Как работает молниеотвод
Практически все знают, что такое молниеотвод (раньше он назывался громоотводом), многие знают, как он устроен. Но лишь единицы знают, как работает молниеотвод. У абсолютного большинства людей представление о том как работает молниеотвод, является неверным, глубоко ошибочным. Думается, что если бы на улице среди прохожих был бы проведен опрос с единственным вопросом - Как работает молниеотвод, то из 1000 опрошенных правильный ответ дал бы всего 1 человек. 990 человек из 1000 дали бы неправильный ответ, разумеется несколько человек (9) честно бы признались, что не знают ответа на этот вопрос. В понимании абсолютного большинства людей молниеотвод устроен и работает следующим образом - на крыше дома укреплен железный стержень, соединенный железной проволокой с заземлителем(железным предметом, находящимся в земле), молния во время грозы ударяет в молниеотвод (молниеприемник, тот самый железный стержень) и электрический заряд уходит в землю, не причиняя вреда зданию и людям. То, что молния во время грозы ударяет в молниеотвод и заряд уходит в землю, и что именно так работает молниеотвод- это неправильный ответ. Правильный ответ заключается в том, что молниеотвод работает ровно наоборот - при правильно устроенном и находящемся в исправном состоянии молниеотводе, молния вообще никогда не ударит в это место! Почему у людей о работе молниеотвода мнение столь ошибочно?! Во-первых потому, что в школе на уроках физики учитель не объясняет, как работает молниеотвод. Хотя казалось бы, как раз такое объяснение было бы полезным, и являлось бы хорошим примером как применяется физика в жизни. В школьных учебниках не нашлось места для объяснения принципа работы молниеотвода. Да что там в школьных учебниках, в учебниках по физике для институтов тоже не нашлось места для такого объяснения.
Во- вторых, причиной неправильного понимания принципа работы молниеотвода являются многочисленные книжки типа „ Электричество дома и на даче“ в которых черным по белому написано ,,Молниеотвод принимает удар молнии на себя и отводит ток молнии в землю“. Но и в более серьезной справочной литературе можно увидеть аналогичное толкование принципа работы молниеотвода. В качестве примера можно привести Советский энциклопедический словарь 1979 года издания, в котором на странице 832 можно прочесть ,,МОЛНИЕОТВОД, устройство для защиты зданий, пром., трансп.,с.-х. и др. сооружений от разрушит. последствий прямого попадания молнии. Состоит из металлич. стержня или троса, возвышающихся над защищаемым объектом и принимающих на себя удар молнии, и из надежного заземления(по к-рому разряд уходит в землю) с общим сопротивлением порядка 10 Ом“.
Мы живем сейчас в эпоху интернета, и казалось бы , чего проще, набери в поисковой строке браузера - Как работает молниеотвод? И все станет ясным и понятным… Отнюдь! Вы увидите многочисленные ответы знатоков(знатоков в кавычках), которые с полнейшей уверенностью в своих словах будут объяснять, что принцип работы молниеотвода заключается в в том, что молния ударяет в молниеотвод и электрический заряд уходит в землю. Совсем другой ответ получите, если наберете в поисковой строке браузера молниеотвод Википедия. К чести Википедии и автора статьи, там можно прочесть правильную версию принципа работы молниеотвода(с точки зрения современной физики). Статья начинается с принципа работы молниеотвода. Читаем - ,,Принцип действия. Во время грозы на Земле возникает сильное электрическое поле. Напряженность поля особенно велика возле острых проводников, и поэтому на конце молниеотвода зажигается коронный разряд. Воздух вблизи молниеотвода в результате коронного разряда сильно ионизируется. Вследствие этого напряженность электрического поля вблизи острия уменьшается (как и внутри любого проводника), индуцированные заряды не могут накапливаться на здании и вероятность молнии снижается. В тех же случаях, когда молния все же возникает (такие случаи очень редки), молния исходит из молниеотвода, не причиняя разрушений“. Видимо, здесь следует сделать пояснение… У кого-то из внимательных читателей может возникнуть недоумение при прочтении слов ,,молния исходит из молниеотвода“. Обычно в различных литературных источниках можно прочитать такие выражения как: молния ударила в молниеотвод, молния ударила в дерево, молния ударила в здание и т. д. Вполне объяснимо почему так пишется… Начиная с древнейших времен творцом молнии был бог по имени Зевс, а боги как известно, обитают в небесах, и естественно Зевс кидал молнии из облаков на землю. На Руси в древности молнии кидал Перун, позднее Илья-пророк ездил на колеснице, гремел и кидал молнии. Взрослые, в том числе и атеисты, рассказывали детям, как молнии бьют из облаков , что подтверждалось картинками в книжках. Скорость развития главного заряда составляет 0,05 - 0,5 скорости света. Поскольку длительность главного разряда молнии по времени составляет 0,1 секунды, то человеческий глаз не в состоянии успеть увидеть откуда начинается яркосветящийся разряд молнии. В действительности же из облака в сторону Земли идет только предварительный разряд, предшествующий разряду молнии, который называется лидером. Этот разряд для глаза человека практически невидим. Когда лидер достигает Земли , от Земли в сторону облака ударяет молния. Так что автор статьи написав слова ,,молния исходит из молниеотвода“ написал правильно, тут нет никакой ошибки… Стало возможным зафиксировать откуда распространяется молния с изобретением фотоаппарата, который может делать десятки тысяч снимков в секунду. Хорошее объяснение этому процессу имеется в книге ,,Физика в природе“, автором которой является Тарасов Л.В. Вот как написано об этом в книге: ,, По проложенному лидером пути устремляется основной ток… Существенно, что и свечение и разогрев плазменного канала развиваются в направлении от земли к туче, т. е. снизу вверх. Поясним это, разбив условно весь канал на несколько частей. Как только канал образовался(головка лидера достигла земли), вниз соскакивают прежде всего те электроны, которые находились в самой нижней его части; поэтому нижняя часть канала первой начинает светиться и разогреваться. Затем к земле устремляются электроны из следующей(более высоко находящейся) части канала; начинаются свечение и разогрев этой части. И так постепенно - от низа до верха - в движении к земле включаются все новые и новые электроны; в результате свечение и разогрев канала распространяются в направлении снизу вверх“.
Вопрос- можно ли было найти правильное объяснение принципа работы молниеотвода, до появления интернета и соответствующей статьи в Википедии?! Да. В книге ,,Беседы по физике в 3-х частях“. Автор Михаил Иванович Блудов. Это книга для дополнительного чтения по физике учащимися средней школы (учебное пособие для учащихся). Книга выдержала много изданий, по своей значимости она сопоставима с книгой Я.И. Перельмана ,,Занимательная физика“, а в чем-то даже и превосходит. В третьем издании этой книги(1985г.) читаем: ,,Хочу только предупредить и предостеречь вас от ошибки, которую часто допускают в объяснении роли действия молниеотвода. Утверждают, что молниеотвод принимает и отводит в землю грозовые разряды. В исключительных случаях это возможно, но все же основное назначение молниеотвода не принимать на себя удар, а не допускать, чтобы такой удар произошел. Это достигается тем, что с острия молниеотвода происходит тихий разряд. При этом напряженность электрического поля в некотором объеме пространства вокруг молниеотвода уменьшается, вследствие чего уменьшается и вероятность удара молнии“.
Вообще же вопрос, касающийся трактовки принципа работы молниеотвода, при всей простоте устройства его, является спорным, начиная со времен изобретения его Бенджамином Франклином в 1752 году вплоть до наших дней, даже и для ученых- популяризаторов науки. Что касается Бенджамина Франклина, то он заслуживает того, чтобы о нем было сказано несколько по-подробнее. Как известно, на американских денежных купюрах изображены президенты США. На купюре достоинством 100 долларов - портрет Бенджамина Франклина, хотя он не был президентом США. Франклин был видным общественно-политическим деятелем, изобретателем, ученым, писателем , одним из отцов - основателей США. Он принимал участие в разработке Декларации Независимости, его подпись украшает и такой документ, как Конституция США. И у него было хобби - он занимался изучением электричества. Сейчас все знают, что электрические заряды бывают положительными и отрицательными, и обозначаются знаками ,,+’’и ,,-“. Так вот, обозначать знаками ,,+’’и ,,-“ - это было придумано Бенджамином Франклином. Надо видимо сказать, что и понятия, как диэлектрик(изолятор), проводник, были введены Бенджамином Франклином. Им же был придуман и термин электрическая батарея. Еще он занимался поиском доказательств, что молния имеет электрическую природу. Интересно, что когда Франклин провел опыты с воздушным змеем во время грозы и получил подтверждение об электрической природе молнии, он написал об этом английским ученым, английские же ученые подняли на смех это утверждение Бенджамина Франклина! В результате в процессе поиска этих доказательств им и был изобретен молниеотвод.. Достаточно подробно об исследованиях природы электричества Бенджамином Франклином рассказывается в книге Уолтера Айзексона ,,Бенджамин Франклин. Биография“. В ней упоминается и об открытии Франклином, что генерирование положительного заряда сопровождается созданием такого же отрицательного заряда, и это известно как сохранение заряда(закон сохранения заряда). Некоторые сведения об экспериментах с электричеством, проводимых Бенджамином Франклином можно узнать и из книги Иванова Р. ,,Франклин“. Так в ней написано, что во время проведения своих домашних экспериментов Франклин обратил внимание на ,,поразительную способность заостренных предметов извлекать и отдавать электрический огонь“(как он называл электричество). Именно поэтому Франклин весьма настоятельно рекомендовал, чтобы штырь молниеотвода (молниеприемника) был очень хорошо заострен. Франклин считал, что с помощью молниеотвода можно вообще предотвратить грозовые разряды, так как снабженный острием молниеотвод обеспечивает медленное стекание электрического заряда без возникновения молнии. Противники этой идеи Франклина утверждали прямо противоположное. По их мнению, остроконечный молниеотвод притягивает к себе электричество и искусственно создает условия для грозовых разрядов, которых могло бы и не быть. Они также утверждали, что здание, на котором установлен молниеотвод будет представлять большую опасность для соседних зданий. В книге упоминается известный случай, когда во Франции в 1780 году господин де Виссери установил на своем доме молниеотвод, а напуганные этим соседи подали на него в суд. Судебный процесс был шумным, и длился с 1780 по 1784 год. В защиту молниеотвода выступил мало кому известный тогда молодой адвокат Максимилиан Робеспьер. Этот процесс принес ему известность. Со стороны истца одним из экспертов был Жан-Поль Марат, который считал молниеотвод опасным и вредным экспериментом. Конечным результатом было то, что хозяин дома с молниеотводом все же выиграл процесс. Страсти во Франции и Англии по поводу молниеотвода кипели бурные. Король Франции Людовик XV попросил еще в 1752 году французских ученых изучить теорию Бенджамина Франклина и произвести эксперименты. Известный французский ученый Далибар провел свой знаменитый опыт по извлечению электричества из грозового облака и Людовик XV, перед которым он повторил свой опыт назначил ему пожизненную пенсию в 1200 ливров. Король Англии Георг III выступал как рьяный сторонник молниеотводов с тупым концом, и даже потребовал от ученых, чтобы они предали анафеме остроконечный молниеотвод. Сейчас нам трудно понять, почему тогда практически во всем мире(по крайней мере в цивилизованных странах) кипели такие страсти вокруг молниеотвода, ведь для нас сейчас молниеотвод - обыденность. А тогда, до появления молниеотвода, люди на протяжении многих тысячелетий были абсолютно беспомощны перед грозным природным явлением - молнией. Изобретение молниеотвода человечеством было принято с большой благодарностью. Бенджамин Франклин прожил долгую жизнь, он умер в 1790 году, прожив до 84 лет. На его могиле стоит памятник, на котором высечены слова эпитафии - ,,Он вырвал молнию у неба и скипетр — у тиранов“.
Возвращаясь к проблеме неправильного понимания людьми принципа работы молниеотвода, что можно сказать?! Наверное, следует внести соответствующие изменения в школьные и институтские учебники по физике, это в первую очередь, а затем и в книги для электриков. Похоже, что авторы книг для электриков в свое время не очень прилежно изучали физику. Имеет ли вопрос о принципе работы молниеотвода только теоретическую ценность или же имеет практическую(экономическую) ценность?! Диаметр железной проволоки, которая соединяет молниеприемник с заземлением, должен составлять, согласно рекомендациям (в том числе и гостом) 8 мм.( Что интересно, ГОСТ Р МЭК 62561.2-2014 предписывает такой же диаметр и для медной и алюминиевой проволоки, что несколько странно, так как у всех у них разная электропроводность и механическая прочность….). (В госте используется слово сталь, точнее сталь горячего оцинкования). Понятно, что такой довольно большой диаметр (8 мм) берется исходя из того, что принцип работы молниеотвода заключается в том, что молния ударяет в молниеотвод и электрический заряд уходит в землю. А поскольку ток в молнии имеет огромную величину(10000-100000 А), то тогда, да, заземляющий проводник надо брать диаметром 8 мм, чтобы он не расплавился и не сгорел при ударе молнии. Если исходить из того, что принцип работы молниеотвода заключается в тихом сходе зарядов с заостренного конца молниеотвода, то тогда речи о токе в 10000-100000А и быть не может, а это означает, что можно, допустим железную проволоку для заземляющего проводника взять диаметром поменьше, например, диаметром 4 мм, что даст экономию металла в 4 раза. Возможно, об этом стоит подумать….И всё же исходя из того, что какой-то конкретный молниеотвод может быть устроен не совсем правильно, например, имеет недостаточно хорошее заземление, и молния в него все же может ударить, конечно, разумнее будет взять металлический проводник диаметром 8 мм. На всякий случай. Надеюсь, что данная статья послужит делу установления истины в вопросе о принципе работы молниеотвода.
27 июня 2021г.