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Blitzableiter

  Ein Beispiel für ein Standard-Luftterminal mit spitzer Spitze   Vergrößern Ein Beispiel für ein Standard-Luftterminal mit spitzer Spitze

EIN Blitzableiter (oder Blitzschutz ) ist ein Metall Streifen oder Stab, in der Regel aus Kupfer oder ähnliches leitfähiges Material, das als Teil des Blitzschutzes verwendet wird, um hohe oder isolierte Strukturen (wie das Dach eines Gebäudes oder der Mast eines Schiffes) vor Blitzschäden zu schützen. Sein formaler Name ist Blitz-Finale oder Luftterminal . Manchmal wird das System informell als a bezeichnet Blitzableiter , Blitzableiter , oder Blitzentlader ; Diese Begriffe beziehen sich jedoch tatsächlich auf Blitzschutzsysteme im Allgemeinen oder bestimmte Komponenten darin.

Der Begriff „Blitzableiter“ wird auch als metaphorischer Begriff verwendet, um diejenigen zu beschreiben, die Kontroversen hervorrufen.



Bau und Verwendung

Ein Blitzableiter wird über einen Nieder- Widerstand Draht oder Kabel mit der Erde oder dem Wasser darunter, wo die Ladung sicher abgeführt werden kann. Blitzableiter besitzen manchmal einen Kurzschluss zur Erde, der durch einen dünnen Nichtleiter unterbrochen wird, über den der Blitz überspringt. Idealerweise sollte sich der unterirdische Teil der Baugruppe in einem schlammigen Bereich befinden oder in einem Bereich, der dazu neigt, während Stürmen so zu werden. Wenn das Erdkabel widersteht Korrosion naja, vielleicht ist es zugedeckt Salz um die elektrische Verbindung mit dem Boden zu verbessern.

In der Telegrafie und Telefonie wird ein Blitzableiter dort platziert, wo Drähte in eine Struktur eintreten, um Schäden an elektronischen Instrumenten darin zu verhindern und die Sicherheit von Personen in ihrer Nähe zu gewährleisten. In ähnlicher Weise führen Hochspannungsleitungen einen leichteren Leiterdraht über den Hauptstromleitern. Dieser Leiter ist an verschiedenen Punkten entlang der Verbindung geerdet. Umspannwerke haben normalerweise ein Netz aus leichteren Leiterdrähten, das die gesamte Anlage bedeckt.

Bei der Konstruktion von Blitzableitern wird viel Material verwendet, daher ist es ratsam, herauszufinden, wo ein neuer Ableiter die größte Wirkung hat. Das historische Verständnis des Blitzes ging davon aus, dass jeder Stab einen Kegel von 45 Grad schützte. Es hat sich herausgestellt, dass dies zum Schutz höherer Strukturen nicht zufriedenstellend ist, da es möglich ist, dass ein Blitz in die Seite eines Gebäudes einschlägt.

Ein besseres Verfahren zur Bestimmung der Wirkung eines neuen Ableiters wird als Blitzkugelverfahren bezeichnet und von Dr. Tibor Horváth entwickelt. Um dies zu verstehen, muss man wissen, wie sich Blitze „bewegen“. Wenn der Schrittleiter eines Blitzes auf den Boden springt, tritt er auf die geerdeten Objekte zu, die seinem Weg am nächsten sind. Die maximale Entfernung, die jeder Schritt zurücklegen kann, wird als kritische Distanz und ist proportional zum elektrischen Strom. Es ist wahrscheinlich, dass Objekte getroffen werden, wenn sie näher als diese kritische Distanz zum Anführer sind. Es ist üblich, den Radius der Kugel in Bodennähe auf 60 m anzunähern.

Elektrizität bewegt sich auf dem Weg des geringsten Widerstands, daher ist es unwahrscheinlich, dass ein Objekt außerhalb der kritischen Entfernung vom Leiter getroffen wird, wenn sich innerhalb der kritischen Entfernung ein geerdetes Objekt befindet. In Anbetracht dessen können blitzsichere Orte bestimmt werden, indem man sich die potenziellen Pfade eines Anführers als a vorstellt Kugel die von der Wolke zum Boden wandert.

Für den Blitzschutz genügt es, alle möglichen Kugeln zu berücksichtigen, da sie potenzielle Einschlagstellen berühren. Um zu bestimmen, welche Angriffspunkte eine Kugel über das Gelände rollt. An jedem Punkt simulieren wir eine potenzielle Anführerposition und dort, wo die Kugel den Boden berührt, schlägt der Blitz am wahrscheinlichsten ein. Punkte, die die Kugel nicht überrollen und berühren kann, sind am sichersten vor Blitzen. Blitzableiter sollten dort platziert werden, wo sie verhindern, dass die Kugel eine Struktur berührt.

Es wird allgemein fälschlicherweise angenommen, dass ein Stab, der an der Spitze in einer scharfen Spitze endet, das beste Mittel ist, um den Strom eines Blitzeinschlags zum Boden zu leiten. Laut Feldforschung ist ein Stab mit abgerundetem oder kugeligem Ende besser. 'Lightning Rod Improvement Studies' von Moore et al sagen:

Berechnungen der relativen Stärke der elektrischen Felder über ähnlich exponierten spitzen und stumpfen Stäben zeigen, dass, obwohl die Felder vor jeglicher Emission an der Spitze eines spitzen Stabs viel stärker sind, sie mit der Entfernung schneller abnehmen. Als Ergebnis wird einige Zentimeter über der Spitze eines stumpfen Stabes mit 20 mm Durchmesser die Stärke des Feldes größer ist als bei einem ansonsten ähnlichen, schärferen Stab auf gleicher Höhe. Da die Feldstärke an der Spitze eines angespitzten Stabes durch die leichte Bildung von Ionen in der Umgebungsluft begrenzt ist, können die Feldstärken über stumpfen Stäben viel stärker sein als bei Abständen größer als 1 cm über spitzeren .
Die Ergebnisse dieser Studie deuten darauf hin, dass mäßig stumpfe Metallstäbe (mit einem Krümmungsverhältnis von Spitzenhöhe zu Spitzenradius von etwa 680:1) bessere Blitzeinschlagsrezeptoren sind als spitzere oder sehr stumpfe Stäbe .

Geschichte

  Holzkirche mit Blitzableitern und Erdungskabeln   Vergrößern Holzkirche mit Blitzableitern und Erdungskabeln

Blitzschäden begleiten die Menschheit, seit Menschen mit dem Bau von Gebäuden begonnen haben. Frühe Bauwerke aus Holz und Stein waren eher kurz und in Tälern, weshalb Blitze selten einschlugen. Als die Gebäude höher wurden, wurden Blitze zu einer erheblichen Bedrohung. Blitze können Strukturen aus den meisten Materialien (Mauerwerk, Holz, Beton und sogar Stahl) beschädigen, da die großen Ströme Materialien und insbesondere Wasser auf hohe Temperaturen erhitzen können, was zu Feuer, Festigkeitsverlust und Explosionen durch überhitzten Dampf und Luft führen kann.

Europa

Der Kirchturm vieler europäischer Städte, meist das höchste Bauwerk, wurde oft vom Blitz getroffen. Schon früh versuchten christliche Kirchen, das Auftreten der schädlichen Auswirkungen von Blitzen durch Gebete zu verhindern. Priester beteten,

mildern Sie die Zerstörung durch Hagel und Wirbelstürme und die Gewalt von Stürmen und Blitzen; prüfen Sie feindliche Donner und große Winde; und vertreibe die Geister der Stürme und die Mächte der Lüfte .

Peter Ahlwardts ('Reasonable and Theological Considerations about Thunder and Lightning', 1745) gab Personen, die Schutz vor Blitzen suchten, Informationen, damit sie überall hingehen konnten, außer in oder um eine Kirche herum.

Vereinigte Staaten

In dem Vereinigte Staaten , der spitze Blitzableiter, genauer gesagt der ' Blitzattraktor “, wurde erfunden von Benjamin Franklin im Rahmen seiner bahnbrechenden Erkundungen von Elektrizität . Franklin spekulierte das mit einem Eisen am Ende spitz zulaufender Stab,

das elektrische Feuer würde, glaube ich, lautlos aus einer Wolke herausgezogen werden, bevor es nahe genug kommen könnte, um zuzuschlagen [...].

Franklin hatte vor seinem berichteten Drachenexperiment mehrere Jahre lang über Blitzableiter spekuliert.

Dieses Experiment fand tatsächlich statt, weil er es leid war, auf die Ankunft von Christ Church zu warten Philadelphia zu vervollständigen, damit er einen Beleuchtungsstab darauf platzieren konnte. Es gab einigen Widerstand von Kirchen, die das Gefühl hatten, dass es dem göttlichen Willen widerspricht, diese Stangen zu installieren. Franklin entgegnete, dass es keinen religiösen Einwand gegen Gebäudedächer gebe, um Niederschlag zu widerstehen, also sollte es bei Blitzen, die er einfach als einen riesigen elektrischen Funken bewies, nicht anders sein.

In dem 19. Jahrhundert Der Blitzableiter wurde zum Symbol amerikanischen Einfallsreichtums und zu einem dekorativen Motiv. Blitzableiter wurden oft mit Ornamenten verziert Glas Kugeln (jetzt von Sammlern geschätzt), die auch dazu dienten, ein visuelles Zeichen für einen Blitzschlag zu geben (wenn der Stab getroffen wird, zersplittert die Glaskugel und fällt ab, was dem Besitzer anzeigt, welcher Stab getroffen wurde und dass er ihn und das Erdungskabel überprüfen sollte für Schäden). Der dekorative Reiz dieser Glaskugeln wurde auch in Wetterfahnen integriert.

Gelegentlich wurden Kugeln aus massivem Glas in einer Methode verwendet, die angeblich Blitzeinschläge auf Schiffe verhindern sollte. Es ist hier erwähnenswert, nicht weil es funktioniert hat, was nicht der Fall war, sondern weil es viel über vorwissenschaftliches Denken verrät. Das Grundprinzip war, dass Glasgegenstände als Nichtleiter selten vom Blitz getroffen werden. Daher, so die Theorie, muss Glas etwas haben, das Blitze abweist. Daher bestand die beste Methode, einen Blitzeinschlag in ein Holzschiff zu verhindern, darin, eine kleine massive Glaskugel in der Spitze des höchsten Mastes zu vergraben. Das zufällige Verhalten von Blitzen sorgte dafür, dass die Methode auch nach der Entwicklung des marinen Blitzableiters bald nach Franklins ersten Arbeiten ein gutes Stück Glaubwürdigkeit erlangte.

Tatsächlich entschied sich Benjamin Franklin als Akt der Philanthropie gegen die Patentierung der Erfindung.

Blitzprävention

Blitzableiter-Dissipatoren (bekannt als Early Streamer Emission, Dissipation Array Systems und Charge Transfer Systems) behaupten, eine Struktur zu bilden weniger Attraktiv für Blitze. Diese umfassen im Allgemeinen Systeme und Einrichtungen zum vorbeugenden Schutz von Objekten, die sich auf der Erdoberfläche befinden, vor atmosphärischen Einflüssen. Wissenschaftler behaupten, dass diese Geräte nichts anderes als teure Blitzableiter seien und dass sie im Gegensatz zu herkömmlichen Methoden nicht auf 'wissenschaftlich bewiesenen und unbestreitbaren technischen Argumenten' beruhen oder dass die zugrunde liegende Theorie 'wissenschaftlicher Unsinn' sei.


Diese Kontroverse geht auf das 17. Jahrhundert zurück, als Franklin selbst erklärte, dass seine Blitzableiter Gebäude schützten, indem sie elektrische Ladungen ableiteten. Später widerrief er die Aussage mit einem Disclaimer, dass die genaue Funktionsweise des Geräts zu diesem Zeitpunkt ein Rätsel sei.

Damit begann ein 250-jähriger Streit zwischen der Dissipationstheorie und der Ableitungstheorie des Blitzschutzes.

Die Dissipationstheorie besagt, dass ein Blitzeinschlag in eine Struktur verhindert werden kann, indem das elektrische Potential zwischen der Struktur und der Gewitterwolke reduziert wird, indem elektrische Ladung von der nahen Erde zum Himmel übertragen wird. Dies geschieht durch Errichten einer Art Turm, der mit einer oder mehreren spitzen Stangen auf der Struktur ausgestattet ist. Es stimmt zwar, dass spitze Objekte tatsächlich Ladung an die umgebende Atmosphäre abgeben, und es stimmt auch, dass bei Gewitterwolken ein beträchtlicher elektrischer Strom durch den Turm gemessen werden kann, aber es gibt keinen Beweis dafür, dass eine solche Anordnung überhaupt existiert Wirksam. Alle Produktionsstätten von DuPont Explosives waren von Pinien umgeben. In den 1950er Jahren stellte DuPont in einigen Gebäuden Nitroglycerin her und transportierte es in „Angel Buggys“ zum Verpackungsgebäude. Die Mitarbeiter an diesen Standorten reagierten sehr empfindlich auf mögliche Blitzeinschläge.

Es ist jedoch anzumerken, dass es auch keinen Beweis dafür gibt, dass die Dissipationstheorie falsch ist, und es lohnt sich zu bedenken, dass es diese Geräte schon lange gibt. Zum Beispiel ist die Freiheitsstatue auf dem Kapitol der Vereinigten Staaten in Washington mit mehreren „Blitzpunkten“ ausgestattet, die mit Platin überzogen sind, und dass diese bei der Restaurierung der Statue in den 1990er Jahren wie ursprünglich gebaut ersetzt wurden. Die ursprüngliche Aluminiumkappe des Washington Monument war ebenfalls mit mehreren Blitzpunkten ausgestattet, und die Strahlen, die von der Krone der Freiheitsstatue im Hafen von New York ausgehen, bilden ebenfalls eine Vorrichtung zur Ableitung von Blitzen.

Die Umleitungstheorie besagt, dass der Blitzableiter ein Gebäude nur deshalb schützt, weil er geerdet ist, und somit ein Blitzschlag, der zufällig am Stab anhaftet, um die Struktur herum und durch ein Erdungskabel auf die Erde umgeleitet wird. Es besteht eine gewisse Unsicherheit darüber, warum ein Blitzschlag vorzugsweise an einem Blitzableiter haften könnte; Die Hauptannahme ist, dass die Luft in der Nähe des Stabes aufgrund des starken elektrischen Feldes ionisiert und somit leitfähig wird.

Eine genaue Lektüre der spärlichen wissenschaftlichen Literatur zu diesem Thema wird einen Großteil des Problems offenbaren, nämlich dass es sich bisher als unmöglich erwiesen hat, ein kontrolliertes Experiment mit natürlichen Blitzen durchzuführen. Eine mit Blitzinstrumenten ausgestattete Teststruktur kann jahrelang ohne Einschlag verharren und dann einem Einschlag ausgesetzt werden, der die Instrumentierung zerstört.

Darüber hinaus hinterlässt ein Blitzeinschlag in eine metallische Struktur häufig keine Spuren, außer vielleicht einer kleinen Vertiefung im Metall. Dies bedeutet, dass ein Einschlag in eine nicht instrumentierte Struktur visuell bestätigt werden muss, und das zufällige Verhalten von Blitzen macht solche Beobachtungen schwierig.

Wenn wir also die zwei Jahrhunderte rechtlicher Schritte, politischer Aktivität und allgemeiner Empörung, die von beiden Seiten gezeigt wurden, abstreifen, stellen wir fest, dass der aktuelle Stand der Dissipations-/Umleitungskontroverse ein Unentschieden ist; dass keine Theorie bewiesen wurde oder bewiesen werden kann und dass im Wesentlichen alle Daten zum Verhalten von Blitzen auf Bauwerken als anekdotisch betrachtet werden müssen.

Allerdings verbessert sich die Forschungslage etwas. Während kontrollierte Experimente noch in weiter Zukunft liegen mögen, werden sehr gute Daten durch Techniken gewonnen, die ein Netzwerk von Funkempfängern verwenden, die mit festen Richtantennen nach der charakteristischen elektrischen „Signatur“ von Blitzeinschlägen Ausschau halten. Durch genaue Timing- und Triangulationstechniken können Blitzeinschläge mit großer Präzision lokalisiert werden, sodass Einschläge auf bestimmte Objekte oft zuverlässig bestätigt werden können.

Das häufigste Individuum Dissipatorstangen (oder Ableitelemente ) erscheinen als leicht abgestumpfte Metallspitzen, die in alle Richtungen von einem Metallleiter abstehen. Diese Elemente werden an kurzen Metallarmen ganz oben auf einer Funkantenne oder einem Turm montiert, dem Bereich, der bei weitem am wahrscheinlichsten getroffen wird. Laut verschiedenen Herstellerangaben soll es zu einer Verringerung der Potentialdifferenz (Spannung) zwischen Bauwerk und Sturm kommen Wolke , Meilen darüber, angeblich das Risiko von Blitzeinschlägen verringern, aber nicht beseitigen.

Es gab Versuche, Blitzschutzsysteme in Normen einzuführen. Das unabhängige unabhängige Gremium der NFPA stellte fest, dass „die [Early Streamer Emission]-Blitzschutztechnologie technisch einwandfrei zu sein scheint“ und dass es eine „angemessene theoretische Grundlage für das [Early Streamer Emission]-Flugterminalkonzept und -design aus physikalischer Sicht“ gab. . (Bryan, 1999) Das gleiche Gremium kam auch zu dem Schluss, dass „das empfohlene [NFPA 780-Standard] Blitzschutzsystem nie wissenschaftlich oder technisch validiert wurde und die Franklin Rod Air Terminals nicht in Feldversuchen unter Gewitterbedingungen validiert wurden.“ Als Reaktion darauf kam die American Geophysical Union zu dem Schluss, dass „das Bryan-Gremium im Wesentlichen keine der Studien und Literatur zur Wirksamkeit und wissenschaftlichen Grundlage traditioneller Blitzschutzsysteme überprüft hat und in seiner Schlussfolgerung, dass es keine Grundlage für den Standard gibt, irrig war. ' AGU hat in seinem Bericht nicht versucht, die Wirksamkeit von vorgeschlagenen Änderungen an herkömmlichen Systemen zu bewerten.

Keine große Normungsorganisation wie NFPA, UL und NLSI hat derzeit ein Gerät zugelassen, das Blitzeinschläge verhindern oder reduzieren kann. Der NFPA Standards Council lehnte nach einer Anfrage für ein Projekt zur Behandlung von Dissipations-Array-Systemen und Ladungsübertragungssystemen die Anfrage ab, mit der Entwicklung von Standards für solche Technologien zu beginnen (obwohl der Rat die zukünftige Entwicklung von Standards nicht ausschloss, nachdem zuverlässige Quellen die Gültigkeit der grundlegende Technologie und Wissenschaft eingereicht wurden). Mitglieder des Wissenschaftlichen Komitees der Internationalen Blitzschutzkonferenz haben eine gemeinsame Erklärung abgegeben, in der sie ihre Ablehnung der Dissipator-Technologie zum Ausdruck bringen.

Die Ermittler glauben, dass die natürlichen nach unten gerichteten Blitzeinschläge unvermeidbar sind. Induzierte aufwärts gerichtete Blitzeinschläge, die an hohen Bauwerken (wirksame Höhen von 300 m oder mehr) auftreten, können reduziert werden, indem die Form des Bauwerks geändert wird. Laut Gegnern der Technologie 'eliminieren' die verschiedenen Designs Blitze indirekt über die Änderung und Dissipatoren haben nur eine geringe Wirkung (entweder beabsichtigt oder nicht), da die Anfälligkeit des Turms für die Erzeugung von nach oben gerichteten Blitzschlägen nicht wesentlich verringert wird. Einige Felduntersuchungen von Dissipatoren zeigen, dass ihre Leistung mit herkömmlichen Anschlüssen vergleichbar ist und keine große Schutzverbesserung besitzt. Gemäß diesen Feldstudien haben diese Geräte nicht gezeigt, dass sie Blitzeinschläge eliminieren.

Patente

Das Patentamt der Vereinigten Staaten kennzeichnet 'Blitzschutzvorrichtungen' in Klasse 174 (Elektrizität: Leiter und Isolatoren), Unterklasse 2 (Blitzschutzvorrichtungen) und Unterklasse 3 (Stangen).

US-Patentdokumente

Original

  • US-Patent 20877 – Haskins, „ Schiffe vor Blitzschlag schützen '
  • US-Patent 29398 – Patterson, „ Blitzableiter '
  • US-Patent 75492 – Varley, „ Telegrafenmast '
  • US-Patent 84210 – Munson, „ Blitzableiter '
  • US-Patent 11217 – Forbes, „ Blitzableiter '. Juli 1854.
  • US-Patent 367435 - O'Brien, ' Blitzableiter zum Schutz von Öltanks '
  • US-Patent 911260 – Pennock, „ Vorrichtung zum Sammeln atmosphärischer Elektrizität '
  • US-Patent 938137 – Goetz, „ Blitzableiter '
  • US-Patent 1266175 – Tesla, „ Lightning-Protektor '
  • US-Patent 1617788 – Baldwin, „ Vorrichtung zum Verhindern einer elektrischen Zündung gelagerter brennbarer Flüssigkeiten '
  • US-Patent 1678539 – Ticehurst, „ Ölreserve-Sicherheitseinrichtung '
  • US-Patent 1743526 – Käfig, „ Blitzschutz '
  • US-Patent 1916335 – Schaeffer, „ System zum Verhindern einer elektrischen Zündung von in Behältern gelagerten brennbaren Stoffen '
  • US-Patent 4180698 – Carpenter, Jr., „ System und Ausrüstung für atmosphärische Konditionierung '
  • US-Patent 6474595 – Herman, „ System zur Erschöpfung/Sammlung elektrischer Energie '. 5. November 2002. (Luftfahrt, Blitzableiter und statische Eliminatoren; Sicherheit und Schutz von Systemen und Geräten, Hochspannungsableitung (z. B. Blitzableiter))
  • US-Patent 6708638 – Thomson, „ Verfahren und Vorrichtung zum Blitzschutz ', Forschungsstiftung der Universität von Florida, Inc. (Gainesville, FL)
  • US-Patent 4910636 – Sadler, „ Ableiter für statische Elektrizität '.
  • US-Patent 4017767 – Kugel, „ Laser-Blitzableitersystem '
  • UNS. Patent 4605814 - Gillem ' Blitzabwehr '
  • US-Patent 6657120 – Smith, „ Blitzschutz '
  • US-Patent 6875915 – Chung, „ Blitzableiter '

Neu aufgelegt

  • US-Patent RE6835 - Spang, ' Blitzableiter '
  • UNS. Patent RE9934 - Spang, ' Blitzableiter '
  • DIE. Patent RE25417 - Amazon, ' Blitzableiter für Radome '