sấm sét và cách phòng chống

TRƯỜNG ĐẠI HỌC CẦN THƠ
KHOA SƯ PHẠM
BỘ MÔN VẬT LÝ

SẤM SÉT VÀ CÁCH PHÒNG CHỐNG

Luận văn tốt nghiệp
Ngành: SƯ PHẠM VẬT LÝ
Chuyên ngành: SƯ PHẠM VẬT LÝ – CÔNG NGHỆ

Giáo viên hướng dẫn:

Sinh viên thực hiện:

Lê Văn Nhạn

Lê Hoàng Nhân
Mã số SV: 1110273
Lớp: Sư phạm Vật lý – Công nghệ
Khóa: 37

Cần Thơ, năm 2015




Luận văn tốt nghiệp

GVHD: Ths Lê Văn Nhạn

MỤC LỤC

Chương 1: Lịch sử nghiên cứu của các loại sét
1.1 Lịch sử nghiên cứu .. .................................................................................................... 3
1.2 Dòng điện trong chất khí ..... ....................................................................................... 4
1.2.1Sơ lượt về tính dẫn điện trong chất khí

.......................................................... 4

1.2.2 Sự phóng điện không tự lực .......................................................................... 7
1.2.3 Sự phóng điện tự lực ..................................................................................... 10
1.3 Sự hình thành sét ........................................................................................................ 13
1.3.1 Sấm sét là gì? .................................................................................................. 13
1.3.2 Sự hình thành sét ............................................................................................. 14
1.4 Đặc điểm của các loại sét ........................................................................................... 16
1.4.1Cường độ dòng điện của một tia sét ................................................................ 16
1.4.2 Điện thế ........................................................................................................... 16
1.4.3 Các hiệu ứng về điện ...................................................................................... 17
1.4.4 Hiệu ứng lan truyền sét ................................................................................... 17
1.4.5 Hiệu ứng nhiệt ................................................................................................. 17
1.4.6 Hiệu ứng cơ ..................................................................................................... 17
1.5 Các loại sét phổ biến ................................................................................................... 17
1.5.1 Từ mây xuống đất ............................................................................................ 17
1.5.2 Từ đất lên mây ................................................................................................. 18
1.5.3 Mây và mây ..................................................................................................... 18
1.5.4 Sét khô ............................................................................................................. 19
1.5.5 Sét tên lửa ........................................................................................................ 19
1.5.6 Sét dương ......................................................................................................... 19
1.5.7 Sét hòn ............................................................................................................. 19
1.5.8 Sét thượng tầng khí quyển ............................................................................... 21
1.5.9 Sét dị hình (Sprites) ......................................................................................... 21
SVTH: Lê Hoàng Nhân

Trang i


Luận văn tốt nghiệp

GVHD: Ths Lê Văn Nhạn

1.6 Kích hoạt sét ............................................................................................................... 22
1.6.1 Tên lửa ............................................................................................................. 22
1.6.2 Núi lửa ............................................................................................................. 23
1.6.3 Laser ................................................................................................................ 23

Chương 2: Hậu quả do sét gây ra
2.1 Tác hại ........................................................................................................................ 24
2.2 Đối với công trình xây dựng ....................................................................................... 24
2.3 Các dạng tác động của sét đối với thiết bị nhảy cảm ................................................. 24
2.4 Tác hại đến con người ................................................................................................ 25
2.4.1 Sét có thể gây thương tích bằng các cách sau: ................................................. 25
2.4.2 Phá hỏng máy tính trung tâm ........................................................................... 28
2.4.3 Mồ hôi sôi lên, giày bị cháy thành than .......................................................... 28
2.4.4 Các dây thần kinh bị cháy như dây dẫn ........................................................... 29
2.4.5 Phomai chảy .................................................................................................... 29
2.4.6 Cầu chì mất tác dụng ....................................................................................... 30

Chương 3 Các phương pháp phòng chống sét
3.1 Phương pháp vòng Faraday ........................................................................................ 31
3.1.1 Vật dẫn mang điện .......................................................................................... 32
3.1.2 Nguyên tắc hoạt động ..................................................................................... 32
3.1.3 Lồng Faraday .................................................................................................. 33

3.2 Phương pháp chống sét truyền thống (hệ Franklin) ................................................... 33
3.2.1 Hệ Franlkin gắn thẳng .................................................................................. 34
3.2.2 Hệ Franlkin bao quanh hay nằm trên (hệ mắc xích hay lưới) ...................... 34
3.3 Phương pháp phòng chống sét không truyền thống ................................................... 34
3.3.1 Hệ phát xạ sớm ............................................................................................. 34
3.3.2 Hệ ngăn chặn sét (hệ tiêu tán năng lượng) ................................................... 34
3.3.3 Nguyên tắc hoạt động của thiết bị phân tán sét ............................................ 34
SVTH: Lê Hoàng Nhân

Trang ii


Luận văn tốt nghiệp

GVHD: Ths Lê Văn Nhạn

3.4 Hút sét bằng laser ....................................................................................................... 36
3.5 Phương pháp phòng chống tích cực ........................................................................... 36
3.6 Các phương pháp phòng chống sét bảo vệ con người ................................................ 36
3.7 Thiết bị chống sét ....................................................................................................... 38
3.7.1 Thiết bị chống sét là gì? ................................................................................ 38
3.7.2 Thiết bị chống sét ống (PT) .......................................................................... 39
3.7.3 Chống sét van ............................................................................................... 40
3.7.4 Chống sét VariSTAR UItraSIL ..................................................................... 42
3.7.5 Chống sét van từ ........................................................................................... 43
3.7.6 Van chống sét oxit kim loại .......................................................................... 44
3.7.7 Kim thu sét phóng điện sớm STORMASTER ............................................. 44
3.7.8 Kim thu sét Guarian .......................................................................................... 47
3.7.9 Hệ thống cảnh báo giông sét - ATSTORM v2 .............................................. 48

Chương 4: Bí ẩn, tìm năng ứng dụng
4.1 Bí ẩn ............................................................................................................................ 50
4.2 Nguồn tia X trong sét .................................................................................................. 54
4.3 Tiềm năng ứng dụng ....................................................................................................... 55
4.3.1 Năng lượng từ Sét ......................................................................................... 55
4.3.2 Dự báo tiến triển của bão ............................................................................ 56
4.3.3 Tạo Ozon ....................................................................................................... 56
4.3.4 Trong nông nghiệp ........................................................................................ 57

SVTH: Lê Hoàng Nhân

Trang iii


Luận văn tốt nghiệp

GVHD: Ths Lê Văn Nhạn

Phần: MỞ ĐẦU
1. LÝ DO CHỌN ĐỀ TÀI
1752, Benjamin Franklin đã làm một thí nghiệm kinh điển với con diều của
ông và ông đã kết luận rằng sét chính là điện. Từ đó đến nay các nhà khoa học đã
nghiên cứu và giải thích tương đối hoàn chỉnh về cơ chế hình thành của sét và tìm
cách khai thác cũng như hạn chế thiệt hại do Sét gây ra.
Sét là một hiện tượng tự nhiên và là nỗi kinh hoàn của con người. Chúng làm
thiệt hại về tài sản, về tính mạng của con người. Vì vậy trong những năm gần đây
các nước trên thế giới đã thành lập các trung tâm nghiên cứu Sét. Đặc biệt là năm 2003
NASA (cơ quan quản lý hàng không và không gian Hoa Kỳ) đã phóng hai vệ tinh
trên đó có gắn thiết bị nghiên cứu Sét.
Vật lý học là một ngành thuộc lĩnh vực tự nhiên và nhằm giải thích các vấn đề do tự

nhiên đặt ra một cách khoa học. Mục tiêu của người học vật lý là đem kiến thức học được
ứng dụng vào cuộc sống. Sét một hiện tượng tự nhiên mà vài thế kỷ trước con người đã
nghĩ rằng nó là một công cụ của một thế lực siêu nhiên nào đó. Và khi tiếp cận, tìm hiểu
về sét chúng ta luôn đặt cho mình những câu hỏi: Có phải đấng siêu nhiên đã sinh ra sét
hay không, hay nó đến từ đâu? và cái gì sinh ra nó? bản chất của nó là gì? Làm gì để hạn
chế tác hại do sét và khai thác những lợi ích tiềm năng mà nó mang lại,... Để hiểu rõ các
vấn đề trên và là một người giáo viên tương lai tôi muốn có thêm kiến thức về các hiện
tượng tự nhiên gần gũi, bổ sung cho bài giảng của mình để giúp học sinh thêm tin tưởng
và yêu thích học vật lý hơn, đó là lý do tôi chọn đề tài “Sấm sét và cách phòng chống”.

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 người khác.
Làm phong phú bài giảng cho học sinh.
Nắm được những thành tựu mới của con người trong công cuộc chống sấm sét.

1.2 Giới hạn của đề tài
Do không có điều kiện tham gia nghiên cứu về sấm sét cho nên em chỉ tìm hiểu
thông qua các tài liệu tham khảo.
2. Các phương pháp và phương tiện thực hiện đề tài
2.1 Phương pháp thực hiện đề tài
Nghiên cứu lý thuyết, phân tích, tổng hợp các tài liệu.
2.2 Phương tiện thực hiện đề tài.
Sử dụng sách báo và các loại tài liệu liên quan qua các thư viện khai thác thông
tin trên Internet.
3. Các bước thực hiện đề tài.
SVTH: Lê Hoàng Nhân

Trang 1

Luận văn tốt nghiệp

GVHD: Ths Lê Văn Nhạn

Bước 1: Nhận đề tài.
Bước 2: Nghiên cứu tài liệu liên quan đến đề tài.
Bước 3: Tiến hành viết đề tài và trao đổi với giáo viên hướng dẫn.
Bước 4: Viết báo cáo
Bước 5: Bảo vệ luận văn.

SVTH: Lê Hoàng Nhân

Trang 2


Luận văn tốt nghiệp

GVHD: Ths Lê Văn Nhạn

Phần: NỘI DUNG
Chương 1: LỊCH SỬ NGHIÊN CỨU SỰ HÌNH THÀNH VÀ ĐẶC
ĐIỂM CỦA CÁC LOẠI SÉT
1.1Lịch sử nghiên cứu

Hình 1.1 Benjamin Franklin làm thí nghiệm năm 1752 [19]
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 như các tia sét bằng
cách dựng lên một cái tháp có hình nón tại Philadelphia. Trong lúc chờ đợi cái tháp được

dựng xong ông nảy ra ý tưởng sử dụng một con diều. Trong cơn dông tiếp theo đó vào
tháng 6 năm 1752 ông đã cùng con trai của mình ra thử nghiệm. Ơng đã buộc một cái
chìa khóa vào đoạn cuối của dây diều và cắm nó xuống đất (ông đã buộc chìa khóa vào
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 đưa tay lại để buộc nó chặt hơn ngay lập tức một tia
sét đánh trúng con diều (vì ông trở thành vật dẫn điện). Sống sót sau thí nghiệm này ông
đã đưa ra kết luận rằng sét chính là điện
Franklin không phải là người duy nhất thí nghiệm với diều. Thomas-François
Dalibard cùng De Lors đã thực hiện cuộc thí nghiệm tương tự ở Marly-la-Ville
tại Pháp chỉ vài tuần trước 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 người 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 người khác bắt đầu thực
hiện lại nó. Tuy nhiên các cuộc thí nghiệm về sét rất nguy hiểm và đôi khi gây chết
người. Một trong những cái chết nổi tiếng nhất do bắt chước Franklin là của giáo
SVTH: Lê Hoàng Nhân

Trang 3


Luận văn tốt nghiệp

GVHD: Ths Lê Văn Nhạn

sư Georg Richmann tại Saint Petersburg, Nga. Ông đã tạo ra một hệ thống thu sét giống
như của Franklin, ông đã chạy về nhà khi nghe tiếng sấm lúc đang giảng bài tại học viện
khoa học. Ông chạy về với người thợ điêu khắc để có thể ghi lại sự kiện này. Ông đã đặt
một quả bóng thủy tinh lên một vòng kim loại gần như hoàn hảo cho một hệ thống thu lôi
thời đó nhưng lại quên gắn dây nối đất, kết quả theo báo cáo là khi sét đánh và chạy vào

vòng kim loại, 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 của từ thời của Benjamin Franklin đã chỉ ra rằng sét là
một sự phóng điện, các lý thuyết tìm hiểu về sét rất ít được 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 đưa vào phục vụ các kỹ sư 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 cuộn Telstra cùng các máy phát điện công suất cao đủ để tạo ra sét
đủ lớn để xem[17]

1.2 Dòng điện trong chất khí
1.2.1Sơ lượt về tính dẫn điện trong chất khí
Chất khí ở trạng thái tự nhiên
Chúng là những phân tử trung hòa, nhưng bằng cách nào đó ta làm cho các phân
tử khí xuất hiện các hạt mang điện tự do (tức là ion hóa chất khí) thì chúng trở thành chất
dẫn điện. Người ta gọi sự dẫn điện trong chất khí là sự phóng điện trong chất khí. Sự
phóng điện trong chất khí bao giờ cũng kèm theo sự xuất hiện hay mất đi các phần tử
mang điện (các electron hay các ion). Nếu quá trình ion hóa này xảy ra với những tác
nhân bên ngoài như: nhiệt độ, tia tử ngoại, tia rơnghen,...đây là những tác nhân ion
hóa, ta có sự phóng điện không tự lực. Ngược lại, nếu sự phóng điện xảy ra khi quá
trình biến đổi bên trong chất khí dưới tác dụng của điện trường ngoài, ta có sự phóng
điện tự lực
Thực nghiệm cho thấy sự phóng điện trong chất khí phụ thuộc vào bản chất hóa
học của chất khí, vị trí tương đối của các cực, nhiêt độ, ánh sáng,... Vì thế, sự phóng
điện trong chất khí là muôn hình, muôn vẻ, đặc biệt kèm theo sự phát quang và nổ.[1]
Quãng đường tự do trung bình của electron trong chất khí
Electron chuyển động trong chất khí sẽ va chạm với các nguyên tử và phân
tử khí. Có thể xác định quãng đường tự do trung bình của electron nhờ cách lập luận
như quãng đường tự do trung bình của các phân tử khí.

Quãng đường tự do trung bình của phân tử khí:


1
2 2 n0

Trong đó: n0 là số phân tử có trong một đơn vị thể tích.
  r  r , là đường kính hiệu dụng của 2 phân tử. Khi đó r và r' là bán kính hiệu dụng của
mỗi phân tử.
Từ công thức trên ta xét hai đặc điểm sau:
+ Do re << rpt nên có thể bỏ qua r' của electron so với r của phân tử     pt  r .
SVTH: Lê Hoàng Nhân

Trang 4


Luận văn tốt nghiệp

GVHD: Ths Lê Văn Nhạn

+Do me<< mpt nên vận tốc phân tử không đáng kể so với vận tốc electron vì thế trong
công thức  

1
2 2 n0

không còn 2 nữa

Vậy quãng đường tự do trung bình electron được tính bằng công thức  

1
r 2 n0

Trong đó: r là bán kính phân tử khí
Mặt khác ở nhiệt độ và áp suất không đổi, bán kính nguyên tử có thể coi là không đổi.
Mà ở nhiệt độ nhất định thì n0 tỷ lệ thuận với áp suất p của chất khí đó:
e p  const
Từ đó ta thấy rằng: quãng đường tự do trung bình của electron tỷ lệ nghịch với áp suất
chất khí ở nhiệt độ không đổi, nghĩa là áp suất càng nhỏ thì quãng đường tự do trung bình
của electron càng lớn
Đối với phân tử của một chất khí: r=r' =>  = 2r
Từ công thức tính quãng đường tự do trung bình của phân tử khí và công thức tính
quãng đường tự do trung bình của electron ta rút ra: e = 4 2   5,6
Quảng đường tự do trung bình của electron e (tính ra mét) ở 0oC.
Nếu sự va chạm mà electron năng lượng nhỏ, có nghĩa là electron chỉ truyền một phần
nhỏ năng lượng cho phân tử làm chất khí nóng lên mà không bị ion hóa. Nếu năng
lượng electron đủ lớn thì sự va chạm là không đàn hồi, sau khi va chạm phân tử nhận
năng lượng chuyển lên trạng thái kích thích và ion hóa.
Giữa hai lần va chạm, electron thu được năng lượng của chuyển động định hướng.
mv 2
 eU
2

Trong đó U là hiệu điện thế giữa hai lần va chạm.
Thí nghiệm chứng tỏ điều kiện ion hóa phân tử khí do va chạm với electron là:
mv 2
 Wi
2

Sự ion hóa xảy ra do va chạm giữa electron và phân tử , cũng có khi sự va chạm giữa ion

và phân tử nhưng chủ yếu là do eclectron vì quãng đường tự do trung bình
e của electron lớn hơn quãng đường tự do t rung bì nh  của ion nhiều nên
trên suốt quãng đường tự do của nó electron thu được động năng lớn hơn ion
Thật vậy thay U bằng E vào

mv 2
mv 2
 eU ta được:
 e E
2
2

Khối lượng ion xấp xỉ khối lượng phân tử nên muốn ion hóa phân tử thì ion cần một
động năng không phải bằng Wi mà phải lớn hơn Wi. Ta có thể chứng minh điều đó.
Gọi m là khối lượng hạt đi va chạm.
M là khối lượng phân tử.
Với v là vận tốc ban đầu của electron sơ cấp (vận tốc phân tử xem bằng 0). Giả sử sau
khi va chạm 2 hạt đều chuyển động cùng chiều với vận tốc u.
Định luật bảo toàn động lượng mv=(M+m)u
Động năng của hạt đi va chạm:

SVTH: Lê Hoàng Nhân

Trang 5


Luận văn tốt nghiệp

GVHD: Ths Lê Văn Nhạn
Nh

mv 2 (m  M )u 2
(m  M ) (mv) 2

 Wi 
 Wi
2
2
2
(m  M ) 2
mv 2
m
mv 2 M
(1 
)
2
mM
2 mM
2
mv
m

 (1  )Wi
2
M
 Wi 

Nếu hạt đến va chạm làà electron : me<Nếu hạt đến va chạm làà ion: mi=M thì

mv 2
 Wi
2

mv 2
 2Wi
2

Có nghĩa là nếu hạt đến va chạm
ạm là electron thì động năng bằng năng lượng
ợng ion hóa là có
thể ion hóa phân tử. Nếu hạt
ạt đến va chạm là ion thì động năng phải gấp
g 2 lần năng
lượng ion hóa. Nên sự ion hóa trong chất khí chủ yếu là do electron[2]
Năng lượng ion hóa
Chất khí cần nghiên cứu
c có áp suất khoảng 0,1-1mmHg được chứa
ch trong ống
thủy tinh. Trong ống có catốt
ốt K được đốt nóng, lưới G (là một điện cực
c được cấu
tạo bởi những sợi dây mảnh đan vào nhau) và colectơ C (cực góp).

Hình 1.2 N
Năng lượng ion hóa [18]
Lưới có điện thế dương so với
ới catot K
Lưới có điện thế dương so v
với catốt K. Colectơ có thế âm so với K, thế

th âm này khoảng: 0,5V đến -1V
e khi ấy các electron phát xạạ nhiệt từ K ra sẽ
Lưới
ới đặt cách K một khoảng nhỏ hơn
h
chuyển

động không va chạm trong không gian giữa K và lưới G. Nếu thế hiệu giữa
ữa K và G là U
thì mỗi electron đến lưới có độộng năng:

mv 2
 eU
2

Các electron sau khi được gia tốc trong không gian K-G, sẽ vượt
vư qua các khe
lưới vào khoảng không gian G
G-C, tại đây nó bị hãm lại và không đến C và điện thế của C
SVTH: Lê Hoàng Nhân

Trang 6


Luận văn tốt nghiệp

GVHD: Ths Lê Văn Nhạn
Nh

thấp hơn K. Khi đó, dòng điện

n qua điện kế bằng 0 (I=0). Nếu tăng dần hiệu
hi điện thế U
giữa lưới và K thì đến một lúc nào đó năng lượng electron bằng năng lượng
ng ion hóa. Các
electron có năng lượng lớn đủủ để ion hóa này đi vào không gian giữa lướ
ới và colectơ và
nhờ điện kế Đ ta phát hiện đư
được dòng điện, thành ra thế hiệu U nhỏ nhấtt giữa lưới và K
ứng với lúc kim điện kế bắt đầầu chỉ dòng điện chính là thế hiệu ion hóa Ui và năng lượng
ion hóa là Wi=eUi . Bằng nhiềều phương pháp khác người ta cũng đi đến kếết quả tương tự.
Bảng dưới đây cho ta giá trị năng lượng ion hóa đối với phân tử của một vài chất:

Chất khí

He

Ne

Ar

Hg

Na

K

Rb

Năng lượng ion hóa (eV)

24,5

21,5

13,9

10,4

5,12

4,32

1,68

1.2.2 Sự phóng điện không tự lực
Do quá trình tái hợp, khi ngưng tác nhân ion hóa trong chất khí không còn ion
nữa, sự dẫn điện sẽ ngưng, đó là sự phóng điện không tự lực.

Hình 1.3 Sự
S phóng điện không tự lực [18]
Ta khảo sát chất khí nằm ở hai cực điện phẳng song song chịu tác dụng liên tục bởi tác
nhân bên ngoài (tia X...). đầu tụ
ụ nối với nguồn  , đầu còn lại nối với điện kếế G.
Gọi n0 là số ion mỗi loại do tác nhân ion hóa trong một đơn vị thể tích trong một đơn
vị thời gian: số ion tái hợp tỷ lệ với số ion âm (-) và số ion dương (+) hiệện có.
Giả sử một thời điểm nào đó, trong một đơn vị thể tích V có n0 ion âm và n0 ion
dương thì số ion tái hợp trong một đơn vị thời gian.
Trong một đơn vị thểể tích b ằ n g
Trong đó  là hệ số tái hợp
SVTH: Lê Hoàng Nhân

,

n 0  n02

Trang 7


Luận văn tốt nghiệp

GVHD: Ths Lê Văn Nhạn

Khi không có dòng điện qua chất khí thì sự cân bằng giữa ion hóa và sự kết hợp được thực
hiện, khi đó ion mới sinh ra n0 bằng số ion mất đi n o' , tức là n 0  n 02
Vậy khi không có dòng điện đi qua chất khí, số ion cùng loại n0 trong đơn vị thể tích
bằng n0 

n0


Lúc đó số ion n0 có trong một đơn vị thể tích không biến đổi nữa.
Nếu tạo ra một điện trường có cường độ E giữa hai bản tụ điện thì dưới tác dụng của điện
trường này, các ion bắt đầu chuyển động sinh ra dòng điện. Bây giờ sự biến mất của ion
xảy ra không những do quá trình tái hợp của các ion trong bản thân khối khí mà còn do
sự trung hòa của các ion giữa hai điện cực.
Gọi I là cường độ dòng điện giữa hai điện cực.
S là diện tích của mỗi bản cực
d là khoảng cách giữa hai cực
q là điện tích của một ion
Trong một đơn vị thời gian số ion của mỗi kim loại giảm đi do sự chuyển dịch về

điện cực trong một đơn vị thể tích V là:

n o" 

Trong đó i 

I
I
i

 n o" 
qV qSd
qd

I
là mật độ dòng điện.
S

Như vậy khi có dòng điện, điều kiện cần là số ion mới sinh ra no bằng toàn bộ số ion
mất đi do quá trình tái hợp và do sự trung hòa chúng ở các điện cực, nghĩa là:
no  no2 

i
qd

Ta xét xem cường độ dòng điện trong chất khí bị ion hóa bởi nguồn ngoài phụ thuộc vào
thế hiệu giữa hai điện cực như thế nào?
Trường hợp 1: mật độ dòng i bé nghĩa là

i

 n o2
qd

 no  no2
 no 

n o


Trong trường hợp này số ion no trong một đơn vị thể tích không đổi. Gọi u+, ulần lượt là vận tốc của ion dương và ion âm. Trong một đơn vị thời gian có nou+S ion
dương đi tới K, nou-S ion âm đến A.
Đồng thời khoảng không gian gần K lại có nou-S ion âm rời xa K, có thêm nou+S
ion dương lẻ đôi chuyển động về K, nên tổng hợp ion dương đến K trong một đơn vị thời
gian no(u++u-)S, số ion âm xuất hiện trên A trong một đơn vị thời gian cũng bằng như
vậy.
Từ đó ta có mật độ dòng điện : i=qno(u++u-)S
Lý luận tương tự khi nghiên cứu chuyển động của ion trong chất điện phân, ta có
SVTH: Lê Hoàng Nhân

Trang 8


Luận văn tốt nghiệp

GVHD: Ths Lê Văn Nhạn
Nh

thể thừa nhận vận tốc chuyểnn đđộng của các ion tỉ lệ với cường độ điện trườ
ờng:
u   u o E

u   u o E

Trong đó u o , u o là mật độ linh động
đ
của ion dương và ion âm.
 i  n o q (u o  u o ) E

Vì q không đổi nên u o , u o không đ
đổi.
Từ biểu thức trên ta viết lại i  E (định luật Ohm)
Với   n 0 q (u o  u o ) là điện dẫẫn suất chất khí.
Trường hợp 2: i lớn sự mấtt đi trong quá tr
trình tái hợp có thể bỏ qua, nghĩa
ĩa là:
l
no2 

i
qd

 n o 

i
qd

Gọi ibh là mật độ dòng bbảo hòa thỏa mãn bất đẳng thứcc trên thì: ibh  no qd từ
biểu thức trên ta thấy mật độ dòng ibh không phụ thuộc vào cường độ điệện trường E; do
đó không phụ thuộc vào thế hi
hiệu V1-V2 giữa hai điện cực.
Mật độ dòng điện ibh lớn nếuu d càng llớn nghĩa là hai bản cựcc càng xa nhau. Kết

K luận này
chỉ đúng với điều kiện là sự ion hóa th
thực hiện trong tất cả khối lượng
ng khí giữa
gi hai bản
cực. Khi đó, với d càng lớn, tổ
ổng số ion xuất hiện càng lớn, khiến dòng điện
đi bão hòa ibh
tăng lên.

Hình 1.4 Biểểu đồ thể hiện sự thay đổi giá trị cường đồ
dòng điệnn [18]
Tóm lại, sự dẫn điện trong chấất khí bị ion hóa bởi nguồn ngoài, nếu i<dụng được định luật Ohm: mậật độ dòng điện tăng tỷ lệ với hiệu điện thếế V1-V2 đặt vào
hai điện cực. Nhưng với hiệu
u điện
đi thế V1-V2 lớn thì định luật Ohm
hm không còn đúng nữa
vì dòng điện đạt mức bão hòa.
oa là trường hợp 1 với cường
ng đđộ dòng điện bé.
bc là trường hợp 2 với cường
ng đđộ dòng điện bão hòa.
ab là giai đoạn trung gian, khi
hi đó I tăng theo U nhưng ch
chậm so với định luậật Ohm.
Sau giá trị Uc mật độ dòng điệện tăng nhanh bất thường của đoạn
n cd và df là do trong chất
ch
SVTH: Lê Hoàng Nhân

Trang 9


Luận văn tốt nghiệp

GVHD: Ths Lê Văn Nhạn
Nh

khí xuất hiện các điện tích tự do khác ngoài các đi
điện tích tạo
o ra do quá trình ion hóa. Sự
S
phóng điện này trở thành sự phóng điện
đi tự lực.[2]
1.2.3 Sự
ự phóng điện tự lực
Thác electron

Hình 1.5 Thác electron [18]
Giả sử dòng điện truyền
truy qua chất khí trong khoảng giữa hai bản
b điện cực
phẳng A và K, dưới tác dụng
ụng của tia tử ngoại (hay tia Rơngen). Từ K phát ra một
electron, giả sử trước khi va chạm nó đã thu được động năng lớn hơn hoặc bằng
năng lượng ion hóa, thì nó sẽẽ ion hóa các phân tử. Kết quả là làm xuất
xu hiện một
electron mới và một ion dương. Ion dương chuyển động về phía K còn electron về
phía A. Các electron tiếp tục

ục thu năng
lượng, sau lần ion hóa thứ 2 ta thu được 4 electron, lần 3 thu được 8 electron,...
Khi điện trường đủ mạnh, thực nghiệm cho ta thấy vận tốc electron gần
bằng 2.105m/s còn vận tốc ion dương v=2.103m/s (vận tốc electron gấp
ấp 100 lần ion
dương).
Như vậy ta có thể xem ion dương như đứng yên so với electron và quá trình
phóng điện khi đó chủ yếu gây ra bởi thác electron. Thác elctron lan truyền
truy nhanh đến
A để lại sau nó điện tích không gian gồm các ion dương, các ion này làm thay đổi
điện trường giữa hai cực.
Ta khảo sát định lượng
ợng quá trình này:
Gọi  là số cặp electron và ion được tạo ra trên một đơn vị đường
ờng đi (hệ số ion
hóa thể tích hay hệ số Tauxen 1).
Hệ số  phụ thuộc vào cường độ điện trường, vì năng lượng electron thu được
trên quãng đường tự do càng lớn
ớn khi E càng lớn.
Hệ số  phụ thuộc vào p của chất khí, bởi vì cặp electron tạo
ạo ra phụ thuộc
vào số lần va chạm của electron với phân tử trên một đơn vị đường đi.
Ta khảo sát cột chất khí nằm giữa hai điện cực, xác định số cặp electron và ion
trong bề dày dx cách K một kho
khoảng x.

SVTH: Lê Hoàng Nhân

Trang 10

Luận văn tốt nghiệp

GVHD: Ths Lê Văn Nhạn
Nh

Hình 1.6 Kh
Khảo sát cột chất khí nằm
giữa hai cực [18]
Một electron trên đoạn dx sẽ ttạo ra  dx cặp ion-electron. Nếu
có n electron thì số cặp tạo thành sẽ là:
dn  ndx


dn
 dx  ln(n)  x  C
n

Khi x  0  n  no ( no là số
ố electron phát ra từ K nhờ tác nhân ion hóa)  ln(no )  C
Hay ln

n
 x  n  n o e x
no

Khi khoảng cách giữa hai cựcc là d thì số
s electron đến A là:
n a  n o e ad (na lớn gấp nhiều lầần no)
Ví dụ: Trên một mét đường

ng đi, m
một electron làm phát sinh 300 cặp
p ion-electron
ion
(
-2
1
ng cách d=3cm=3.10 m thì một electron sơ cấp bay từ
ừ K sẽ làm xuất
  300m ) khoảng
hiện trên mặt A:
2

n a  e 300.3.10  e 9  10 4

Nghĩa là số electron tăng lên
ên một
m vạn lần nhờ thác electron.
Điều
ều kiện phát sinh sự phóng điện tự lực
Sự
ự phát sinh thác electron trong chất khí, vẫn ch
chưa phải là sự
ự phóng điện tự lực,
ad
vì giả sử n a  n o e , nếu no=0 thì na  0 , nghĩa là khi ngắt
ắt tác nhân ion hóa thì
th dòng điện
đến
ến A cũng tắt. Muốn sự phóng điện trở th

thành tự lực thì phải làm
àm sao thác electron tạo
t ra
điều kiện duy trì của
ủa nó, nghĩa là
l trong chất khí phải xảy ra liên tục
ục thác electron mới
thay thế cho electron đi về A.
Sự phát sinh electron th
thứ cấp từ K dưới tác dụng bắn phá của các ion dương là
một quá trình quan trọng đểể duy trì thác electron. Nếu ion dương trong quá trình
chuyển động đến K thu được
ợc năng lượng đủ để thắng công thoát thì nó có thể bứt
electron ra khỏi K. Khi đó ta có sự phóng điện tự lực.
SVTH: Lê Hoàng Nhân

Trang 11


Luận văn tốt nghiệp

GVHD: Ths Lê Văn Nhạn

Nếu gọi  là hệ số ion hóa mặt (hệ số Tauxen thứ 2). Nó cho ta biết bao nhiêu
electron thứ cấp bức ra từ K khi một ion dương đến đập vào K. Hệ số  phụ thuộc vào
vận tốc ion và bản chất chất làm K.
Ta chứng minh rằng phải có đồng thời hai quá trình trên (sự ion hóa thể tích lẫn
sự ion hóa mặt) mới xảy ra sự phóng điện tự lực.
Gọi n1 là số electron toàn phần bay từ K đến A, số electron đến A sẽ bằng
n a  n1 e d

Số lượng electron phát sinh trong thác sẽ là n a  n1  n1 (e d  1)
Vậy số ion dương phát sinh trong thác sẽ là n1 (e d  1)
Các electron này đi về K làm K phát ra n1 (e d  1) electron thứ cấp.
Số ion này cộng với no electron bứt ra từ K trong 1s nhờ tác nhân ion hóa thì rõ
ràng là bằng số n1 electron toàn phần và do đó:
no  n1 (e ad  1)  n1  n1 

no
1   (e d  1)

Thay vào biểu thức n a  n1e ad  n a 

n o e d
1   (e d  1)

Điều kiện để có sự phóng điện tự lực (na  0 khi no=0), tức là 1   (e d  1)  0
hay  (e d  1)  1
Khi đó na sẽ có khả năng tăng vô hạn ngay cả giá trị nhỏ nhất của no và tác nhân ion hóa
trở nên không cần thiết cho sự phóng điện và sự phóng điện chuyển từ không tự lực sang
tự lực.
Thường thì  lớn, khi ấy e d  1 , hay điều kiện để có sự phóng điện tự lực có thể viết
dưới dạng e d  1 biểu thức này là ngưỡng của sự phóng điện tự lực.
Định luật Pasen
Ta đã biết sự phóng điện tự lực chỉ bắt đầu ở một điện thế nào đó (điện thế cháy
hay còn gọi là điện thế nổ).
Dựa vào thực nghiệm Pasen đã đưa ra định luật sau: “Đối với mỗi chất khí nếu
độ dài khoảng phóng điện d và áp suất khí p biến đổi sao cho tích pd của chúng không
thay đổi thì độ lớn của điện thế cháy giữ nguyên không đổi”
Nghĩa là Ud=f(pd)

Từ đây ta rút ra: nếu p giảm đi bao nhiêu lần thì khoảng cách 2 cực tăng lên bấy
nhiêu lần và hiệu điện thế nổ Ud không thay đổi.
Trong điện trường đều ta lại có: Ud=Ed
Nếu Ud=const, khi d tăng thì E giảm cho nên trong chất khí với áp suất thấp ta
chỉ cần cường độ điện trường nhỏ đã có thể duy trì sự phóng điện tự lực.
Giải thích định luật Pasen:

SVTH: Lê Hoàng Nhân

Trang 12


Luận văn tốt nghiệp

GVHD: Ths Lê Văn Nhạn
Nh

Hình 1.7 Đồ thị giải thích định luật Pasen [18]
Khi p thấp  e lớn
ớn => e vẫn có thể dự trữ đủ năng lượng
l ợng để ion hóa phân tử khí ngay cả
khi điện trường tăng tốc có cường
ờng độ nhỏ ttương ứng.
Từ Ud=f(pd) ta có đường
ờng cong Pasen
Từ
ừ đồ thị ta thấy đối với mỗi chất khí có một giá trị pd ứng với cực tiểu của một điện thế
cháy, được gọi là giá trị tối ưu, sự
s phóng điện tự lực sẽ khó khăn hơn vì Ud lớn. Do đó ta
thường dùng các hỗn

ỗn hợp khí để làm
l giảm điện thế cháy.
Ví dụ: Ne + 0,1% Ar, giá trị tối ưu của pd khoảng 20-30mmHg.cm
30mmHg.cm ứng với
hiệu điện thế cháy cực tiểu 200V.
Sự phóng điện hình tia trong chất khí
Trong sự phóng điện thành miền ta thấy: với hiệu điện thế không lớn,
l
sự phóng
điện bắt đầu xảy ra khi giảm áp suất chất khí giữa hai điện cực đến một giá trị nào đó.
Bây giờ nếu áp suất chất khí bằng áp suất khí quyển, ta tăng dần hiệu điện thế giữa
hai điện cực. Khi hiệu điện th
thế đạt một giá trị nào đó ta thấy xuất hiện tia lửa điện. Tia
lửa điện xuyên qua khoảng không gian phóng điện rất nhanh rồi tắt, song lại xuất
hiện tia lửa khác. Ta thấy một
ột mạch lửa nhỏ và rất sáng nối liền hai đện
ện cực, thường
có dạng dích dắc và có rất nhiều
ều nhánh.
Trong sự phóng điện hình tia ta quan sát thấy các thác electron tạo thành các
ống dẫn điện, vận tốc lan truyền
truy thác electron nhỏ hơn vận tốc tạo thành ống dẫn
điện. Điều có liên quan đến ssự quang ion hóa chất khí. Các nguyên tử bị kích thích
bởi các thác electron sẽ phát ra các photôn. Những photôn này vì chuyển
chuy động với
vận tốc ánh sáng nên vượt qua thác và ion các nguyên tử trên đường lan truyền.
truy
1.3 Sự hình thành sét
1.3.1 Sấm sét là gì?
Sét là tia lửa điện khổng

ổng lồ phát sinh do sự phóng điện giữa các phần tử mang
điện tích lớn, trái dấu lại gần nhau.
Ví dụ: các đám mây tích điện trái dấu hoặc giữa một đám mây tích điện với đất.
Đôi khi, Sét cũng được tạo ra bởi những cột tro trong những vụ phun trào núi lửa hoặc
trong những trận cháy rừng ddữ dội tạo ra một làn khói đặc đủ để dẫn điện...
ện...
SVTH: Lê Hoàng Nhân

Trang 13


Luận văn tốt nghiệp

GVHD: Ths Lê Văn Nhạn
Nh

Khi phóng điện trong khí quyển tia sét có thể di chuyển với tốc
t độ
36.000 km/h và đạt tới nhi
nhiệt 30.000 °C (54.000 °F) đủ để biến cát silica thành thủy
tinh, những viên đá được tạo ra bởi sét đánh vào cát gọi là fulgurite (thườ
ờng nó có dạng
hình ống do sét di chuyển vào lòng đất).

Hình 1.8 Sấm sét [19]

1.3.2 Sự hình thành sét

Hình 1.9 S
Sơ đồ tóm tắt quá trình hình thành sét

Dông là hiện tượng x
xảy ra chủ yếu vào mùa hạ liên quan đến sự
s phát triển
mạnh mẽ của đối lưu nhiệt và các nhiễu động khí quyển. Dông được đặt
ặt trưng bởi
SVTH: Lê Hoàng Nhân

Trang 14


Luận văn tốt nghiệp

GVHD: Ths Lê Văn Nhạn
Nh

sự xuất hiện những đám mây dông hay mây tích vũ (Cumulonimbus) có độ
đ dầy từ 10
÷ 16 Km, tích tụ một lượng nư
nước và tạo ra những điện thế cực mạnh.
Trong thực tế sự hình thành các cơn dông gắn liền với sự xuất hiện
hi của những
luồng không khí khổng lồ từ m
mặt đất bốc lên. Các luồng không khí này được
đư hình thành
do sự đốt nóng bởi ánh sáng mặt trời, đặc biệt ở các vùng cao (dông nhiệt)
nhi hoặc do sự
gặp nhau của những luồng không khí nóng ẩm với không khí lạnh (dông Front). Sau
khi đã đạt được độ cao nhất định (khoảng vài ki-lô- met trở lên – vùng nhiệt độ âm),
luồng không khí ẩm này bị lạạnh đi – hơi nước ngưng tụ thành những giọt
gi nhỏ li ti hay

các tinh thể băng và tạo thành những đám mây dông.
Các đám mây giông đư
được tích điện là do các điện tích đượcc phân tách ra khi các
hạt nước và hạtt băng trong đám mây giông ccọ sát vào nhau, sau đó chủ yếu
u do đối
đ lưu mà
các hạt điện tích dương dồn hấất về phía đỉnh đám mây, còn các điện tích
ích âm về
v phần chân
đám mây. Hai miền điện
n tích khác dấu
d
của đám mây giông cũng giống
ng như hai bản
b tụ
điện khổng lồ. Không khí ở gi
giữa chúng là chất cách điện, lúc đầu
u ngăn cho các điện
đi tích
chạy lại gặp nhau và nâng dần
n hi
hiệu điện thế giữa hai cực của bản tụ điện.
n. Giữa
Gi phần chân
của đám mây giông và mặt đấtt tích đi
điện (do hưởng ứng tĩnh điện) cũng làà một
m tụ điện với
không khí cách điện nằm ở giữ
ữa hai bản tụ. Hiệu điện thế giữa hai bản tụ
ụ điện đủ lớn để

đánh thủng chất điện
n môi (không khí gi
giữa hai bản) thì có tia lửaa (sét) phóng qua.

Hình 1.10 Sơ
S đồ minh họa hình thành sấm sét [19]
Ngoài ra khoảng
ng không gian bên dư
dưới đám mây thường có mộ
ột lớp điện tích
dương gọi là điệnn tích không gian vì vvậy giữa phần
n chân đám mây mang điện
đi điện âm và
lớp điện tích dương này lạii hình thành một
m điện trường
ng riêng và chính điện
đi trường này
làm phát sinh mộtt tia sét ban đ
đầu gọi là dòng tiên đạo di chuyển xuống
ng đất
đ với vận tốc
khoảng
ng 150km/s. Kênh tiên đđạo là một dòng plasma mật độ điện khoảảng 1013  1014
ion/m3, một phần điện
n tích âm ccủa mây dông tràn vào kênh và phân bố tương đối
đ đều dọc
theo chiều dài của nó. Thờii gian phát tri
triển của tia tiên đạo mỗi đợt trung
ng bình kéo dài
khoảng 1s. Thời gian tạm

m ngưng gi
giữa hai đợt khoảng 30s-90s. Đường
ng đi của
c tia tiên đạo
trong thời gian này không phụ
ụ thuộc vào tình trạng mặt đất và các vậtt trên mặt
m đất. Cho
đến khi tia tiên đạo đạt đến độ
ộ cao định hướng thì mới bị ảnh hưởng bởii các vùng điện
đi
SVTH: Lê Hoàng Nhân

Trang 15


Luận văn tốt nghiệp

GVHD: Ths Lê Văn Nhạn

tích tập trung dưới mặt đất.
Trong quá trình phát triển xuống đất, dòng tiên đạo sẽ mang theo một điện thế rất
lớn sẽ ion hóa lớp không khí trên đường đi của nó nơi nào có cách điện không khí yếu thì
dòng tiên đạo sẽ phát triển về hướng đó vì vậy ta thấy dòng tia sét đi xuống không phải là
đường thẳng mà thường là đường ngoằn ngoèo, phân nhánh. Ngoài ra do hiệu ứng cảm
ứng điện nên phần mặt đất nằm bên dưới đám mây dông sẽ mang một lượng điện tích
dương. Lượng điện này sẽ phân bố trên các vật có khả năng dẫn điện như nhà cửa, công
trình, cây cối, trụ điện…, vật nào dẫn điện càng tốt thì điện tích phân bố trên vật đó càng
lớn và điện trường của nó càng mạnh so với các vật xung quanh. Vì vậy, khi dòng tiên
đạo phát triển xuống gần tới mặt đất thì nó sẽ chọn vật có điện trường mạnh nhất để đánh
vào mà ta gọi là phóng điện sét, nơi tiếp xúc của chúng gọi là kênh sét. Người 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 được nối đất tốt, đặt cao hơn công trình
cần bảo vệ để hướng sét đánh vào đó mà không phóng vào công trình
Khi tia tiên đạo hướng xuống gần mặt đất hay tia tiên đạo hướng lên, thì trong
khoảng cách khí ở giữa đó cường độ điện trường tăng cao gây 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 điện tích được gọi là gia 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 20.000 0C và
do đó ta thấy nó sáng chói lên (cũng được gọi là chớp). Dưới tác dụng của nhiệt độ này,
lớp không khí xung quanh sét bị giãn nở gây ra tiếng nổ lớn mà ta gọi là sấm. Do vận tốc
của ánh sáng lớn hơn hàng triệu lần so với vận tốc của âm thanh nên ta thấy ánh sáng
chớp trước rồi sau một lúc mới nghe thấy tiếng sấm.

1.4 Đặc điểm của các loại sét
1.4.1Cường độ dòng điện của một tia sét
Cường độ dòng điện của một tia sét thường nắm trong khoảng 2.000A đến
200.000 A. Thống kê các giá trị này trong thiên nhiên theo phân bố như sau:
1% Các tia sét đánh vượt quá 200.000A
10% các tia sét đánh vượt quá 80.000A
50% các tia sét đánh vượt quá 28.000A
90% các tia sét đánh vượt quá 8.000A
99% các tia sét đánh vượt quá 3.000A
Dòng điện hầu hết các tia sét đánh xuống đất là từ các phân tử mang điện tích âm
trong các đám mây dông và như vậy tia sét là dòng các điện tích âm từ mây xuống mặt
đất. Cũng có các phần tử mang điện tích dương, nhưng ít thường xuyên hơn. Về chiều
dòng điện là dòng điện một chiều tăng vọt trong khoảng thời gian không đến 10s đối với
tia sét mang điện tích âm (đối với tia sét mang điện tích dương thời gian này dài khá
nhiều), sau đó giảm dần đến một giá trị nhỏ, đối với một tia sét đơn trong khoảng thới
gian 100s hoăc nhỏ hơn.

1.4.2 Điện thế
Trước khi hiện tượng phóng điện xảy ra, điện thế của khối cầu tích điện có thể
ước tính sơ bộ bằng giả thiết điện tích Q là 100C và bán kính hình cầu tương đương
khoảng 1km. Do đo điện dung của cả khối vào khoảng 10-7F. Từ công thức Q = CV, điện
thế sẽ được tính vào khoảng 109V. Điều này có nghĩa điện áp ban đầu ở đám mây là trên
SVTH: Lê Hoàng Nhân

Trang 16


Luận văn tốt nghiệp

GVHD: Ths Lê Văn Nhạn

100MV.
1.4.3 Các hiệu ứng về điện
Khi cường độ dòng điện bị tiêu hao qua điện trở của phần cực nói đất của hệ
thống chống sét, nó sẽ tạo ra sự tụt điện áp kháng và có thể làm tăng tức thới 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 điến thế cao có thể gây nguy hiểm cho người và động vật. Tương tự
như vậy cũng cần lưu 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 tượng 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.
1.4.4 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 vơi 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 được tiêu hao qua các thiết bị lắp đặt bên trong
như đường ống hoặc dây dẫn và như vậy sẽ dẫn đến rủi ro cho người sống trong nhà cũng

như kết cấu công trình.
1.4.5 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 cường độ dòng điện cao nhưng thời gian xảy ra là rất ngắn nên
ảnh hưởng về nhiệt độ trong hệ thống bảo vệ là rất nhỏ. Nói chung, diện tích cắt ngang
của dây dẫn sét được 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 1o C. Ví dụ như, với dây dẫn đồng có tiết
diện 50 mm2 , một cú sét đánh 100kA với thời gian là 100μs sẽ giải phóng ít hơn 400J
trên 1m dây dẫn, dẫn đến độ tăng nhiệt độ khoảng 1o C, Nếu dây dẫn là thép thì độ
tăng này cũng ít hơn 10o C.
1.4.6 Hiệu ứng cơ
Khi một dòng điện có cường độ cao được tiêu tán qua các dây dẫn đặt song
song gần nhau hoặc dọc theo một dây dẫn duy nhất nhưng 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 30.000K và sự giãn nở đột ngột không khí xung
quanh đường dẫn sét xuống đất. Đây là do, khi độ dẫn điện của kim loại được thay thế
bởi độ dẫn cùa một vòng cung, năng lượng sẽ tăng lên 100 lần. Một năng lượng lớn nhất
khoảng 100MW/m có thể được 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. Tương tự như vậy, với
hiệu ứng lan truyền sét của sét trong công trình, sóng xung kích có thể gây ra các hư hại
cho kết cấu.

1.5 Các loại sét phổ biến
1.5.1 Từ mây xuống đất
Đây là loại được biết đến nhiều nhất và thường xuyên xảy ra thứ hai trong các
kiểu sét. Trong tất cả các loại sét đây là loại đe dọa đến tính mạng, tài sản nhiều nhất vì
chúng đánh thẳng xuống đất. Sét đánh từ mây xuống đất là hiện tượng trao đổi điện tử
giữa các đám mây tích điện và mặt đất. Nó được tạo ra bởi các luồng điện tử di chuyển
SVTH: Lê Hoàng Nhân

Trang 17


Luận văn tốt nghiệp

GVHD: Ths Lê Văn Nhạn

xuống mặt đất từ trong các đám mây[3]

Hình 1.11 Sét từ mây xuống đất [19]
1.5.2 Từ đất lên mây
Loại sét này được hình thành khi các luồng điện tử bắt đầu di chuyển giữa mặt
đất và đám mây phía trên. Nó hình thành khi các luồng ion mang điện tích âm của các
đám mây bắt đầu di chuyển xuống gần sát mặt đất thì các ion mang điện tích dương bên
dưới bắt đầu tập hợp lại các chỗ nào đó cao, dễ dẫn điện và phóng lên trên để nối vào
luồng ion âm đang di chuyển xuống dưới chính nó quyết định tia sét sẽ đánh vào đâu khi
sét đánh xuống đất. Vì có rất nhiều tia sét ion dương hình thành khi luồng ion âm tiến
xuống tia nào nối được vào luồng ion âm sẽ dẫn cả tia sét vào chỗ mà nó phóng ra, vì thế
nó giống như một dây câu sét mà nơi mà nó xuất phát là cần câu vì thế nơi xuất phát nào
cao hơn thì tỉ lệ nối được vào luồng ion âm trước sẽ cao vì thế sét thường hay đánh vào
những nơi cao, nhưng đôi khi nơi thấp hơn nhưng dễ dẫn điện hơn sẽ tạo ra dây dẫn dài
hơn và nhanh hơn nên sẽ nối vào luồng ion âm trước các dây dẫn xuất phát từ những nơi
cao hơn nhưng dẫn điện kém hơn và mang cả tia sét vào khu vực thấp.[3]
Thường thì loại sét này xuất hiện khá mờ nhạt và rất nhanh nhưng rất nhiều, đôi
khi các điện tích dương này sẽ tự phóng lên đám mây mang điện tích âm phía trên nếu
chúng đủ mạnh và sẽ tạo thành sét mà không cần luồng ion âm di chuyển xuống gần mặt
đất. Khi các ion dương tập trung với mật độ đủ cao nó sẽ làm cho nơi mà nó tập trung
phát sáng, các thủy thủ thường nói với nhau rằng cột buồm sẽ phát sáng trước khi sét
đánh xuống trong các cơn bão ban đêm để tránh xa nó trước khi bị sét đánh.
1.5.3 Mây và mây

Đây là hiện tượng trao đổi điện tử giữa các đám mây với nhau mà không phải đi
xuống đất. Nó xảy ra khi đám mây tích điện tử có tiềm năng tạo sét lại gần hay va vào
nhau, môi trường tích điện trong hai đám mây bị xáo động hơn là khi chỉ trong một đám
mây, hai đám mây sẽ cố gắng lấy lại sự cân bằng ion bằng cách trao đổi các ion này với
nhau. Nó tạo ra hiệu điện thế dẫn đến việc tạo ra các luồng ion xáo động di chuyển qua
lại bên trong đám mây tạo ra sét. Đây là loại sét thường gặp nhất.[3]

SVTH: Lê Hoàng Nhân

Trang 18


Luận văn tốt nghiệp

GVHD: Ths Lê Văn Nhạn

1.5.4 Sét khô
Đây là loại sét được tạo thành mà không cần có độ ẩm. Nó thường hình thành
trong các trận cháy rừng dữ dội. Hay các cột tro núi lửa bốc lên rất cao và bắt đầu hình
thành sét như các đám mây tích điện thường làm. Khi mà tầng trên lạnh và dưới mặt đất
nóng một sự đối lưu sẽ diễn ra mang theo cả các ion dương từ dưới mặt đất sẽ hấp dẫn
các ion âm tập trung lại và di chuyển xuống đất theo làn khói dẫn điện. Chính vì thế lửa
có thể tạo ra sét và sét sẽ tạo ra thêm lửa (thảm họa).[3]
1.5.5 Sét tên lửa
Một sự phóng điện từ đám mây với nhau nó thường di chuyển theo chiều ngang
mà sự di chuyển này có thể trông thấy được bằng mắt thường, xuất hiện thường
xuyên.[3]
1.5.6 Sét dương
Là một loại sét xuất hiện ngay cả khi bầu trời hoàn toàn quang đãng hay chỉ có
vài đám mây nhỏ. Nó còn được biết với tên "Sét từ bầu trời xanh" vì tính chất của nó.

Không giống như các loại sét bình thường khác nó được hình thành từ các ion dương và
xuất hiện từ vùng đỉnh của tầng đối lưu hơn là ở các nơi khác gần mặt đất trong đám
mây. Nó sẽ đi ngang qua bầu trời nhiều dặm trước khi tìm thấy và đi vào đám mây tích
điện âm bên dưới hay tiếp tục đánh xuống đất nơi có điện tích âm tăng vọt một cách bất
thường, tỉ lệ xuất hiện loại sét này chỉ khoảng 5%. Vì quãng đường mà nó di chuyển cực
xa vì thế điện áp của nó cao hơn 6-10 lần cũng như di chuyển xa và lâu hơn 10 lần các tia
sét thông thường[3]
Vì đặc tính cũng như sức mạnh của chúng và rất khó có thể cảnh báo sự xuất
hiện của loại sét này mà nó càng trở nên nguy hiểm hơn. Cho đến thời điểm hiện tại
không một máy bay nào có thể còn tồn tại được sau khi bị nó đánh trúng. Sự tồn tại cũng
như độ nguy hiểm của loại sét này vẫn không được biết đến cho đến năm 1999 sau khi
một chiếc tàu lượn bị đánh trúng và bị phá hủy hoàn toàn đã được xác định là do loại sét
này gây ra. Thông tư hướng dẫn AC 20-53A được thay thế bởi thông tư hướng dẫn AC
20-53B năm 2006. Tuy nhiên vẫn chưa rõ những qui định an toàn mới có thể bảo vệ các
máy bay khỏi loại sét này hay không.
Sét dương có thể là nguồn gốc của các loại sét thượng tầng khí quyển. Nó thường xuất
hiện trong các cơn bão tuyết, bão tuyết điện hay khoảng kết thúc của một cơn dông.
1.5.7 Sét hòn
Sét hòn có thể là hiện tượng phóng điện trong không khí, đặc tính tự nhiên của
loại này vẫn còn đang gây tranh cãi. Từ sét hòn thường được dùng để chỉ các vật phát
sáng hình cầu bay lơ lửng có kích cỡ từ hạt đậu cho đến vài mét. Nó đôi khi xuất hiện
trong các cơn dông, không giống như các tia sét chỉ xuất hiện với một vệt dài và biến mất
sau đó sét hòn có hình cầu bay lơ lửng và tồn tại trong nhiều giây. Sét hòn chỉ được kể lại
bởi các nhân chứng chứ không hề được ghi hình lại bởi các nhà khí tượng. Các tài liệu
khoa học về sét hòn rất hiếm vì chúng thường xuất hiện bất ngờ và hiếm. Sự tồn tại của
nó chỉ được kể lại bởi các nhân chứng nên đôi khi bị thêm thắc khiến nó phần nào không
phù hợp.[4]

SVTH: Lê Hoàng Nhân

Trang 19