Un uccello, precedentemente al potenziale terrestre, può essere fulminato atterrando su una linea elettrica a una tensione sufficientemente elevata a causa della "carica di equalizzazione" iniziale?

Ai livelli di tensione delle tipiche linee di trasmissione aeree negli Stati Uniti, un uccello può atterrare su uno e stare bene (purché non faccia qualcosa come allargare le ali e toccare un albero o qualcos'altro con un potenziale elettrico inferiore).

Tuttavia, che dire di un ipotetico powerline a una tensione molto più alta (come in decine di megavolt). L'atterraggio su un tale powerline può colpire mortalmente l'uccello anche se non completa un circuito per la corrente sostenuta? (Supponiamo che la distanza sia abbastanza lunga da rendere impossibile l'arco elettrico.)

NOTA: la mia comprensione di ciò che accade quando un uccello vola da un oggetto terrestre a una linea elettrica (per favore, correggimi se sbaglio) è che - contattando il filo - il suo potenziale elettrico cambia dal potenziale della terra al potenziale della linea elettrica. Affinché ciò avvenga, c'è un trasferimento iniziale di energia elettrica (cioè flusso di carica, cioè corrente) dalla linea elettrica all'uccello che "equalizza" il loro potenziale elettrico, che avviene quasi istantaneamente. Se questo è corretto, allora la mia domanda può essere ribadita più in generale come "Una 'carica di equalizzazione' come questa può provocare uno shock fatale, se la differenza potenziale che sta equalizzando è abbastanza alta?"

Supponendo che l'uccello sia ancora al potenziale terra quando entra in contatto con il filo (diciamo, è saltato proprio su di esso dal palo).

Ci sono molte incognite in questo problema, ma proviamo a colmare alcune lacune con i dati che conosciamo negli esseri umani. Quindi fino a quando uno scambiatore di stack EE che è un ornitologo si presenta con dati interessanti, supponiamo che gli umani possano volare e che vogliano rilassarsi appesi a un cavo ad alta tensione.

Tutti gli oggetti e gli esseri viventi hanno una capacità elettrica equivalente. Il modello del corpo umano è una convenzione che stabilisce che gli umani sono equivalenti su quell'aspetto a un condensatore da 100pF (supponiamo che non riduca molto da terra a 23 metri di altezza, e lo chiamiamo uno scenario peggiore). Ora, supponiamo che la resistenza di contatto tra il cavo e dovunque sia il centro geometrico di quel condensatore, sia 3000 Ohm - presa dalla custodia "Filo di tenuta a mano" della tabella in un altro filo - divisa per due per un contatto a due mani. Quindi la durata totale della corrente di equilibrio, presa come 5 volte la costante di tempo dell'equivalente RC, è di 0,75 microsecondi.

Gli effetti delle correnti attraverso gli esseri viventi dipendono dall'entità della corrente e dalla durata. Non ho mai visto nessuno studio che mostra dati al di sotto di 10 ms (ad esempio lo stesso studio citato sopra), il che non sorprende in quanto apparentemente il tempo di risposta del tessuto cardiaco è di 3 ms . Per 10 ms, la corrente che genera effetti irreversibili è 0,5 A, e sembra essersi stabilizzata a quel punto (poco dipendente dalla durata), sicuramente fino a 3 ms. Supponiamo che oltre quel punto, il tessuto cardiaco si comporti come un sistema inefficace del primo ordine, attenuando 20 dB / decennio. La corrente richiesta per effetti simili sarebbe 20 * 4.25 = 90 dB più alta o 15811A. Per una resistenza di contatto di 1500 Ohm come utilizzata sopra, significa che la tensione del cavo deve essere di 23 GV!

Le ustioni dipendono esclusivamente dall'energia trasferita, quindi teoricamente un'alta tensione potrebbe bruciare per un tempo così piccolo. Ma quanto in alto? Bene, "Lesioni elettriche: aspetti tecnici, medici e legali", pagina 72 , afferma:

La corrente più bassa stimata che può produrre evidenti ustioni di primo o secondo grado in una piccola area della pelle è di 100 A per 1 secondo

Modifica: Nota che 100A è piuttosto alto, non è chiaro come l'autore definisca "ustioni di primo grado su una piccola area di pelle", ma immagino che sarebbe per un'area più grande di un pollice, bruciando tutta l'epidermide e parte del derma cellule tali da staccarsi.

Quindi per 750nanosecondi, sono richiesti 133MA! Se riutilizziamo la resistenza di 1500 Ohm dall'alto, ciò significa che il filo dovrebbe essere a 199GV, il che è folle. È probabile che ci saranno altri effetti spiacevoli prima che appaiano quelle ustioni, ma né 23GV né 199GV suoneranno probabilmente nel prossimo futuro. Nota a margine , come sollevato da J ... nei commenti, un cavo da 23GV si arcuerebbe spontaneamente con qualcosa di potenziale terrestre entro 7,6 km e quindi richiederebbe un'incredibile quantità di isolamento.

Come se non bastasse, potresti aver notato che quanto sopra presuppone che la massima corrente venga applicata per l'intera durata della corrente di equilibrio mentre in realtà si tratta di un esponenziale in decadimento ... La corrente media su questa durata è infatti 0,2 volte il massimo, quindi questi valori dovrebbero essere davvero 115GV e 995GV!

Avvertenza: ciò non significa che sia sicuro saltare e pendere da linee ad alta tensione, questa è una rapida analisi con stime e modellizzazione dei dati approssimative e non deve essere considerata una giustificazione per le tue azioni.

Sono principalmente d'accordo con la spiegazione di Andy Aka. Darò però una teoria più dettagliata (ovviamente potrei trascurare qualcosa).

Un corpo non ha una capacità da solo, poiché ha sempre bisogno della "seconda piastra" del condensatore. Gli esseri umani relativi alla terra avranno una determinata capacità quando si trovano (isolati) sopra la terra, e una diversa capacità quando volano (se possibile) perché allora la terra è più lontana.

Un semplice modello di uccello potrebbe essere quello nel diagramma seguente:

^{simula questo circuito - Schema creato usando CircuitLab}

Man mano che l'uccello si avvicina, la linea C1 aumenterà e C2 diminuirà. Questo è un divisore di condensatore e il potenziale dell'uccello si avvicinerà alla linea 1 dell'alta tensione (HV).

Supponiamo, solo per dare alcuni numeri rapidi, che C1 è 100 volte C2 appena prima che i piedi dell'uccello tocchino la linea, la differenza di potenziale tra l'uccello e la linea HV sarà quindi solo dell'1% di HV. Alla fine i piedi dell'uccello toccano la linea: C1 è "in corto" e l'unica capacità da riempire sarebbe C2 (capacità tra uccello e terra, che è molto piccola in quanto il terreno è lontano). Poiché il potenziale corporeo è già al 99% di HV e la sua capacità a terra è molto piccola, la corrente attraverso l'uccello sarebbe davvero piccola.

NOTA: la mia comprensione di ciò che accade quando un uccello vola da un oggetto terrestre a una linea elettrica (per favore, correggimi se sbaglio) è che - al contatto del filo - il suo potenziale elettrico cambia dal potenziale della terra al potenziale della linea elettrica

Qui sta il nocciolo della questione. Quando l'uccello lascia il terreno dirigendosi nella direzione del filo, acquisisce un graduale cambiamento nel potenziale. Questo non è un cambiamento istantaneo perché se lo fosse, l'uccello sperimenterebbe una scossa attuale in quell'istante in cui è atterrato.

Quindi, no, non accade istantaneamente e, tensioni di filo maggiori = distanza maggiore quindi un periodo di tempo più lungo per raggiungere detto filo e, senza andare in matematica, la piccola corrente impercettibile che l'uccello sperimenta sarà la stessa.

EDIT - ecco una buona immagine del modo in cui il livello di tensione cambia con la distanza tra terra e un filo "caldo": -

Questa è un'analisi del campo elettrico abbastanza classica. Emanando dal centro (presumibilmente un punto di alta tensione) ci sono linee di campo elettrico nere. Questi escono in tutte le direzioni dal filo e colpiscono "terra" ad angolo retto. Se anche tu una qualsiasi delle linee del campo elettronico e "viaggiassi" lungo di esso dal livello del suolo (diciamo) il 10% della sua lunghezza, otterrai una tensione che è il 10% del filo caldo.

Se avessi fatto questo esperimento mentale per tutte le linee del campo elettronico con percentuali diverse della lunghezza, saresti in grado di tracciare tutte le linee di equipotenziale ed è quello che sono le linee rosse.

Come dovresti essere in grado di vedere il potenziale che un piccolo oggetto può raggiungere passando dal filo gound al filo "caldo" è notevolmente lineare.

È un peccato vedere così tante risposte male informate e di alto livello su questa domanda - così ho deciso di aprire finalmente un account e contribuire, dopo anni di agguato :)

Un modo per vedere la trasmissione di energia è la corrente che passa attraverso il filo - modellato come energia cinetica di particelle (elettroni) all'interno. Tuttavia, specialmente nelle installazioni CA, se si modella l'energia elettromagnetica (attraverso le equazioni di Maxwell), si vede la potenza trasportata nello spazio tra e intorno ai conduttori.

Quindi c'è pericolo EM per qualsiasi cosa anche vicino alle linee. Il suo livello dipende, per un dato sistema a linea di uccello, dalla potenza complessiva che passa - tensione e intensità!

Questa risposta quantitativa che ho trovato su https://van.physics.illinois.edu/qa/listing.php?id=1341 si applica:

D: Perché gli uccelli non avvertono uno shock statico ? Capisco che gli uccelli non forniscono un percorso verso il suolo, quindi non porteranno una corrente di stato stazionario. Ma sicuramente quando atterrano per la prima volta c'è una corrente che carica la capacità dell'uccello? Ho letto che gli shock statici sono dolorosi a circa 10 kV. Queste linee elettriche trasportano centinaia di kV, quindi lo shock statico di una linea elettrica non sarebbe molto doloroso? Grazie, Ted - Ted (26 anni) Stanford, CA, USA

A: Sì, non è assolutamente vero che non ci sarà alcuna corrente. Ci sono correnti, ma sono veramente piccole e questo non si limita solo all'atterraggio. Forse la cosa più trascurabile di tutte, l'aria umida non è un perfetto isolante, quindi ci saranno perdite dal corpo dell'uccello. Ma come hai anche sottolineato, un uccello può essere considerato un condensatore (approssimativamente sferico) con un secondo guscio infinitamente lontano e con potenziale 0. Pertanto, l'uccello verrà caricato e scaricato a f = 60Hz (50 Hz in Europa), poiché le linee elettriche trasportano CA, non CC.

Facciamo un calcolo approssimativo considerando l'uccello come una sfera con un diametro di 20 cm, la capacità C dovrebbe quindi essere ~ 10pF. La corrente efficace è quindi 2πfVrmsC f. Supponiamo che sui cavi ci siano 100kV, questi parametri forniscono circa 400 µA per la corrente efficace. Per fare un confronto, per un essere umano correnti CA di circa 10 mA iniziano a diventare pericolose. ( Https://en.wikipedia.org/wiki/Electric_shock ) Per un uccello, correnti leggermente più basse possono presumibilmente essere pericolose. Sembra che anche per la linea ad alta tensione, tuttavia, la corrente puramente capacitiva non è un problema.

Tunc + Mike W.

la mia comprensione è che poiché la linea HV è una linea CA, il potenziale originale dell'uccello è insignificante a causa del fatto che il potenziale del filo si alterna al di sopra del potenziale del suolo e del potenziale del suolo ogni 1/100 di secondo in 50 hz situazione. Vi è una probabilità altrettanto probabile che il potenziale relativo al potenziale del suolo al momento del contatto del piede dell'uccello possa essere anche molto vicino al potenziale del suolo 1/100 di secondo.

Non sono un esperto, ma penso che sia corretto: il filo è un conduttore; la corrente scorre attraverso di essa. L'uccello non sarà danneggiato. La corrente scorrerà su una gamba e sull'altra, ma il filo è un conduttore molto migliore, quindi la corrente sarà minuscola. (D'altra parte, se l'uccello fosse atterrato su una sorgente ad altissima tensione senza che la corrente fluisse, come un enorme generatore di Van Der Graaf, la repulsione elettrostatica potrebbe far esplodere le piume).

Non esiste un'ipotetica linea HV isolata ad aria a 10 s di megavolt perché a quelle tensioni, la potenza persa a scarica corona è maggiore della potenza persa a resistenza del filo. Quando la tensione aumenta, la corrente diminuisce in proporzione, ma oltre un certo punto la perdita di potenza di scarica della corona è maggiore della perdita di I al quadrato.

Il "certo punto" dipende dal diametro del conduttore, motivo per cui tutti i conduttori ad alta tensione (e in particolare a 1KV +) hanno diametri artificialmente gonfiati: gran parte del volume del "conduttore" non è affatto un conduttore: è in acciaio.

La scarica di corona si verifica quando il gradiente di tensione è maggiore del gradiente di tensione di rottura dell'aria. Ciò dipende dall'umidità e dalla pressione dell'aria (e dall'inquinamento) e dalla levigatezza della superficie del filo.

Le linee di potenziale indicate nell'altra risposta sono fuorvianti. Dovrebbero essere molto più vicini tra loro vicino al filo, molto più distanti vicino al suolo. Ecco un esempio misurato reale: https://www.nms.org/Portals/0/Docs/FreeLessons/PHYS_Equipotential%20Lines%20and%20Electric%20Fields.pdf

Notare la differenza tra il gap 8V-10V e il gap 4V-2V. Vicino a un filo stretto, la distribuzione del campo è simile a quella attorno a una carica in punti isolata, dove il gradiente di tensione si avvicina rapidamente a "infinito" per un filo "infinitamente sottile".

Non riesco a trovare le cifre effettive per il gradiente del campo elettrico vicino a una linea HV. Mi aspetterei che sia inferiore a 3,4MV / m in condizioni peggiori, o ci sarebbero guasti. Per fare un confronto, gli umani falliranno a circa 0,01MV / m, e la pelle umana fallirà a circa 500V. Questo mi suggerisce che non ci sono molti fattori di sicurezza per un essere umano che pende da una linea HV: saresti abbastanza vicino al tuo potenziale di ionizzazione da iniziare a preoccuparti.

Gli uccelli tipici sono molto più piccoli / più corti degli umani e quindi sarebbero esposti a stress di tensione molto più piccoli quando atterrano sui fili. I grandi uccelli potrebbero essere comparabili per dimensioni all'uomo, ma normalmente non si appollaiano sui fili. I grandi uccelli di solito si appollaiano sulle torri di trasmissione, non sui fili, perché le torri sono sempre più alte del filo: non ho informazioni su se i grandi uccelli avvertono disagio al gradiente di tensione elettrica quando tentano di atterrare sui cavi HV.

Sono al di fuori della mia area di esperienza e accolgo con favore eventuali correzioni.

È interessante osservare le linee elettriche e gli uccelli e vedere cosa succede.

Gli uccelli tendono ad appollaiarsi su linee elettriche a bassa tensione, in genere inferiori a 100kV.

Gli uccelli tendono a non appollaiarsi su linee elettriche ad alta tensione, in genere> 200kV.

La speculazione (che trovo del tutto plausibile) è che è dovuta alla corona che si verifica su linee elettriche ad alta tensione. Questo è il motivo per cui tendono a utilizzare fasci di fili, anziché singoli conduttori, per ridurre il gradiente del campo elettrico attorno a loro. Qualsiasi cosa appuntita che fuoriesce dal conduttore liscio aumenterà la perdita della corona.

Un uccello su una linea elettrica si comporta come un "po 'sporgente", che peggiora lo scarico della corona. Sopra una corrente di corona critica, l'uccello trova questo disagio e se ne va. Ciò sarà avvertito dall'uccello che vola in prossimità della linea, anche prima che atterri, l'uccello distorcerà il campo elettrico e riceverà una corrente a corona.