Warum zerstört ein Blitzschlag den Blitzableiter nicht?

Es ist bekannt, dass Blitzeinschläge enormen Schaden anrichten . Die Statistiken auf einem Blitz sind:

Strompegel manchmal über 400 kA, Temperaturen bis 50.000 Grad F und Geschwindigkeiten, die sich einem Drittel der Lichtgeschwindigkeit nähern

Dies sind massive Zahlen, aber Blitzschutzsysteme sind so konzipiert, dass sie den Blitz von dem Gebäude oder der Struktur, die sie schützen, ablenken. Blitzschutzsysteme können einfach als Blitzableiter betrachtet werden, die über Kabel (Ableiter) mit dem Boden verbunden sind.

Die NOAA- Spezifikation für den Blitzschutz verlangt, dass die Blitzableiter einen Durchmesser von mindestens 13 mm haben. Der Ableiter ist ein Kupferkabel ähnlicher Größe ( 4/0 AWG oder 12 mm ). Die zulässige Stromstärke für diesen Kabeltyp beträgt bei konstantem Strom nur etwa 250A . Mir ist klar, dass dies eher eine Wärmegrenze als eine momentane Stromkapazitätsgrenze ist.

In diesem Artikel zum Blitzschutz (Seite 28):

Positive Rückmeldungen zum Betrieb eines Blitzschutzsystems werden selten dokumentiert und meist nicht einmal bemerkt. Nur in seltenen Fällen kann dokumentiert werden, dass ein Blitzschutzsystem getroffen wurde, wenn es ordnungsgemäß funktioniert und es keine Schäden gibt. Es gibt manchmal Anhaltspunkte für die Beendigung des Streiks, die bei einer sorgfältigen Inspektion festgestellt werden können. Für den Eigentümer eines Blitzschutzsystems ist es jedoch selten wirtschaftlich, das für eine solche sorgfältige Inspektion erforderliche Fachwissen einzuholen.

Wie kann ein scheinbar kleines Stück Metall (13 mm) einen Blitzschlag mit geringem oder keinem sichtbaren Schaden bewältigen, ohne vollständig zerstört zu werden?

Die Strombegrenzungsspezifikation für einen Draht ist begrenzt durch die Wärme, die der Strom erzeugt, und wie viel Wärme der Draht abführen kann, bevor er zu heiß wird. "Zu heiß" hängt von den Umständen ab. Sie werden höhere Nennströme für denselben Kabeltyp in Gehäuseverkabelungsanwendungen sehen, als der elektrische Code beispielsweise für Heiminstallationen zulässt. Dies liegt hauptsächlich daran, wie heiß zu heiß ist. Die ultimative Grenze für extreme Anwendungen ist, dass der Leiter nicht schmilzt. Ungefähr so ​​hohe Temperaturen wären unsicher, wenn man an Holzstützen in einer Hauswand entlang laufen würde.

Wie Sie sagen, ist der Draht für 250 A durchgehend ausgelegt . Blitz ist definitiv nicht durchgehend. 1 ms ist "lang" für die Zeit des Hauptblitzschlags. Es können mehrere Hübe in einem Ereignis sein, aber die Gesamtzeit ist immer noch kurz, und die anderen Nicht-Haupthübe haben signifikant weniger Strom.

Rechne nach. Sie sagen, der Draht hat einen Durchmesser von 12 mm und eine Querschnittsfläche von 113 mm² = 113x10 ^-6 m². Der spezifische Widerstand von Kupfer bei 20 ° C beträgt 1,68 × 10 ^–8 Ωm. Eine Länge von 1 Meter dieses Drahtes hat daher einen Widerstand von

(1.68x10 ^-8 & OHgr; m) (m 1) / (113x10 ^-6 m²) = 149 μΩ

Die Leistung mit 400 kA durch diesen Widerstand beträgt dann:

(400 kA) ² (149 uΩ) = 23,8 MW

Mal die 1 ms Zeit, in der der Strom angelegt wird, ergibt die Energie:

(23,8 MW) (1 ms) = 23,8 kJ

Die Dichte von Kupfer ist 8,93 g / cm³, und unsere 1 m Länge mit einem Volumen von 113x10 ^-6 m³, die 113 cm³ ist.

(113 cm³) (8,93 g / cm³) = 1010 g Gesamtmasse an Kupfer

Die spezifische Wärme von Kupfer beträgt 0,386 J / g ° C.

(23,8 kJ) / (0,386 J / gºC) (1010 g) = 61ºC

Das bedeutet, dass 400 kA 1 ms lang durch einen Kupferdraht mit 12 mm Durchmesser geführt werden, was zu einem Temperaturanstieg von 61 ° C führt. Das ist ein ziemlich extremer Wert für einen Blitzschlag. Der Haupthub ist normalerweise wesentlich kürzer als 1 ms und die anderen Hübe haben wesentlich weniger Strom. Aber selbst mit diesen Zahlen zeigt sich, dass der Draht zwar für eine Weile sehr röstet, aber gut in der Lage ist, ohne strukturelle Fehler auszukommen.

[Dies begann als Antwort. Aber die Berechnung endete 3 Größenordnungen zu kurz.
Das ist also eher ein Kommentar, denke ich. ]

$5 \cdot 10^9 \text{J}$

$10.13 \text{ kg}$
$\text{0.385} \frac{\text{kJ}}{\text{kg °C}}$$1083 \text{°C}$$4.05 \cdot 10^5 \text{J}$
$\text{213} \frac{\text{kJ}}{\text{kg}}$$2.13 \cdot 10^6 \text{J}$

Ich bin davon ausgegangen, dass die gesamte Energie des Blitzes im Stab verteilt wird. Aber ich weiß nicht, dass das eine vernünftige Annahme ist.

¹ _{Obwohl es eine sehr hohe Spitzenleistung und einen sehr hohen Strom hat.}
² _Quelle
³ _{Wer waren Preece und Onderdonk? Der Artikel über frühe (1880, 1928) Gleichungen, die Ströme beschreiben, die zum Schmelzen des Drahtes führen.}