Φράνκλιν ήταν ο πρώτος που πρότεινε ένα λειτουργικό σύστημα για τη δοκιμή της υπόθεσής του.[5] Ο Φράνκλιν υπέθεσε ότι, με μια σιδερένια ράβδο ακονισμένη σε ένα σημείο, «Η ηλεκτρική φωτιά, νομίζω, θα έβγαινε σιωπηλά από ένα σύννεφο, προτού πλησιάσει αρκετά για να χτυπήσει».

Σύστημα αντικεραυνικής προστασίας[Επεξεργασία | επεξεργασία κώδικα]

Σύστημα αντικεραυνικής προστασίας σε εξέδρα εκτόξευσης στο διαστημικό σταθμό Κέιπ Κανάβεραλ.

Ένα σύστημα αντικεραυνικής προστασίας έχει σχεδιαστεί για να προστατεύει μια κατασκευή από ζημιές λόγω κεραυνών αναχαιτίζοντας τέτοιες κρούσεις και περνώντας με ασφάλεια τα εξαιρετικά υψηλά ρεύματά τους στη γείωση. Ένα σύστημα αντικεραυνικής προστασίας περιλαμβάνει ένα δίκτυο ακροδεκτών αέρα, αγωγών σύνδεσης και ηλεκτροδίων γείωσης που έχουν σχεδιαστεί για να παρέχουν διαδρομή χαμηλής αντίστασης προς το έδαφος για πιθανά χτυπήματα.

Τα συστήματα αντικεραυνικής προστασίας χρησιμοποιούνται για την αποφυγή ζημιών από κεραυνό σε κατασκευές. Τα συστήματα αντικεραυνικής προστασίας μετριάζουν τον κίνδυνο πυρκαγιάς που ενέχουν οι κεραυνοί στις κατασκευές. Ένα σύστημα αντικεραυνικής προστασίας παρέχει διαδρομή χαμηλής αντίστασης για το ρεύμα κεραυνού για να μειώσει την επίδραση θέρμανσης του ρεύματος που ρέει μέσω εύφλεκτων δομικών υλικών. Εάν ο κεραυνός ταξιδεύει μέσα από πορώδη και κορεσμένα με νερό υλικά, αυτά τα υλικά μπορεί κυριολεκτικά να εκραγούν εάν το περιεχόμενό τους σε νερό μετατραπεί σε ατμό από τη θερμότητα που παράγεται από το υψηλό ρεύμα. Αυτός είναι ο λόγος που τα δέντρα συχνά κομματιάζονται από κεραυνούς.

Λόγω των υψηλών επιπέδων ενέργειας και ρεύματος που σχετίζονται με τον κεραυνό (τα ρεύματα μπορεί να υπερβαίνουν τα 150.000 A) και τον πολύ γρήγορο χρόνο ανόδου ενός κεραυνού, κανένα σύστημα προστασίας δεν μπορεί να εγγυηθεί απόλυτη ασφάλεια από κεραυνό. Το ρεύμα του κεραυνού θα διαιρεθεί για να ακολουθήσει κάθε αγώγιμη διαδρομή προς τη γείωση και ακόμη και το διαιρεμένο ρεύμα μπορεί να προκαλέσει ζημιά. Οι δευτερεύουσες «πλευρικές λάμψεις» μπορεί να είναι αρκετές για να ανάψουν μια φωτιά, να σπάσουν τούβλα, πέτρες ή σκυρόδεμα ή να τραυματίσουν τους ενοίκους του κτιρίου. Ωστόσο, τα οφέλη των βασικών συστημάτων αντικεραυνικής προστασίας είναι εμφανή εδώ και πάνω από έναν αιώνα.[6]

Μετρήσεις εργαστηριακής κλίμακας των επιπτώσεων [οποιασδήποτε έρευνας διερεύνησης κεραυνών] δεν κλιμακώνονται σε εφαρμογές που περιλαμβάνουν φυσικό κεραυνό.[7] Οι επιτόπιες εφαρμογές έχουν προέλθει κυρίως από δοκιμή και σφάλμα με βάση την βέλτιστη εργαστηριακή έρευνα ενός εξαιρετικά πολύπλοκου και μεταβλητού φαινομένου.

Τα μέρη ενός συστήματος αντικεραυνικής προστασίας είναι ακροδέκτες αέρα (ακεραυνοί ή συσκευές τερματισμού κρούσης), συγκολλητικοί αγωγοί, ακροδέκτες γείωσης (ράβδοι γείωσης ή "γείωσης", πλάκες ή πλέγμα) και όλοι οι σύνδεσμοι και τα στηρίγματα για την ολοκλήρωση του συστήματος. Οι ακροδέκτες αέρα είναι συνήθως διατεταγμένοι στα ή κατά μήκος των άνω σημείων μιας οροφής και συνδέονται ηλεκτρικά μεταξύ τους με αγωγούς συγκόλλησης (που ονομάζονται "κάτω αγωγοί" ή "κάτω αγωγοί "), οι οποίοι συνδέονται με την πιο άμεση διαδρομή σε μία ή περισσότερες γείωση ή ακροδέκτες γείωσης.[8] Οι συνδέσεις με τα ηλεκτρόδια γείωσης δεν πρέπει μόνο να έχουν χαμηλή αντίσταση, αλλά πρέπει να έχουν χαμηλή αυτεπαγωγή.

Αρχικά, οι επιστήμονες πίστευαν ότι ένα τέτοιο σύστημα αντικεραυνικής προστασίας από τερματικούς σταθμούς αέρα και «κατεβάσματα» κατεύθυνε το ρεύμα του κεραυνού προς τα κάτω στη γη για να «διαλυθεί». Ωστόσο, η φωτογραφία υψηλής ταχύτητας έχει δείξει ξεκάθαρα ότι ο κεραυνός στην πραγματικότητα αποτελείται τόσο από ένα στοιχείο από το σύννεφο όσο και από ένα αντίθετα φορτισμένο στοιχείο εδάφους. Κατά τη διάρκεια των κεραυνών «σύννεφο προς έδαφος», αυτά τα αντίθετα φορτισμένα συστατικά συνήθως «συναντιούνται» κάπου στην ατμόσφαιρα πολύ πάνω από τη γη για να εξισορροπήσουν τα προηγούμενα μη ισορροπημένα φορτία. Η θερμότητα που παράγεται καθώς αυτό το ηλεκτρικό ρεύμα ρέει μέσω εύφλεκτων υλικών είναι ο κίνδυνος που προσπαθούν να μετριάσουν τα συστήματα αντικεραυνικής προστασίας παρέχοντας μια διαδρομή χαμηλής αντίστασης για το κύκλωμα κεραυνού. Κανένα σύστημα αντικεραυνικής προστασίας δεν μπορεί να βασιστεί για να «περιορίσει» ή να «ελέγξει» πλήρως τους κεραυνούς (ούτε μέχρι στιγμής, για να αποτρέψει εντελώς τους κεραυνούς), αλλά φαίνεται να βοηθάει πάρα πολύ στις περισσότερες περιπτώσεις κεραυνών.

Ανάλυση χτυπημάτων κεραυνών[Επεξεργασία | επεξεργασία κώδικα]

Τα χτυπήματα κεραυνών σε μια μεταλλική κατασκευή μπορεί να ποικίλλουν από το να μην αφήνουν στοιχεία -εκτός ίσως από ένα μικρό λάκκο στο μέταλλο- έως την πλήρη καταστροφή της κατασκευής.[9] Όταν δεν υπάρχουν στοιχεία, η ανάλυση των χτυπημάτων είναι δύσκολη. Αυτό σημαίνει ότι ένα χτύπημα σε μια δομή χωρίς όργανα πρέπει να επιβεβαιωθεί οπτικά και η τυχαία συμπεριφορά του κεραυνού καθιστά τέτοιες παρατηρήσεις δύσκολες.[9][10][11][12] Υπάρχουν επίσης εφευρέτες που εργάζονται σε αυτό το πρόβλημα,[13][14] όπως μέσω ενός πυραύλου αστραπής. Πολύ καλά δεδομένα λαμβάνονται μέσω τεχνικών που χρησιμοποιούν ραδιοφωνικούς δέκτες που παρακολουθούν τη χαρακτηριστική ηλεκτρική «υπογραφή» των κεραυνών χρησιμοποιώντας σταθερές κατευθυντικές κεραίες.[15][16][17][18] Μέσω τεχνικών ακριβούς χρονισμού και τριγωνισμού, οι κεραυνοί μπορούν να εντοπιστούν με μεγάλη ακρίβεια, επομένως η πλήξη σε συγκεκριμένα αντικείμενα συχνά μπορούν να επιβεβαιωθούν με σιγουριά.

Η ενέργεια σε ένα χτύπημα κεραυνού είναι τυπικά στην περιοχή από 1 έως 10 δισεκατομμύρια joules. Αυτή η ενέργεια απελευθερώνεται συνήθως σε ένα μικρό αριθμό χωριστών χτυπημάτων, καθεμία με διάρκεια μερικών δεκάδων μικροδευτερόλεπτων (συνήθως 30 έως 50 μικροδευτερόλεπτα), σε μια περίοδο περίπου ενός πέμπτου του δευτερολέπτου. Η μεγάλη πλειοψηφία της ενέργειας διαχέεται ως θερμότητα, φως και ήχος στην ατμόσφαιρα.

Εκτίμηση κινδύνου[Επεξεργασία | επεξεργασία κώδικα]

Ορισμένες κατασκευές κινδυνεύουν από την φύση τους περισσότερο ή λιγότερο να χτυπηθούν από κεραυνό. Ο κίνδυνος για μια κατασκευή είναι συνάρτηση του μεγέθους (εμβαδού) μιας κατασκευής, του ύψους και του αριθμού των κεραυνών ανά έτος ανά mi 2 για την περιοχή.[19] Για παράδειγμα, ένα μικρό κτίριο θα είναι λιγότερο πιθανό να χτυπηθεί από ένα μεγάλο και ένα κτίριο σε μια περιοχή με υψηλή πυκνότητα κεραυνών θα είναι πιο πιθανό να χτυπηθεί από ένα σε μια περιοχή με χαμηλή πυκνότητα κεραυνών. Η Εθνική Ένωση Πυροπροστασίας παρέχει ένα φύλλο εργασίας αξιολόγησης κινδύνου στο πρότυπο αντικεραυνικής προστασίας.[20]

Η εκτίμηση κινδύνου κεραυνών της Διεθνούς Ηλεκτροτεχνικής Επιτροπής (IEC) περιλαμβάνει τέσσερα μέρη: απώλεια ζωντανών όντων, απώλεια υπηρεσιών προς το κοινό, απώλεια πολιτιστικής κληρονομιάς και απώλεια οικονομικής αξίας.[21] Η απώλεια ζωντανών όντων αξιολογείται ως η πιο σημαντική και είναι η μόνη απώλεια που λαμβάνεται υπόψη για πολλές μη ουσιώδεις βιομηχανικές και εμπορικές εφαρμογές.

Παραπομπές[Επεξεργασία | επεξεργασία κώδικα]

  1. Copper lightning protection systems save lives, billions; Building and Architectural News, #80, Winter 1995; «Archived copy». Αρχειοθετήθηκε από το πρωτότυπο στις 15 Μαρτίου 2013. Ανακτήθηκε στις 11 Σεπτεμβρίου 2012. 
  2. «History of Rebar». Whaley Steel. Αρχειοθετήθηκε από το πρωτότυπο στις 27 Νοεμβρίου 2011. 
  3. Seckel, Al, and John Edwards, "Franklin's Unholy Lightning Rod Σφάλμα στο πρότυπο webarchive: Ελέγξτε την τιμή |url=. Empty.". 1984.
  4. See the following two articles for conflicting views of this being an independent invention by Diviš:

    Hujer, Karel (December 1952). «Father Procopius Diviš — The European Franklin». Isis 43 (4): 351–357. doi:10.1086/348159. ISSN 0021-1753. 

    Cohen, I. Bernard; Schofield, Robert (December 1952). «Did Diviš Erect the First European Protective Lightning Rod, and Was His Invention Independent?». Isis 43 (4): 358–364. doi:10.1086/348160. ISSN 0021-1753. 
  5. Recovering Benjamin Franklin: an exploration of a life of science and service. Open Court Publishing. 1999. ISBN 978-0-8126-9387-4. 
  6. NFPA-780 Standard for the Installation of Lightning Protection Systems 2008 Edition
  7. Vernon Cooray (ed.) Lightning Protection, The Institution of Engineering and Technology, 2010, (ISBN 978-1-84919-106-7) pp. 240-260, p 320
  8. Benjamin Franklin and Lightning Rods – Physics Today January 2006, Accessed 2008-06-1 9:00pm GMT.
  9. 9,0 9,1 Rakov, et al., Lightning: physics and effects, p. 364
  10. Martin A. Uman, Lightning Discharge. Courier Dover Publications, 2001. 377 pages. (ISBN 0-486-41463-9)
  11. Donald R. MacGorman, The Electrical Nature of Storms. Oxford University Press (US), 1998. 432 pages. (ISBN 0-19-507337-1)
  12. Hans Volland, Handbook of Atmospheric Electrodynamics, Volume I. CRC Press, 1995. 408 pages. (ISBN 0-8493-8647-0)
  13. Method and apparatus for the artificial triggering of lightning, Douglas A. Palmer, U.S. Patent 6.012.330
  14. Lightning rocket, Robert E. Betts, U.S. Patent 6.597.559
  15. Lightning locating system, Ralph J. Markson et al., U.S. Patent 6.246.367 .
  16. Lightning locating system, Airborne Research Associates, Inc., U.S. Patent 5.771.020 .
  17. System and method of locating lightning strikes, The United States of America as represented by the Administrator of the National Aeronautics and Space Administration, U.S. Patent 6.420.862
  18. Single station system and method of locating lightning strikes, The United States of America as represented by the United States National Aeronautics and Space Administration, U.S. Patent 6.552.521 .
  19. NFPA-780 Standard for the Installation of Lightning Protection Systems 2008 Edition – Annex L.1.3
  20. NFPA-780 Standard for the Installation of Lightning Protection Systems 2008 Edition – Annex L
  21. Bouquegneau, Christian (2011), Lightning Protection IEC EN 62305 Standard, http://people.ee.ethz.ch/~serec/EVENTS%20WEF%202011/LIGHTNING_14OCT11/5_The%20IEC%20EN62305%20Standard_BOUQUEGNEAU.pdf, ανακτήθηκε στις September 2, 2012 [νεκρός σύνδεσμος]