Tài liệu Sét- cách chinh phục và tiềm năng ứng dụng

TRƢỜNG ĐẠI HỌC CẦN THƠ KHOA SƢ PHẠM -----    ----- SÉT- CÁCH CHINH PHỤC VÀ TIỀM NĂNG ỨNG DỤNG LUẬN VĂN TỐT NGHIỆP NGÀNH: SƢ PHẠM VẬT LÝ- CÔNG NGHỆ Giáo viên hướng dẫn: ThS. Hoàng Xuân Dinh Sinh viên: Nguyễn Văn Hoàng Nam Lớp: Sư Phạm Vật Lý-Công Nghệ K34 Mã số SV: 1080328 Cần Thơ 05- 2012 LỜI CẢM ƠN -------- Trong suốt thời gian bốn năm dƣới giảng đƣờng Đại học, em đã đƣợc quý thầy cô Bộ Môn Vật Lý, Khoa Sƣ Phạm, Trƣờng Đại Học Cần Thơ đã tận tình giảng dạy cũng nhƣ hƣớng dẫn cho em trong suốt quá trình học tập cho đến ngày hoàn thành luận văn tốt nghiệp. Vì vậy, em xin kính gởi lời tri ân chân thành nhất đến quý thầy cô Bộ Môn Vật Lý, Khoa Sƣ Phạm, Trƣờng Đại Học Cần Thơ. Em xin chân thành cảm ơn thầy: Hoàng Xuân Dinh đã nhiệt tình hƣớng dẫn cho em trong suốt quá trình làm luận văn tốt nghiệp. Con xin chân thành cảm ơn Cha Mẹ đã luôn ủng hộ tinh thần con trong suốt quá trình học tập để con có tƣơng lai nhƣ ngày hôm nay. Em xin chân thành cảm ơn quý thầy cô, anh chị đang làm việc trong “Trung Tâm Học Liệu” đã tạo mọi điều kiện cho em tìm tài liệu thông qua sách, báo, Internet để em đƣợc hoàn thành luận văn tốt nghiệp. Tôi xin chân thành cảm ơn tập thể lớp Sƣ Phạm Vật Lý-Công Nghệ K34 đã luôn ủng hộ và giúp đỡ nhiệt tình trong suốt quá trình học tập cũng nhƣ làm luận văn tốt nghiệp. Tôi xin chân thành cảm ơn tập thể phòng 6 dãy C9 – Kí Túc Xá – Đại Học Cần Thơ đã luôn ủng hộ và giúp đỡ nhiệt tình trong suốt quá trình học tập cũng nhƣ làm luận văn tốt nghiệp. Do kiến thức và thời gian có hạn nên luận văn tốt nghiệp không tránh khỏi những thiếu sót. Kính mong sự chỉ bảo và đóng góp của quý thầy cô cùng các bạn để cho luận văn của em đƣợc tốt hơn. Cuối cùng xin ghi nhận nơi đây lòng biết ơn chân thành nhất, xin kính chúc sức khỏe của quý thầy cô Bộ Môn Vật Lý, Khoa Sƣ Phạm, Trƣờng Đại Học Cần Thơ, chúc quý thầy cô luôn hoàn thành tốt công việc và luôn hạnh phúc bên gia đình. Em xin chân thành cảm ơn! Cần Thơ, ngày … tháng .. năm 2012 Sinh viên thực hiện Nguyễn Văn Hoàng Nam NHẬN XÉT CỦA GIÁO VIÊN HƢỚNG DẪN ---------....................................................................................................................................... ....................................................................................................................................... ....................................................................................................................................... ....................................................................................................................................... ....................................................................................................................................... ....................................................................................................................................... ....................................................................................................................................... ....................................................................................................................................... ....................................................................................................................................... ....................................................................................................................................... ....................................................................................................................................... ....................................................................................................................................... ....................................................................................................................................... ....................................................................................................................................... ....................................................................................................................................... ....................................................................................................................................... ....................................................................................................................................... ........................................................................................................................................ ........................................................................................................................................ ........................................................................................................................................ ........................................................................................................................................ ........................................................................................................................................ ........................................................................................................................................ ................................................. ………………………………………………………….. Cần Thơ, ngày.…. tháng.…. năm 2012 Giáo viên hƣớng dẫn (Ký và ghi rõ họ tên) NHẬN XÉT CỦA GVPB 1 ---------.......................................................................................................................................... .......................................................................................................................................... ....................................................................................................................................... .......................................................................................................................................... .......................................................................................................................................... .......................................................................................................................................... .......................................................................................................................................... .......................................................................................................................................... .......................................................................................................................................... .......................................................................................................................................... .......................................................................................................................................... .......................................................................................................................................... .......................................................................................................................................... .......................................................................................................................................... .......................................................................................................................................... .......................................................................................................................................... .......................................................................................................................................... .......................................................................................................................................... .......................................................................................................................................... .......................................................................................................................................... .......................................................................................................................................... .......................................................................................................................................... .......................................................................................................................................... .......................................................................................................................................... .......................................................................................................................................... Cần Thơ, ngày…. tháng…. năm 2012 Giáo viên phản biện NHẬN XÉT CỦA GVPB 2 ---------.......................................................................................................................................... .......................................................................................................................................... ....................................................................................................................................... .......................................................................................................................................... .......................................................................................................................................... .......................................................................................................................................... .......................................................................................................................................... .......................................................................................................................................... .......................................................................................................................................... .......................................................................................................................................... .......................................................................................................................................... .......................................................................................................................................... .......................................................................................................................................... .......................................................................................................................................... .......................................................................................................................................... .......................................................................................................................................... .......................................................................................................................................... .......................................................................................................................................... .......................................................................................................................................... .......................................................................................................................................... .......................................................................................................................................... .......................................................................................................................................... .......................................................................................................................................... .......................................................................................................................................... .......................................................................................................................................... Cần Thơ, ngày…. tháng…. năm 2012 Giáo viên phản biện MỤC LỤC Phần MỞ ĐẦU ............................................................................................................ 1 1 LÝ DO CHỌN ĐỀ TÀI .............................................................................................. 1 1.1 Mục đích của đề tài .................................................................................................. 2 1.2 Giới hạn của đề tài ................................................................................................... 2 2 CÁC GIẢ THUYẾT CỦA ĐỀ TÀI ............................................................................ 2 3 CÁC PHƢƠNG PHÁP VÀ PHƢƠNG TIỆN THỤC HIỆN ĐỀ TÀI .......................... 2 3.1 Phƣơng pháp thực hiện đề tài ................................................................................... 2 3.2 Phƣơng tiện thực hiện đề tài ..................................................................................... 3 4 CÁC BƢỚC THỰC HIỆN ĐỀ TÀI ............................................................................ 3 Phần NỘI DUNG ......................................................................................................... 4 Chƣơng 1 LỊCH SỬ NGHIÊN CỨU SỰ HÌNH THÀNH PHÁT TRIỂN VÀ ĐẶC ĐIỂM CÁC LOẠI SÉT ...................................................................................... 4 1.1 Lịch sử nghiên cứu ................................................................................................... 4 1.2 Sự hình thành ........................................................................................................... 5 1.2.1 Sấm sét là gì ? ....................................................................................................... 5 1.2.2 Sự hình thành ........................................................................................................ 5 1.3 Đặc điểm các loại sét ............................................................................................... 8 1.3.1 Các khía cạnh kỹ thuật của sét .............................................................................. 8 1.3.1.1 Cƣờng độ dòng điện của một tia sét ................................................................... 8 1.3.1.2 Điện thế ............................................................................................................. 9 1.3.1.3 Các hiệu ứng về điện .......................................................................................... 9 1.3.1.4 Hiệu ứng lan truyền sét ...................................................................................... 9 1.3.1.5 Hiệu ứng nhiệt ................................................................................................. 10 1.3.1.6 Hiệu ứng cơ ..................................................................................................... 10 1.3.2 Sét không bao giờ đánh theo đƣờng thẳng ........................................................... 10 1.3.3 Những nơi sét thƣờng đánh nhiều nhất ................................................................ 11 1.4 Các loại sét phổ biến .............................................................................................. 11 1.4.1 Từ mây xuống đất ............................................................................................... 12 1.4.2 Từ đất lên mây .................................................................................................... 12 1.4.3 Mây và mây ........................................................................................................ 13 1.4.4 Sét khô ................................................................................................................ 13 1.4.5 Sét tên lửa ........................................................................................................... 13 1.4.6 Sét tự hình thành ................................................................................................. 13 1.4.7 Sét hòn ................................................................................................................ 14 1.4.8 Sét thƣợng tần khí quyển ..................................................................................... 19 1.4.9 Sét dị hình (Sprites) ............................................................................................ 19 1.4.9.1 Sét dị hình xanh ............................................................................................... 19 1.4.9.2 Sét dị hình Elves .............................................................................................. 20 1.1.10 Sét ngoài trái đất ............................................................................................... 20 1.5 Kích hoạt sét .......................................................................................................... 21 1.5.1 Tên lửa................................................................................................................ 21 1.5.2 Núi lửa ................................................................................................................ 21 1.5.3 Laser ................................................................................................................... 21 Chƣơng 2 HẬU QUẢ DO SÉT GÂY RA.................................................................. 23 2.1 Tác hại chung......................................................................................................... 23 2.2 Đối với công trình xây dựng .................................................................................. 23 2.3 Các dạng tác động của sét đối với trang thiết bị điện nhạy cảm .............................. 24 2.4 Tác hại đến con ngƣời ............................................................................................ 26 2.4.1 Sét có thể gây thƣơng tích bằng cách thức sau..................................................... 26 2.4.2 Phá hỏng máy tính trung tâm............................................................................... 30 2.4.3 Mồ hôi sôi lên giầy bị cháy thành than ................................................................ 31 2.4.4 Các dây thần kinh cháy nhƣ dây dẫn ................................................................... 31 2.4.5 Phomai cháy ....................................................................................................... 32 2.4.6 Cầu chì mất tác dụng .......................................................................................... 32 Chƣơng 3 CÁC PHƢƠNG PHÁP PHÒNG CHỐNG SÉT ...................................... 35 3.1 Phƣơng pháp dùng lồng Faraday ............................................................................ 36 3.1.1 Vật dẫn mang điện .............................................................................................. 36 3.1.2 Nguyên tắc hoạt động ......................................................................................... 37 3.1.3 Lồng Farday ........................................................................................................ 37 3.2 Phƣơng pháp chống sét truyền thống ( hệ Franklin ) ............................................. 39 3.2.1 Hệ Franklin gắn thẳng ......................................................................................... 39 3.2.2 Hệ Franklin bao quanh hay nằm trên (hệ mắc xích hay lƣới) ............................... 40 3.3 Phƣơng pháp chống sét không truyền thống ........................................................... 40 3.3.1 Hệ phát xạ sớm ................................................................................................... 40 3.3.2 Hệ ngăn chặn sét (hệ tiêu tán năng lƣợng sét)...................................................... 40 3.3.3 Nguyên tắc hoạt động của thiết bị phân tán năng lƣợng sét ................................. 40 3.4 Hút sét bằng laser................................................................................................... 43 3.5 Phƣơng pháp phòng chống tích cực sử dụng các trang thiết bị hiện đại ................. 44 3.6 Các biện pháp bảo vệ và chống sét đƣợc khuyến khích .......................................... 44 3.7 Thiết bị chống sét................................................................................................... 46 3.7.1 Thiết bị chống sét là gì ? ..................................................................................... 46 3.7.2 Thiết bị chống sét ống (PT) ................................................................................. 47 3.7.2.1 Cấu tạo ............................................................................................................. 47 3.7.2.2 Nguyên lí ......................................................................................................... 48 3.7.3 Chống sét van ..................................................................................................... 49 3.7.3.1 Cấu tạo ............................................................................................................. 49 3.7.3.2 Nguyên lí ......................................................................................................... 49 3.7.4 Chống sét VariSTAR UItraSIL ........................................................................... 52 3.7.4.1 Cấu tạo ............................................................................................................. 53 3.7.4.2 Đặc điểm .......................................................................................................... 53 3.7.4.3 Hoạt động ........................................................................................................ 54 3.7.5 Kim thu sét Prevectron ........................................................................................ 54 3.7.5.1 Cấu tạo ............................................................................................................. 55 3.7.5.2 Nguyên tắc hoạt động ...................................................................................... 55 3.7.5.3 Đặc điểm quá trình ion hóa .............................................................................. 55 3.7.5.4 Phân loại .......................................................................................................... 56 3.7.5.5 Vùng bảo vệ ..................................................................................................... 56 3.7.5.6 Nghiên cứu thử nghiệm và phát triển................................................................ 57 3.7.5.7 Tiêu chuẩn an toàn ........................................................................................... 58 3.7.6 Dự báo sét ........................................................................................................... 59 3.7.6.1 Có thể dự báo dông sét sớm 30 phút ................................................................. 59 3.7.6.2 Kỹ thuật, thiết bị dự báo sét.............................................................................. 60 Chƣơng 4 BÍ ẨN VÀ TIỀM NĂNG ỨNG DỤNG .................................................... 63 4.1 Bí ẩn ...................................................................................................................... 63 4.1.1 Sét – hiện tƣợng thiên nhiên kỳ bí ....................................................................... 63 4.1.2 Tại sao lại gọi là sét dơ bẩn ??? ........................................................................... 67 4.1.3 Vì sao sét hay đánh vào vật thể cao chót vót đứng đơn độc ................................. 68 4.1.4 Nguồn X trong sấm sét ........................................................................................ 68 4.1.5 Sét bốc vỏ cây tƣơi nhƣ thế nào .......................................................................... 68 4.1.5.1 Với cây tƣơi ..................................................................................................... 70 4.1.5.2 Với cây khô ...................................................................................................... 70 4.1.6 Sét cũng lựa chọn ................................................................................................ 71 4.1.7 Khi gặp sét nên làm gì ? ...................................................................................... 71 4.2 Tiềm năng .............................................................................................................. 72 4.2.1 Năng lƣợng thay thế ............................................................................................ 72 4.2.2 Nguồn năng lƣợng quý giá .................................................................................. 74 4.2.3 Bƣớc đầu chinh phục sét của con ngƣời .............................................................. 75 Phần KẾT LUẬN ....................................................................................................... 77 PHỤ LỤC ................................................................................................................... 78 TÀI LIỆU THAM KHẢO .............................................................................. 87 Luận văn tốt nghiệp Đề tài : “Sét- cách chinh phục và tiềm năng ứng dụng” Phần MỞ ĐẦU -------- 1 LÝ DO CHỌN ĐỀ TÀI Theo những nghiên cứu của Viện Vật Lý Địa Cầu Việt Nam nằm ở tâm dông châu Á, một trong ba tâm dông trên thế giới, hàng năm Việt Nam phải hứng chịu khoảng hai triệu cú sét đánh xuống, số lƣợng ngƣời chết và cơ sở vật chất do dông sét gây ra vô cùng lớn. Nhƣng hầu nhƣ chúng ta chỉ biết đƣợc một vài kiến thức sơ khai về sét nhƣng bản chất của nó nhƣ thế nào những vấn đề liên quan đến nó là gì thì chúng ta vẫn chƣa đƣợc tìm hiểu kĩ. Bạn biết không, sét là một trong những hiện tƣợng tự nhiên xảy ra thƣờng xuyên nhất đƣợc quan sát tốt nhất nhƣng là một trong những hiện tƣợng tự nhiên đƣợc con ngƣời hiểu biết ít nhất. Chúng ta chỉ biết đến sét nhƣ một thứ đáng sợ nó có thể phá hoại các công trình, thâm nhập vào các thiết bị, phá hỏng đƣờng dây điện, gây nguy hiểm đến chết ngƣời. Mỗi năm nƣớc ta có nhiều ngƣời chết do sét đánh và thiệt hại do hƣ hỏng thiết bị lên đến hàng tỉ đồng. Sét cũng là nguyên nhân chính gây sự cố cắt điện của lƣới điện cao áp ở việc Nam…Ví dụ: Từ năm 1989-1994, đã có 286 cú sét đánh xuống đƣờng dây 220 kV từ Phả LạiHà Đông, Hà Đông-Hòa bình và Phả Lại-Hải Phòng. Tại Na Hang (Tuyên Quang), sét đánh vào trạm vi ba liên tục trong 4 năm từ 1997-2000 gây hỏng thiết bị của trạm. Tháng 4/1998, một tia sét đánh vào trạm Phú Thụy (Viện Vật Lý Địa cầu) gây hỏng hai đài quan trắc địa lý và địa từ, thiệt hại hàng trăm triệu đồng. Ngày 4/6/2001, sét đánh nổ một máy cắt 220 kV của nhà máy Thủy Điện Hòa Bình khiến lƣới điện miền Bắc bị rã mạch, nhiều nhà máy điện bị tách khỏi hệ thống khiến mất điện trên diện rộng. Đáng báo động là đa số các công trình lớn của Việt Nam điều không đáp ứng đủ 6 yêu cầu phòng chống sét của thế giới. Nhƣng các bạn có biết rằng “Sét một trong những thành phần cơ bản cấu tạo nên sự sống trên Trái Đất”. Những nổ lực không ngừng của các nhà khoa học để điều khiển và nắm bắt đƣợc nó đang ngày đêm đƣợc tiến hành cùng với giấc mơ chinh phục thiên nhiên huyền bí nhƣng cho đến tận hôm nay họ chỉ có thể nói “Sét là một hiện GVHD : ThS Hoàng Xuân Dinh Trang 1 SVTH: Nguyễn Văn Hoàng Nam Luận văn tốt nghiệp Đề tài : “Sét- cách chinh phục và tiềm năng ứng dụng” làm chúng ta bối rối”. Nhiều năm đã qua nhƣng các câu hỏi lớn vẫn chƣa có lời giải đáp, sét hoạt động nhƣ thế nào, bắt đầu ra sao trong cơn bão và lan truyền xuyên trong không khí nhƣ thế nào ?”. Đây là một vấn đề làm cho em trăn trở rất nhiều, làm sao có thể giúp cho mọi ngƣời hiểu rõ hơn về sét để có thể tránh đƣợc những tia sét giúp an toàn cho tính mạng và tài sản của mọi ngƣời. Cũng chính vì sự ít hiểu biết ấy nên em chọn đề tài “Sét - cách chinh phục và tiềm năng ứng dụng” làm đề tài cho luận văn tốt nghiệp của mình. Qua đề tài này, em không mong gì hơn là có thể tìm ra lời giải đáp về những bí ẩn, sự hình thành, phát triển, cách thức hoạt động và các phƣơng pháp phòng chống sét. Mong rằng những gì em tìm đƣợc có thể cung cấp những kiến thức phổ thông nhất nhằm giúp cho tấc cả mọi ngƣời ngƣời nói chung và sinh viên nghành vật lý nói riêng hiểu rõ thêm về mức độ nguy hiểm của sét và cách phòng chống sét nhƣ thế nào. 1.1 Mục đích của đề tài Việc nghiên cứu “sấm sét” giúp chúng ta hiểu rõ hơn về bản chất của sấm sét. Thông qua bài học, tuyên truyền giúp cho học sinh có cái nhìn đúng đắn về sấm sét, cách phòng chống sấm sét, tự bảo vệ bản thân và ngƣời khác. Làm phong phú bài giảng cho học sinh. Nắm đƣợc những thành tựu mới của con ngƣời trong công cuộc chống sấm sét. 1.2 Giới hạn của đề tài Do không có điều kiện tham gia nghiên cứu về dông sét cho nên em chỉ tìm hiểu thông qua các tài liệu tham khảo. 2 CÁC GIẢ THUYẾT CỦA ĐỀ TÀI Để bảo vệ tài sản, tín mạng và các công trình xây dựng ở nƣớc ta thì trƣớc tiên chúng ta đi nghiên cứu về sự hình thành tia sét và những hậu quả do sét gây ra. Đã xảy ra nhiều cái chết thƣơng tâm, những công trình, nhà cửa bị phá hoại những vụ cháy rừng do sét gây ra, ta đi tìm hiểu những hậu quả này để thấy đƣợc tầm quan trọng của việc chống sét cho các công trình xây dƣng. 3 CÁC PHƢƠNG PHÁP VÀ PHƢƠNG TIỆN THỰC HIỆN ĐỀ TÀI 3.1 Phƣơng pháp thực hiện đề tài Nghiên cứu lý thuyết, phân tích và tổng hợp các tài liệu. GVHD : ThS Hoàng Xuân Dinh Trang 2 SVTH: Nguyễn Văn Hoàng Nam Luận văn tốt nghiệp Đề tài : “Sét- cách chinh phục và tiềm năng ứng dụng” 3.2 Phƣơng tiện thực hiện đề tài Sử dụng sách, báo và các loại tài liệu có liên quan qua các thƣ viện khai thác thông tin trên Internet. 4 CÁC BƢỚC THỰC HIỆN ĐỀ TÀI Bƣớc 1: Nhận đề tài. Bƣớc 2: Nghiên cứu tài liệu liên quan đến đề tài. Bƣớc 3: Tiến hành viết đề tài và trao đổi với giáo viên hƣớng dẫn. Bƣớc 4: Viết báo cáo. Bƣớc 5: Bảo vệ luận văn. GVHD : ThS Hoàng Xuân Dinh Trang 3 SVTH: Nguyễn Văn Hoàng Nam Luận văn tốt nghiệp Đề tài : “Sét- cách chinh phục và tiềm năng ứng dụng” Phần NỘI DUNG Chƣơng 1 LỊCH SỬ NGHIÊN CỨU SỰ HÌNH THÀNH PHÁT TRIỂN VÀ ĐẶC ĐIỂM CỦA CÁC LOẠI SÉT 1.1 Lịch sử nghiên cứu Benjamin Franklin (1706–1790) 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 nhƣ các tia sét bằng cách dựng lên một cái tháp có hình nón tại Philadelphia. Trong lúc chờ đợi cái tháp đƣợc dựng xong ông nảy ra ý tƣởng sử dụng một con diều. Trong cơn dông tiếp theo đó vào tháng 6 năm 1752 ông đã cùng con trai của mình ra Hình 1.1 Benjamin Franklin làm thí nghiệm 1752 chìa khóa vào đoạn cuối của dây diều và cắm nó xuống đất (ông đã buộc chìa khóa vào thử nghiệm (hình 1.1). Ông đã buộc một cái 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 đƣa 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 đƣa ra kết luận rằng sét chính là điện. Franklin không phải là ngƣời duy nhất thí nghiệm với diều. Thomas-François Dalibard cùng De Lors đã thực hiện cuộc thí nghiệm tƣơng tự ở Marly-la-Ville tại Pháp chỉ vài tuần trƣớc 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 ngƣời 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 ngƣời khác bắt đầu thực hiện lại nó. Tuy nhiên các cuộc thí nghiệm về sét rất nguy hiểm và đôi khi gây chết ngƣời. Một trong những cái chết nổi tiếng nhất do bắt chƣớc Franklin là của giáo sƣ Georg Richmann tại Saint Petersburg, Nga. Ông đã tạo ra một hệ thống thu sét giống nhƣ của Franklin, ông đã chạy về nhà khi nghe tiếng sấm lúc đang giảng bài tại GVHD : ThS Hoàng Xuân Dinh Trang 4 SVTH: Nguyễn Văn Hoàng Nam Luận văn tốt nghiệp Đề tài : “Sét- cách chinh phục và tiềm năng ứng dụng” học viện khoa học. Ông chạy về với ngƣời thợ điêu khắc để có thể ghi lại sự kiện này. Ông đã đặc một quả bóng thủy tinh lên một vòng kim loại gần nhƣ hoàn hảo cho một hệ thống thu lôi thời đó nhƣng 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 từ thời của Benjamin Franklin đã chỉ ra rằng sét là một sự phóng điện, các lý thuyết tìm hiểu về sét rất ít đƣợc 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 kỹ thuật điện. Các cột điện cao thế khi bắt đầu đƣa vào phục vụ các kỹ sƣ cần biết sét nguy hiểm đến mức nào để có thể bảo vệ các cột điện. Năm 1900 Nikola Tesla đã tạo ra sét nhân tạo bằng một quả cầu điện cùng các máy phát điện công suất cao đủ để tạo ra sét đủ lớn để xem. 1.2 Sự hình thành 1.2.1 Sấm sét là gì ? Sét hay tia sét là hiện tƣợng phóng điện trong khí quyển giữa một đám mây tích điện với mặt đất hay giữa các đám mây tích điện trái dấu. Sấm là tiếng động do chớp đốt nóng không khí. Khi không khí nở ra rất nhanh, nó gây ra tiếng động. Ta có thể nghe thấy sấm trong vòng bán kính 20-25 km. 1.2.2 Sự hình thành Trong những năm qua cứ mỗi khi mùa mƣa đến ngoài việc chuẩn bị các biện pháp phòng chống bão lụt chúng ta còn phải quan tâm đến một hiện tƣợng thiên nhiên khác có tác hại nghiêm trọng đến cơ sở vật chất và con ngƣời đó là dông sét. Có thể hiểu nôm na rằng sét là sự phóng điện giữa đám mây dông và một điểm nào đó trên mặt đất khi điện trƣờng khí quyển đạt đến một giá trị tới hạn. Việt Nam thuộc vùng khí hậu nhiệt đới nên dòng điện sét thƣờng rất lớn khoảng 30kA, do đó nếu một công trình nào đó bị sét đánh thì phần kiến trúc của công trình đó có thể bị phá vỡ do ảnh hƣởng của áp suất và nhiệt độ phát tán cao, các thiết bị điện trong công trình có thể bị hỏng do trƣờng điện từ của dòng sét cảm ứng và con ngƣời có thể bị tổn thƣơng nếu ở gần điểm phóng điện sét. Trong thực tế đã xảy ra nhiều trƣờng hợp một cơn phóng điện sét đã làm cho hàng chục ngƣời bị thƣơng và chết (xảy ra ở xã Hiệp Thành - Bạc GVHD : ThS Hoàng Xuân Dinh Trang 5 SVTH: Nguyễn Văn Hoàng Nam Luận văn tốt nghiệp Đề tài : “Sét- cách chinh phục và tiềm năng ứng dụng” Liêu) còn những vụ sét làm chết ngƣời hàng năm thì xảy ra liên tục khắp nơi nhất là các vùng trọng điểm nhƣ Đồi Rìu, Bàu Sầm, Bảo Vinh ....thuộc Huyện Long Khánh Đồng Nai, các xã vùng sâu thuộc Huyện Đức Linh, Hàm Tân - Bình Thuận, hoặc một số xã thuộc các tỉnh đồng bằng sông Cửu Long, ngay tại TP.HCM năm nào cũng xảy ra vài trƣờng hợp tử vong do phóng điện sét. Cơ chế hình thành một cơn sét nói chung khá phức tạp, có nhiều công trình nghiên cứu về quá trình nhiễm điện của một đám mây dông cũng nhƣ cơ chế phát triển của tia sét hƣớng xuống đất, ở đây em chỉ xin phép đề cập đến một giả thuyết phổ biến nhất để giải thích nguyên nhân tạo dông sét nhƣ sau (Hình 1.2). Dông là hiện tƣợng khí quyển liên quan với sự phát triển mạnh mẽ của đối lƣu nhiệt và các nhiễu động khí quyển, nó thƣờng xảy ra vào mùa hè là thời điểm mà sự trao đổi nhiệt giữa mặt đất và không khí rất lớn. Những luồng không khí nóng khổng Hình 1.2 Sơ đồ tóm tắt quá trình hình thành sấm sét lồ mang theo hơi nƣớc từ mặt đất bốc lên, các luồng không khí này đƣợc hình thành do sự đốt nóng bởi ánh sáng mặc trời, đặc biệt ở các vùng cao hoặc do sự gặp nhau của những luồng không khí nóng ẩm và không khí lạnh. Đến một độ cao nào đấy luồng không khí nóng ẩm này bị lạnh đi lúc đó hơi nƣớc ngƣng tụ tạo thành những giọt nƣớc nhỏ li ti hay gọi là tinh thể băng chúng tích tụ trong không gian dƣới dạng những đám mây. Trái đất càng bị nóng thì không khí nóng càng bay lên cao hơn, mây càng dày hơn đến một lúc nào đó thì các tinh thể băng trong mây sẽ lớn dần và rơi xuống thành mƣa. Mây càng dày thì màu của nó càng đen hơn. Sự va chạm của các luồng khí nóng GVHD : ThS Hoàng Xuân Dinh Trang 6 SVTH: Nguyễn Văn Hoàng Nam Luận văn tốt nghiệp Đề tài : “Sét- cách chinh phục và tiềm năng ứng dụng” đi lên và các tinh thể băng đi xuống trong đám mây sẽ làm xuất hiện các điện tích mà ta gọi là đám mây bị phân cực điện hay đám mây tích điện (Hình 1.3). Các phần tử điện tích âm có khối lƣợng lớn nên nằm dƣới đáy đám mây còn các phần tử điện tích dƣơng nhẹ hơn nên bị đẩy lên phần trên của đám mây. Nhƣ vậy trong bản thân đám mây đã hình thành một điện trƣờng cục bộ của một lƣỡng cực điện và dƣới tác dụng của điện trƣờng cục bộ này các phần tử sẽ di chuyển nhanh hơn, điện tích đƣợc tạo ra nhiều hơn và điện trƣờng càng mạnh hơn. Quá trình này tiếp diễn cho đến lúc điện trƣờng đạt giá trị tới hạn và gây ra phóng điện nội bộ trong đám mây mà ta gọi là chớp. Hình 1.3: Sơ đồ minh họa không gian hình thành sét Ngoài ra khoảng không gian bên dƣới đám mây thƣờng có một lớp điện tích dƣơng gọi là điện tích không gian vì vậy giữa phần đáy đám mây mang điện âm và lớp điện tích dƣơng này lại hình thành một điện trƣờng riêng và chính điện trƣờng này làm phát sinh một tia sét ban đầu gọi là dòng tiên đạo di chuyển xuống đất với tốc độ khoảng 150km/s. Kênh tiên đạo là một dòng plasma mật độ điện khoảng 1013 1014 ion/m3, một phần điện tích âm của mây dông tràn vào kênh và phân bố tƣơng đối đều dọc theo chiều dài của nó. Thời gian phát triển của tia tiên đạo mỗi đợt kéo dài trung bình khoảng 1s. Thời gian tạm ngƣng phát triển giữa 2 đợt khoảng 30s - 90s. Đƣờng đi của tia tiên đạo trong thời gian này không phụ thuộc vào tình trạng mặt đất và các vật trên mặt đất, do đó nó gần nhƣ hƣớng thẳng về phía mặt đất. Cho đến khi tia tiên đạo GVHD : ThS Hoàng Xuân Dinh Trang 7 SVTH: Nguyễn Văn Hoàng Nam Luận văn tốt nghiệp Đề tài : “Sét- cách chinh phục và tiềm năng ứng dụng” đạt đến độ cao định hƣớng thì mới bị ảnh hƣởng bởi các vùng điện tích tập trung dƣới mặt đất. Trong quá trình phát triển xuống đất, dòng tiên đạo mang theo một điện thế rất lớn sẽ ion hóa lớp không khí trên đƣờng đi của nó nơi nào có cách điện không khí yếu thì dòng tiên đạo sẽ phát triển về hƣớng đó vì vậy ta thấy dòng tia sét đi xuống không phải là đƣờng thẳng mà thƣờng có dạng ngoằn ngoèo, phân nhánh. Ngoài ra do hiệu ứng cảm ứng điện nên phần mặt đất nằm bên dƣới đám mây dông sẽ mang một lƣợng điện dƣơng. Lƣợng điện này sẽ phân bố trên các vật có khả năng dẫn điện nhƣ nhà cửa, cây cối, công trình, trụ điện, tháp ăng-ten......, vật nào dẫn điện càng tốt thì điện tích phân bố trên vật đó càng lớn và điện trƣờng của nó càng mạnh so với các vật xung quanh. Vì vậy, khi dòng tiên đạo phát triển xuống gần mặt đất thì nó sẽ chọn vật có điện trƣờng mạnh nhất để đánh vào mà ta gọi là phóng điện sét, nơi tiếp xúc của chúng gọi là kênh sét. Ngƣời ta lợi dụng tính chất chọn của sét để bảo vệ chống sét đánh thẳng cho các công trình bằng cách dùng các thanh kim loại hay dây thu sét bằng kim loại đƣợc nối đất tốt, đặt cao hơn công trình cần bảo vệ để hƣớng sét đánh vào đó mà không phóng vào công trình. Khi tia tiên đạo hƣớng xuống gần mặt đất hay tia tiên đạo hƣớng lên, thì trong khoảng cách khí ở giữa đó cƣờng độ điện trƣờng tăng cao gây lên ion hóa mãnh liệt, dẫn đến sự hình thành một dòng plasma có mật độ điện tích cao hơn nhiều so với mật độ điện tích của tia tiên đạo, điện dẫn của nó tăng lên hàng trăm lần. Đây là thời điểm trao đổi điện tích giữa đám mây và mặt đất đƣợc gọi là giai đoạn trung hòa điện tích, dòng điện trong kênh sét lúc này rất lớn có thể đến 200kA nên bị nóng lên rất mạnh khoảng 20.0000 C và do đó ta thấy nó sáng chói lên (cũng đƣợc gọi là chớp). Dƣới tác dụng của nhiệt độ này, lớp không khí xung quanh kênh sét bị giãn nỡ mạnh gây ra tiếng nổ lớn mà ta gọi là sấm. Do ánh sáng có vận tốc lớn hàng triệu lần so với âm thanh nên ta thấy ánh chớp trƣớc rồi sau đó một lúc mới nghe thấy tiếng sấm. 1.3 Đặc điểm của các loại sét 1.3.1 Các khía cạnh kỹ thuật của hiện tƣợng sét 1.3.1.1 Cường độ dòng điện của một tia sét Cƣờng độ dòng điện của một tia sét thƣờng nằm trong khoảng từ 2.000 A đến 200.000 A. Thống kê các giá trị này trong thiên nhiên theo phân bố nhƣ sau: 1% các tia sét đánh vƣợt quá 200.000A GVHD : ThS Hoàng Xuân Dinh Trang 8 SVTH: Nguyễn Văn Hoàng Nam Luận văn tốt nghiệp Đề tài : “Sét- cách chinh phục và tiềm năng ứng dụng” 10% các tia sét đánh vƣợt quá 80.000A 50% các tia sét đánh vƣợt quá 28.000A 90% các tia sét đánh vƣợt quá 8.000A 99% các tia sét đánh vƣợt quá 3.000A Dòng điện trong hầu hết các tia sét đánh xuống mặt đất là từ các phần tử mang điện tích âm trong các đám mây dông và nhƣ vậy tia sét là dòng các hạt tích điện âm từ mây xuống mặt đất. Cũng có các tia sét từ các phần tử mang điện tích dƣơng, nhƣng ít thƣờng xuyên hơn. Về chiều dòng điện là dòng điện một chiều tăng vọt trong khoảng thời gian không đến 10 μs đối với tia sét mang điện tích âm (đối với tia sét mang điện tích dƣơng thời gian này dài hơn khá nhiều), sau đó giảm dần tới một giá trị nhỏ, đối với một tia sét đơn, trong khoảng thời gian 100 μs hoặc nhỏ hơn. 1.3.1.2 Điện thế Trƣớc khi hiện tƣợng phóng điện xảy ra, điện thế của khối cầu tích điện có thể ƣớc tính sơ bộ bằng cách giả thiết điện tích Q là 100 C và bán kính của hình cầu tƣơng đƣơng vào khoảng 1 km. Do đó điện dung của cả khối vào khoảng 10 -7 F. Từ công thức Q = CV, điện thế tính đƣợc sẽ vào khoảng 10 9 V. Điều này có nghĩa điện áp ban đầu ở đám mây là trên 100 MV. 1.3.1.3 Các hiệu ứng về điện Khi cƣờng độ dòng điện bị tiêu hao qua điện trở của phần cực nối đất của hệ thống chống sét, nó sẽ tạo ra sự tụt điện áp kháng và có thể làm tăng tức thời hiệu điện thế với đất của hệ thống chống sét. Nó cũng có thể tạo nên xung quanh cực nối đất một vùng có chênh lệch điện thế cao có thể gây nguy hiểm cho ngƣời và động vật. Tƣơng tự nhƣ vậy cũng cần phải lƣu ý đến điện cảm tự cảm của hệ thống chống sét do đoạn dốc đứng của xung điện do sét gây ra. Độ tụt điện áp do hiện tƣợng trên gây ra trong hệ thống chống sét do đó sẽ là tổng số học của hai thành phần là điện áp cảm ứng và điện áp kháng. 1.3.1.4 Hiệu ứng lan truyền sét Điểm mà sét đánh vào hệ thống chống sét có thể có điện thế bị tăng cao hơn rất nhiều so với các vật thể kim loại xung quanh. Bởi vậy sẽ có nguy cơ lan truyền sét sang các vật kim loại trên hoặc phía bên trong công trình. Nếu sự lan truyền này xảy ra, một phần của dòng điện do sét gây ra sẽ đƣợc tiêu hao qua các thiết bị lắp đặt bên trong GVHD : ThS Hoàng Xuân Dinh Trang 9 SVTH: Nguyễn Văn Hoàng Nam Luận văn tốt nghiệp Đề tài : “Sét- cách chinh phục và tiềm năng ứng dụng” nhƣ đƣờng ống hoặc dây dẫn và nhƣ vậy sẽ dẫn đến rủi ro cho ngƣời sống trong nhà cũng nhƣ kết cấu công trình. 1.3.1.5 Hiệu ứng nhiệt Việc quan tâm đến hiệu ứng nhiệt chỉ gói gọn trong việc tăng nhiệt độ trong hệ thống dẫn sét. Mặc dù cƣờng độ dòng điện cao nhƣng thời gian xảy ra là rất ngắn nên ảnh hƣởng về nhiệt độ trong hệ thống bảo vệ là rất nhỏ. Nói chung diện tích cắt ngang của dây dẫn sét đƣợc chọn chủ yếu sao cho thoả mãn về độ bền cơ khí, có nghĩa là nó đủ lớn để giữ cho độ tăng nhiệt độ trong khoảng 1oC. Ví dụ nhƣ, với dây dẫn đồng có tiết diện 50 mm2, một cú sét đánh 100kA với thời gian là 100 μs sẽ giải phóng ít hơn 400J trên 1m dây dẫn, dẫn đến độ tăng nhiệt độ khoảng 1o. Nếu dây dẫn là thép thì độ tăng này cũng ít hơn 10oC. 1.3.1.6 Hiệu ứng cơ Khi một dòng điện có cƣờng độ cao đƣợc tiêu tán qua các dây dẫn đặt song song gần nhau hoặc dọc theo một dây dẫn duy nhất nhƣng có nhiều gấp khúc, nó sẽ gây ra các lực cơ học có độ lớn đáng kể. Một tác động cơ học khác từ sét là do sự tăng cao đột ngột nhiệt độ không khí lên đến 30.0000C và sự giãn nở đột ngột không khí xung quanh đƣờng dẫn sét xuống đất. Đây là do khi độ dẫn điện của kim loại đƣợc thay thế bởi độ dẫn của một đƣờng vòng cung, năng lƣợng sẽ tăng lên 100 lần. Một năng lƣợng lớn nhất khoảng 100MW/m có thể đƣợc tạo ra trong cú phóng điện xuống mặt đất và sóng xung kích gần cú phóng điện này có thể làm trốc ngói lợp trên mái nhà. Tƣơng tự nhƣ vậy, với hiệu ứng lan truyền của sét trong các công trình, sóng xung kích có thể gây ra các hƣ hại cho kết cấu. 1.3.2 Sét không bao giờ đánh theo đƣờng thẳng Đƣờng đi của sét cong queo vì nó chọn con đƣờng nào cản điện ít nhất, nghĩa là đi vào các nơi tập trung nhiều phần tử dẫn điện nhất ( Hình 1.4, Hình 1.5). GVHD : ThS Hoàng Xuân Dinh Trang 10 SVTH: Nguyễn Văn Hoàng Nam Luận văn tốt nghiệp Đề tài : “Sét- cách chinh phục và tiềm năng ứng dụng” Hình A Hình 1.4: : Mây Mâydông dôngmang mangđiện điệntích tíchâm Hình và mặt1.5: đấtHai mang khối điện điện tíchtích dƣơng gặp Hình : Hai điện tíchtích gặpdương nhau tạo ra sét âm vàBmặt đấtkhối mang điện nhau tạo ra sét 1.3.3 Những nơi sét thƣờng đánh nhiều nhất Sét thƣờng đánh vào những nơi có sức cản điện tƣơng đối ít. Ví dụ: sét hay đánh vào những cây có nhiều rễ và rễ ăn sâu nhƣ cây đa, cây sồi. Sét cũng đánh vào những nơi dẫn điện tốt. Sét hay đánh vào những cây có nhiều nƣớc. Những nơi ẩm ƣớt (nhƣ những khe núi, vực sâu, vì ở đáy vực sâu, những khe tập trung nhiều hơi ẩm hay những nguồn nƣớc..) Những vùng đất sét thƣờng dẫn điện nhiều hơn đất cát, do vậy sét hay đánh xuống đó nhiều hơn. Đất có nhiều nƣớc ngầm và dòng cát chảy (lƣu sa) ở phía dƣới cũng là mồi ngon của sét. 1.4 Các loại sét phổ biến GVHD : ThS Hoàng Xuân Dinh Trang 11 SVTH: Nguyễn Văn Hoàng Nam