Почему удар молнии не разрушает громоотвод?

Удары молнии, как известно, наносят огромный ущерб . Характеристики молнии :

уровни тока иногда превышают 400 кА, температуры до 50 000 градусов по Фаренгейту и скорости, приближающиеся к одной трети скорости света

Это огромное количество, но системы молниезащиты предназначены для отвода молнии от здания или сооружения, которое они защищают. Системы молниезащиты можно просто представить как молниеотводы, соединенные с землей через кабель (понижающий проводник).

Спецификация NOAA для молниезащиты требует, чтобы диаметр молниеотводов был не менее 0,5 дюйма (13 мм). Нисходящий проводник представляет собой медный кабель аналогичного размера ( 4/0 AWG или 12 мм ). Допустимая сила тока для этого типа провода составляет всего около 250 А для постоянного тока. Я понимаю, что это скорее предел тепла, а не мгновенный предел мощности тока.

Из этой статьи о молниезащите (стр. 28):

Положительные отзывы о работе системы молниезащиты редко документируются и чаще всего даже не замечаются. Только в некоторых редких случаях может быть задокументировано, что система молниезащиты была поражена, если она работает должным образом и не имеет повреждений. Иногда в точке прекращения забастовки имеются свидетельства, которые можно отметить во время тщательного осмотра, но владельцу системы молниезащиты редко бывает выгодно получить экспертные знания, необходимые для проведения такого тщательного осмотра.

Как может казаться, что маленький металлический кусок размером 0,5 дюйма (13 мм) может справиться с ударом молнии с минимальным видимым повреждением или без него, намного меньше, не будучи полностью разрушенным?

Спецификация ограничения тока для провода ограничена теплом, которое будет генерировать ток, и количеством тепла, которое может рассеивать провод, прежде чем станет слишком горячим. «Слишком жарко» зависит от обстоятельств. Вы увидите более высокие значения тока для проводов того же типа в приложениях проводки шасси, чем электрический код, например, для домашних установок. В основном это связано с тем, насколько горячо слишком жарко. Конечным пределом для экстремальных применений является то, что проводник не плавится. Температуры где-то рядом, которые были бы опасны, бегали бы вдоль деревянных поддержек в стене в доме.

Как вы говорите, провод рассчитан на 250 А непрерывной . Молния определенно не непрерывна. 1 мс является «длинным» для времени основного удара молнии. В одном событии может быть несколько ударов, но общее время все еще мало, а у других не основных ударов ток будет значительно меньше.

Делать математику. Вы говорите, что диаметр проволоки 12 мм, поэтому площадь поперечного сечения составляет 113 мм² = 113x10 ^-6 м². Удельное сопротивление меди при 20 ° С составляет 1,68х10 ^-8 Ом · м. Поэтому длина этого провода 1 метр имеет сопротивление

(1,68x10 ^-8 Ом · м) (1 м) / (113x10 ^-6 м²) = 149 мкОм

Мощность 400 кА через это сопротивление составляет:

(400 кА) ² (149 мкОм) = 23,8 МВт

Времена за 1 мс, на которые подается ток, дают энергию:

(23,8 МВт) (1 мс) = 23,8 кДж

Плотность меди составляет 8,93 г / см³, а наша длина 1 м имеет объем 113x10 ^-6 м³, что составляет 113 см³.

(113 см³) (8,93 г / см³) = 1010 г общей массы меди

Удельная теплоемкость меди составляет 0,386 Дж / г ° С.

(23,8 кДж) / (0,386 Дж / г ° C) (1010 г) = 61 ° C

Это означает, что подача 400 кА через медный провод диаметром 12 мм на 1 мс приведет к повышению температуры на 61 ° C. Это довольно экстремальное значение для удара молнии. Основной ход, как правило, существенно короче 1 мс, а у других ходов ток существенно меньше. Тем не менее, даже с этими цифрами это показывает, что, хотя проволока на некоторое время, конечно, станет слишком сложной, она вполне может справиться с ней без каких-либо структурных повреждений.

[Это началось как ответ. Но расчет оказался на 3 порядка меньше.
Так что это скорее комментарий, наверное. ]

Один разряд молнии имеет конечное количество энергии ¹ . Это приблизительное число , что эквивалентно 145 л бензина ² . $5 \cdot 10^9 \text{J}$

Предположим, что вся энергия молнии рассеивается в стержне. Скажем так, молниеотвод диаметром 12 мм и длиной 10 м. Плотность меди составляет 8960 кг / м ³ ,
поэтому масса нашего стержня составляет . Удельная теплоемкость меди равна . Сколько энергии требуется, чтобы нагреть медный стержень с 25 ° C до точки плавления меди, которая составляет ? Это . Теплота плавления меди составляет . Сколько энергии нужно, чтобы расплавить наш стержень? Это .0,385 $10.13 \text{ kg}$
1083° C4,05⋅105Дж213$\text{0.385} \frac{\text{kJ}}{\text{kg °C}}$$1083 \text{°C}$$4.05 \cdot 10^5 \text{J}$
2.13⋅106$\text{213} \frac{\text{kJ}}{\text{kg}}$$2.13 \cdot 10^6 \text{J}$

Я сделал предположение, что вся энергия молнии рассеивается в стержне. Но я не знаю, что это нормальное предположение.

¹ _{Несмотря на то, что он имеет очень высокую пиковую мощность и ток.}
² _{Источник}
³ _{Кем были Прис и Ондердонк? Статья о ранних (1880, 1928) уравнениях, описывающих токи, которые вызывают расплавление проволоки.}