Giáo trình Cao áp - Chương 1

Giáo trình Cao áp Trường: BÁCH KHOA HÀ NỘI Giảng viên: TRẦN VĂN TỚP

Phần 1 : Quá điện áp khí quyển

Chương 1 : Hiện tượng phóng điện sét

1.1 Mở đầu

1.1.1 Lịch sử

Việc nghiên cứu dông sét và các biện pháp bảo vệ chống sét đã có một lịch sử lâu dài

Từ xa xưa, con người đã bị khiếp sợ và quyến rũ bởi sấm sét (hiện tượng kỳ bí của thiên nhiên, vị thần sét, sự nổi giận của Ngọc hoàng, ý niệm trừng phạt các tội lỗi)

Thời cổ đại, để bảo vệ khỏi sét đánh Jules Cộsar mang vòng nguyệt quế, Auguste và Sộvốre Alexandre nấp dưới tấm da bò khi giông sét

Mỗi dân tộc đều có vị thần :

9 Thần sét đối với người Trung hoa và người Việt,

9 Indra đối với người Indus,

9 Jupiter đối với người La mã,

9 Thor đối với các bộ tộc Đức cổ đại,

9 Zeus đối với người Hy lạp

Mãi đến thế kỷ XVIII mới có những quan sát khoa học đầu tiên về hiện tượng thiên nhiên : năm 1752, Benjamin Franklin đã chứng minh bản chất điện của sét (thí nghiệm với các cánh diều bay giữa một ngày giông sét) Còn G W Richmann đã bị chết khi thí nghiệm đặt trên mái một thanh sắt nối trực tiếp đến phòng làm việc

1.1.2 Nghiên cứu hiện đại về sét

Ngày nay chúng ta biết rằng Sét là hiện tượng phóng điện giữa hai vùng có điện tích trái dấu giữa đám mây dông và

mặt đất

Dòng điện sét (dạng xung kích) có

9 biên độ rất lớn

9 chỉ kéo dài trong một khoảnh khắc vài chục micro giây

Phóng điện sét vẫn chưa được biết đầy đủ, sét bắt đầu từ đâu và khi nào xuất hiện Để nghiên cứu :

9 sử dụng các tháp cao, (do xác suất phóng điện sét vào các công trình cao là rất lớn)

9 thiết bị đo và tự ghi (xác định được biên độ, độ dốc của dòng điện sét)

9 quan sát bằng hình ảnh (mô tả đầy đủ tiến trình không gian - thời gian của phóng điện sét)

1.1.3 Tại sao ngày nay chúng ta vẫn còn phải nghĩ bảo vệ chống sét?

Bảo vệ chống sét có phải đã có một lịch sử khá dày (gần 250 nămphát minh ra cột chống sét)

Đã tìm ra những biện pháp để bảo vệ chống sét một cách có hiệu quả, an toàn, đáp ứng được nhu cầu

Tuy nhiên dông sét - một hiện tượng tự nhiên (mật độ, thời gian và cường độ sét mang tính ngẫu nhiên), sự hình

thành và phát triển của sét xác định bởi hàng loạt các quá trình vật lý rất phức tạp

Vì vậy trong nghiên cứu chống sét vẫn còn tồn tại nhiều vấn đề cần giải quyết

9 tăng trưởng nhanh quy mô các công trình xây dựng về diện tích và chiều cao, nghĩa là số lần sét đánh tăng lên, hậu quả và thiệt hại về kinh tế do sét gây nên cũng không ngừng tăng

9 đặc điểm về dông sét, tính chất và mức độ tác hại do dông sét gây ra ở những vùng lãnh thổ và điều kiện địa

lý khác nhau, cũng khác nhau

9 mỗi vùng đều phải tự tiến hành điều tra nghiên cứu về dông sét (các thông số, đặc tính hoạt động) để có những biện pháp phòng chống sét thích hợp có hiệu quả

1.1.4 Sét một tác nhân nguy cơ rủi ro rất cao

Các công trình đặc biệt nguy hiểm là :

9 kho chứa nhiên liệu và các chất dễ cháy nổ,

9 các thiết bị điện cao áp và hạ áp,

9 các thiết bị biến đổi,

9 thiết bị điều khiển tự động

Sự phát triển mạnh mẽ của khoa học kỹ thuật, xuất hiện các hệ thống lớn (hệ thống điện, hệ thống thông tin), hoạt

động của con người càng ngày càng nhạy cảm với các nhiễu loạn điện từ do sét gây ra

Sét có thể tấn công một công trình băng rất nhiều cách khác nhau

9 sét đánh trực tiếp vào một công trình được dự đoán trước một cách có chủ ý (cột thu sét) hoặc không chủ ý (ống khói )

9 một cách gián tiếp

9 các nhiễu loạn điện từ gây bởi sự tăng thế cục bộ của bộ phận nối đất

9 các nhiễu loạn do cảm ứng điện từ trực tiếp

Thiệt hại chính do sét là

9 phá huỷ thiết bị,

9 sự rối loạn các qúa trình điều khiển, giám sát,

9 mất thông tin

1.1.5 Tại sao vào mùa đông lại không có sét?

Sét là hiện tượng thiên nhiên gắn với các đám mây dông mùa hè, đôi khi cũng quan sát và nghe thấy tiếng sấm trong mùa đông

Sét sinh ra khi có chênh lệch lớn nhiệt độ và độ ẩm giữa hai luồng khí Mùa đông, sự chênh lệch này không lớn lắm, không thuận lợi cho sản sinh các điện tích và xuất hiện của sét (ví dụ sét mùa đông khi có bão tuyết mạnh, một khối lượng không khí lạnh rất lớn phủ trên một khối lượng không khí nóng và ẩm ở mặt đất)

1 1.7 Sét hòn và ngọn lửa Saint-Elme

Một dạng điện tích khí khuyển rất hiếm quan sát thấy, đó là sét hòn Dạng đặc biệt này xuất hiện khi một phần điện tích của cú sét mây dông - mặt đất tạo thành dạng vòng tròn Sét hòn có thể di chuyển trên mặt đất hoặc leo lên đồ vật

sau đó bị nổ tung và biến mất

Đôi khi, sự tích luỹ điện tích trái dấu không đủ để gây phóng điện tạo thành sét, một số các tia lửa điện màu xanh có thể xuất hiện ở đỉnh các vật nhọn hướng về phía đám mây dông (hiện tượng này được ghi nhận rất sớm trên các đỉnh cột buồm của các tàu biển, gọi là ngọn lửa Saint-Elme tên vị thần của các thuỷ thủ

1.2 Nhận thức về phóng điện sét

Sét là một dạng phóng điện tia lửa mãnh liệt trong khí quyển với những khoảng cách giữa các điện cực rất lớn (trung bình khoảng 5 km) Dạng phóng điện này xảy ra giữa các đám mây và mặt đất hoặc giữa các đám mây mang điện tích khác nhau

1.2.1 Thành phần của không khí

Không khí khô và trong sạch không màu sắc, không mùi vị, được cấu tạo bởi hai chất khí chính :

9 Ni tơ chiếm hơn 78% (thể tích)

9 oxy chiếm gần 21%,

9 ngoài ra còn có Ar : 0,93%, CO2 : 0,03%, các chất khí còn lại Ne, He, H2, O3 :0,0l%

Tỷ lệ phần trăm này không thay đổi theo chiều ngang cũng như theo chiếu cao trong khí quyển (riêng cacbônic và ozon phân bố không đều và không ổn định do nguồn gốc phát sinh của chúng)

Lượng khí cacbônic rất quan trọng đối với thực vật, nó có khả năng cho năng lượng Mặt Trời xuyên qua khí quyển

tới mặt đất và ngăn cản sự bức xạ của mặt đất, lượng khí cacbônic tăng thì nhiệt độ mặt đất sẽ tăng

Lượng ôzon chi có 0,000001% về thề tích nhưng không ổn định, tập trung ở độ cao 25 - 30km, giảm dần xuống dưới

và lên phía trên, đến độ cao 60 km là không còn nữa Oxy hấp thụ năng lượng Mặt Trời, bị phân li thành nguyên tử, nguyên tử oxy kết hợp với phân tử oxy thành phân tử ôzon :

Ozôn hấp thụ tia tử ngoại, bị phân li thành nguyên tử và phân tử oxy :

Nhờ có ozon hấp thụ tia tử ngoại nên sự sống trên trái đất không bị đe doạ bởi năng lượng tử ngoại

1.2.2 Cấu trúc của khí quyển

Khí quyển được chia thành các tầng đồng tâm cơ bản sau đây :

a) Tầng đối lưu

9 dày của u từ mặt đất đến độ cao 10-15 km (4/5 khối lượng không khí nằm ở tầng bình lưu)

9 thay đổi theo thời gian và không gian : mùa hạ lớn hơn mùa đông, ở xích đạo lớn hơn ở cực

9 không khí chuyển mạnh theo chiều thẳng đứng

Tất cả các quá trình xảy ra trong tầng đối lưu có ý nghĩa quyết định đến thời tiết và khí hậu ở mặt đất

b) Tầng bình lưu

9 nằm từ giới hạn trên của tầng đối lưu đến độ cao 50-60 km

9 nhiệt độ tăng theo chiều cao (do có lớp ozon nằm trong tầng này)

9 Không khí chuyển động theo chiều thẳng đứng yếu, chuyển động theo chiều ngang chiếm ưu thế

9 Hơi nước còn rất ít, ở độ cao 25 km vẫn còn thấy mây xà cừ (cấu tạo từ những hạt nước lạnh)

c) Tầng giữa

9 giới hạn từ độ cao 50 đến 80 km

9 áp suất ở độ cao 80 km giảm chỉ còn bằng 1/200 lần áp suất ở mặt đất (không khí rất loãng

d) Tầng ion

9 từ giới hạn của tầng giữa đến độ cao khoang 100 km

9 bên trên lớp này nhiệt độ lại giảm mạnh đến nhiệt độ không gian vũ trụ

9 tầng ion có khả năng hấp thụ, khúc xạ và phản hồi sóng điện từ

9 hiện tượng cực quang (điện tích phát ra từ Mặt trời khi rơi vào từ trường Trái đất bị lệch hướng, xâm nhập vào miền cực của Trái đất, gây ra hiện tượng phát sáng ở các lớp khí quyển trên cao)

e) Tầng khuyếch tán

9 độ cao từ 1000 km đến khoảng 2000 km

9 Đặc điểm : có khả năng làm khuyếch tán các chất khí vào không gian vũ trụ, không khí vô cùng loãng, tốc độ chuyển động của các chất khí ở đây rất lớn,

1.2.3 Nhiệt độ và hơi nước khí quyển

Hơi nước trong không khí không ổn định, giao động từ 0-4% là do

9 quá trình bốc hơi từ mặt nước, mặt đất

9 sự thoát hơi nước từ thực vật

Khi nước bốc hơi,

9 lớp không khí ở sát mặt đất nhận được nhiều hơi nước nhất,

9 sau đó do quá trình khuyếch tán và trao đổi theo chiều thẳng đứng,hơi nước được đưa lên trên cao

9 Bốc hơi nước cần tiêu hao năng lượng (cứ bốc hơi được 1 gam tiêu hao khoảng 600 cal : vì thế mà ở các vùng

có lượng nước bốc hơi lớn sẽ có nhiệt độ không khí thấp hơn với vùng lượng bốc hơi ít)

9 không khí bị bão hoà hơi nước khi nước đạt tới một giới hạn tối đa ở một nhiệt độ nào đó

9 nếu nhiệt độ tiếp tục giảm xuống thì việc ngưng kết hơi nước sẽ diễn ra (nước ở thể hơi sẽ trở thành thể lỏng dưới dạng những hạt nước nhỏ) tụ lại thành mây hay sương mù

chạm và hút lẫn nhau, khi có đủ kích thước và trọng lượng để thắng lực cản và quá trình bốc hơi trên đường đi, chúng rơi xuống mặt đất mà ta gọi là mưa khí quyển)

9 hình thành các hạt nước nhỏ khi ngưng kết trong khí quyển luôn được diễn ra ở một tâm (hạt nhân liên kết Trong thực tế hạt nhân ngưng kết luôn có mặt trong không khí (những tinh thể muối từ mặt nước biển, sản phẩm của sự cháy trong tự nhêun hoặc các chất khí do nhà máy phun vào)

1.2.4 Điện tích khí quyển (Trong điều kiện thời tiết tốt )

Trái đất là một bộ phận của hệ phức hợp điện khí quyển gồm

9 một môi trường dẫn điện (ộlectrosphốre)

9 một lớp không khí (lớp cách điện) dày chừng 50 km

9 địa cầu

Nộpal Malaisie

B irmanie Cambo dge Chine Mong olie Corộe du N ord Japon Afghanist an Pakistan Inde

B anglad esh Bhouta n LaosVietnam Thaùl and e Indon ộsie Philippines Nouvelle - GuinộePapouasi e- Nouvelle - Guinộe Sri Lank a Taùwa n Brunei Singapo ur

R h

R t

Rt - bán kính trung bình của trái đất (6367 km),

Rh - bán kính của tầng điện ly Héaviside (6467 km)

Vì vây trái đất được mô tả như một tụ điện hình cầu khổng lồ có điện dung bằng :

)4610.6467

110

.63671

10.85,8.14,3.41

14

3 3

0

12

mF R

R

C

h t

(

Do vậy trái đất được tích điện luôn luôn Khi thời tiết tốt, có một điện trường yếu hướng xuống mặt đất (tại mặt đất giá trị đo được vào khoảng 100 đến 400 V/m)

9 Không khí không phải là một điện môi lý tưởng (có một lượng ít các

điện tích do các quá trình ion hoá tự nhiên)

9 Dưới tác dụng của điện trường trái đất, các ion này chuyển động

làm xuất hiện dòng điện hướng về phía mặt đất)

Nộpal Birmanie Chine Mongolie Corộe du Nord Corộe du Sud Japon Afghanistan

Pakistan Inde Bangladesh Bhoutan LaosVietnamThaùlande PhilippinesTaùwan

- - - - -

-E t

E

I = γ t =

1.2.2 Sự hình thành các đám mây

Mây

9 tập hợp các sản phẩm ngưng kết hay thăng hoa của hơi nước ở các độ cao khác nhau

9 có hình dáng khác nhau và có các tính chất vật lý rất phức tạp

9 Mây được hình thành do quá trình chuyển động đi lên của không khí ẩm và chúng bị lạnh đi

9 Không khí chuyển động lên trên có thể do đối lưu (không khí bị đốt nóng ở phía dưới do mặt đệm), có thể là do không khí trượt lên cao dọc theo mặt fron hoặc theo sườn núi

9 Khi nhiệt độ hạ xuống dưới điểm sương, sự ngưng kết của các hạt nước được thực hiện

9 Mây được cấu tạo bằng những hạt nước hoặc tinh thể băng, hoặc cả hai loại (mây hỗn hợp)

9 Mây hỗn hợp phát triển cao hơn mây nước và mây băng

Mây được chia thành 4 tầng

9 chân mây gồm 3 tầng (tầng cao, tầng giữa và tầng thấp)

9 tầng thứ tư là mây phát triển theo chiều thẳng đứng (khối mây riêng biệt, chân của nó thường ở tầng thấp, còn

đỉnh thường ở tầng giữa hoặc tầng cao)

Mây được chia thành 10 loại cơ bản phân chia theo các tầng

9 Mây tầng cao (chân mây cao trên 5 km) gồm mây ti (cirus), mây ti tích (circomulus) và mây ti tằng

(cirostratus) Mây tầng cao thường là mây băng, mỏng trong suốt, nhẹ, màu trắng không có bóng râm

9 Mây tầng giữa (chân mây cao từ 2 đến 6 km) gồm mây trung tích (altocumulus) và mây trung tằng

(altostratus) Mây tầng giữa thường là mây nước hay mây hỗn hợp, dầy đặc hơn mây tầng cao; mây tầng giữa

có cho mưa nhưng ít khi tới đất

9 Mây tầng thấp (chân mây cao từ 0,5 đến 3 km) gồm mây tằng tích (stratocumulus) và mây tằng (stratus) và

mây tằng vũ (nimbostratus) Mây tầng thấp cấu tạo từ các hạt nước hay hoa tuyết nhỏ, sau lớn dần lên Mây

có màu xám tro và rất dày đặc.) Mây tằng tích và mây tằng thường cho mưa phùn, còn mây tằng vũ cho mưa lớn

9 Mây phát triển theo chiều thẳng đứng gồm mây tích (cumulus) và mây tích vũ (cumulonimbus) Mây phát triển theo chiều thẳng đứng là mây đối lưu, hình thánh do không khí bốc lên cao do đối lưu Trên đất liền vào mùa hạ mây này xuất hiện vào quá trưa và tan đi vào buổi chiều Ngoài biển và đại dương, mây này phát triển vào ban đêm Mây tích không cho mưa, khi phát triển thánh mây tích vũ cho mưa rào rất lớn dưới dạng lỏng hay rắn Về mùa hạ, mưa từ mây vũ tích thường kèm theo giông

1.2.2 Sự hình thành các đám mây dông

9 Quá trình phóng điện của sét giống như quá trình xảy ra trong trường không đồng nhất

9 Trước khi có sự phóng điện, có sự phân chia và tích luỹ điện tích rất mạnh trong các đám mây do tác dụng của luồng không khí nóng thổi bốc lên trong bầu khí quyển bất ổn định và hơi nước ngưng tụ trong các đám mây

1.1.2.1 Sự hình thành các đám mây

Hiện tượng giông sét xảy ra trong các đám mây

9 trải rộng trên diện tích hàng chục kilomét vuông và dày nhiều kimomét

9 cách mặt đất trung bình 2 kilomét được goi là mây vũ tích (cumulo-nimbus)

9 Thể tích của các đám mây này có thể đạt 100 km3 và chứa hàng trăm nghìn tấn nước

9 Chúng được hình thành do hiệu ứng của dòng chuyển động lên rất mạnh xuất hiện khi các luồng không khí ẩm, chênh lệch nhiệt độ cao gặp nhau

9 Chúng cũng có thể hình thành đám mây nhiệt khi mặt đất thì nóng và độ ẩm lại cao

Một số giả thiết giải thích sự hình thành các điện tích trong đám mây giông

9 các luồng khí bốc lên cao và thổi xuống có thể đạt vận tốc 20 m/s : các hạt nước trong các đám mây sẽ bị

giọt nước thì đọng lại bên phía dưới của đám mây

9 sự va chạm mạnh liệt giữa các tinh thể sẽ giải thoát các điện tử, làm xuất hiện các điện tích dương ở đỉnh của

đám mây còn lớp dưới của đám mây do đó sẽ tích điện âm Tuy vậy bản chất vật lý của quá trình phân chia

điện tích vẫn còn chưa thật rõ ràng

9 Các cơn dông đối lưu phụ thuộc vào sự hình thánh các đám mây do hiệu ứng kết hợp độ ẩm của không khí và

sự đốt nóng cục bộ mặt đất (lượng không khí nóng và ẩm hình thành, thổi lên cao, hầu như cách biệt với không khí xung quanh) Đám mây giông hình thành ở độ cao nơi quá trình ngưng kết bắt đấu Đó là các đám mây nhiệt, rất khu trú, thường gặp tại các vùng nhiệt đới

9 các cơn dông fron lại xuất hiện do các luồng không khí lớn (nhiệt độ và độ ẩm khác nhau) gặp nhau Các cơn dông này thường mạnh mẽ hơn, linh hoạt hơn các cơn giông đối lưu, kéo dài nhiều ngày và di chuyển xa hàng nghìn kilomét, dông kèm theo gió xoáy (cyclonique)

9 sự hình thành các đám mây xảy ra khi có sự cân bằng mpật độ không khí xung quanh ở các độ cao 10-12 km,

ở độ cao gọi là quyển bình lưu này, các dòng không khí ngang dữ dội quét đỉnh của đám mây tạo cho chúng dạng đặc trưng như cái đe

Các đám mây tích điện, dẫn đến xuất hiện điện trường phía dưới các đám mây

- gió dữ dội thổi xuống

- tác động điện mạnh mẽ

- sự phát triển đứng tối đa

- các hoạt động đối lưu mạnh

1.1.2.2 Sự phát sinh điện tích trong các đám mây đông

Quá trình phân chia điện tích xảy bên trong các đám mây đồng thời với các quá trình nhiệt động học

Quá trình nhiễm điện tích ngày nay vẫn chưa được làm sáng tỏ hoàn toàn

9 chuyển động rất dữ dội luồng khí di chuyển xuống dưới về phía trung tâm của khối mây

9 phân tử bị nhiễm điện khi chuyển động do hiện tượng ma sát Các điện tích cũng có thể hình thành do va chạm của thuỷ băng (hydromộtộores) khi có nước chậm đông, sự kết tủa của nhiều các sản phẩm do hiện tượng nung nóng một lượng không khí ẩm trong bầu khí quyển bất ổn định

Tuy nhiên, hai thuyết được đưa ra để giải thích hiện tượng này là lý thuyết sức hút và lý thuyết đối lưu

a) Thuyết đối lưu

Thuyết đối lưu quan tâm đến sự chuyển động của không khí trong nội bộ các đám mây

Nguồn gốc bên ngoài cung cấp các điện tích cho các đám mây :

9 hiệu ứng bức xạ của các tia vũ trụ, tia cực tím, các phóng xạ tự nhiên làm xuất hiện các photon có năng lượng

đủ lớn để ion hoá phân tử khí trung hoà

9 hiệu ứng vầng quang (sự ion hoá không khí xảy ra khi cường độ điện trường đạt tới ngường 26-30 kV/cm) Hiệu ứng vầng quang sinh ra các ion,chuyển động của không khí nóng sẽ di chuyển các ion này về phía các đám mây

Sự kết hợp hai hiệu ứng trên là nền tảng cấu trúc điện tích của các đám mây Khi trong vùng phía trên cao của đám mây các ion dương sẽ lôi kéo các ion âm hình thành bởi bức xạ Các ion âm sẽ gắn kết với các giọt nước ngay khi đi tới các đám mây tạo thành một lớp màn chắn Sau đó, dòng không khí thổi xuống phía mặt ngoài của đám mây sẽ kéo các

điện tích này xuống phía dưới

b) Thuyết sức hút trọng trường

Thuyết sức hút trọng trường dựa trên cơ sở vật lý là các điện tích âm có khối lượng lớn hơn các điện tích dương và

sự phân chia điện tích xảy ra theo gián tiếp theo chênh lệch khối lượng

9 sự xuất hiện điện tích do sự can thiệp trực tiếp của sức hút của trái đất (đám mây cấu tạo bởi các hạt có trọng lượng khác nhau : các tính thể đá đóng băng, các hạt nước lớn, sương mù chứa các hạt nước nhỏ)

9 Khi các hạt này rơi xuống chúng sẽ nhiễm điện tích dương, vậy thì sương mù lại nhiễm điện tích âm Sự ma sát của không khí với các hạt nước làm xuất hiện điện tích giống như quá trình nhiễm điện tích khi chúng ta cọ sát một thanh ebonit vào tấm da mèo Nhưng lý do này chưa hoàn toàn thuyết phục

9 sự xuất hiện điện tích là do sự phân nhỏ không đều của các giọt nước mưa Dòng di chuyển phải chịu sự thăng giáng nghiêm trọng để có thể thổi bay các hạt nước ở dạng một túi mà phần đáy của nó bị mỏng đi, bị đánh

thủng và bị vỡ ra thành các giọt nhỏ sau đó bị gió cuốn đi Các giọt nhỏ li ti từ cái túi nước mang đi các điện tích

Thuyết lực hút đòi hỏi một quá trình trao đổi điện tích giữa các hạt kích cỡ khác nhau Khi một hạt nước đóng băng xuất hiện tại vùng nóng di chuyển qua vùng lạnh, gặp các hạt nước đóng băng lạnh hơn thì hạt nóng sẽ nhường khuyết tật dương cho hạt lạnh nhanh hơn là các hạt lạnh nhường khuyết tật âm Các hạt lạnh hơn sẽ tích điện dương

Cơ chế của sự phân chia điện tích trong các đám mây dông rất là phức tạp Hai trường phái đối đầu với nhau và

được hoàn chỉnh:

9 thuyết vi mô quan tâm đến bản chất của lượng mưa và dựa trên hiện tượng phân cực (quan điểm cho rằng sựi hình thành các lưỡng cực và phân ly cục bộ điện tích)

9 thuyết vĩ mô lại quan tâm đến luồng khí đối lưu trong các đám mâybvà dựa trên lý thuyết khuyếch tán

Người ta phân biệt 3 nguyên nhân chủ yếu của các điện tích trong các đám mây :

9 sự rơi của các hạt nước trong luồng khí thổi xuống

9 băng giá

9 clivage do đóng băng

Kết luận

Các lý thuyết trên đây đều có điểm chung là khi các điện tích bị phân chia, sự chuyển đổi có thể xảy ra bởi vì chúng

có bản chất khác nhau Những hạt mang điện tích dương thường nhẹ hơn nên dễ bị luồng không khí bốc lên kéo theo, những hạt mang điện tích âm nặng hơn thì lại rơi xuống cho dù có luồng khí bốc lên

1.1.2.3 Cấu trúc của đám mây

Quá trình phân ly điện tích làm cho các phần phía trên cùng của đám mây (vùng P) gồm các hạt nước đóng băng tích điện dương, phần phía dưới (vùng N) mang điện tích âm

Hình 1.9 : Phân bố điện tích trong đám mây dông (theo D J Malan)

9 điện tích chủ yếu tập trung trong hai vùng P và N (lên đến khoảng 40 C) Trong phần dưới cùng, có thể có một vùng không lớn gồm các điện tích dư tích điện dương (vùng p)

9 khoảng 80-90% các trường hợp sét phóng điện xuống đất, điện tích của mây có cực tính âm, trong một số ít các trường hợp, lớp điện tích trên cùng của đám mây có thể tích điện âm

9 các đám mây cùng với mặt đất sẽ hình thành các tụ điện mây đất, tạo ra một điện trường mạnh

9 khi điện trường này đạt ngưỡng, phóng điện sẽ xảy ra : phóng điện giữa các đám mây gọi nó là tia chớp mây - mây (cloud-to-cloud discharge), giữa đám mây và mặt đất là sét (cloud-to-ground discharge)

9 ở những độ cao trung bình, 30-40% phóng điện sét là xuống mặt đất, còn lại 60-70% là phóng điện xảy ra giữa các đám mây hoặc trong nội bộ đám mây

1.1.2.4 Điện trường tĩnh điện ở mặt đất

9 Nếu không có mây, điện tích tồn tại trên bề mặt đất mang dấu âm tạo ra một điện trường tĩnh điện hướng về phía mặt đất khoảng vài trăm volt trên mét (điện trường thời tiết đẹp)

9 Khi có một đám mây dông đến gần, điện trường ở mặt đất đổi dấu, tăng dần

9 Nếu đạt giá trị từ -15 kV/m đến -20 kV/m, phóng điện từ đám mây xuống mặt đất sáp xảy ra

9 trên toàn cầu trung bình có khoàng 44000 cơn dông mỗi ngày, 100 tia chớp trong mỗi giây

9 phần lớn phóng điện xảy ra trong đám mây, các phóng điện mây - mây hiếm hơn

9 phóng điện mây - đất đước quan tâm nghiên cứu nhiều hơn cả dù số lượng chúng ít hơn nhiều nhưng hậu quả

9 Khi mà tia chớp thẳng và ngắn, tiếng sấm nghe như đơn điệu

9 Khi tia chớp kéo dài và có hình cây, chúng ta nghe thấy tiếng sấm rền ầm ầm

9 trong miền khí hậu ôn đới trung bình cứ 3 tia chớp có một cú sét, nhưng ở các vùng nhiệt đới thì tỉ lệ này vượt

quá 6

b) Mưa đá

9 Mưa đá hình thành trong đám mây dông : luồng khí bốc lên đem theo các hạt nước đến vùng lạnh nhất

9 Tại đó chúng bị đóng băng và tạo thành hạt mưa đá

9 Khi các hạt đá trở lên quá nặng thì chúng rơi xuồng thành mưa đá

c) Sét

9 Sét là sự thể hiện ly kỳ nhất của điện học

9 Sau khi phóng điện sét có thể để lại trong không khí mùi cháy khét

9 Tia chớp làm phân ly các phân tử oxy, nitơ hoặc hơi nước, các nguyên tố này sau đó kết hợp với nhau tạo thành những chất mới có mùi hăng hắc, đặc biệt là ozone, amôniắc, và a xit nitơric

Phóng điện mây - đất (sét) thường mang cực tính âm, được nghiên cứu đầy đủ hơn, các tham số của nó cũng tin cậy hơn cả

Sự phóng điện của sét có thể chia làm 3 giai đoạn : giai đoạn tiên đạo, giai đoạn chính (phóng điện ngược) và kết thúc (hình thành hồ quang điện)

a) Giai đoạn phóng điện tiên đạo

Mùa hè, trường hợp phổ biến nhất là các cú sét cực tính âm Các cú sét mang cực tính (chân mây mang cực tính dương thường hiếm hơn nhưng kại dữ dội hơn rất nhiều Mùa đông, các cú sét âm và dương có tỉ lệ gần như nhau

Khi các lớp mây được tích điện tới mức độ có thể tạo nên cường độ trường lớn tới 20-30 kV/cm, lớp không khí cách

điện không thể ngăn cản các điện tích nối liền nhau, do vậy sẽ hình thành dòng phát triển về phía mặt đất

9 Tồn tại một số dạng phát triển của tia tiên đạo : tiên đạo hướng từ đám mây xuống đất và tiên đạo hướng từ mặt

đất về các đám mây Khi các tia tiên đạo gắn lại tạo thành một kênh dẫn bị ion hoá Canal ion hoá có thể đạt chiều dài từ hàng trăm mét đến vài kilomét Nhiệt độ trong canal này có thể đạt tới 30 000 °C

9 Điện áp giữa đám mây và mặt đất có thể lên tới 100 triệu vôn Nhiều phóng điện liên tiếp có thể xảy ra trong canal này

Người ta phân phóng điện sét thành 4 dạng Trước hết theo hướng phát triển của tia tiên đạo :

9 phóng điện sét từ đám mây xuống đất

9 phóng điện sét từ mặt đất về các đám mây

Và theo hướng của dòng điện chính

9 sét cực tính âm khi phần phía dưới của đám mây mang điện tích âm

9 sét cực tính dương khi phần phía dưới của đám mây mang điện tích dương

Hình 1 : một tia tiên đạo cực tính âm phát triển từ đám mây xuống đất,

Hình 2 : một tia tiên đạo cực tính dương phát triển từ mặt đất về phía đám mây

Hình 3 : tia tiên đạo dương phát triển từ đám mây xuống đất,

Hình 4 : một tia tiên đạo cực tính âm phát triển từ một vật cao ở mặt đất về phía đám mây

b) Giai đoạn phóng điện ngược

Nối tiếp sau các tia tiên đạo là một hồ quang phóng điện ngược (return strocke)

9 tia tiên đạo phát triển tới gần mặt đất (các vật dẫn điện nối với đất), bắt đầu giai đoạn phóng điện chủ yếu của sét : điện trường trong khoảng không gian giữa đầu tia tiên đạo với mặt đất sẽ có trị số rất lớn, bắt đầu quá trình ion hoá mãnh liệt không khí dẫn đến sự hình thành dòng plasma với mật độ lớn hơn nhiều so với của tia tiên

đạo, dòng plasma được kéo dài

9 các điện tích dương của mặt đất di chuyển ngược lên phía trên theo dòng tiên đạo với tốc độ lớn và được gọi là giai đoạn phóng điện ngược (return stock), kèm theo sự phát sáng mãnh liệt và tiếng nổ dữ dội (sấm, sét)

9 dòng điện qua kênh sét có thể đạt biên độ hàng trăm kiloampe với thời gian hàng trăm microgiây Chính giai

đoạn này gây nên nguy hiểm của phóng điện sét

c) Kết thúc phóng điện bằng hình thành hồ quang điện

9 một cú sét có thể chỉ chứa một xung dòng điện duy nhất, nhưng nếu đám mây vẫn còn chứa các điện tích sau khi dòng điện kết thúc thì quá trình này lại có thể lặp lại : một tia tiên đạo mới phát triển từ đám mây xuống mặt

đất đi theo đường phóng điện của tia tiên đạo ban đầu

9 ở giai đoạn này tia tiên đạo không phát triển theo các tia loé sáng như tia tiên đạo đầu tiên mà có dạng liên tục

9 Giai đoạn ba của sét sẽ kết thúc sự di chuyển các điện tích của đám mây xuống đất và sự loé sáng dần dần biến mất Lúc này điện tích của lớp mây sẽ theo dòng plasma chuyển về phía mặt đất tạo nên dòng điện ở nơi sét đánh, tia tiên đạo ở giai đoạn này được gọi là "dart leader"

9 Một cú sét phóng điện xuống đất có thể gồm nhiều tia tiên đạo, sau mỗi tia đó là một hồ quang phóng điện ngược

9 chỉ có tia tiên đạo đầu tiên là rẽ nhánh

1.3 Các tham số cơ bản

Tham số chủ yếu của phóng điện sét là

9 giá trị biên độ của dòng điện sét (Imax)

9 tiến trình thời gian (chúng ta nói ngắn gọn là dạng) dòng điện sét : thời gian đầu sóng và thân sóng (tf/tq), độ dốc của dòng điện sét (di/dt)