Giải pháp chinh phục sét và tiềm năng ứng dụng

TRƯỜNG ĐẠI HỌC CẦN THƠ KHOA SƯ PHẠM BỘ MÔN SƯ PHẠM VẬT LÝ GIẢI PHÁP CHINH PHỤC SÉT & TIỀM NĂNG ỨNG DỤNG Luận văn Tốt nghiệp Ngành: SƯ PHẠM VẬT LÝ – TIN HỌC Giảng viên hướng dẫn : ThS. Dương Quốc Chánh Tín Sinh viên: Võ Ngọc Linh Lớp: TL0934A1 Khóa: 35 MSSV : 1090261 CẦN THƠ, 05/2013 LỜI CÁM ƠN  Để hoàn thành luận văn này tôi xin chân thành gửi lời cảm ơn đến quí thầy, cô trong bộ môn vật lý, khoa sư phạm – đại học Cần Thơ đã quan tâm giúp đỡ trong quá trình thực hiện luận văn. Em xin chân thành cảm ơn ThS. Dương Quốc Chánh Tín, người thầy kính mến đã tận tình giúp đỡ tạo mọi điều kiện thuận lợi, mặc dù bận rộn nhiều công việc thầy vẫn dành thời gian và tâm huyết hướng dẫn cho em trong suốt quá trình làm luận văn tốt nghiệp. Tôi xin chân thành cảm ơn lớp vật lý – tin học khóa 35 và các bạn trong bộ môn vật lý đã nhiệt tình giúp đỡ tôi trong suốt thời gian học tập và làm luận văn. Do kiến thức cũng như thời gian có hạn nên luận văn tốt nghiệp không tránh khỏi những thiếu sót kính mong quí thầy, cô và các bạn nhận xét và đóng góp ý kiến để luận văn được hoàn chỉnh hơn. Cuối lời, em kính chúc quí Thầy, Cô cùng các bạn dồi dào sức khỏe và thành công trong sự nghiệp trồng người cao quý. Cần Thơ, ngày … tháng….năm 2013 Sinh viên thực hiện Võ Ngọc Linh Luận văn tốt nghiệp Giải pháp chinh phục sét và tiềm năng ứng dụng GVHD: ThS. Dương Quốc Chánh Tín SVTH: Võ Ngọc Linh Trang 1 MỤC LỤC  PHẦN MỞ ĐẦU .5 1 LÝ DO CHỌN ĐỀ TÀI .5 2 MỤC TIÊU CỦA ĐỀ TÀI . 5 3 PHƯƠNG PHÁP .5 4 CÁC BƯỚC THỰC HIỆN .6 PHẦN NỘI DUNG 7 Chương 1: TỔNG QUAN VỀ SÉT 7 1.1 Benjamin Franklin và ý niệm ban đầu về Sét .7 1.2 Lược sử nghiên cứu Sét .8 1.3 Dòng điện trong chất khí .10 1.3.1 Sơ lượt về tính dẫn điện trong chất khí 10 1.3.1.1 Chất khí ở trạng thái tự nhiên 10 1.3.1.2 Quãng đường tự do trung bình của eletron trong chất khí 10 1.3.1.3 Sự ion hóa chất khí 12 1.3.1.4 Năng lượng ion hóa 14 1.3.2 Sự phóng điện không tự lực 15 1.3.3 Sự phóng điện tự lực .18 1.3.3.1 Thác electron 18 1.3.3.2 Điều kiện phát sinh sự phóng điện tự lực .20 1.3.3.3 Định luật Pasen .20 1.3.3.4 Sự phóng điện hình tia trong chất khí 21 1.4 Sét là gì? .22 1.5 Sự hình thành dông, sét và cường độ hoạt động 22 1.5.1 Sự hình thành .22 1.5.2 Các giai đoạn phóng điện .24 1.5.3 Cường độ hoạt động của sét .26 1.6 Phân loại Sét .27 1.6.1 Sét hòn 27 1.6.2 Sét dương 29 1.6.3 Sét khô 30 Luận văn tốt nghiệp Giải pháp chinh phục sét và tiềm năng ứng dụng GVHD: ThS. Dương Quốc Chánh Tín SVTH: Võ Ngọc Linh Trang 2 1.6.4 Sét tên lửa .30 1.6.5 Sét giữa mây và mặt đất 30 1.6.6. Sét giữa hai đám mây 31 1.6.7 Sét ngoài trái đất 32 1.6.8 Sét thượng tầng khí quyển .32 1.6.8.1 Sét dị hình sprites 32 1.6.8.2 Sét dị hình xanh 33 1.6.8.3 Sét dị hình elves 33 1.6.9 Sét đen .33 1.7 Hậu quả do sét gây ra 34 1.7.1 Tác hại đến con người 34 1.7.2 Đối với các trang thiết bị điện tử và hệ thống thông tin liên lạc .36 1.7.3 Đối với công trình xây dựng 38 1.8 Một số khía cạnh kỹ thuật 39 1.8.1 Cường độ dòng điện của một tia sét .39 1.8.2 Điện Thế 39 1.8.3 Các hiệu ứng về điện 39 1.8.4 Hiệu ứng lan truyền .40 1.8.5 Hiệu ứng nhiệt .40 1.8.6 Hiệu ứng cơ .40 1.9 Kích hoạt sét .41 1.9.1 Tên lửa 41 1.9.2 Núi lửa 41 1.9.3 Lazer .41 Chương 2: CÁC BIỆN PHÁP PHÒNG TRÁNH 42 2.1 Các biện pháp .42 2.1.1 Phương pháp dùng lồng Faraday .42 2.1.2 Phương pháp chống sét truyền thống (Hệ Franklin) 43 2.1.3 Phương pháp chống sét không truyền thống 44 2.1.3.1 Hệ tán xạ sớm .44 2.1.3.2 Hệ ngăn chặn Sét 45 2.1.4 Hút sét bằng tia Laser .46 Luận văn tốt nghiệp Giải pháp chinh phục sét và tiềm năng ứng dụng GVHD: ThS. Dương Quốc Chánh Tín SVTH: Võ Ngọc Linh Trang 3 2.1.5 Chống sét lan truyền .46 2.1.6 Phương pháp phòng chống tích cực .47 2.1.6.1 Dự báo Sét sớm bằng trang thiết bị hiện đại 47 2.1.6.2 Quy tắc chống Sét bảo vệ con người .47 2.1.6.2.1 Chủ động phòng tránh 47 2.1.6.2.2 Quy tắc nhìn-nghe .48 2.1.6.2.3 Tránh Sét trong nhà .48 2.1.6.2.4 Tránh Sét ngoài trời .50 2.1.6.2.5 Cấp cứu người bị sét đánh .50 2.2 Giới thiệu một số thiết bị chống sét 51 2.2.1 Khái niệm thiết bị chống sét .51 2.2.2 Thiết bị chống sét ống PT 53 2.2.2.1 Cấu tạo .53 2.2.2.2 Nguyên lí .54 2.2.3 Chống sét van 55 2.2.3.1 Cấu tạo .55 2.2.3.2 Các tham số của chống sét van .56 2.2.4 Chống sét van từ .59 2.2.5 Van chống sét oxit kim loại 59 2.2.5.1 Cấu tạo và nguyên lí hoạt động 60 2.2.5.2 Ứng dụng và cách lựa chọn 61 2.2.5.3 các trị số điển hình của van chống sét với các mức điện áp điều chỉnh .63 2.2.6 Chống sét VariSTAR UItraSIL 63 2.2.6.1 Giới thiệu chung 63 2.2.6.2 Cấu tạo .63 2.2.6.3 Hoạt động 65 2.2.6.4 Các lưu ý chung để lựa chọn chống sét .65 2.2.7 Kim thu sét phóng điện sớm STORMASTER 66 2.2.7.1 Giới thiệu .66 2.2.7.2 Cấu tạo .66 2.2.7.3 Nguyên lí hoạt động .67 2.2.7.4 Phân loại 67 Luận văn tốt nghiệp Giải pháp chinh phục sét và tiềm năng ứng dụng GVHD: ThS. Dương Quốc Chánh Tín SVTH: Võ Ngọc Linh Trang 4 2.2.7.5 Bán kính bảo vệ .67 2.2.7.6 Ưu điểm .68 2.2.7.7 Nhược điểm .68 2.2.8 Kim thu sét GUARDIAN .68 2.2.8.1 Giới thiệu .68 2.2.8.2 Bán kính bảo vệ của Guardian 69 2.2.8.3 Tại sao nên sử dụng kim Guardian .69 2.2.9 Hệ thống cảnh báo sét ATSORM v2 69 2.2.9.1 Giới thiệu .69 2.2.9.2 Ứng dụng .70 2.2.9.3 Thông số kỹ thuật .70 2.2.10 Phụ kiện chống sét .71 2.2.10.1 Cọc tiếp địa 71 2.2.10.2 Cáp thoát sét 71 2.2.10.3 Hóa chất giảm điện trở đất .73 Chương 3: BÍ ẨN VÀ TIỀM NĂNG ỨNG DỤNG 76 3.1 Bí ẩn 76 3.2 Nguồn tia X 81 3.3 Tiềm năng ứng dụng 82 3.3.1 Năng lượng từ Sét .83 3.3.2 Dự báo tiến triển của bão 84 3.3.3 Tạo Ozon 84 3.3.4 Trong nông nghiệp 85 3.3.4.1 Tạo phân bón 85 3.3.4.2 Tăng năng suất nấm 85 PHẦN KẾT LUẬN 87 Tài liệu tham khảo .88 Luận văn tốt nghiệp Giải pháp chinh phục sét và tiềm năng ứng dụng GVHD: ThS. Dương Quốc Chánh Tín SVTH: Võ Ngọc Linh Trang 5 PHẦN MỞ ĐẦU 1. LÝ DO CHỌN ĐỀ TÀI 1752, Benjamin Franklin đã làm một thí nghiệm kinh điển với con diều của ông và ông đã kết luận rằng sét chính là điện. Từ đó đến nay các nhà khoa học đã nghiên cứu và giải thích tương đối hoàn chỉnh về cơ chế hình thành của sét và tìm cách khai thác cũng như hạn chế thiệt hại do Sét gây ra. Sét là một hiện tượng tự nhiên và là nỗi kinh hoàn của con người. Chúng làm thiệt hại về tài sản, về tính mạng của con người. Vì vậy trong những năm gần đây các nước trên thế giới đã thành lập các trung tâm nghiên cứu Sét. Đặc biệt là năm 2003 NASA (cơ quan quản lý hàng không và không gian Hoa Kỳ) đã phóng hai vệ tinh trên đó có gắn thiết bị nghiên cứu Sét. Vật lý học là một ngành thuộc lĩnh vực tự nhiên và nhằm giải thích các vấn đề do tự nhiên đặt ra một cách khoa học. Mục tiêu của người học vật lý là đem kiến thức học được ứng dụng vào cuộc sống. Sét một hiện tượng tự nhiên mà vài thế kỷ trước con người đã nghĩ rằng nó là một công cụ của một thế lực siêu nhiên nào đó. Và khi tiếp cận, tìm hiểu về sét chúng ta luôn đặt cho mình những câu hỏi: Có phải đấng siêu nhiên đã sinh ra sét hay không, hay nó đến từ đâu? và cái gì sinh ra nó? bản chất của nó là gì? Làm gì để hạn chế tác hại do sét và khai thác những lợi ích tiềm năng mà nó mang lại, . Để hiểu rõ các vấn đề trên và là một người giáo viên tương lai tôi muốn có thêm kiến thức về các hiện tượng tự nhiên gần gũi, bổ sung cho bài giảng của mình để giúp học sinh thêm tin tưởng và yêu thích học vật lý hơn, đó là lý do tôi chọn đề tài “Giải pháp chinh phục sét và tiềm năng ứng dụng”. 2. MỤC TIÊU CỦA ĐỀ TÀI Giúp hiểu rõ hơn về bản chất của sét, cách phòng chống sét, tự bảo vệ bản thân và người khác. Thông qua bài học, tuyên truyền giúp cho học sinh có cái nhìn đúng đắn về Sét. Nắm được những thành tựu mới của con người trong công cuộc chinh phục Sét. 3. PHƯƠNG PHÁP Đọc và nghiên cứu các tài liệu có liên quan đến bản chất, cách phòng chống và tiềm năng ứng dụng của Sét. Luận văn tốt nghiệp Giải pháp chinh phục sét và tiềm năng ứng dụng GVHD: ThS. Dương Quốc Chánh Tín SVTH: Võ Ngọc Linh Trang 6 Trao đổi, lắng nghe những ý kiến của giảng viên hướng dẫn, phân tích và tổng hợp tài liệu. 4. CÁC BƯỚC THỰC HIỆN Xác định mục tiêu đề tài. Nghiên cứu các tài liệu liên quan đến đề tài. Lập đề cương nghiên cứu đề tài. Tổng hợp tài liệu. Viết luận văn hoàn chỉnh. Báo cáo luận văn. Luận văn tốt nghiệp Giải pháp chinh phục sét và tiềm năng ứng dụng GVHD: ThS. Dương Quốc Chánh Tín SVTH: Võ Ngọc Linh Trang 7 PHẦN NỘI DUNG Chương 1: TỔNG QUAN VỀ SÉT 1.1. Benjamin Franklin và ý niệm ban đầu về Sét Benjamin Franklin (1706 - 1790) là một trong những người thành lập đất nước Hoa Kỳ. Ông sinh ngày 17 tháng 1 năm 1706 tại Boston, Massachusetts, Hoa Kỳ. Ông còn là một chính trị gia, một nhà khoa học, một tác giả, một thợ in, một triết gia, một nhà phát minh, nhà hoạt động xã hội, một nhà ngoại giao hàng đầu. Trong lĩnh vực khoa học, ông là gương mặt điển hình của lịch sử vật lý vì những khám phá của ông và những lý thuyết về điện, ví dụ như các khám phá về hiện tượng sấm, sét. Benjamin Franklin qua đời tại Philadelphia vào đêm 17 tháng 4 năm 1790. Khi được tin Benjamin Franklin qua đời, Quốc Hội nước Pháp quyết định để tang ba ngày, Còn Quốc Hội Hoa Kỳ chịu tang một tháng để tỏ lòng kính cẩn một Công Dân đã có công lớn đối với Quốc Gia, với Khoa Học, với Tự Do và Nhân Loại. Benjamin Franklin đã cố gắng kiểm tra lý thuyết rằng các tia lửa tạo do sự phóng điện của các quả cầu thủy tinh khi quay cũng giống như các tia sét bằng cách dựng lên một cái tháp có hình nón tại Philadelphia. Trong lúc chờ đợi cái tháp được dựng xong ông nảy ra ý tưởng sử dụng một con diều. Trong cơn dông tiếp theo đó vào tháng 6 năm 1752 ông đã cùng con trai của mình ra thử nghiệm. Ông đã buộc một cái chìa khóa vào đoạn cuối của dây diều và cắm nó xuống đất (ông đã buộc chìa khóa vào dây diều bằng dây lụa loại vật liệu dẫn điện rất kém). Sau một hồi không có chuyện gì xảy ra ông thấy sợi dây bị lỏng và đưa tay lại để buộc nó chặt hơn ngay lập tức một tia sét phan trúng con diều (vì ông trở thành vật dẫn điện). Sống sót sau thí nghiệm này ông đã đưa ra kết luận rằng sét chính là điện. Luận văn tốt nghiệp Giải pháp chinh phục sét và tiềm năng ứng dụng GVHD: ThS. Dương Quốc Chánh Tín SVTH: Võ Ngọc Linh Trang 8 Sau đó, ông tiếp tục tiến hành những thí nghiệm để tạo ra cột thu lôi. Ông làm một gậy sắt nhỏ dài hơn 3m, nhọn đầu, lắp đặt lên nóc ống khói. Lại dùng dây kim loại để một đầu gắn chặt vào gậy sắt, một đầu buộc vào một ống nước chạy ngầm dưới mặt đất. Sau này, có thời gian sét đánh vào nhà riêng của ông, nhưng cột thu lôi do ông phát minh đã bảo vệ ngôi nhà và các thiết bị trong nhà không bị cháy và ảnh hưởng do Sét. Ngày nay, những chiếc cột thu lôi cũng được ra đời dựa trên nguyên lý hoạt động và phát minh của Franklin. Đa phần chúng được gắn trên nóc các tòa nhà cao tầng, có cấu tạo rất đơn giản, chỉ bao gồm một thanh kim loại nhọn có đường kính khoảng 2 cm, nối với một đường dây bằng đồng hoặc nhôm có độ dày tương đương, kéo xuống một bộ phận lưới dẫn chôn dưới đất. 1.2. Lược sử nghiên cứu Sét 1752 Benjamin Franklin đã làm thí nghiệm bằng cách thả con diều trong cơn dông và kết luận Sét chính là điện. Franklin không phải là người duy nhất thí nghiệm với diều. Thomas-François Dalibard cùng De Lors đã thực hiện cuộc thí nghiệm tương tự ở Marly-la-Ville tại Pháp chỉ vài tuần trước thí nghiệm của Franklin. Trong cuốn tự truyện của mình (viết những năm 1771-1788 xuất bản năm 1790) Franklin đã tự nhận rằng ông đã thực hiện cuộc thí nghiệm của mình sau những người Pháp chỉ vài tuần mà không hề biết về điều này trong năm 1752. Tin tức về cuộc thí nghiệm này lan rộng ra và những người khác bắt đầu thực hiện lại nó. Tuy nhiên các cuộc thí nghiệm về sét rất nguy hiểm và đôi khi gây chết người. Một trong những cái chết nổi tiếng nhất do bắt chước Franklin là của giáo sư Georg Richmann tại Saint Petersburg, Nga. Ông đã tạo ra một hệ thống thu sét giống như của Franklin, ông đã chạy về nhà khi nghe tiếng sấm lúc đang giảng bài tại học viện khoa học. Ông chạy về với người thợ điêu khắc để có thể ghi lại sự kiện này. Ông đã đặt một quả bóng thủy tinh lên một vòng kim loại gần như hoàn hảo cho một hệ thống thu lôi thời đó nhưng lại quên gắn dây nối đất, kết quả theo báo cáo là khi sét đánh và chạy vào vòng kim loại và bao lấy quả cầu thủy tinh nó tạo ra một cục sét hòn (do không thể chạy xuống đất một cách trực tiếp) đã văng trúng đầu Georg Richmann và giết ông ngay lập tức. Mặt dù các thí nghiệm của từ thời của Benjamin Franklin đã chỉ ra rằng sét là một sự phóng điện, các lý thuyết tìm hiểu về sét rất ít được cập nhật (cụ thể tại sao nó hình thành) trong 150 năm. Các nguồn động lực cho các nghiên cứu gần đây đến từ lĩnh vực . Dương Quốc Chánh Tín Sinh viên: Võ Ngọc Linh Lớp: TL0934A1 Khóa: 35 MSSV : 1090261 CẦN THƠ, 05/2013 LỜI CÁM ƠN  Để hoàn thành luận văn này tôi xin