В процессе работы над индивидуальным проектом по физике "Защита транспортных средств от атмосферного электричества" ученик 9 класса школы провел изучение влияния атмосферного тока на работу транспорта, дал развернутое определение понятия "атмосферный ток" и выяснил, как можно защитить от него ТС.

Подробнее о проекте:

В учебной исследовательской работе по физике "Защита транспортных средств от атмосферного электричества" автор изучает теоретический материал по выбранной теме, рассказывает, что такое атмосферное электричество и почему его не стоит бояться в ТС. В проекте подробно описан процесс возникновения этого явления при передвижении на транспорте и риски для человека.

В готовом творческом и исследовательском проекте по физике "Защита транспортных средств от атмосферного электричества" автор описывает физическую природу и опасные факторы атмосферного электричества, а также анализирует методы и средства защиты наземных, водных и воздушных транспортных средств от атмосферного электричества.

Оглавление

Введение
1. Что такое атмосферное электричество?
2. Защита транспортных средств
2.1 Защита Самолета
2.2 Защита Автомобиля
2.3 Защита Электровоза
2.4 Защита Водного транспорта  
Заключение

В настоящее время не существует таких устройств и методов, способных изменить естественные погодные явления до такой степени, чтобы предотвратить удар молнии. Разряды молний угрожают не только домам, но и транспортным средствам. Поэтому автопроизводители, авиаконструкторы  и другие производители начали придумывать как защитить транспорт.

Я выдвинул гипотезу. Защита транспортных средств во время грозы зависит от знания особенностей происхождения молнии.

Для проверки своей гипотезы я использовал поисковый, наглядно-иллюстративный, практический и метод самостоятельной работы.

Больше всего меня заинтересовало то, как происходит это явление.

Молниями могут обмениваться и отдельные облака, поражающие электрическими зарядами друг друга. Все просто – поскольку верхняя часть облака заряжена позитивно, а нижняя – негативно, рядом стоящие грозовые облака, могут простреливать электрическими зарядами друг друга.

Довольно частым явлением является молния, пробивающая одно облако, и гораздо более редким явлением является молния, которая исходит от одного облака к другому.

Молния внутри облака. Длина внутриоблачной молнии колеблется от 1 до 150 км. Вероятность поражения молнией наземного объекта растёт по мере увеличения его высоты и с увеличение электропроводности почвы на поверхности или на некоторой глубине. Если в облаке существует электрическое поле, достаточное для поддержания разряда, но недостаточное для его возникновения, роль инициатора молнии может выполнять длинный металлический трос или самолёт – особенно, если он сильно электрически заряжен.

Актуальность. Приближается лето, и все начинаю ездить по отпускам, кто-то летит на самолете, кто-то на поезде, а кто-то и на машине собирается отправиться в путешествие.

В данном исследовании я рассмотрел такие вопросы: Как защищают транспортные средства во время грозы.

Цель: Рассказать о том, что такое атмосферное электричество и почему его не стоит бояться в ТС.

Задачи:

1. Изучить научно-популярную литературу по данной проблеме.
2. Изучить физическую природу и опасные факторы атмосферного электричества.
3. Проанализировать методы и средства защиты транспортных средств от атмосферного электричества.

Объект исследования – процесс атмосферного электричества.

Предмет исследования – условие образования молнии и средства защиты транспортных средств.

Атмосфе́рное электри́чество — совокупность электрических явлений в атмосфере, а также раздел физики атмосферы, изучающий эти явления. При исследовании атмосферного электричества изучают электрическое поле в атмосфере, её ионизацию и электрическую проводимость, электрические токи в ней, объёмные заряды, заряды облаков и осадков, грозовые разряды и многое другое.

Все проявления атмосферного электричества тесно связаны между собой и на их развитие сильно влияют локальные метеорологические факторы. К области атмосферного электричества обычно относят процессы, происходящие в тропосфере и стратосфере.

Начало изучению атмосферного электричества было положено в XVIII веке американским учёным Бенджамином Франклином, экспериментально установившим электрическую природу молнии, и русским учёным Михаилом Ломоносовым — автором первой гипотезы, объясняющей электризацию грозовых облаков. В XX веке были открыты проводящие слои атмосферы, лежащие на высоте более 60—100 км (ионосфера, магнитосфера Земли), установлена электрическая природа полярных сияний и обнаружен ряд других явлений. Развитие космонавтики позволило начать изучение электрических явлений в более высоких слоях атмосферы прямыми методами.

Две основные современные теории атмосферного электричества были созданы английским учёным Ч. Вильсоном и советским учёным Я. И. Френкелем. Согласно теории Вильсона, Земля и ионосфера играют роль обкладок конденсатора, заряжаемого грозовыми облаками. Возникающая между обкладками разность потенциалов приводит к появлению электрического поля атмосферы. По теории Френкеля, электрическое поле атмосферы объясняется всецело электрическими явлениями, происходящими в тропосфере, — поляризацией облаков и их взаимодействием с Землёй, а ионосфера не играет существенной роли в протекании атмосферных электрических процессов.

Исследования атмосферного электричества позволяют выяснить природу процессов, ведущих к колоссальной электризации грозовых облаков, в целях прогноза и управления ими; выяснить роль электрических сил в образовании облаков и осадков; они дадут возможность снижения электризации самолётов и увеличения безопасности полётов, а также раскрытия тайны образования шаровой молнии.

Первое, о чем я хочу рассказать это, о том как защищают самолеты.

Во-первых,  чтобы самолет не встретился с грозовым фронтом, работает метеослужба аэропорта. Таким образом пилот сверяется с картой маршрута, и дает команду обслуживающему персоналу заправить больше топлива.

Как бы странно ни звучало, но защита  от молний предусмотрена самой  конструкцией самолета. У каждого лайнера на носу накладка с притягивающими  молнию элементами, на случай если что-то пойдет не так. Это так называемая пластиковая насадка с медными шинами, перехватывает разряд и уводит его на корпус. Ток проходит через весь самолет и уходит в ближайшее поле, громоотвод или в другое открытое место.

Вы спросите, почему молния проходит по корпусу, а я отвечу, в основе молнии защиты самолета принцип клетки Фарадея. Клетка Фарадея состоит из токопроводящего металла, изолированного от земли. Если поднести к ней ток, пространство внутри будет не заряженным. Под действием магнитного поля разряд будет хаотично скользить по поверхности и уйдет в землю.

Попадание молнии в самолет - это определенный риск, но этот риск сведен к нулю, за счет конструкционных особенностей лайнера.

Защита автомобиля

Второе, о чем я хотел бы рассказать, о том как защищают автомобили.

Нередким явлением в летние месяцы становится гроза с сильным ветром и молниями. Несмотря на то, что вид молнии пугает и свидетельствует о ее опасности, для владельцев автомобилей она не всегда несет угрозу. Но, для снижения риска опасности при движении во время грозы, необходимо придерживаться ряда рекомендаций, вне зависимости от типа автомобиля.

Если же гроза застала вас в машине, опасаться ее не стоит, так как кузов авто будет действовать аналогично клетке Фарадея, отводя весь заряд в землю. При нахождении внутри машины во время грозы, не стоит прикасаться к деталям из металла, находящимся в прямом соприкосновении с кузовом, хотя в отделке современных моделей машин в большей части случаев используется пластик, задачей которого становится защита водителей и пассажиров от соприкосновения с элементами из металла.

Если вы оказались в ситуации, когда молния все же попала в автомобиль, что бывает достаточно редко, не стоит впадать в панику. Вспышка яркого света может испугать и временно ослепить всех находящихся в машине. Поэтому, если это произошло в движении, следует как можно скорее остановить машину на обочине. Стоит учитывать и факт возможного повреждения кузова вследствие удара молнии. Исследования в лаборатории показали, что при попадании молнии в кузов, его лакокрасочное покрытие повреждается со следами сильного нагрева. Наибольшей уязвимостью обладают шины и другие изделия из резины, которые при попадании молнии могут просто расплавиться.

Так как автодом то же самое транспортное средство, что и автомобиль, я расскажу вам и о его защите. Его внешняя обшивка из алюминия или пластика также будет исполнять роль клетки Фарадея, так что нахождение в передвижном доме во время грозы совершенно безопасно. Единственным возможным повреждением может стать порча пластиковой обшивки кузова, которая расплавляется от высокой температуры.

При нахождении в кемпере во время приближения грозы, необходимо закрыть все окна, складную крышу и все открытые проемы.

При выполнении работы машиной для мойки посуды, ее следует временно отключить. Если к авто протянуть провод для подачи электричества, его также следует отсоединить. Тем, кто находится внутри дома, не следует трогать вещи из металла во время грозы, в особенности, соединенные с крышей. Наиболее безопасное место в этот период - кабина водителя. также следует отсоединить. Тем, кто находится внутри дома, не следует трогать вещи из металла во время грозы, в особенности, соединенные с крышей. Наиболее безопасное место в этот период - кабина водителя.

Все мы хоть раз ездили на электровозах, и хоть раз кто-то задумывался, о том что будет если в электровоз попадет молния.

Вообще электровозы не защищают от молний. А защищают их от атмосферного перенапряжения.

Атмосферное перенапряжение - это прямые удары молнии в оборудование, при которых даже на заземленных сооружениях возникают большие потенциалы. Перенапряжения представляют большую опасность для электрического оборудования электровоза: они могут вызвать пробой изоляции.

Различают перенапряжения коммутационные и атмосферные. Коммутационные перенапряжения возникают вследствие выключения и включения электрических цепей под нагрузкой. Быстро изменяющиеся магнитные потоки, вызванные изменением токов в переключаемых цепях, наводят иногда опасные напряжения в обмотках аппаратов и машин. Атмосферные перенапряжения возникают при грозах; особенно велики они, когда происходит грозовой разряд вблизи электрифицированной дороги или при прямых ударах молнии в контактную сеть.

После удара молнии в контактной сети образуются быстро перемещающиеся (со скоростью света) вдоль нее волны перенапряжения. Обычная защита при столь быстро протекающих процессах не успевает сработать. Поэтому на электровозах, тяговых подстанциях и контактной сети устанавливают разрядники. Они первыми принимают на себя удар волны перенапряжения и отводят ее в землю. На электровозах устанавливают вилитовые разрядники.

При повышении напряжения на его зажимах сверх установленного, воздушные промежутки, называемыеискровыми, пробиваются, и контактная сеть кратковременно соединяется с землей. Искровые промежутки включены последовательно с вилитовыми дисками, сопротивление которых ограничивает ток, проходящий из контактной сети в землю.

Для быстрого гашения электрической дуги, возникающей в искровых промежутках, необходимо чтобы при увеличении приложенного напряжения уменьшалось сопротивление дисков. Этому требованию отвечаетвилит, обладающий нелинейным сопротивлением. Волна перенапряжения быстро спадает, сопротивление дисков растет, следовательно, ток уменьшается и электрическая дуга гаснет. Такие разрядники называют вилитовыми.

Их искровые промежутки шунтированы высокоомными резисторами, обеспечивающими равномерное распределение напряжения между искровыми промежутками. Разрядники электровозов постоянного и переменного тока различаются числом искровых промежутков (соответственно два и семь последовательно соединенных комплектов по четыре промежутка в каждом, т. е. всего 8 и 28 искровых промежутков). Это определяет различное конструктивное выполнение разрядников. Разрядники защищают от перенапряжений также цепи переменного тока, питающие выпрямители электровозов.

Многие плавали на кораблях или иных водных транспортах и даже не думали, что молния может спокойно ударить в корабль.

Как уже отмечалось, удар молнии скорее всего придётся на возвышенные объекты, в местах расположения которых резко возрастает напряжённость электрического поля. Применительно к судну на воде, это означает, что разряд молнии вероятнее всего ударит в его мачту. Учитывая качку, в зоне риска могут оказаться и другие выступающие конструкции судна, такие как краспицы, ванты и штаги. Выполняя мероприятия по молниезащите морского судна, важно учитывать ту особенность, что оно со всех сторон окружено водой и не имеет возвышающихся поблизости строений. Задача состоит в перехвате и отведении тока молнии по безопасному для защищаемого объекта пути в воду. В противном случае, высока вероятность возникновения различных повреждений судна – от искрения кабелей до нарушения целостности днища.

Полностью предупредить поражение молнией судна, находящегося в открытом море в грозу, практически невозможно. Правильно организованная система молниезащиты позволит, если не исключить, то значительно уменьшить возможное повреждение судна и его оборудования при прямом попадании разряда молнии.

Однако в жизни, большинство повреждений на судне в грозу, связано с появлением электрических перенапряжений в его металлических элементах, в результате удара молнии в воду неподалёку. Под воздействием возникающих, в данном случае, электромагнитных импульсов возможен выход из строя электроники, поражение людей током, гораздо реже структурные повреждения на судне. Выполнение защитных мероприятий от вторичных воздействий разрядов молнии, обеспечивает полноценную грозозащиту судна.

При надёжном металлическом контакте мачты с корпусом судна, изготовленного из металла, установка дополнительного молниеулавливающего оборудования не требуется. В качестве молниеприёмника (молниеуловителя), в данном случае, могут выступать собственные конструкции судна, направленные вверх: металлические мачты, элементы надстройки и прочее (согласно "Правилам Российского речного регистра (с изменениями на 29 июня 2015 года)". Дополнительные молниеуловители должны применяться только в тех случаях, когда собственные элементы конструкции не обеспечивают молниезащиты.

На суднах с неметаллическим корпусом молниезащита обеспечивается установкой одиночных молниеотводов на топе мачт, заземленных через корпус судна. Судовые устройства молниезащиты, по большому счёту, не отличаются от береговых и так же состоят из молниеприёмника, токоовода и заземления.

Судно считается защищенным от прямого удара молнии, если зоны защиты, образуемые молниеприёмниками, охватывают все открытые пространства на нём. Вероятность попадания молнии в конструктивные элементы судна в пределах защитной зоны практически равна нулю. Зоны защиты молниеприёмников должны обязательно покрывать места нахождения взрывоопасных смесей, размещения взрыво- и пожароопасных грузов, материалов, оборудования.

Каждая мачта, выполненная из токонепроводящего материала (угольная, деревянная) оборудуется молниеприёмником в виде медного или стального прута (диаметр 12 мм). Молниеуловитель подлежит надёжному заземлению. Установка на нём прочих устройств не допускается. Токоотвод (отводящий провод) прокладывают от молниеприёмника с наружной стороны мачты или надстройки судна, как можно дальше от взрывоопасных мест, для чего используют прут сечением 70 мм2 и более - для медного и 100 мм2 и более – для стального провода. Крайне важно выполнить токоотвод прямолинейно, обеспечив наименьшее количество изгибов.

Судна с неметаллическим корпусом оборудуют отдельным токоотводом, не имеющим соединение с шинами защитного и рабочего заземления.

Незаземлённые проводящие части, расположенные на расстоянии 200 мм от токоотводов, подлежат соединению с ними, для исключения накапливания статического потенциала.

Молниеотвод и металлический корпус судна, находящегося в доке, подключают к береговому заземляющему устройству. При попадании разряда молнии в мачту, ток будет стремиться стечь в воду через корпус судна. На суднах с металлическим корпусом организация заземления не требуется. Корпус стальных и алюминиевых яхт выполняет роль «щита Фарадея», защищая экипаж судна от воздействия электрического поля.

Все возможные объекты удара молнии на деревянных и пластиковых яхтах подлежат обязательному заземлению. Заземлитель изготавливают из листа меди или латуни толщиной не менее 2 мм. Чем больше площадь заземления, тем лучше обеспечиваемая им защита. Минимально допустимая площадь заземляющего устройства для судна 0,5 кв. м.

Заземлитель судна погружают в вводу. При этом, необходимо предусмотреть, чтобы в случае осадки и наибольшем допустимом крене судна, он всегда имел непосредственный контакт с водой.

Металлический киль, напрямую контактирующий с водой, и не изолированный от неё плотными слоями краски или стеклопластиком, считается лучшим заземлителем. На него выводят все кабели заземления.

На суднах с композитным корпусом в качестве заземлителя используют металлический форштевень или другие металлоконструкции, окрашенные токопроводящей композицией, погружая их в воду.

Для уравнивания электрических потенциалов металлических частей: релингов, баллеров, вантов, штаг, мачт, и др., - их соединяют кабелем в единый контур, который затем подлежит заземлению. Защита бортовой электроники от влияния статического электричества выполняется таким же способом.

Применение антистатических присадок к пластмассам позволяет устранить статическую электризацию диэлектриков, увеличив их поверхностную проводимость. Заземление судового оборудования, а именно металлических оболочек и экранов кабелей низкой частоты, выполняют с использованием токопроводящего лакокрасочного материала, образующего на поверхности окрашенного изделия участок низкого объёмного сопротивления, что делает возможным присоединение его к системе заземления.

Исследования атмосферного электричества не теряют актуальности в течение многих лет, со времен Франклина и Ломоносова. Большие массивы данных были накоплены в результате экспериментального изучения молнии. Эта информация дает представление о сложном комплексе физических процессов, определяющих грозовую активность. Научные данные вместе с опытом эксплуатации определяют принципы создания системы молниезащиты для  транспортных средств. Выбор специфических средств защиты от поражения объекта молнией обусловлен тяжестью последствий, которых можно ожидать.

Нельзя предотвратить развитие грозовой активности, но защитить от молнии себя и свое имущество все же в силах человека. Во всех  ТС используются одинаковая защита по типу громоотвода.

В самолетах и аввтомобилях - это их корпус. А вот в электровозах и водном транспорте специальное оборудование.

Для написания данной работы были использованы ресурсы Сети Интернет.