tiểu luận học phần điện từ quang đề tài sấm sét cột thu lôi chống sét

BỘ TÀI NGUYÊN VÀ MÔI TRƯỜNG

ĐẠI HỌC TÀI NGUYÊN VÀ MÔI TRƯỜNG THÀNH PHỐ HỒ CHÍ MINHKHOA MÔI TRƯỜNG

TIỂU LUẬN

HỌC PHẦN ĐIỆN TỪ QUANG

ĐỀ TÀI: SẤM SÉT - CỘT THU LÔI CHỐNG SÉT

GIẢNG VIÊN: ĐINH THỊ THÚY LIỄUSINH VIÊN THỰC HIỆN: Lớp 11DHQLTN_3

1.Nguyễn Ngọc Thảo Phương2 Phùng Thị Quỳnh Như 3 Nguyễn Thị Ngọc Huyền

TP Hồ Chí Minh, Tháng 3 năm 2023

 Tất cả thành viên trong nhóm 1 đã cùng nhau chung sức để hoàn thành báo cáo này. Chúng em rất mong nhận được sự đóng góp của quý Thầy Cô và các bạn để bài báocáo hoàn thiện hơn Nhóm em xin chân thành cảm ơn.

MỤC LỤC

CHƯƠNG 1 : SẤM SÉT 6

1.Lý do chọn đề tài 6

2.Mục đích nghiên cứu 6

3.Đối tượng nghiên cứu 6

4.Nhiệm vụ của đề tài 6

5.Phương pháp nghiên cứu 6

6.Nội dung 6

6.1 Sấm sét là gì? 7

6.2 Bản chất hiện tượng tia sét 8

6.3 Đặc điểm tia sét 8

6.4 Mối đe doạ đối với đời sống 9

6.4.1 Đối với con người 9

6.4.2 Đối với thiết bị điện tử và hệ thống liên lạc 9

6.4.3 Thiệt hại về kinh tế và môi trường 10

6.5 Thông số sấm sét 10

7.Lợi ích của sấm sét 10

7.1. Sấm sét bước đầu tiên của nền văn minh hiện đại 10

7.2.Sấm sét tạo ozon cho tầng khí quyển 10

7.3Sấm sét giúp cải tạo nguồn đất, tăng khả năng sinh trưởng chocây 17.4Tìm nguồn nước ngầm, mỏ quoặng 11

7.5 Sấm sét giúp xác định lượng mưa 11

7.6 Sấm sét nguồn năng lượng khổng lồ 12

8.Các biện pháp phòng chống 13

8.1 Phương pháp phòng chống Faraday 13

8.2 Phương pháp phòng chống sét truyền thống ( hệ Franklin ) 15

9.Phương pháo phông chống tích cực 17

9.1 Sử dụng thiết bị hiện đại 17

9.2 Các biện pháp bảo vệ được khuyến khích 17

CHƯƠNG 2 : CỘT THU LÔI 18

1.Lịch sử hình thành cột thu lôi 18

2.Cột thu lôi là gì? 20

2.1 Bộ phận chính 21

3.Tác dụng cột thu lôi 22

4.Nguyên lý hoạt động của hệ thống thu lôi 22

5.Phân loại hệ thống chống sét 23

6.Các tiêu chuẩn kỹ thuật chống sét 23

TÀI LIỆU THAM KHẢO 24

Hình 6.1 Bức họa mô tả thí nghiệm của Benjamin Fraklin cùng con trai 19

Hình 7.1: Cái chết của Richman gây chấn động giới khoa học toàn thế giới 20

Hình 6.1: Cột thu lôi 21

Hình 7.1: Cấu hình của 1000V 22

Hình 8.1: Các thành phần cột lôi 23

CHƯƠNG 1 : SẤM SÉT1 Lý do chọn đề tài

VN nằm trong khu vực khí hậu nhiệt đới gió mùa với lượng mưa dao động nhiềuvào tháng 6,7,8 Theo thống kê của Văn phòng thường trực Ban chỉ đạo quốc gia vềphòng, chống thiên tai, số người tử vong do sét đánh gây ra từ 2017 đến 25/7/2022 là175 người, trung bình mỗi năm khoảng 29 người Tính riêng 6 tháng đầu năm 2022đã có 44 người chết do sét đánh.

+ Ngày 3-10, một người bị sét đánh tử vong khi đang làm đồng tại xã Thanh Hóa,huyện Tuyên Hóa, tỉnh Quảng Bình Thời điểm đó, nhiều người cùng làm trên đồngnhưng anh này có để điện thoại di động (ĐTDĐ) trong túi quần.

+Tháng 6-2019, hai em học sinh 12 và 13 tuổi ở Lào Cai đang dùng ĐTDĐ trongchòi giữ ngô (bắp) đã bị sét đánh trúng gây phỏng nặng.

+Tháng 7-2019, cũng ở Lào Cai, trong một cơn dông lớn, một người bị sét đánhtrúng tử vong khi đang dùng ĐTDĐ nghe nhạc ở trong nhà.

2.Mục đích nghiên cứu

- Báo động tính nguy hiểm do sấm sét ngày một tăng Nhầm mang đến nhữngthông tin về bản chất, đặc điểm, cũng như một số phương pháp phòng chống

- Hiểu rõ hơn về những thành tựu của con người nghiên cứu về sấm sét.

3 Đối tượng nghiên cứu

- Tính chất đặc điểm của sấm sét- Cách phòng tránh

4 Nhiệm vụ của đề tài

Tìm hiểu và hệ thống kiến thức trả lời được những câu hỏi về bản chất và các

phương pháp phòng chống sấm sét.

5 Phương pháp nghiên cứu

- Tìm hiểu đọc những nguồn tài liệu liên quá đến bản chất và cách phòng tránhsấm sét.

- Phân tích tổng hợp từ các nguồn tài liệu.

6 Nội dung

6.1 Sấm sét là gì?

- Sét là hiện tượng xảy ra khi những đám mây mang điện tích trái dấu nhau vachạm nhau Đám mây mang điện tích âm và đám mây mang điện tích dương khigặp nhau sẽ gây ra tia phóng điện Những tia này thường lóe sáng và ta gọi đó làtia sét.

- Sấm là một hiện tượng thiên được tạo ra bởi các tia sét Tùy vào sự hìnhthành của tia chớp mà âm thanh sấm sẽ dài hay ngắn, to hay nhỏ

Hình 1.1: Hiện tượng tia chớp lóe sáng

2 Bản chất hiện tượng tia sét

Trong cơn mưa dông do có gió mạnh xáo trộn các đám mây, làm cho các đámmây tích điện Khi hai đám mây tích điện trái dấu lại gần nhau, hiệu điện thế giữachúng có thể lên tới hàng triệu von Giữa hai đám mây có hiện tượng phóng tia lửađiện và ta trông thấy một tia chớp Vài giây sau ta mới nghe thấy tiếng nổ, đó là“sấm” (vận tốc của ánh sáng nhanh hơn vận tốc của tiếng động nên ta trông thấy tiachớp trước) Nếu có đám mây dông tích điện đi gần mặt đất tới những khu vực trốngtrải, gặp một vật có độ cao như cây cối, người cầm cuốc xẻng thì sẽ có hiện tượngphóng tia lửa điện giữa đám mây và mặt đất

Đặc điểm tia sét

*Sét tỏa ra một nhiệt lượng rất lớn

Trong không khí bao gồm 78% khí nitơ, 20% khí oxy và 2% các khí còn lại Nitơvà oxy tồn tại dưới dạng phân tử trong không khí, khi tia chớp lóe sáng sẽ tạo nhiệtđộ tách hai phân tử ra Khi nhiệt độ giảm, hai phân tử sẽ gắn lại kết hợp với nhau Dovậy, khí oxy sẽ kết hợp với dioxin tạo ra khí ozone Khi tạo đã đủ mật độ, chúng sẽphát ra mùi của sét đánh.

Khi gần có cơn mưa, bão giông, trước đó chúng ta nghe được mùi giống như mộtchất tẩy rửa Mùi đó chính là mùi của ozone, tạo cảm giác sạch sẽ hơn bởi ozone cótính diệt khuẩn cao Đặc biệt, mùi ozone cũng có thể phát ra ngay cả khi không cósấm sét vì mật độ của ozone khoảng 10 phần tỷ trong không khí Sét phóng nguồnđiện cao thế và lưới điện từ đám mây xuống đất.

Hình 2.1: Sơ đồ hình thành sấm sét

Q=I.R.t*Sét không bao giờ đánh thẳng

Khi chúng phong điện xuống mặt đất, tia sét mang điện tích âm trước tiên sẽ đivào vùng không gian có điện tích dương phân bô hỗn loạn bên dưới đám mây Chúngcó xu hướng tìm đến không gian điện tích dương liền bén theo quy luật trái dấu hút,cùng dấu đẩy.

*Sét thường đánh vào những nơi

- Sét thường đánh vào những nơi có sức cản nhiệt tương đối ít Ví dụ: sét hayđánh vào những cây có nhiều rễ và ăn sâu như cây đa, cây dừa,

- Sét đánh ở đồng ruộng, nơi hoang vu.

- Những nơi ẩm ướt (Khe núi, vực sâu, hồ bơi, )- Đất có nhiều mạch nước ngầm và dòng cát chảy.

6.4 Mối đe doạ đối với đời sống 6.4.1 Đối với con người

Sét đánh thẳng vào vị trí nạn nhân từ trên đám mây xuống.

Khi nạn nhân đứng cạnh vật bị sét đánh Sét có thể phóng qua khoảng cách khôngkhí giữa người và vật.

6.4.2 Đối với thiết bị điện tử và hệ thống liên lạc

Những vật đó có thể truyền điện áp cao của sét tới khi chúng bị sét đánh (sét lantruyền) gây nguy hiểm cho người, thiết bị điện, vật dễ cháy nổ….

- Sét còn gây nên cảm ứng tĩnh điện trên các vật dẫn điện hoặc các dây dài tạothành những vòng cảm ứng điện từ

- Điện áp cảm ứng có thể đạt tới hàng chục kV gây nên phóng điện và làm hưhỏng cho các thiết bị nhạy cảm: máy tính, điện thoại.

6.4.3 Thiệt hại về kinh tế và môi trường

- Sét đánh phá hủy các công trình xây dựng, đường dây điện, máy bay, thiết bịnghiên cứu khoa học,… gây thiệt hại rất lớn Thiệt hại kinh tế toàn cầu do sét đánhlên tới hàng chục tỷ USD mỗi năm.

- Các oxit nitơ do sét tạo ra có tác động tương đối nhỏ nhưng có khả năng ảnhhưởng đáng kể đến tầng ôzôn phía trên bề mặt đất.

7 Lợi ích của sấm sét

71.Sấm sét bước đầu tiên của nền văn minh hiện đại

Việc phát hiện ra lửa - bước đầu tiên của nền văn minh hiện đại là sấm sét Nhữngcon người đầu tiên nhìn thấy sét đánh vào một cái cây và cây bốc chấy , họ thấy lửaphát sáng Khi đến gần hơn, họ có thể cảm nhận được sức nóng từ ngọn lửa Nhờkhám phá quan trọng này, con người đã có thể dùng lửa để sưởi ấm, nấu nướng, xuađuổi thú dữ và hơn nữa là nấu chảy quặng để chế tạo công cụ lao động hoặc vũ khí.Vì vậy, Sấm sét đã mở ra cho loài người chúng ta một bước tiến lớn, đưa loài ngườilàm chủ vạn vật và tiến tới nền văn minh như ngày nay.

.2 Sấm sét tạo ozon cho tầng khí quyển

Chúng ta được biết ozon giúp Trái Đất trong lành hơn, nhờ nó hấp thụ bức xạ cựctím từ Mặt Trời chiếu xuống Trái Đất Vậy nguồn ozon từ đâu mà có? Phản ứng hóahọc:

Bản chất của sấm sét là tia lửa điện:Oxy trong không khí khi gặp tia lửa điện:2O2(tia lửa điện) → O + [ O ]3

Đây là phản ứng thuận nghịch [ O ] là oxi nguyên tử, các [ O ] tự kết hợp vớinhau tạo ngược thành O , tham gia ngược lại phản ứng.2

Ozon có tính oxi hóa rất mạnh, mạnh hơn O rất nhiều, Ozon tồn tại chủ yếu ở2

tầng bình lưu khí quyển.

.3 Sấm sét giúp cải tạo nguồn đất, tăng khả năng sinh trưởng cho cây

Theo kinh nghiệm của ông bà xưa, trong vụ lúa xuân, mưa rào mang theo chấtdinh dưỡng tự nhiên, rất có lợi cho cả cây cối và hoa màu, đặc biệt là cây lúa nước.Nhờ nguồn đạm tự nhiên mà cây lúa bén rễ, phát triển nhanh và tốt Thế nên ông chata mới có câu: Đồng lúa lấp ló bờ.

Rễ cây chỉ có thể hấp thụ đạm ở dạng nitrat (NO3-) và amoni (NH4+) để sinhtrưởng Trong không khí, nitơ tồn tại ở dạng nitơ phân tử có liên kết 3 bền vững, rễcây không hấp thụ được Tuy nhiên, do giông bão, một phần N2 trong không khí bịoxi hóa thành NO3- ở nhiệt độ và áp suất cao Sơ đồ phản ứng:

Theo chúng tôi được biết, trung bình 1 ha đất ở nước ta hàng năm hấp thụ hơn 50kg nitơ và gần 20 kg amoniac từ giông bão - những loại protein được hình thành từnitơ trong quá trình phóng điện.

7 4 Tìm nguồn nước ngầm, mỏ quoặng

Theo đặc điểm: Sét thường đánh vào những nơi có mạch nước ngầm, đườngống dẫn nước hoặc thân quặng (có độ dẫn điện cao), con người có thể đáp ứng nhucầu sinh hoạt bằng cách tìm kiếm nguồn nước ngầm hoặc dò tìm tài nguyên khoángsản.

7.5 Sấm sét giúp xác định lượng mưa

Theo chúng tôi được biết, các nhà khoa học ngày nay còn nghiên cứu sấm sét đểxác định lượng mưa Họ đang cố gắng tìm mối quan hệ giữa sét và lượng mưa ởArizona, Mỹ, để hiểu lượng mưa rơi trong vùng.

E.Philip Krider, nhà khí tượng học tham gia dự án, cho biết: “Chúng tôi hy vọngsẽ tìm thấy điều gì khác biệt trong lần nghiên cứu này vì những cơn bão ở đây có vẻnhư mạnh dần lên và không khí lại trở nên khô hơn Chúng tôi cho rằng đã có mộtlượng nước lớn bị bốc hơi trước khi mưa kịp rơi xuống đất”.

Radar vẫn là một công cụ hữu ích cho các nhà khí tượng học trong việc dự đoánkhi nào gió mùa sẽ xảy ra Nhưng họ hy vọng rằng nghiên cứu về sét sẽ là mộtphương pháp hiệu quả hơn vì radar vẫn còn hạn chế, đặc biệt là ở các vùng núi Phântích sét cũng mang lại kết quả nhanh hơn khi sử dụng radar.

Khi sử dụng radar phải mất khoảng 6 phút để sử lí tín hiệu, sau đó cần thêm 2đến 3 phút để nó hoạt động Trong khi đó, sấm sét luôn xuất hiện sớm trong các cơnbão Và các nhà khí tượng học chỉ mất 20 giây để xử lí các dữ liệu về sấm sét đượcghi nhận nhờ mạng phân tích sấm sét quốc gia Mỹ (National Lightning DetectionNetwork) do Vaisala xây dựng và điều hành.

Krider cho biết thêm: “ Chúng tôi còn nhận thấy có sự chậm trễ giữa lúc sấmsét đạt mức cao nhất với lúc lượng mưa nhiều nhất Những cơn bão càng lớn thìkhoảng cách thời gian này càng lớn.

7.6 Sấm sét nguồn năng lượng khổng lồ

Đặc điểm năng lượng của một tia sét chỉ tập trung ở một vài điểm và tồn tạitrong thời gian ngắn nên năng lượng này tương đối cao Người ta ước tính lượngđiện năng tích được một lần sét đánh có thể kéo một đoàn tàu 14 toa chạy200km.Hay một tia sáng thông thường có thể thắp sáng bóng đèn 100W trong 3tháng.

Theo Tiến sĩ Martin A Uman đồng giám đốc Phòng thí nghiệm Nghiên cứu séttại Đại học Floria và là một cơ quan hàng đầu về chống sét cho biết khi ông trả lờiphỏng vấn trên tờ The New York Times, là sấm sét như một vụ nổ hạt nhân khổng lồ,tuy nhiên việc thu nhập nguồn năng lượng này dường như là vô vọng.

Tuy vậy, con người vẫn không ngừng cố gắng để chết tạo dụng cụ để thu đượcsấm sét.

Đề suất dựa vào nguồn năng lượng này để:- Tạo ra hydrogen từ nước để khai thác nhiệt điện.

- Để cung cấp mạng điện cho thành phố.

- Kích hoạt tàu vũ trụ bằng sấm sét.

- Dùng sét chống mưa đá: Dẫn sét vào các tầng mây có khả năng gây mưa đá Do năng lượng lớn và nhiệt độ cao của các “tia lửa điện” nên làm tan chảy các tăng băng đá thành nước, tránh thiên tao.

8 Các biện pháp phòng chống

8 1 Phương pháp phòng chống Faraday

 Lồng Faraday là một dạng thùng chứa được bao phủ bởi các vật liệu dẫn điện.Các vật liệu dẫn điện này có thể là tấm kim loại, lưới hoặc các tấm nhôm đơn giản.Nó hoạt động theo cách chồng chéo những lớp dẫn điện kết hợp lớp không dẫn điện,tạo ra một rào cản với vật thể ở bên trong và bảo tv vệ chúng khỏi ảnh hưởng của bứcxạ.

Hình 3.1: Lồng Faraday

Hình 3.2: Mô phỏng cấu tạo lồng Faraday

Nguyên lý hoạt động của lồng Faraday có thể hiểu đơn giản như sau: Tổngtrường điện từ trong lồng bằng 0 Nếu là dòng điện, nó sẽ đi quanh lồng do điện trởcủa lồng thấp, khiến cho vật bên trong lồng không bị truyền điện.

Ứng dụng của lưới Faraday trong đời sống:

+ Ứng dụng trong lĩnh vực y tế: được sử dụng để tạo ra phòng quét nơi đặt máychụp cộng hưởng từ (Máy MRI) với mục đích là ngăn chặn những tín hiệu RF (tần sốvô tuyến) từ bên ngoài Nhờ đó, hạn chế những ảnh hưởng tác động đến kết quả chụpcủa bệnh nhân để bác sĩ có thể đưa ra được những chẩn đoán chính xác.

+ Làm thiết bị chống sét cho nhà ở+ Ứng dụng trong sản xuất quần áo bảo hộ

Theo lý thuyết sóng điện từ thì đây là phương pháp lý tưởng để phòng chống sét.PPCS này được sử dụng bảo vệ một số khu vực đặc biệt như nơi chứa thuốc nổ, hạtnhân Tuy nhiên phương pháp này tốn kém và không khả thi trên thực tế áp dụng chotất cả các công trình Có một số phương pháp dạng này cần quan tâm khi tạo lồngFaraday không lý tưởng nhưng khá tốt trong phòng chống sét

8.2 Phương pháp phòng c hống sét truyền thống ( hệ Franklin )

- Phương pháp chống sét truyền thống có hai dạng là: hệ gắn thẳng với nhà và hệbao quanh hay nằm trên

a) Hệ gắn thẳng

- Kim thu sét được làm từ thanh kim loại dài với đầu nhọn nối từ đỉnh xuống tớimặt đất

b) Hệ bao quanh hay nằm trên

- Hệ Franklin bao quanh (hay nằm trên) còn gọi là hệ mắt xích hay lưới Nóthường bao gồm hệ dây dẫn ở trên đỉnh treo trên các cột và nối với hệ thống đất Cácdây này thường đặt cách nhà khoảng 10 - 20 m Hệ này có ưu việt là một khi nó tiếpnhận tia sét thì tia sét ở cách xa khu vực bảo vệ xa hơn hệ Franklin nối trực tiếp.Dạng bảo vệ này thường đắt hơn dạng gắn trực tiếp

Hình 4.1: Hệ thống chống chống sét cổ điển

=> Các thí nghiệm đã chỉ ra rằng hệ thống Franklin không cung cấp khả năngchống sét 100% Mặc dù số lần sét đánh vào cột thu lôi tương đối nhiều và hiệu quảcủa PPCS khá tốt, nhưng nhiều kết quả thí nghiệm cho thấy sét có thể vượt qua cộtthu lôi và đánh thẳng vào nhà, mặc dù nó có thể khiến cột thu lôi rất cao .

- Như vậy, phương pháp truyền thống trong nhiều năm qua đã chứng tỏ khả năngbảo vệ của nó, tuy nhiên đối với yêu cầu cao như hiện nay (các thiết bị điện tử, nhàmáy hạt nhân, đạn dược, )thì những nhược điểm nêu trên sẽ có thể gây thiệt hạikhôn lường

* Phương pháp không truyền thốnga) Hệ phát xạ sớm

- Một số dụng cụ được sử dụng để gây phát xạ sớm như nguồn phóng xạ và kíchthích điện của kim

b) Hệ ngăn chặn sét (hệ tiêu tán năng lượng sét)

- Hệ ngăn chặn sét với mục đích là phân tán điện tích của mây dông trước khi nóphóng điện Hay nói khác đi tạo đám mây điện dương tại khu vực để làm chệch tia sétkhỏi khu vực bảo vệ Nhiều dạng dụng cụ phân tán được sử dụng Chủ yếu cấu tạobởi rất nhiều kim mũi nhọn nối đất Những điểm này có thể như những dạng lưới kimloại, bàn chải Các dụng cụ này có tác dụng chuyển điện tích dương từ đất vào khíquyển Nhưng vấn đề ở đây là các đám mây dông tạo điện tích và chuyển động rấtnhanh.Liệu các thiết bị này có kịp tạo đám mây điện tích để làm chệch tia sét haykhông? Chưa có thông tin khoa học tin cậy nào thông báo về khả năng này của hệthống có đủ tốc độ để làm lệch hướng tia sét xuống khu vực bảo vệ.