Mengapa sambaran petir tidak merusak penangkal petir?

Sambaran petir telah diketahui menyebabkan sejumlah besar kerusakan . The statistik pada petir adalah:

level saat ini terkadang melebihi 400 kA, suhu hingga 50.000 derajat F., dan kecepatan mendekati sepertiga kecepatan cahaya

Ini adalah angka yang sangat besar, tetapi sistem proteksi petir dirancang untuk menarik petir menjauh dari bangunan atau struktur yang mereka lindungi. Sistem proteksi petir dapat dengan mudah dianggap sebagai penangkal petir yang terhubung ke tanah melalui kabel (downconductor).

Spesifikasi NOAA untuk proteksi petir mensyaratkan bahwa penangkal petir setidaknya berdiameter 0,5in (13mm). Downconductor adalah kabel tembaga ukuran serupa ( 4/0 AWG atau 12mm ). Arus listrik yang diizinkan untuk jenis kawat ini hanya sekitar 250A untuk arus konstan. Saya menyadari bahwa ini lebih dari batas panas daripada batas kapasitas arus sesaat.

Dari makalah ini tentang proteksi petir (halaman 28):

Umpan balik positif tentang pengoperasian sistem proteksi petir jarang didokumentasikan dan paling sering bahkan tidak diperhatikan. Hanya dalam beberapa kasus yang jarang dapat didokumentasikan bahwa sistem proteksi petir telah dipukul jika bekerja dengan baik dan tidak ada kerusakan. Kadang-kadang ada bukti di titik pemutusan mogok yang dapat dicatat selama inspeksi yang cermat, tetapi jarang efektif biaya bagi pemilik sistem proteksi petir untuk mendapatkan keahlian yang diperlukan untuk melakukan inspeksi yang cermat.

Bagaimana sepotong logam yang kelihatannya kecil 0,5in (13mm) dapat menangani sambaran petir dengan sedikit atau tanpa kerusakan yang terlihat apalagi tanpa dihancurkan sepenuhnya?

Spesifikasi batas saat ini untuk kawat dibatasi oleh panas yang dihasilkan saat ini, dan berapa banyak panas yang dapat dihamburkan oleh kawat sebelum menjadi terlalu panas. "Terlalu panas" tergantung pada situasinya. Anda akan melihat peringkat saat ini lebih tinggi untuk jenis kawat yang sama dalam aplikasi pengkabelan sasis daripada kode listrik memungkinkan untuk instalasi rumah, misalnya. Ini sebagian besar karena seberapa panas terlalu panas. Batas akhir untuk aplikasi ekstrem adalah konduktor tidak meleleh. Suhu di mana saja di dekat itu tidak aman berjalan di sepanjang penyangga kayu di dalam dinding rumah.

Seperti yang Anda katakan, kawat diberi peringkat untuk 250 A kontinu . Petir jelas tidak kontinu. 1 ms adalah "panjang" untuk saat sambaran petir utama. Mungkin ada beberapa pukulan dalam satu acara, tetapi total waktu masih singkat, dan pukulan non-utama lainnya akan secara signifikan lebih sedikit saat ini.

Lakukan perhitungan. Anda mengatakan kawat berdiameter 12 mm, sehingga memiliki luas penampang 113 mm² = 113x10 ^-6 m². Tahanan tembaga pada 20 ° C adalah 1,68x10 ^-8 Ωm. Panjang 1 meter dari kawat ini karenanya memiliki resistansi terhadap

(1,68x10 ^-8 Ωm) (1 m) / (113x10 ^-6 m²) = 149 μΩ

Kekuatan dengan 400 kA melalui hambatan ini adalah:

(400 kA) ² (149 µΩ) = 23,8 MW

Kali 1 ms kali saat ini diterapkan menghasilkan energi:

(23,8 MW) (1 ms) = 23,8 kJ

Kerapatan tembaga adalah 8,93 g / cm³, dan panjang 1 m kami memiliki volume 113x10 ^-6 m³, yaitu 113 cm³.

(113 cm³) (8,93 g / cm³) = 1010 g total massa tembaga

Panas spesifik tembaga adalah 0,386 J / g ° C.

(23,8 kJ) / (0,386 J / g ° C) (1010 g) = 61 ° C

Ini berarti menempatkan 400 kA melalui kawat tembaga berdiameter 12 mm selama 1 ms akan menyebabkan kenaikan suhu 61 ° C. Itu nilai yang agak ekstrim untuk sambaran petir. Stroke utama biasanya jauh lebih pendek dari 1 ms, dan stroke lainnya memiliki arus yang jauh lebih sedikit. Namun, bahkan dengan angka-angka ini itu menunjukkan bahwa sementara kawat pasti akan memanggang untuk sementara waktu, itu masih dalam kemampuan kawat untuk menangani tanpa kegagalan struktural.

[Ini dimulai sebagai jawaban. Tetapi perhitungan berakhir 3 urutan besarnya pendek.
Jadi, ini lebih dari sebuah komentar, saya kira. ]

Baut petir tunggal memiliki jumlah energi yang terbatas ¹ . Angka rata-rata adalah , yang setara dengan 145 L bensin ² . $5 \cdot 10^9 \text{J}$

Mari kita asumsikan bahwa semua energi baut petir hilang di batang. Katakanlah penangkal petir dengan diameter 12mm dan panjang 10m. Kepadatan tembaga adalah 8960 kg / m ³ ,
sehingga massa batang kami adalah . Panas spesifik tembaga adalah . Berapa banyak energi yang diperlukan untuk menghangatkan batang tembaga dari 25 ° C ke titik leleh tembaga, yaitu ? Ini . Panas fusi untuk tembaga adalah . Berapa banyak energi yang diperlukan untuk melelehkan tongkat kami? Ini .$10.13 \text{ kg}$
$\text{0.385} \frac{\text{kJ}}{\text{kg °C}}$$1083 \text{°C}$$4.05 \cdot 10^5 \text{J}$
$\text{213} \frac{\text{kJ}}{\text{kg}}$$2.13 \cdot 10^6 \text{J}$

Saya telah membuat asumsi bahwa semua energi petir hilang di batang. Tapi, saya tidak tahu itu asumsi yang waras.

¹ _{Meskipun memiliki daya puncak dan arus yang sangat tinggi.}
² _Sumber
³ _{Siapakah Preece dan Onderdonk? Artikel tentang awal (1880, 1928) persamaan yang menggambarkan arus yang menyebabkan kawat mencair.}