Nguyên nhân phát sinh và tác hại của sét

Sét hay tia sét là hiện tượng phóng điện trong khí quyển giữa các đám mây và đất hay giữa các đám mây mang các điện tích trái dấu.

Hình 1. Sét đánh tại tòa nhà LANDMARD 81.

1. Sự hình thành sét

Trong không gian vũ trụ luôn tồn tại một điện trường E hướng từ trên xuống mặt đất và một địa từ trường B bao quanh quả đất. Đồng thời cũng tồn tại các điện tích khí quyển: ion (+) đi xuống và ion (-) đi lên.

Khi một giọt nước rơi từ trên cao xuống dưới, nó sẽ cắt địa từ trường B và trong nó sẽ cảm ứng điện tích âm ở trên và điện tích dương ở phía dưới.

Các ion(+) khí quyển thường không đuổi kịp giọt nước, nên các điện tích âm phía trên giọt nước không bị trung hoà.

Hình 2. Sự hình thành của sét.

Ngược lại giọt nước này thường gặp các ion (-) khí quyển đi từ dưới lên , các ion (-) này sẽ trung hoà các điện tích dương phía dưới giọt nước và giọt nước chỉ còn lại điện tích âm ở phía trên. Nhiều giọt nước như vậy sẽ tạo nên một đám mây mang điện tích âm.

Khi có đám mây mang điện tích âm đi qua mái nhà hoặc ngọn cây, do cảm ứng tĩnh điện trên mái nhà hoặc ngọn cây cũng tích luỹ một lượng điện tích tương tự nhưng trái dấu.

Khi gần đến nhà cao, đám mây hút các điện tích dương làm cho chúng tập trung ở những điểm cao nhất.

Lượng điện tích (+) trên mái nhà và điện tích (-) của đám mây tạo nên một hiệu điện thế lớn giữa hai đám mây và mái nhà. Nếu hiệu điện thế này đủ lớn thì nó sẽ chọc thủng lớp không khí giữa đám mây và mái nhà và gây ra sét. Dòng điện sét gây ra tia lửa điện loé sáng (chớp), đồng thời không khí bị đốt nóng nhanh chóng và giãn nở tức thời tạo ra một tiếng nổ lớn (sấm). Vì tốc độ truyền ánh sáng nhanh hơn tốc độ truyền âm thanh, nên bao giờ ta cũng thấy chớp trước khi nghe sấm. Sét càng đánh gần thì khoảng cách giữa chớp và sấm càng ngắn.

2. Phân loại sét đánh

– Sét đánh trực tiếp:

  • Sét đánh trực tiếp hay sét đánh thẳng là do sự phóng điện trực tiếp hay một nhánh của nó xuống đối tượng bị đánh.
  • Sét thường đánh vào các nơi cao như cột điện, cột thu phát sóng viễn thông BTS, ống khói, nhà cao tầng, cây cao…vì ở đó có hiện tượng mũi nhọn nên các điện tích cảm ứng tập trung nhiều hơn, nhưng cũng có trường hợp sét đánh vào nơi thấp là vì ở đó đất hay các đối tượng dẫn điện tốt hơn nơi cao.
  • Nơi bị sét đánh không khí bị nung nóng lên tới mức làm chảy các tấm sắt dày 4mm, đặc biệt nguy hiểm đối với những công trình có vật liệu dễ cháy nổ như kho mìn, bể xăng dầu, và cả những công trình kiến trúc bằng gạch ngói, bê-tông.
  • Sét còn đánh vào người hay súc vật, tuy tỷ lệ ít hơn nhưng cũng cần chú ý nhất là nơi làm việc trống trải ở công trường, nông trường, mỏ lộ thiên…

– Sét đánh gián tiếp:

  • Sét đánh vào đường dây điện thoại, đường dây vận tải điện cao thế hoặc hạ thế ở một khu vực nào đó rồi theo đường dây truyền vào công trình làm trục trặc thiết bị điện đang sử dụng.
  • Chúng ta thường thấy chẩn đoán bệnh bóng đèn, điện thoại, TV, tủ lạnh… bị cháy hoặc người đang gọi điện thoại bị điện giật mạnh sau một cơn dông sét tất cả là do tương tác của loại sét này.

3. Tác hại của sét

3.1. Tác hại của sét đánh trực tiếp

Tác dụng của sét đánh thẳng là tác dụng trực tiếp của dòng điện sét lên đối tượng mà nó đi qua. Tác dụng này là sự kết hợp tác dụng nhiệt và cơ của dòng điện sét. Khi dòng điện sét đi qua đối tượng nào đó, nó sẽ đốt nóng đối tượng do hiệu ứng nhiệt của nó. Mặc dù thời gian tồn tại của dòng điện sét rất ngắn nhưng với trị số rất lớn của nó, dòng điện sét có thể đốt cháy hoặc làm biến dạng đối tượng mà nó đi qua. Thực ra nhiệt lượng do dòng điện sét tạo ra không lớn lắm nhưng nguy hiểm của nó là nhiệt lượng tăng cực nhanh làm đối tượng bị giãn nở nhiệt nhanh chóng.

Sự giãn nở nhiệt này gây ra một nội lực cơ khí lớn làm đối tượng bị phá hỏng.

Thực tế dòng điện sét có thể phá hỏng hoàn toàn các cấu kiện bằng gỗ hoặc phá hỏng nặng nề các cấu kiện bê tông cốt sắt, các công trình bằng gạch hoặc đá.

Bằng các thí nghiệm trên các mẫu bê tông hoặc bê tông cốt sắt người ta thấy rằng sau khi có dòng điện sét đi qua, trong bê tông xuất hiện những lỗ hổng, các khung thép bị biến dạng và bê tông giảm đáng kể độ bền cơ khí.

Khi dòng điện sét bằng khoảng 20kA và thời gian toàn sóng 40uS đi qua mẫu bê tông, mẫu bê tông bị phá hoại hoàn toàn. Điều đó chứng tỏ sự ổn định rất yếu của bê tông đối với đất.

Hình 3. Tác hại của sét đánh trực tiếp

3.2. Tác hại của sét đánh gián tiếp 

Tác hại gián tiếp của sét là tác hại xảy ra khi dòng điện sét  tác động lên các đối tượng ở gần vật dẫn có dòng điện sét đi qua. Tác hại gián tiếp bao gồm 4 loại: cảm ứng điện từ, cảm ứng tĩnh điện, sự xâm nhập điện áp cao và tác dụng điện áp bước. Cảm ứng điện từ xuất hiện do sự biến thiên nhanh của dòng điện sét.

Khi dòng điện sét đi qua một vật dẫn nó sẽ tạo ra một từ trường F trong không gian xung quanh vật dẫn.

Với sự biến thiên nhanh chóng của dòng điện sét, từ thông F do nó tạo ra cũng biến thiên rất nhanh.

Do đó theo định luật cảm ứng điện từ, trong các mạch kim loại (các ống dẫn, các dây điện, các khung thép v.v… ) đặt gần vật dẫn sét sẽ cảm ứng một sức điện động : 

Sức điện động e này có dạng như hình 3 và tắt nhanh giống như dòng điện sét. Còn trị số của e phụ thuộc vào biên độ và độ dốc của dòng điện sét, khoảng cách d giữa mạch kim loại và vật dẫn sét và các kích thước a, c của mạch kim loại.

Đối với các mạch kim loại kín, sức điện động cảm ứng e này tạo ra một dòng điện xung ix (có biên độ lớn nhưng tắt nhanh) trong mạch. Dòng điện này chỉ đốt nóng mạch kim loại và thường không nguy hiểm. Nguy hiểm nhất là đối với các mạch kim loại hở hoặc có mối nối hở (tiếp xúc không tốt), sức điện động cảm ứng e này có thể gây ra phóng điện qua khe hở không khí giữa 2 đầu mạch kim loại hoặc khe hở của mối nối. Tia lửa điện được tạo ra từ kết quả phóng điện này đặc biệt nguy hiểm đối với những nhà tồn tại khí cháy hoặc hỗn hợp nổ.

Cảm ứng tĩnh điện xảy ra do tốc độ di tản điện tích xuống đất ở các đối tượng cảm ứng tĩnh điện (mái nhà, các ống dẫn, các dây điện v.v…) là khác nhau khi điện dẫn đối với đất của chúng khác nhau. Tất cả đối tượng trên mặt đất hoặc dưới mặt đất dù nối đất hay không nối đất đều có điện dẫn nào đó đối với đất (còn gọi là điện dẫn rò).

Ngay cả các đường dây điện trên không hoặc mái nhà kim loại trên ngôi nhà gỗ vẫn có điện dẫn đối với đất. Tuy nhiên điện dẫn đối với đất của các đối tượng khác nhau thường không bằng nhau.

Nếu đối tượng có điện dẫn đối với đất bé thì việc hấp thụ điện tích từ đất lên đối tượng hoặc di tản điện tích từ đối tượng xuống đất sẽ được thực hiện chậm.

Ngược lại nếu đối tượng có điện dẫn rò lớn thì việc hấp thụ điện tích từ đất lên đối tượng hoặc di tản điện tích từ đối tượng xuống đất sẽ thực hiện nhanh hơn.

Khi có đám mây mang điện tích âm ở trên đối tượng thì theo định luật cảm ứng tĩnh điện, đối tượng sẽ tích luỹ một lượng tương tự điện tích dương. Điện trường của đám mây (mang điện tích âm) đối với đất có dấu ngược với điện trường của đối tượng (mang điện tích dương) đối với đất. Do đó không có hiệu điện thế giữa đối tượng (mang điện tích dương) đối với đất.

Song khi đám mây phóng điện (có sét) phần lớn điện tích âm của mây được giải phóng, tương ứng điện tích dương cảm ứng của đối tượng di tản xuống đất. Tuy nhiên do quá trình phóng điện rất nhanh nên một lượng điện tích dương của đối tượng không di tản kịp xuống đất qua điện dẫn rò. Điện dẫn rò càng bé thì lượng điện tích dương không kịp di tản xuống đất càng lớn.

Kết quả là ngay sau khi sét đánh còn tồn đọng các lượng điện tích dương khác nhau trên các đối tượng khác nhau. Các điện tích dương tồn đọng này sẽ tạo ra một hiệu điện thế giữa đối tượng với đất và giữa các đối tượng với nhau.

Ví dụ giữa mái nhà kim loại với các ống dẫn nước và dây điện trong nhà hoặc giữa các đối tượng này với đất.

Nếu hiệu điện thế này có trị số đủ lớn, nó có thể gây ra phóng điện qua không khí giữa các đối tượng hoặc giữa đối tượng và đất. Tia lửa điện tạo ra từ sự phóng điện này đặc biệt nguy hiểm với các nhà có khí cháy hoặc hỗn hợp nổ.

Sự xâm nhập điện áp cao của sét từ xa vào nhà ở hoặc công trình được giải thích như sau:

Khi sét đánh vào một đối tượng nào đó, dòng điện sét đi qua dây thu sét xuống vật nối đất sẽ gây ra một điện áp lớn giữa đầu trên của dây thu sét và đất.

Điện áp này có thể xác định theo công thức:

Điện áp lớn này có thể chọc thủng không khí hoặc đất, xâm nhập vào các đường dây trên không hoặc các ống dẫn kim loại dẫn đến nhà hoặc công trình.

Hình 4. Tác hại của sét đánh gián tiếp

Mặc dù điện áp này chỉ tồn tại trong thời gian sét rất ngắn (vài chục) nhưng nó có thể chọc thủng cách điện hoặc tạo ra tia lửa điện rất nguy hiểm cho các nhà có nguy cơ cháy hoặc nổ.

Khi sét đánh vào một đối tượng nào đó, dòng điện sét đi qua dây thu sét xuống vật nối đất rồi tản vào đất xung quanh vật nối đất trong vùng bán kính khoảng 20m. Điện thế do dòng điện sét tạo ra tại các điểm trên mặt đất xung quanh vật nối đất có đồ thị như hình sau:

  • Tại điểm nối đất điện thế có trị số lớn nhất và càng xa vật nối đất điện thế càng giảm dần và điện thế bằng 0 tại điểm cách vật nối đất khoảng 20m.

 

Hình 5. Điện áp bước của sét.

  • Khi người bước vào cùng nối đất này, một chân người đặt tại điểm có điện thế U1, còn chân kia tại điểm có điện thế U2. Do đó giữa 2 chân người sẽ có điện áp bước:

UB = U1 – U2

  • Càng xa vật nối đất, điện áp bước càng nhỏ.
  • Mặc dù điện áp bước này chỉ tồn tại trong thời gian sét rất ngắn (vài chục), nhưng vẫn rất nguy hiểm cho người hoặc súc vật bước vào vùng có sét đánh.

error: Real Group - Efficiency Projects