Perché un fulmine non distrugge il parafulmine?

È noto che i fulmini causano enormi danni . Le statistiche su un fulmine sono:

livelli attuali talvolta superiori a 400 kA, temperature a 50.000 gradi F. e velocità che si avvicinano a un terzo della velocità della luce

Questi sono numeri enormi, ma i sistemi di protezione contro i fulmini sono progettati per allontanare i fulmini dall'edificio o dalla struttura che stanno proteggendo. I sistemi di protezione contro i fulmini possono essere semplicemente pensati come parafulmini collegati a terra tramite cavi (downconductor).

La specifica NOAA per la protezione contro i fulmini richiede che i parafulmini abbiano un diametro di almeno 0,5 pollici (13 mm). Il downconductor è un cavo di rame di dimensioni simili ( 4/0 AWG o 12mm ). L'amperaggio consentito per questo tipo di filo è solo di circa 250A per corrente costante. Mi rendo conto che si tratta più di un limite di calore piuttosto che di un limite di capacità di corrente istantanea.

Da questo documento sulla protezione contro i fulmini (pagina 28):

Il feedback positivo sul funzionamento di un sistema di protezione contro i fulmini è raramente documentato e molto spesso non viene nemmeno notato. Solo in alcuni rari casi è possibile documentare che un sistema di protezione contro i fulmini è stato colpito se funziona correttamente e non vi sono danni. A volte ci sono prove al punto di conclusione dello sciopero che possono essere notate durante un'attenta ispezione, ma raramente è conveniente per il proprietario di un sistema di protezione contro i fulmini ottenere le competenze necessarie per condurre un'attenta ispezione.

Come può un pezzo di metallo apparentemente piccolo da 0,5 pollici (13 mm) gestire un colpo di fulmine con danni visibili minimi o nulli molto meno senza essere completamente distrutto?

La specifica del limite di corrente per un filo è limitata dal calore che la corrente produrrà e dalla quantità di calore che il filo può dissipare prima di surriscaldarsi. "Troppo caldo" dipende dalle circostanze. Vedrai valori di corrente più elevati per lo stesso tipo di filo nelle applicazioni di cablaggio dello chassis rispetto al codice elettrico per le installazioni domestiche, ad esempio. Ciò è dovuto principalmente a quanto è troppo caldo. Il limite ultimo per applicazioni estreme è che il conduttore non si sciolga. Le temperature nelle vicinanze non sarebbero sicure correndo lungo i supporti di legno all'interno di un muro di una casa.

Come dici tu, il filo è valutato per 250 A continui . Il lampo non è decisamente continuo. 1 ms è "lungo" per il tempo del fulmine principale. Potrebbero esserci più colpi in un evento, ma il tempo totale è ancora breve e gli altri colpi non principali avranno una corrente significativamente inferiore.

Fai i conti. Dici che il filo ha un diametro di 12 mm, quindi ha una sezione trasversale di 113 mm² = 113x10 ^-6 m². La resistività del rame a 20 ° C è 1,68x10 ^-8 Ωm. Una lunghezza di 1 metro di questo filo ha quindi una resistenza di

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

La potenza con 400 kA attraverso questa resistenza è quindi:

(400 kA) ² (149 µΩ) = 23,8 MW

Per il tempo di 1 ms in cui viene applicata la corrente si ottiene l'energia:

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

La densità del rame è di 8,93 g / cm³ e la nostra lunghezza di 1 m ha un volume di 113x10 ^-6 m³, che è di 113 cm³.

(113 cm³) (8.93 g / cm³) = 1010 g massa totale di rame

Il calore specifico del rame è 0,386 J / g ° C.

(23,8 kJ) / (0,386 J / g ° C) (1010 g) = 61 ° C

Ciò significa che passare 400 kA attraverso un filo di rame di 12 mm di diametro per 1 ms causerà un aumento della temperatura di 61 ° C. È un valore piuttosto estremo per un fulmine. La corsa principale è generalmente sostanzialmente più corta di 1 ms e le altre corse hanno sostanzialmente meno corrente. Tuttavia, anche con questi numeri mostra che mentre il filo diventerà sicuramente tostato per un po ', è ben all'interno della capacità del filo di gestire senza alcun fallimento strutturale.

[Questo è iniziato come una risposta. Ma il calcolo finì per 3 ordini di grandezza in breve.
Quindi, questo è più un commento, immagino. ]

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

$10.13 \text{ kg}$
$\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}$

Ho ipotizzato che tutta l'energia del lampo sia dissipata nell'asta. Ma non so che sia un'ipotesi sana.

¹ _{Anche se ha potenza e corrente di picco molto elevate.}
² _Fonte
³ _{Chi erano Preece e Onderdonk? L'articolo sulle prime equazioni (1880, 1928) che descrivono le correnti che causano la fusione del filo.}