Молния – мощное проявление сил природы, с которым человек сталкивается с завидной регулярностью. Это электрический разряд, возникающий из-за взаимного трения потоков теплого воздуха с каплями воды облаков и с землей. Его энергия настолько велика, что он валит деревья, поджигает деревянные кровли, выводит из строя электроприборы и всю электропроводку. Для защиты от негативных последствий удара молнии устанавливают молниеотводы.

Устройство молниеотводов нельзя назвать сложным, однако при их строительстве надо руководствоваться принципами надежности, пожаробезопасности и соблюдать параметры, описанные в инструкциях.

История молниеотвода

Земля, по сути своей, представляет огромный конденсатор. Одна обкладка – поверхность планеты и всего, что на ней находится. Другая обкладка выполнена из свободных зарядов в атмосфере. Воздух в этой системе играет роль диэлектрика. Именно его пробой и представляет собой молнию.

Осознав суть молнии как электрического процесса, изобрел и разработал устройство первого молниеотвода Бенджамин Франклин. Талантливый физик не смог развить свой дар в науке из-за бурной политической деятельности, благодаря чему его портрет изображен на стодолларовой купюре.

Тесла понял, что молния ударяет в самую высокую точку, связанную с Землей, по причине наименьшей толщины диэлектрика (слоя воздуха). В результате серии проведенных опытов, воздушный змей стал первым молниеотводом в истории. В России еще раньше подобные эксперименты проводил Ломоносов совместно с другим физиком Рихманом.

Вообще, молниеотвод – это устройство, отводящее разрушающую энергию молнии от защищаемого объекта и рассеивающее ее посредством заземления. О значении молниеотводов знали много веков назад, наблюдая, как молнии попадают в высокие деревья, колонны и башни. Однако научные эксперименты и обоснованные выводы были сделаны только в XIII веке.

Части конструкции

В принципе, устройство любого молниеотвода подразумевает наличие трех составляющих.

Молнеприемник должен выдерживать напряжения в миллионы вольт, высокую температуру и существенное ударное воздействие (молния может расщепить крупное дерево). Эту часть молниеотвода изготавливают из проводящего металла. Применяют стальную проволоку большого диаметра (10-12 мм), стальную полосу или пруток.

Токопровод, связывающий молниеприемник с заземлителем, выполняется из проводника, и должен выдерживать кратковременное протекание колоссальных токов. Производством токоотводов занимаются отечественные и зарубежные фирмы. Вместе с проводником они предлагают крепления, что значительно упрощает монтаж устройств.

Третья часть молниеотвода – заземляющее устройство (ЗУ), способствующее беспрепятственному растеканию тока в землю из токопровода.

Сюда же справедливо можно было бы добавить и основание, на котором собрана вся эта конструкция. Но обычно в его качестве выступают сами объекты защиты (здания, опоры ЛЭП и прочее), хотя устройство молниеотвода может предполагать его размещение как самостоятельной единицы на отдельном основании.

Для предотвращения коррозии элементы молниеотвода должны быть оцинкованы или хотя бы окрашены. Если применяется покраска, то часть заземлителя, находящаяся в грунте, не окрашивается.

Виды

В общем случае можно выделить следующие виды громоотводов, применяемых на практике:

• наиболее распространенные, благодаря низкой стоимости и простому устройству, но оттого не менее эффективные, стержневые молниеотводы;
• обеспечивают защиту протяженных объектов типа длинных строений или высоковольтных ЛЭП;
• , обладающим наибольшей эффективностью, отдают предпочтение в случае защиты особо важных объектов.

Стоимость сетчатого громоотвода весьма высока. Поэтому, несмотря на высокую степень защиты, такие устройства применяются крайне редко, когда молниезащита имеет особое значение. Тросовые и стержневые системы примерно равнозначны по эффективности, но из-за простоты в обслуживании и небольшой разницы в стоимости последние имеют приоритет в применении.

Отдельным видом молниеотводов является . Внешне они практически ничем не отличаются от стержневых устройств. Разница лишь в том, что в молниеприемник (самый кончик) встраивается электронное устройство, способствующее генерации высоковольтных импульсов во время грозы. Создавая такую «приманку» для молнии, активные системы в буквальном смысле ловят ее. Устройство такого типа принято считать самыми эффективными.

Есть компании, освоившие производство молниеотводов на промышленной основе, но зачастую эти устройства, учитывая их простоту, делают самостоятельно.

Монтаж молниеприемника

Сразу следует оговориться, что требования ПУЭ предусматривают выполнение соединений между всеми частями молниеотвода исключительно сваркой. Если это невозможно, допускается резьбовое соединение болтами и гайками. Площадь шайб, применяемых при резьбовом соединении, должна быть увеличена. Не допускается производить монтаж элементов системы скруткой проводов или какими-либо другими методами.

Разумеется, высоту молниеприемника, в основном определяющую его эффективность, необходимо максимизировать. Согласно инструкции РД, для обеспечения надежной защиты надо поднять громоотвод минимум на 3 м над поверхностью сооружения. Это касается стержневых устройств. Высота прокладки тросового молниеотвода зависит от длины и высоты здания, конструкции заземлителя и удельного сопротивления грунта, может составлять 3-4 м. Для монтажа троса рекомендуется укреплять деревянные опоры на обоих коньках здания, а между ними натягивать тросовый громоотвод, если речь идет о коньковых крышах.

Конструктивные особенности сеточных громоотводов позволяют крепить такие устройства значительно ниже. В зависимости от шага сетки они могут быть расположены в десятке или нескольких десятках сантиметров от плоской кровли. Сетка с ячейками 6Х6 см может быть уложена непосредственно на поверхность крыши или даже под слой утеплителя, если он не горюч.

Токоотвод и заземлитель

Токопровод (токоотвод) это не менее важный элемент молниеотвода, чем молниеприемник или заземляющее устройство. Если молниеприемник должен иметь площадь поперечного сечения, равную 100 мм2 (пруток диаметром 12 мм), токоотвод, не испытывающий термической и ударной нагрузки, не может иметь диаметр менее 6 мм (ПУЭ). Увеличенное сечение токоотвода, принимая во внимание возможную величину протекающего по нему тока, только приветствуется.

Заземляющее устройство молниеотвода чаще всего соединяется с заземляющим контуром всего здания. В случае стоящего отдельно устройства молниезащиты в качестве ЗУ используются металлические штыри, забиваемые или закапываемые в грунт. Для улучшения проводимости иногда эти штыри объединяют в группы, сваривая из них конструкции прямоугольной формы при помощи стальной полосы. Но в любом случае требования ПУЭ регламентируют сопротивление между ЗУ и землей, которое не должно превышать 40 Ом при удельном сопротивлении почвы 1 кОм*м.

Все элементы молниеотвода должны быть надежно защищены от коррозионных разрушений. Наилучший вариант доиться этого состоит в использовании для элементов системы оцинкованной стали.

Зоны защиты

Схема зоны защиты одного отдельно стоящего стержневого молниеотвода представляет собой большой конус. Для громоотводов, не превышающих высоты 150 м, принимаются следующие габаритные размеры устройства:

• для зоны, находящейся на уровне земли h0 = 0,85h; r0 = (1,1 – 0,002h)h; rx = (1,1 – 0,002h)(h – hx/0,85);
• для зоны на уровне крыши, например: h0 = 0,92h; r0 = 1,5h; rx = h – 1,5(hx/0,92);

где h – высота молниеотвода; h0 – некоторая высота (обычно уровень крыши); rx – диаметр основания конуса на высоте h0.
Определившись с условными габаритами, можно использовать формулу

h = (rx + 1,63hx)/1,5

для вычисления требуемых параметров. Если, например, известны rx и hx (требуемый радиус зоны защиты и заданная высота этой зоны), можно вычислить высоту одиночного стержневого молниеотвода, требуемую для надежной защиты h. И, наоборот, при известных h и hx легко вычисляется радиус зоны rx и, сравнивая его с необходимым, делается заключение об эффективности устройства молниезащиты.

Расчет двойного стержня

Примерно те же действия проводят и при расчете двойного стержневого молниеотвода и, в принципе, группы таковых. Здесь лишь нужно учесть расстояние L, на котором штыри находятся друг от друга. Построив круговые зоны защиты каждого из них, смотрят на их пересечение. Если все защищаемое пространство лежит в их пределах, значит, надежная защита обеспечена. По тому же сценарию можно определить зоны защиты разновысоких устройств.

Зона защиты тросового молниеотвода, точнее, ее основание имеет форму скругленного прямоугольника. Для одиночного устройства этого типа высотой h менее 150 м принимаются следующие допущения:

где hоп – высота опоры.

Тогда для зоны на уровне земли принимаются габариты:

h0 = 0,85h; r0 = (1,35 – 0,0025h)h; rx = (1,35 — 0,0025h)(h — hx/0,85).

Для зоны, находящейся на некоторой высоте hx, эти размеры задаются следующим образом:

h0 = 0,92h; r0 = 1,7h; rx = (h — hx/0,92).

Как и в случае со стержневым молниеотводом, тросовое устройство также имеет формулу, позволяющую определить любые его параметры по заданным, а именно:

h = (rx + 1,85hx)/1,7.

С ее помощью можно определить необходимую высоту устройства, по известным параметрам площади, нуждающейся в защите, и ее высоте расположения или провести обратную процедуру.

На самом деле, расчет зон защиты молниеотводных устройств немного сложнее. Описанные методы показывают лишь принципы, на которых он строится. Более подробную информацию можно без труда найти в специальной литературе.

Если вы видите только условие задач, а решения нет, то нажмите на спойлер ниже.

Вариант 1
1. Какой заряд протекает через катушку гальванометра, включенного в цепь на 2 мин, если сила тока в цепи 12 мА?
2. При устройстве молниеотвода использовали стальной провод площадью поперечного сечения 35 мм» и длиной 25 м. Определите его сопротивление.
3. Определите силу тока в реостате сопротивлением 650 Ом, если к нему приложить напряжение 12 В.
Вариант 2
1. Определите силу тока в электрической лампе, если через нее за 5 мин проходит электрический заряд 150 Кл.
2. Сколько метров никелиновой проволоки сечением 0,1 мм2 потребуется для изготовления реостата с сопротивлением 180 Ом?
3. На цоколе электрической лампочки написано: «3,5 В;
0. 28.А». Найдите сопротивление спирали лампы.
Вариант 3
1. При электросварке сила тока достигает 200 А. Какой элект-рический заряд проходит через поперечное сечение электрода за 5 мин?
2. Определите площадь поперечного сечения вольфрамовой нити в электрической лампе, если длина нити 100 мм, а ее сопротивление в холодном состоянии 27,5 Ом.
3. Какое напряжение нужно создать на концах проводника со-противлением 20 Ом, чтобы в нем возникла сила тока 0,5 А?
Вариант 4
1. Через спираль электроплитки за 2 мин прошел заряд в 6000 Кл. Какова сила тока в спирали?
2. Каково удельное сопротивление трамвайного провода, если его длина 10 км, площадь поперечного сечения 70 мм, а сопротивление 3,5 Ом?
3. Определите силу тока в лампочке, сопротивление которой 400 Ом, а напряжение на зажимах 120 В.
Вариант 5
1. Сила тока в утюге 0,3 А. Какой электрический заряд пройдет через его спираль за 10 мин?
2. Каково сопротивление алюминиевого провода длиной 1,8 км и сечением 10 мм2?
3. Рассчитайте напряжение на клеммах амперметра, сила тока в котором 6,2 А, если сопротивление амперметра 0,0012 Ом.
Вариант 6
1. Через поперечное сечение проводников за 2 с проходит 12 * 1019 электронов. Какова сила тока в проводнике? Заряд электрона 1,6 * 10~19 Кл.
2. Сколько метров медного провода сечением 2 мм нужно взять, чтобы его сопротивление было равно 1 Ом?
3. Сила тока в электрическом чайнике 3 А при напряжении 220 В. Чему равно сопротивление чайника?
Вариант 7
1. Одинаковые ли электрические заряды пройдут через поперечное сечение проводника за 3 с при силе тока 5 А и за полминуты при силе тока 0,5 А?
2. Какого сечения нужно взять стальной провод длиной 5 км, чтобы его сопротивление было равно 60 Ом?
3. Какое нужно приложить напряжение к проводнику сопротивлением 0,25 Ом, чтобы в проводнике была сила тока 30 А?
Вариант 8
1. За какое время через поперечное сечение проводника пройдет заряд, равный 10 Кл, при силе тока 0,1 А?
2. Медный провод сечением 1 мм2 нужно заменить стальным такой же длины, не меняя сопротивления проводника. Какого сечения нужно взять стальной провод?
3. Какое сопротивление имеет медный провод, если при силе тока 20 А напряжение на его концах равно 8 В?
Вариант 9
1. При прохождении заряда 10 Кл через участок цепи совершается работа 5000 Дж. Каково напряжение на этом участке?

2. Две проволоки одинакового сечения изготовлены из одного и того же материала. Длина первой 50 см, а второй - 2 м. Какая проволока имеет меньшее сопротивление и во сколько раз?
3. Определите силу тока, проходящего через реостат, изготовленный из никелиновой проволоки длиной 50 м и площадью
поперечного сечения 1 мм2, если напряжение на зажимах реостата равно 45 В.
Вариант 10
1. При прохождении одинакового электрического заряда в одном проводнике совершена работа 80 Дж, а в другом - 200 Дж. На каком проводнике напряжение больше и во сколько раз?
2. Имеются две алюминиевые проволоки одинаковой длины
площадью поперечного сечения 2 мм и 4 мм. У какой проволоки сопротивление больше и во сколько раз?
3. Сколько метров нихромовой проволоки сечением 0,1мм2 потребуется для изготовления спирали электроплитки, рассчитанной на напряжение 220 В и силу тока 4,5 А?

Природа молний такова, что предугадать место и время удара атмосферного электричества практически невозможно. Существует огромное количество теорий о том, что происходит при ударе молнией в землю, но до конца прояснить ситуацию, несмотря на все заверения специалистов, пока не удается.

Единственным проверенным средством, помогающим уберечься от удара атмосферного разряда, является молниеотвод. Но нельзя делать конструкцию для защиты от удара молнии, не имея представления, как работает молниеотвод. Вместо эффективной защиты, можно только увеличить вероятность удара молнии. Эффективность простого устройства будет достаточно высока, если владелец дома точно представляет, как сделать молниеотвод в частном доме, чтобы отвести удар молнии и одновременно обезопасить себя от электрического разряда.

Что представляет собой система защиты от удара молний

Чаще всего знания о том, как работает молниеотвод, сводятся к нескольким общеизвестным фактам:

• Молния ударяет во время прохождения грозового фронта над местностью с переменным рельефом или большим количеством деревьев, построек или плотной застройкой зданий и высотных объектов;
• Металлические предметы, техника и строительное оборудование, вышки и высокие деревья чаще всего становятся объектом удара молнии;
• Единственной возможностью безопасно компенсировать удар молнии является эффективное заземление молниеотвода.

В модели молнии принято, что электрический разряд начинается в грозовых облаках, и при ударе светящийся лидер направляется к поверхности земли. Принцип работы молниеотвода сводится к тому, чтобы переключить электрический удар на специальную проводную шину, отправляющую заряд молнии глубоко в землю.

К сведению! Для человека главным условием защиты от удара молнией является отсутствие гальванической связи с мокрым грунтом, сухая одежда, и главное — наличие рядом предметов, способных выполнить функции молниеотвода.

Сегодня даже школьник знает, из чего состоит молниеотвод фото. Самая простая конструкция защиты от удара молнии строится на основе трех базовых частей:

• Молниеприемника или оголовника молниеотвода, на который и приходится удар электрического разряда молнии;
• Токопроводящего контура из толстой стальной шины или нескольких медных проводов большого сечения;
• Системы заземления удара и рассеивания разряда молнии.

Основным условием эффективной защиты от ударов молнии является правильный подбор сечения металла шины, установка молниеотвода на оптимальной высоте и безопасное обустройство заземления. Не стоит обольщаться простотой и даже примитивностью его устройства. При несоблюдении простейших правил стальной каркас и шина молниеотвода могут быть не менее опасными, чем собственно удар молнии.

Что происходит во время грозы и удара молнии

Процесс образования электрического разряда в землю достаточно сложен и плохо предсказуем. Даже современная техника и методы расчета не могут указать на место удара молнии. Поэтому принцип действия молниеотвода строится на так называемой инициализации или провокации разряда молнии.

С первыми признаками грозы за счет мощного электрического поля в воздухе над высокими объектами, антеннами и оголовками молниеотводов резко увеличивается количество положительных зарядов. Еще нет грозы и ударов молнии, а над верхушками уже скопились огромные облака из заряженных ионов. Источником стекающих вверх зарядов является поверхность земли.

Любой человек может даже почувствовать запах этих зарядов, всем известно, как перед грозой усиливается влажность, выразительнее становятся запахи растительности и сырой земли. Если коснуться своими руками молниеотвода, то можно испытать небольшой удар током.

Так как молниеотвод соединен с грунтом, то вокруг оголовка и шины молниеотвода скапливается самый большой потенциал зарядов, поэтому удар молнии приходится именно в металлические части защиты, а не в крышу или соседний дом.

В некоторых случаях молниеотводы и шины дополнительно оборудуют грозовыми разрядниками или вентильной защитой. По сути, это контур, согнутый из шины в виде кольца или эллипса с разрывом. По мере увеличения напряженности поля накопившийся заряд разряжается на контуре, тем самым уменьшает вероятность удара молнии именно в этот объект. В первую очередь подобными молниеотводами с вентильной защитой оборудуются объекты, для которых удары молнии могут привести к катастрофическим последствиям, например, хранилища топлива, трансформаторные подстанции или линии электропередач

Как построить безопасный молниеотвод своими руками

В том, что система защиты от удара молнии может представлять огромную опасность для жизни человека, электронных приборов, систем электроснабжения и даже для просто находящихся рядом людей и животных, нет ни капли преувеличения.

Какую опасность представляет неправильно построенный молниеотвод

Во время удара молнии в оголовок приходит электрический заряд 150-200 Кл или несколько сот киловатт электроэнергии. Этого достаточно, чтобы пережечь стальную шину защиты сечением в 100-150 мм 2 или зажечь стропильный каркас крыши, испарить 200-250 литров воды. После удара молнии пришедшие заряды в молниеотводе никуда не деваются, на какую-то тысячную долю секунды система защиты работает, как гигантский конденсатор.

Важно! Стоит помнить, что энергия в сотни киловатт не может рассеяться в доли секунды после удара лидера молнии. Еще как минимум 3-5 сек. система разряжается. Если в это время коснуться частей молниеотвода рукой, то удар током может привести к тяжелым последствиям.

Если заземление молниеотвода построено правильно, то практически вся энергия заряда молнии стекает в поверхностный слой грунта. Процесс стекания заряда очень сложен, и точно сказать, как именно будут двигаться заряды от оголовника до заземляющей части молниеотвода, практически невозможно. Если токопроводящая шина обладает повышенным сопротивлением движению зарядов, то часть энергии может разрядиться на проходящую рядом электропроводку, телефонные линии, металлические детали крыши и каркаса здания.

Электричество может пройти даже по арматуре железобетона или мокрой штукатурке. В результате удара молнии может произойти скачок напряжения в электросети, возгорание деревянных или пластиковых деталей здания. Если в момент электроразряда произойдет перегорание шины, то ток пойдет в землю по всем ближайшим проводящим поверхностям, даже если нет непосредственного контакта с заземляющим проводником.

Еще более тяжелые последствия могут наступить, если рядом с шиной и металлом заземления находится человек. Даже если шина и заземляющая часть молниеотвода исправны, часть заряда молнии разряжается через влажный воздух и ближайшие проводящие детали. Последствия для человека могут быть такими же, как если бы он стоял под деревом, в которое пришелся удар молнии.

Кроме того, в момент распространения разряда в грунте на доли секунды возникает шаговое напряжение, представляющее не меньшую опасность, чем собственно сам электрический разряд. Поэтому пешеход, двигаясь по дорожке в непосредственной близости к контуру заземления, имеет все шансы получить сильнейший электрический разряд. Статистика знает случаи, когда во время удара молнии боковой разряд перескакивал с шины на металлические детали зонтика.

Требования к обустройству эффективного заземления молниеотвода

Суть шагового напряжения сводится к следующему. Стекающий по шине заряд от молниеотвода к заземлителю входит в грунт практически в одной точке, в которой создается самый высокий электрический потенциал, по мере удаления величина электрического напряжения сильно уменьшается. Человек, делая шаг вблизи шины, попадает в ситуацию, когда каждая нога находится под своим потенциалом. В результате от одной ступни к другой начинает течь ток, и человек получает сильнейший удар.

Поэтому первое требование эффективного молниеотвода относится к обустройству заземляющей части. Рассеивающий контур должен строиться по следующим правилам:

• Конструкция заземления выполняется в виде замкнутого контура сечением не менее 4х4 см, чаще всего треугольной или прямоугольной формы с длиной стороны 1,5-2 м;
• Контур приваривают к токоведущей шине только с помощью сварки. Если шина изготовлена из меди или алюминия, то на высоте не менее 30-40 см над уровнем грунта необходимо установить переходник «медь-сталь» или «алюминий-сталь»;
• Глубина погружения контура составляет от 70 до 100 см, в зависимости от влажности и сопротивления грунта.

Оголовок молниеотвода

Более распространенные типы молниеотводов изображены на схемах, приведенных ниже. Идеальный вариант молниеотвода в частном доме должен изготавливаться в виде отдельно стоящей вышки или штанги, высотой равной полуторному расстоянию от грунта до конька жилого помещения.

Чем выше установлен молниеотвод, тем большую площадь поверхности он обеспечивает защитой от поражения электрическим разрядом. Но на практике редко кто решается сделать такой молниеотвод в частном доме своими руками, так как бытует заблуждение, что штанга выше 12 м будет «собирать» все удары молний в округе.

Большинство специалистов рекомендует поднимать молниеотвод на высоту до 18-20 м, особенно если здание находится в плотной застройке частного сектора. Это обеспечит защищаемую площадь в виде круга радиусом 15-20 м, что для одного домовладения вполне достаточно.

Кроме штанги, широко используются виды молниеотводов, устанавливаемые на коньковую балку или трубу дымохода, с дополнительной разводкой медной шиной по коньку и слуховым окнам. Такая схема защиты от ударов молнии бывает достаточно эффективной, особенно если в качестве кровельного покрытия крыши используется металлочерепица или профнастил.

Диаметр штыря молниеотвода может быть от 15 до 25 мм, лучше всего использовать нержавеющую сталь или легированный металл. Для оголовка нет смысла использовать латунь, медь, алюминий. При ударе молнии возникает локальный перегрев металла молниеотвода, иногда с искрами и разбрызгиванием капелек металла. Любая такая капля может стать инициатором стекания заряда на металлическую кровлю или, еще хуже, привести к пожару.

Если на крыше установлены несколько выступающих труб и конструкций, то нужно будет устанавливать несколько стержней молниеотводов, или использовать универсальную систему защиты от ударов молний.

Токопроводящая шина молниеотвода

В задачу проводной шины входят не только функции «сброса» электрического заряда к заземляющему и рассеивающему контуру. Прежде всего, требуется вывести шине электрический разряд безопасно для постройки и людей, случайно оказавшихся рядом с домом.

Специалисты определяют несколько базовых требований к прокладке токопроводящей шины:

• Укладка шины выполняется без загибов под острым углом и тем более поворотов под углом 180 о. Любые петли и витки в спуске могут привести к возникновению мощного дугового разряда и перегоранию шины. В этом случае следующий удар молнии в молниеотвод может уничтожить крышу и само здание;
• Шина должна соединяться с заземлением и оголовком молниеотвода только сваркой, без использования любых болтовых соединений, хомутов и стяжек. Даже незначительное повышение местного сопротивления шины приводит к ее локальному перегреву и оплавлению. Особенно опасна ситуация, когда токоведущая шина сваривается из нескольких лент разнородного материала;
• Крепление токопровода по возможности должно выполняться с использованием петель и хомутов из диэлектрических материалов, например, стеклопластика. Исключением является ситуация, когда медные шины «разводятся» по поверхности металлической кровли.

Для токопроводящей шины обычно используют ленты из черного металла или меди. Наилучшим вариантом считается медная электротехническая шина диаметром не менее 8 мм, она выдержит любой удар молнии. Можно изготовить токоведущую линию из толстой алюминиевой катанки, диаметром не менее 12 мм. Например, использовать элементы насыпной обмотки мощного электродвигателя.

Немаловажным является также способ крепления шины и деталей молниеотвода.

Типовые конструкции молниеотводов

Для защиты частного дома используется несколько видов молниеотводов, используемых при построении комплексной грозовой защиты.

Типовая схема такой защиты приведена на рисунке. В состав защиты входят:

• Несколько приемных оголовков-штырей молниеотводов, рассредоточенных на наиболее уязвимых точках кровли;
• Разводка токопроводящей шиной по коньковой балке, ветровым планкам и скатам кровли. Как показывает практика, молния нередко поражает массивные металлические поверхности, находящиеся ниже молниеотвода;
• Система комплексного заземления, при этом контур от молниеотвода не должен соединяться с заземляющей линией электропроводки, в противном случае сгорит большая часть домашней техники;
• Устройство для защиты домашней аппаратуры и электросети при ударе молнии в линию электропередач.

Нередко токопроводящая шина становится источником проблем для домашней электросети. Во время удара молнии по шине протекает мощный импульс тока, способный вывести из строя цифровую технику, мобильный телефон, компьютер или сетевое оборудование интернета.

Поэтому перед тем как сделать молниеотвод, будущую линию укладки шины нужно обязательно экранировать. Для этого используется металлическая сетка с ячейкой не более 5 мм. Если шину молниеотвода предполагается уложить по бетонной или кирпичной стене, то сетку укладывают под штукатурку, и изолируют от шины. К экранирующей сетке припаивается провод, который подключается через вентильную защиту к общей системе заземления, но не к контуру молниеотвода.

Варианты построения защиты от удара молнии

Установка мачты с молниеотводом позволяет защищать большую часть придомовой территории. Для загородных дачных участков схема защиты от удара молнии не решает всех проблем. Особенно если учесть, что расстояние между постройками может составлять 40-50 м, высота защитной мачты в этом случае должна достигать нереальных 40-60 м. Поэтому все загородные постройки в обязательном порядке приходится оборудовать своими молниеотводами и системами защиты от ударов молнии.

Простейшая схема молниеотвода приведена на следующем рисунке.

Штырь или оголовок молниеотвода устанавливают на кирпичную трубу. Общая высота молниеотвода в верхней точке должна равняться величине диагонали коробки дома, умноженной на коэффициент 1,2.

Важно! Контур заземления молниеотвода должен находиться на расстоянии не менее 4-5 м от пешеходных дорожек или входа в дом.

Заземляющую шину пропускают по ветровой планке и «слепому» ребру здания. Если есть возможность, то шину лучше всего пустить в навесном варианте без крепления к коробке дома.

Для построек удлиненной формы приходится использовать защиту от удара молнией из нескольких штырей или устанавливать проволочный вариант молниеотвода, как на фото.

В этом случае молниеотводы устанавливаются только на фронтонах, а между ними натягивается толстая стальная проволока или трос, диаметром не менее 8 мм. Чтобы ветер не раскачивал систему молниеотвода, провод натягивают с помощью двух боковых подвесов из керамических изоляторов и пластиковых шнуров. Использование изоляторов обеспечивает правильную работу молниеотвода, без них электрический заряд от удара молнии способен стекать на землю по намокшему от дождя капроновому канату.

Третий вариант молниеотвода применяется для защиты кровельного покрытия крыши от прямого попадания молнии. Зачастую длина скатов крыши может превышать высоту дома в два и более раз, поэтому часть кровельного покрытия оказывается за пределами защищаемого круга. Если устанавливать дополнительные штыри по карнизу и на свесах, то это решит проблему, но серьезно повлияет на внешний вид здания, поэтому вместо штыревого молниеотвода устанавливают сетчатый.

Схема мало чем отличается от предыдущего варианта, в дополнение к тросу и стальным стержням на скатах закрепляют с шагом 4-6 м несколько горизонтальных и вертикальных ниток толстой многожильной проволоки. Если кровля изготовлена из металла, сетку молниеотвода нужно обязательно изолировать от металлической поверхности с помощью резиновых прокладок.

При ударе молнии диаметр пятна теплового поражения достигает 15-20 см, поэтому прямое попадание лидера, например, в металлочерепицу приведет к воспламенению обрешетки и гидроизоляции крыши.

Строим своими руками

Любое строительство грозовой защиты дома начинается с наиболее трудоемкой его части - с заземляющего контура. Схема постройки заземляющей части молниеотвода приведена ниже на чертеже.

Заземление удара молнии

Первоначально потребуется уточнить уровень грунтовых вод около фундамента дома. Если в здании есть погреб или подвальное помещение, регулярно затапливаемое водой, первоначально нужно будет сделать дренаж и защиту от влаги со стороны укладки металлического контура и шины.

Для плитных фундаментов и МЗЛФ котлован под заземляющий контур можно сделать в непосредственной близости к бетонной ленте или плите. В других случаях место под траншеи нужно перенести на 2-3 м от отмостки.

На первом этапе роем треугольную траншею с длиной стороны 300 см. Ширина траншеи не имеет значения, оптимальная глубина составляет 70-90 см. Для каменистых и песчаных грунтов траншею можно углубить по максимуму, для суглинка достаточно 70 см. Иногда под укладку деталей заземления отсыпают подушку из песка и отсева. Такой подслой хорошо впитывает воду из грунта, что обеспечивает малое сопротивление контура.

Металлический контур заземления должен изготавливаться в виде замкнутой рамы, такая конструкция обеспечивает наилучшее рассеивание заряда. Если на доме установлено три-четыре штыревых молниеотвода, каждый с заземляющей шиной, все токоведущие детали необходимо соединить одним контуром с помощью стальной ленты. Это позволяет выровнять потенциал и предупредить перетекание заряда в грунте.

Наиболее подходящий материал для контура - стальной уголок №50 или профилированная квадратная труба 70х40 мм. После сварки основных деталей рамы к одной из сторон приваривается контактная полоса, которая будет выводиться на поверхность. Если грунт слишком сухой, вместо полосы можно приварить дюймовую трубу, через которую удобно заливать рассол или воду. В летние месяцы, если нет дождей более 4-5 недель, нужно периодически увлажнять песчаную подушку, чтобы сопротивление грунта на входе на шину не увеличивалось.

К сведению! Металл заземляющего прямоугольника нельзя красить или обрабатывать защитными покрытиями, уменьшающими проводимость поверхности.

После установки каркаса в вырытую траншею металл проливают соленой водой и засыпают влажной землей. На поверхности можно сделать отсыпку из щебня и уложить тротуарную плитку, чтобы уменьшить гальваническую связь и риск появления шагового напряжения. Делать бетонную стяжку нет смысла, так как через 10 лет придется сделать замену частей молниеотвода, и бетон будет лишней помехой в работе.

Если уровень грунтовых вод достаточно низкий, то для контура молниеотвода потребуется пробурить несколько скважин диаметром 5-6 см на глубину до 2-3 м. Не обязательно бурить до воды, главное — достать до влажных слоев земли. В скважины вставляют металлические трубы, верхние части которых обязательно приваривают к общему контуру и к шине.

Отвод от контура заземления, как правило, прячут в стеновой нише цоколя или специальном боксе. Туда же заводят шину молниеотвода. После сборки все металлические части тщательно изолируют, чтобы избежать случайного касания шины со стороны людей или животных.

Наиболее подробное описание строительства молниеотвода в частном доме своими руками приведено на видео https://www.youtube.com/watch?v=0K6SNX1avXA.

Выполняем монтаж штыревого приемника и шины

Самая простая конструкция оголовка молниеотвода выглядит, как обычный кусок арматуры с заостренным кверху концом. Считается, что острые края способствуют возникновению разряда и большей эффективности молниеотвода, но на практике особых преимуществ в защите от удара молнии перед обычными штырями не наблюдалось.

Оголовок молниеотвода может выполняться в виде нескольких штырей, закрепленных в одной раме и даже в виде сетчатого каркаса. Некоторые конструкции молниеотводов позволяют в ночное время наблюдать интересное явление - при приближении грозы на остриях начинают зажигаться крошечные разряды молний. Это означает, что скоро будет гроза.

Штырь молниеотвода нужно соединить с токоведущей шиной еще до его установки на крыше. Высота стержня молниеотвода должна быть как минимум на 100-120 см выше верхней точки рядом стоящих дымоходов и вентиляционных труб. Можно взять обычную водопроводную трубу ¾ дюйма, длиной не менее двух метров.

В верхней части молниеотвода отверстие заваривается сваркой, если токоотводящая шина планируется из меди или алюминия, то проще всего использовать электротехнический переходник, позволяющий надежно соединять два контакта из разнородных металлов. Если просто закрепить медную проволоку на стальном штыре, через две-три недели из-за электрохимической коррозии место крепления окислится, и защита от ударов молнии перестанет работать. Молниеотводы и шины промышленного изготовления никогда не красят, металл фосфатируется и покрывается слоем никеля.

Разумеется, увеличенное сопротивление на контакте в месте крепления медной шины к стальной трубе не в состоянии остановить сверхсильный удар молнии, но речь идет о другом. Положительно заряженные частицы, которые скапливаются вокруг штыря молниеотвода во время грозы, из-за отсутствия контакта на шине будут перетекать на дымоход и козырьки вентиляции на крыше. В результате удары молнии будут попадать в дымоход, в кровлю и в шину, но не в штырь молниеотвода. Эффект ионизации воздуха вокруг молниеотвода имеет и другие негативные последствия. Прежде всего, шина и крепление молниеотвода под воздействием ионов и влажного воздуха корродирует в 5-10 раз быстрее, чем обычный металл.

После сварки штыря и шины молниеотвода их следует закрепить на крыше. Лучше всего это сделать с помощью хомутов или анкерными болтами. Нужно только следить, чтобы рядом с шиной не оказалось других проводящих деталей, например, кабеля от антенны или ограждения крыши. Не стоит крепить шину молниеотвода на неоштукатуренный кирпич или железобетонную плиту. Удар молнии, как правило, быстро разрушает оба материала.

Прежде чем закрепить молниеприемник, нужно установить шину на стены и крышу дома. Главное, чтобы рядом не оказался ввод электросети от ближайшей линии электропередачи. При ударе молнии дуга может проскочить от шины к фазовому проводу, даже если они удалены друг от друга на пару десятков сантиметров. Кроме сгоревшего счетчика и вводного щита, будет крупный штраф за неправильную установку молниеотвода и шины.

Заключение

Молниеотвод не обязательно делать своими руками, можно приобрести в готовом виде и установить. Многие компании выпускают системы защиты от ударов молний в комплекте с шинами и устройствами блокирования бытовой аппаратуры. Некоторые из них имеют встроенные датчики напряженности поля на шине, что позволяет узнавать о приближении грозы за полчаса до ее начала. Часть молниеотводов выполняют в виде декоративных фигур из металла, зажигающихся огоньками при ударе молнии. Но есть и немало случаев откровенного шарлатанства. Например, в рекламе одной из фирм предлагалась миниатюрная модель с покрытием из специального магнитного сплава, притягивающего молнии к оголовку. Понятно, что такие молниеотводы ради собственной безопасности стоит обходить стороной.

Урок №

Тема урока : Решение задач на расчёт удельного сопротивления

проводника.

Цель урока : Закрепить знания учащихся по данной теме. Сформировать

расчётные навыки.

Задачи :

Образовательные:

Воспитательные:

развить личные качества учащихся: аккуратность, внимание, усидчивость;

воспитывать культуру общения при работе в группах.

воспитание познавательного интереса к предмету;

формирование умения строить логическую цепочку рассуждений.

Развивающие:

продолжить развитие навыков решения задач на данную тему;

продолжить развитие умений анализировать условия задач и ответов, уметь делать выводы, обобщать;

продолжить развитие памяти, творческих способностей.

Ход урока : I Организационная часть.

II Проверка домашнего задания, используя структуру КЛОК БАДДИС

III Решение задач.

IV Домашнее задание.

I Учитель приветствует учеников. Спрашивает каково их настроение, все ли готовы к уроку.

Мы с вами познакомились с силой тока, напряжением, сопротивлением проводника. Сейчас мы проверим как вы усвоили данный материал. Проверку домашнего задания проведём, используя структуру КЛОК БАДДИС . Приготовьте свои изготовленные часы. По моей команде вы встречаетесь со своим товарищем с кем назначена встреча на данный час. Я задаю вам вопрос и в отведённое время один ученик отвечает другому, а затем меняются ролями. После каждого заданного вопроса учитель меняет время встречи и опять ученики отвечают на поставленный учителем вопрос.

II 1. Что такое электрический ток? (время 20сек)

2. Как рассчитываем силу тока?

3. Чем и в каких единицах измеряем силу тока?

4. Что такое напряжение?

6. Чем и в каких единицах измеряем напряжение?

7. От чего зависит сопротивление проводника?

Учитель может спросить ответы у 2, 3, 4 учащихся.

III На столах лежат листочки где напечатаны задачи, которые необходимо решить.

При устройстве молниеотвода использовали стальной провод площадью поперечного сечения 35мм 2 и длиной 25м. Определите его сопротивление.

ρ = 0,12 Ом мм 2 /м

S = 35мм 2 R = ρ R = 0.12Ом мм 2 /м 25м / 35мм 2 = 0,09 Ом

l = 25м

R = ? Ответ: R = 0,09 Ом

Сколько метров никелиновой проволоки сечением 0,1мм 2 потребуется для изготовления реостата с сопротивлением 180 Ом?

S = 0,1мм 2

ρ н = 0,42 Ом мм 2 /м R = ρ l = 180 Ом 0,1мм 2 / 0,42 Ом мм 2 /м = 42,9м

R = 180 Ом

l = RS / ρ

Ответ: l = 42,9м

Физминутка

Определите площадь поперечного сечения вольфрамовой нити в электрической лампе, если длина нити 100мм, а её сопротивление в холодном состоянии 27,5 Ом.

ρ = 0,055 Ом мм 2 /м R = ρ

1 = 100м S = 0,055 Ом м/мм 2 100м /27,5 Ом = 0,2мм 2

S = ρ 1 / R

R = 27,5 Ом

S = ? Ответ: S = 0,2 мм 2

Каково удельное сопротивление трамвайного провода, если его длина 10км, площадь поперечного сечения 70мм 2 , а сопротивление 120Ом

Ребята, закончили работу. Запишите домашнее задание

IV Дома: повторить все формулы, определения.

Составить три задачи на нахождение уд. сопротивл. пр-ка.,

длину пр-ка, сечение пр-ка.

Я надеюсь, что сегодня вы извлекли из данного урока для себя полезное. Успехов вам!

27.02.2014 4599 0

Цели: ознакомить учащихся с электрическим сопротивлением провод­ников как физической величиной; дать объяснение природе электрического сопротивления на основании электронной теории; показать зависимость сопротивления от геометрических размеров проводника. Побуждать учащихся к преодолению трудностей в процессе умственной деятельности, воспитать интерес к физике.

Демонстрации: электрический ток в различных металлических про­водниках; зависимость сопротивления проводника от его длины, площади поперечного сечения и материала.

Ход урока

I . Организационный момент

II . Повторение изученного.

Проверка домашнего задания

Если на предыдущем уроке не хватило времени провести самостоятель­ную работу, можно поработать с ней в начале этого урока, либо провести фронтальный опрос по теме «Электрическое напряжение».

III . Изучение нового материала

План изложения нового материала:

1. Электрическое сопротивление проводника.

2. Зависимость сопротивления проводника от его длины, площа­ди поперечного сечения и материала.

3. Удельное сопротивление.

1. Формирование представления о сопротивлении можно начать с опы­та, цель которого - показать, что сила тока в проводнике зависит не только от напряжения, но и: от свойств самого проводника.

Собираем электрическую цепь из источника тока и медной проволочки на колодке, выключателя, амперметра и вольтметра. Замыкаем цепь запи­сываем показатели амперметра и вольтметра. Затем вместо медной прово­лочки включаем никелиновую такой же длины и сечения. Сила тока в цепи уменьшается. Если же включить железную проволочку, то сила тока значи­тельно увеличится. Вольтметр же при подключении к концам этих прово­лочек показывает одинаковое напряжение. Следовательно, сила тока зави­сит от какого-то свойства проводника. Очевиден вывод: проводники влия­ют на силу тока; иначе говоря, - оказывают сопротивление току. Очевид­но, тот проводник обладает большим сопротивлением, в котором при том же напряжении проходит меньший ток.

Свойство проводника ограничивать силу тока в цепи называют его сопротивлением.

Для лучшего понимания учениками природы электрического сопротив­ления необходимо рассмотреть модельные представления электрического тока в металле, обратив внимание учащихся на взаимодействие движущих­ся электронов с ионами кристаллической решетки.

Возникает вопрос:

- Что является причиной, ограничивающей силу тока в проводнике? Путем логических рассуждений учащиеся подводятся к выводу, что та­ких причин две:

а) электрическое поле положительно заряженных ионов кристалличе­ской решетки действует с силой на электроны, уменьшая их скорость направленного движения, а, следовательно, и силу тока;

б) воздействие электрического поля электронов на соседние электроны, что также приводит к уменьшению скорости их направленного движения.

- От чего и как зависит сопротивление проводника?

Проводя опыты по выяснению факторов, влияющих на сопротивление проводника, учитель задает классу вопросы:

- Как показать на опыте зависимость сопротивления проводника от его длины? Площади поперечного сечения?

- Как можно показать, что сопротивление проводника зависит от рода вещества, из которого он изготовлен?

Выяснив причины, ограничивающие силу тока в проводнике, переходим к формулированию обобщающего определения величины сопротивления. Для этого выполним ряд опытов с проводниками различной длины, площа­ди поперечного сечения и материала. Учащиеся, анализируя полученные результаты, самостоятельно приходят к заключению:

Сопротивление проводника прямо пропорционально длине, обратно про­порционально площади поперечного сечения и зависит от материала.

Электрическое сопротивление обозначается буквой R . = Ом.

За единицу сопротивления принимают сопротивление такого проводни­ка, в котором при напряжении на концах 1 В сила тока равна 1 А.

3. Удельное сопротивление. Если обозначить сопротивление проводни­ка буквой R , его длину буквой 1, а площадь поперечного сечения - S , то формула для вычисления сопротивления будет иметь такой вид:

где р - коэффициент, характеризующий электрические свойства веще­ства, из которого изготовлен проводник. Этот коэффициент называется удельным сопротивлением вещества. Он равен:

RS Откуда:Ом-мм

В заключение урока необходимо познакомить учащихся с таблицей удельных электрических сопротивлений некоторых веществ. Поскольку сопротивление металлических проводников зависит от температуры (оно увеличивается при повышении температуры), то в таблице приводятся зна­чения удельных сопротивлений для температуры 20°С.

- Удельное сопротивление никелина 0,4Ом мм

Что это значит?

Из таблицы следует, что серебро и медь - лучшие проводники электри­чества. Для нагревательных элементов удобно использовать вещества с большим удельным сопротивлением, например, нихром.

IV . Закрепление изученного. Решение задач

С целью закрепления материала желательно конец урока посвятить ре­шению простых задач по изученной теме:

Задача 1

Каково сопротивление медного провода длиной 1 м и площадью попе­речного сечения 1 мм?

Задача 2

Имеются две медные проволоки одинаковой длины. У одной площадь поперечного сечения 1 мм 2 , а у другой - 5 мм 2 . У какой проволоки сопро­тивление меньше и во сколько раз?

Задача 3

При устройстве молниеотвода использовали стальной провод сечением 35 мм 2 и длиной 25 м. Определите его сопротивление.

Задача 4

Ртуть заполняет стеклянную трубку с внутренним сечением 1 мм 2 и имеет сопротивление 2 Ом. Вычислите длину столбика ртути в трубке.

Домашнее задание

1. § 39 учебника; вопросы и задания к параграфам.