intTypePromotion=1
zunia.vn Tuyển sinh 2024 dành cho Gen-Z zunia.vn zunia.vn
ADSENSE
 » 
 » 

Luận văn thạc sĩ khoa học: Điện khí quyển và phương án chống sét cho khu dân cư

Chia sẻ: Trang Lê | Ngày: | Loại File: PDF | Số trang:85

Thêm vào BST
Báo xấu
97
lượt xem 12
download
 
  Download Vui lòng tải xuống để xem tài liệu đầy đủ

Mục tiêu đề tài: phân tích bản chất của điện khí quyển và cơ chế hình thành dông sét, lựa chọn được phương án chống sét tối ưu và lựa chọn thiết bị chống sét hiệu quả cho một công trình cụ thể, sản phẩm đạt được là chương trình tính toán chống sét được viết bằng ngôn ngữ Matlab.

Chủ đề:

Bình luận(0) Đăng nhập để gửi bình luận!

Lưu

Nội dung Text: Luận văn thạc sĩ khoa học: Điện khí quyển và phương án chống sét cho khu dân cư

  1. LUẬN VĂN THẠC SĨ KHOA HỌC MỤC LỤC MỤC LỤC........................................................................................................1 THUẬT NGỮ VÀ ðỊNH NGHĨA ..................................................................3 MỞ ðẦU..........................................................................................................5 Chương 1. TỔNG QUAN VỀ ðIỆN KHÍ QUYỂN ...................................................7 1.1. ðiện khí quyển khi thời tiết tốt ...........................................................................7 1.1.1. Trường ñiện của Trái ðất ............................................................................7 1.1.2. Ion khí quyển và sự dẫn ñiện của không khí .............................................10 1.1.3. Dòng ñiện toàn cầu ....................................................................................14 1.2. ðiện dông ...........................................................................................................16 1.2.1. Sơ lược về lịch sử nghiên cứu ...................................................................16 1.2.2. Mây dông ...................................................................................................17 1.2.3. Quá trình nhiễm ñiện .................................................................................18 1.2.4. Hoạt ñộng phóng ñiện................................................................................20 1.2.5. Các phương pháp chống sét.......................................................................25 Chương 2 TIÊU CHUẨN CHỐNG SÉT CHO CÔNG TRÌNH XÂY DỰNG ......27 2.1. Xác ñịnh cấp bảo vệ và vùng bảo vệ .................................................................27 2.1.1. Xác ñịnh tần số sét ñánh vào công trình....................................................27 2.1.2. Vùng bảo vệ...............................................................................................29 2.2. Các bộ phận cơ bản của hệ thống chống sét .....................................................32 2. 2.1. Bộ phận thu sét .........................................................................................32 2.2.2. Dây xuống..................................................................................................32 2.2.3. Mạng nối ñất ..............................................................................................34 2.3. Vấn ñề nối ñẳng thế, khoảng cách an toàn và bảo trì hệ thống chống sét .........35 2.3.1. Nối ñẳng thế và khoảng cách an toàn ........................................................35 2.3.2. Kiểm tra và bảo trì .....................................................................................37 CHƯƠNG 3. LẬP TRÌNH TÍNH TOÁN CHỐNG SÉT BẰNG MATLAB ..........39 3.1. Cơ sở thuật toán ................................................................................................39 3.1.1. Cơ sở thuật toán xác ñịnh cấp bảo vệ ........................................................39 3.1.2. Cơ sở lập trình tính toán ñiện trở tiếp ñất..................................................40 3.1.3. Phương pháp tính toán số bao hóa chất ñể giảm ñiện trở ñất....................43 3.2. Viết chương trình ...............................................................................................43 3.2.1. Tổng quan ..................................................................................................43 3.2.2. Cách sử dụng .............................................................................................46 Chương 4 . TÍNH TOÁN CHỐNG SÉT CHO MỘT CÔNG TRÌNH CỤ THỂ ......50 4.1. Giới thiệu sơ lược khu hiệu bộ và khu ký túc xá trường ðại học Tây Nguyên .50 4.1.1. Giới thiệu sơ lược ñịa bàn chứa công trình ...............................................50 1
  2. LUẬN VĂN THẠC SĨ KHOA HỌC 4.1.2. ðặc ñiểm khu hiệu bộ và khu kí túc xá trường ðại học Tây Nguyên .......50 4.1.3. Lựa chọn phương án chống sét..................................................................51 4.2. Tính toán cấp bảo vệ và lựa chọn thiết bị chống sét cho các khu ......................52 4.2.1. Xác ñịnh cấp bảo vệ cho các khu ..............................................................52 4.2.2. Giới thiệu hệ thống chống sét 3000...........................................................53 4.2.3. Lựa chọn thiết bị........................................................................................56 4.3. Lắp ñặt hệ thống chống sét cho công trình ........................................................57 4.3.1. Giới thiệu phần mềm Benji hỗ trợ thiết kế chống sét................................58 4.3.2. Hướng dẫn lắp ñặt hệ thống chống sét trực tiếp cho các khu....................62 4.3.3. ðo ñiện trở suất của ñất .............................................................................63 4.3.4. Thiết kế hệ thống tiếp ñất cho các khu ......................................................68 KẾT LUẬN VÀ KHUYẾN NGHỊ ................................................................71 TÀI LIỆU THAM KHẢO..............................................................................72 Phụ lục I Bản ñồ mật ñộ sét trung bình năm của Việt Nam.....................................74 Phụ lục II Tiêu chuẩn về kích thước vật liệu của hệ thống chống sét.......................75 Phụ lục III Các bảng hệ số sử dụng của hệ thống tiếp ñất ........................................78 Phụ lục IV. Các ñoạn mã chương trình tính toán chống sét .....................................80 2
  3. LUẬN VĂN THẠC SĨ KHOA HỌC THUẬT NGỮ VÀ ðỊNH NGHĨA 1. Dông sét: Sét là sự phóng ñiện trong khí quyển. Sự phóng ñiện có thể xảy ra giữa các phần trong một ñám mây, giữa các ñám mây hoặc giữa ñám mây với mặt ñất (hoặc mặt biển). Cường ñộ dòng sét lên ñến hàng trăm KA. Dông: là hiện tượng thời tiết bao gồm sự phóng ñiện giữa các ñám mây (chớp) hoặc giữa ñám mây và mặt ñất (sét), kèm theo gió mạnh và mưa lớn. Dông sét: là cụm từ chỉ dông nhưng nhấn mạnh vai trò của sét. 2. Vùng bảo vệ: Là thể tích mà trong ñó một dây dẫn sét tạo ra khả năng chống sét ñánh thẳng bằng cách thu hút sét ñánh vào nó. 3. Mật ñộ phóng ñiện sét Ngm: Là số lần phóng ñiện sét trên một km2 trong một năm. Một lần phóng ñiện sét thông thường có vài lần phóng ñiện lặp lại. 4. Thiết bị dẫn sét tạo tia tiên ñạo (ESE): ESE là từ viết tắt tiếng anh Early Streamer emission. ðầu thu sét tạo tia tiên ñạo là loại ñầu thu sét bao gồm một kim thu sét cùng với một loại thiết bị ñặc biệt có khả năng tạo ra một ñường dẫn sét chủ ñộng về phía trên nhanh và cao hơn các kim loại thông thường. 5. Hiệu ứng corona: Là hiện tượng dây dẫn bằng kim loại nhọn ñược nối ñất ñặt trong khu vực có ñiện trường mạnh sẽ có hiện tượng các ñiện tích bị bứt ra ngoài không gian từ ñiểm nhọn của dây dẫn ñó. 6. Quá trình phát ra ñường dẫn sét: Là hiện tượng vật lý giữa sự khởi ñầu của hiệu ứng Corona ñầu tiên và sự lan truyền một ñường dẫn sét về phía trên. ∆T): 7. ðộ lợi về thời gian tạo tia tiên ñạo (∆ ðại lượng ∆T là ñộ lợi về thời gian tạo ñường dẫn sét chủ ñộng về phía trên của ñầu thu sét loại tia tiên ñạo so với các loại kim thu sét thông thường ở trong cùng một ñiều kiện. 8. Thanh nối cân bằng thế: Là những thanh kim loại dùng ñể nối tất cả các thành phần kim loại tiếp xúc với ñất nằm trong công trình, các vỏ máy, vỏ cáp thông tin, ñiện lực... với hệ thống chống sét. 9. Khoảng cách an toàn: Là khoảng cách tối thiểu mà không xảy ra sự phóng ñiện nguy hiểm. 10. Dây dẫn sét: 3
  4. LUẬN VĂN THẠC SĨ KHOA HỌC Là một phần của hệ thống chống sét dùng ñể dẫn dòng sét vào ñất qua một hệ thống nối ñất. 11. Hệ thống nối ñất: Là một hoặc nhóm các vật dẫn ñược chôn sâu trong ñất nhằm tản dòng sét vào ñất. 12. ðiện cực ñất: Là một hàng, một nhóm các ñiện cực của hệ thống nối ñất mà tiếp xúc trực tiếp với ñất và có tác dụng tản dòng sét vào ñất. 13. Cực nối ñất mạch vòng: Cực nối ñất tạo ra một vòng khép kín xung quanh công trình ở dưới hoặc trên bề mặt ñất, hoặc ở phía dưới hoặc ngay trong móng của công trình. 14. Cực nối ñất tham chiếu: Cực nối ñất có thể tách hoàn toàn khỏi mạng nối ñất ñể dùng vào mục ñích ño ñạc kiểm tra. 15. ðiện trở của hệ thống nối ñất: Là ñiện trở giữa ñiểm kiểm tra của hệ thống nối ñất và ñất. 16. Cấp bảo vệ: Là mức ñộ bảo vệ của hệ thống chống sét ñối với công trình. 17. Vùng tập trung tương ñương Ac: Là diện tích mặt phẳng trên mặt ñất có khả năng bị số lần sét ñánh giống như công trình ở cùng một ñiều kiện. 18. MATLAB: MATLAB là từ viết tắt của Matrix Laboratory, có nghĩa là phòng thí nghiệm ma trận, một môi trường tính toán số và lập trình, ñược thiết kế bởi công ty MathWorks. 4
  5. LUẬN VĂN THẠC SĨ KHOA HỌC MỞ ðẦU Dông sét là hiện tượng phóng ñiện trong khí quyển giữa các ñám mây và mặt ñất. Hoạt ñộng dông sét gây ảnh hưởng trực tiếp ñến kinh tế - xã hội, gây thiệt hại lớn về người và tài sản. Ở Ấn ðộ, ngày 04/01/2005,15 người bị sét ñánh chết. Ngày 21/05/2005, Sét ñánh ở Burundi làm 6 người bị chết. Ngày 18/12/2005, một máy bay Nhật Bản bị sét ñánh khi tiếp ñất. Ngày 20/11/2006, ở Colombie, sét làm chết 5 người và bị thương 28 người. Khoảng 10 người bị chết ở Pháp mỗi năm và 10000 gia súc bị sét ñánh. Dông sét ñốt rừng làm kiệt quệ tài nguyên và phá hoại môi sinh. Từ năm 1938 ñến 1939, trên ñất nước Liên Xô (cũ) người ta thống kê ñược sét gây ra 6.000 vụ cháy rừng. Sét phá nhà cửa, công trình kiến trúc, gây hỏa hoạn và ñổ nát. Năm 1769 ở Ý, sét ñánh vào một kho vũ khí làm toàn kho bị nổ và thành phố Brecsia bị phá hủy hoàn toàn và có khoảng 3000 người chết. Cao ốc Empire States ở Mỹ cao 400m có năm, thống kê có tới 48 lần bị sét ñánh. Công ty bảo hiểm Mỹ hàng năm phải bồi thường ñến 500 triệu USD cho thiệt hại do sét. Sét phá hoại các công trình bưu chính viễn thông và ngành ñiện lực. Các ñường dây truyền tải ñiện có thể bị sét ñánh thẳng hay sét lan truyền từ dây dẫn vào phá hoại các thiết bị tiêu thụ ñiện trong nhà và công sở. Nước ta nằm ở tâm dông Châu Á, một trong ba tâm dông thế giới có hoạt ñộng dông sét mạnh. Theo tạp chí Bưu chính viễn thông số: 3/1999: năm 1997 ở bưu ñiện Long An, sét ñánh 8 lần, phá hỏng hai máy thu phát viba. Năm 1998 sét ñánh vào mạng Thông tin viễn thông khắp cả nước 149 lần gây thiệt hại hàng tỷ ñồng. Năm 1990, sét ñánh vào máy biến áp 110/35/10KV trạm trung gian Sơn Tây, sét lan truyền ñánh vào trạm T2 Bắc Ninh làm ñứt dây gây ngắt mạch và nổ máy cắt 35kV. Tuy nhiên, việc nghiên cứu dông sét của nước ta hiện nay còn ở giai ñoạn ñầu và kém xa các nước phát triển. Với tình hình biến ñổi phức tạp của khí hậu toàn cầu hiện nay, diễn biến dông sét cũng phức tạp, gần ñây có nhiều cú sét ñánh xuống khu dân cư gây thiệt hại lớn về người và tài sản, gây tâm lý hoang mang cho dân chúng ở một số ñịa phương. 5
  6. LUẬN VĂN THẠC SĨ KHOA HỌC Trên thực tế, trong lĩnh vực phòng chống sét, nhiều loại máy móc thiết bị chống sét ñược bán trên thị trường mà hiệu quả còn chưa rõ ràng. Qua khảo sát của các công trình nghiên cứu cho thấy khi thiết kế lắp ñặt, người thi công không chú trọng tới việc khảo sát ñiện trở suất của ñất, không chú ý tới phạm vi bảo vệ của kim thu sét, nối ñất theo kinh nghiệm với nhiều cọc ñóng thẳng gây lãng phí, việc bố trí dây dẫn sét còn ñặt nặng vấn ñề thẩm mỹ nên vi phạm các tiêu chuẩn kỹ thuật và gây mất an toàn… Từ những lý do trên, người thiết kế cần thiết phải có kiến thức khoa học về ñiện khí quyển và kỹ thuật phòng chống sét tiên tiến. ðề tài: “ðiện khí quyển và phương án chống sét cho khu dân cư” góp phần giải quyết các vấn ñề nêu trên. Mục tiêu nghiên cứu của ñề tài: Phân tích bản chất của ñiện khí quyển và cơ chế hình thành dông sét. Lựa chọn ñược phương án chống sét tối ưu và lựa chọn thiết bị chống sét hiệu quả cho một công trình cụ thể. Sản phẩm ñạt ñược là chương trình tính toán chống sét ñược viết bằng ngôn ngữ Matlab. Phạm vi và ñối tượng nghiên cứu: ðối tượng nghiên cứu: cơ chế hình thành mây dông và sét; nghiên cứu phương án chống sét cho công trình khu hiệu bộ và ký túc xá ðại học Tây Nguyên. Phạm vi nghiên cứu: nghiên cứu khí quyển tầng thấp, lựa chọn phương án chống sét ñánh thẳng cho công trình. Giả thuyết nghiên cứu: Nếu nghiên cứu rõ cơ chế hình thành và bản chất của dông sét, vận dụng các tiêu chuẩn chống sét và khai thác các phần mềm hỗ trợ sẽ ñề ra ñược phương án chống sét tối ưu cho công trình và tiết kiệm ñược chi phí khi thiết kế. Phương pháp nghiên cứu: Phương pháp nghiên cứu lý thuyết: nghiên cứu ñiện khí quyển ñể hiểu cơ chế hình thành dông sét, nghiên cứu tiêu chuẩn chống sét làm cơ sở cho tính toán thiết kế chống sét. Phương pháp thực nghiệm: ño kích thước của các công trình ký túc xá ðại học Tây Nguyên, khảo sát ñiện trở suất của ñất ở các vị trí tiếp ñất của hệ thống chống sét. 6
  7. LUẬN VĂN THẠC SĨ KHOA HỌC Chương 1. TỔNG QUAN VỀ ðIỆN KHÍ QUYỂN 1.1. ðiện khí quyển khi thời tiết tốt [7][12][13][16] 1.1.1. Trường ñiện của Trái ðất Trong nhiều nghiên cứu ño ñạc hệ thống ñiện trường tại nhiều ñiểm trên mặt ñất, cường ñộ ñiện trường ñược tính qua biểu thức: E = − gradV = −∇V (1.1) Trong ñó V là ñiện thế có ñơn vị là Volt (V) E là cường ñộ ñiện trường ñơn vị là V/m, hay còn gọi là gradient ñiện thế. - Gradient ñiện thế: Gradien ñiện thế (PG- Potential Gradient) là một ñại lượng quan trọng của ñiện khí quyển ñược nghiên cứu khá rộng rãi. Khi thời tiết tốt và không khí không nhiễm bẩn bởi những hạt son khí (aerosol), biến thiên ngày ñêm của PG từ năm 1903 – 1904 ở Lapland do Simson (1906) biểu diễn ở Hình 1.1. Sự biến thiên PG theo quy luật: biên ñộ của PG một chu kỳ ngày ñêm lớn nhất vào mùa ñông và nhỏ nhất vào mùa hè. Hình 1.1. Biến thiên PG một ngày ñêm trong năm ở Lapland Những quan sát tại Karasjok ở Lapland của Simpson (1905) và tại Cape Evans ở Nam cực (Simpson, 1919) chỉ ra rằng sự biến ñổi của PG ở hai trường hợp chỉ ñơn giản cùng một cực ñại trong hai thời ñiểm khác nhau. Cả hai trường hợp ño 7
  8. LUẬN VĂN THẠC SĨ KHOA HỌC ñạc ñều ở trong ñiều kiện thời tiết tốt và bỏ qua ảnh hưởng của ion lớn (large ions). Hoffmann (1923) chỉ ra rằng PG có giá trị cực ñại như nhau trong hai trường hợp ñó thực ra cùng một lúc, trong khi ñó thời gian ñịa phương (local time) hai nơi là khác nhau. Sau ñó không lâu, Mauchly (1923) cũng nghiên cứu PG trên biển cùng kết quả trong ñiều kiện thời tiết tốt. Hình 1.2 biểu diễn các ñường PG ñã ñược so sánh với giá trị trung bình (mean). ðường cong Carnegie biểu diễn sự biến thiên ngày ñêm của PG trên tất cả các ñại dương (All ocean). ðường cong Maud biểu diễn sự biến thiên ngày ñêm của PG trên Bắc băng dương (Arctic ocean). Biên ñộ PG cực tiểu lúc bình minh và cực ñại vào khoảng 19: 00 GMT. Phần trăm giá trị trung Thời gian quốc tế (GMT) Hình 1.2. Biến thiên một ngày ñêm của PG trên ñại dương Vôn Schweidler (1929) ñã tổng hợp kết quả ño ñạc về cường ñộ ñiện trường của 57 bóng thám không (balloon) trên bầu trời Châu Âu và ñề xuất biểu thức thực nghiệm: E(z) = 90.e-0,0035.Z + 40e-0,00023.Z (1.2) E tính bằng V/m và z là ñộ cao tính bằng m Tính một vài giá trị cường ñộ ñiện trường: * với z = 0 km thì E = 130 V m-1 * với z = 10 km thì E = 4 V m-1 * với z = 50 km thì E ≈ 0 V m-1 8
  9. LUẬN VĂN THẠC SĨ KHOA HỌC Nhận xét: Ở mặt ñất, cường ñộ ñiện trường lớn nhất bằng 130V/m, trên cao 50km ñiện trường gần như bằng không (minh họa ở Hình 1.4). Vậy cường ñộ ñiện trường của Trái ðất giảm theo ñộ cao. - Cấu trúc ñiện của Trái ðất: Sử dụng ñịnh lý Gauss ñể tính tổng ñiện tích của Trái ðất. Nội dung của ñịnh lý Gauss ñược phát biểu như sau: Thông lượng ñiện trường qua một mặt kín bằng ñiện tích bên trong mặt ñó chia cho hằng số ñiện ε0. Hình 1.3. Bề mặt của Gauss Hình 1.4. Cấu trúc ñiện của Trái ðất Q int ∫∫ E o n dS = εo (1.3) E o .n = − E o (1.4) Q int − E o ∫∫ dS = (1.5) εo ∫∫ dS = 4π R 2 (1.6) Trong ñó Eo là cường ñộ ñiện trường của trường ñiện ñều, R là bán kính của quả cầu Gauss, Qint là ñiện tích bên trong quả cầu. Với Eo = 130V/m, R = 6378 km, ε0 = 8,85 × 10-12 F m-1 Suy ra ñiện tích của Trái ðất: Qint = - 4π ε0 R2 E0 = -590000 C Nhận xét : Trái ðất mang ñiện tích âm, khí quyển chứa các ñiện tích dương ở 50 km ñầu tiên, trên ñộ cao 50 km khí quyển trung hòa về ñiện (Hình 1.4). - Mật ñộ ñiện tích trong khí quyển: 9
  10. LUẬN VĂN THẠC SĨ KHOA HỌC Sử dụng phương trình Poisson ñể tính mật ñộ ñiện tích của khí quyển. Ta có: ρ div E = εo (1.7) Vì E phụ thuộc chiều cao nên ρ phụ thuộc chiều cao z : ρ = ε o div E = 2,9.e-0,0035.Z + 0,08e-0,00023.Z x 10-12 (1.8) (ρ tính bằng C m-3 và z tính bằng km) Ví dụ: Ở mặt ñất : ρ = 2,88×10-12 C m-3 Ở ñộ cao 10 km: ρ = 8,1×10-15 C m-3 1.1.2. Ion khí quyển và sự dẫn ñiện của không khí - Sự hình thành ion trong không khí: Sự tồn tại của ion trong khí quyển là nguyên nhân cơ bản của khí quyển có tính chất ñiện. Khái niệm ion dương và ion âm (các loại hạt tải của khí quyển) ñược ñặt bởi J.Elster và H. Geitel (1899) và ñã giải thích ñược tính dẫn ñiện của không khí. Chúng ta ñã biết có ba loại ion chính: ion nhỏ (small ions), ion loại trung (intermediate ions) và ion loại lớn (large ions). Quan trọng nhất là ion loại nhỏ. Ion nhỏ là sản phẩm của quá trình phân tử không khí hấp thụ bức xạ. Có ba nguồn chủ yếu của hạt có năng lượng cao ñể gây ra ion: ñồng vị phóng xạ (radon isotopes), tia vũ trụ và bức xạ gamma từ Trái ðất. Trên bề mặt châu lục, quan trọng nhất là sự ion hóa từ hoạt ñộng phóng xạ của ñồng vị phóng xạ cùng với bức xạ gamma. Sự ion hóa từ tia vũ trụ luôn luôn thường trực chiếm 20% của quá trình ion hóa. Sự ion hóa tăng theo ñộ cao. ðộ cao (km) Số ion sinh ra trên một mét khối trong một giây Hình 1.5. Tốc ñộ sản sinh ion phụ thuộc vào ñộ cao 10
  11. LUẬN VĂN THẠC SĨ KHOA HỌC Hình 1.5 biểu diễn tốc ñộ ion sản sinh ra do tia vũ trụ là một hàm của ñộ cao do Wählin ñề xuất (1994). Tốc ñộ sản sinh của ion ngay mực nước biển khoảng 10 triệu cặp trên một mét khối trong một giây (107m-3s-1). Tuy nhiên, ñến ñộ cao mà tốc ñộ sản sinh ra ion 109 m-3s-1 thì tốc ñộ này bắt ñầu tăng chậm theo ñộ cao. - ðo lường bằng xilanh (cylindrial condenser): Một hệ thống ống xilanh với nguyên tắc làm việc ñơn giản, chúng ñược sử dụng ñể ño ñộ linh ñộng của ion (Zeleny, 1900), ñếm số ion (Ebert, 1901) và ñiện dẫn suất của không khí (Gerdien, 1905). Hệ thống ống gồm: một xilanh rỗng bán kính a, một ống xilanh nhỏ ñặt ñồng trục có bán kính b (hình 1.6). Không khí ñược thổi vào giữa hai xilanh bằng quạt hoặc bằng bơm với vận tốc U. ðặt một thế hiệu (bias) giữa hai xilanh tạo một ñiện cực ngoài (outer electrode) và một ñiện cực phía trong (central electrode). Nguồn ñiện ñược nối qua một ñiện kế nhạy (electrometer) ñể ño dòng ñiện. 2a 2b Hình 1.6. Ống Gardien Gọi V là hiệu ñiện thế giữa hai ñiện cực, cường ñộ ñiện trường tại ñiểm cách trục của các xilanh một khoảng r : V E= (1.9) r log e a / b Goi ω là ñộ linh ñộng của ion thì ñộ di chuyển nhỏ của ion trong thời gian dt là dr = ωEdt dr r log e a / b.dr dt = = (1.10) ωE ωV Tổng thời gian ñể ion ñi hết khoảng không từ xilanh ngoài ñến xilanh trong là (a 2 − b 2 ) log e a / b t= (1.11) 2 ωV 11
  12. LUẬN VĂN THẠC SĨ KHOA HỌC Trong thời gian này, khối không khí di chuyển một khoảng cách là U.t dọc theo ống. Nếu khoảng cách này nhỏ hơn ñộ dài của ống xilanh phía trong (L), toàn bộ ion chuyển ñộng bên trong ñược ghi nhận. Ta có ñiều kiện sau: 2ωVL U < L/t ⇒ U < (1.12) ( a 2 − b 2 ) log e a / b Nếu U lớn hơn giá trị này (L/t), chỉ một phần ion sẽ ñến xilanh bên trong, những ion này sẽ bắt ñầu ñến gần tới trục hơn và khoảng cách tới hạn R ñược xác ñinh bởi biểu thức: U ( R 2 − b 2 ) log e a / b = 2 ω VL (1.13) Khối khí chuyển ñộng với vận tốc không ñổi U, thể tích khối khí thổi qua ống trong một giây là Uπ (a 2 − b 2 ) U ( a 2 − b 2 ) log e a / b Vì vậy ñộ linh ñộng lớn hơn lượng sau : ω > 2VL Nếu gọi n là mật ñộ ion (số ion trên 1 m3 không khí) thì số ion di chuyển qua ống trong thời gian 1 s là: nU π ( a − b ) 2 2 Dòng ñiện ño ñược là nUπ (a 2 − b 2 )e , trong ñó e là ñiện tích của một ion. Dòng ñiện phụ thuộc vào hiệu ñiện thế theo ñịnh luật Ôm, nhưng khi ñến một ñiều kiện hiệu ñiện thế nào ñó thì không tuân theo ñịnh luật Ôm (vì khi tăng hiệu ñiện thế lên nhưng số ion có hạn nên sẽ cho dòng ñiện bão hòa) (Hình 1.7). Dòng ñiện (i) Dòng ñiện bão hòa ðiện thế (V) Hình 1.7. Dòng ñiện trong chất khí chứa ion Ví dụ : U = 2m/s, L = 30cm, a bằng 1cm hoặc 2cm, b bằng vài mm và V = 200V thì t = 10-2/ω (s), trong ñó ω là ñộ linh ñộng của ion. Giá trị của ñại lượng L/t cho ion nhỏ là 30m/s và 0,03m/s cho ion lớn. Nếu ta tăng V, giảm U và U thỏa mãn ñiều kiện nhỏ hơn 0,03m/s thì ta có thể ghi nhận ñược cả ion nhỏ và ion lớn. Bằng 12
  13. LUẬN VĂN THẠC SĨ KHOA HỌC cách này, Nolan, Boylan và De Sachy (1925) trước tiên ñếm cả hai loại ion rồi ño riêng rẽ loại ion nhỏ sau ñó xác ñịnh ion lớn bằng phép trừ. - ðiện dẫn suất của không khí: Gọi n+ và n- lần lượt là số ion dương và ion âm trên 1 m3 không khí. ðiện dẫn suất tổng cộng của không khí: λ = λ+ + λ- = e(ω+n+ + ω-n-) (1.14) Trong ñó ω+, ω- là ñộ linh ñộng của ion dương và ion âm PG và ñiện dẫn suất quan hệ với nhau theo ñịnh luật Ôm : j = λ.E (1.15) 2 j là mật ñộ dòng ñiện trong cột không khí thẳng ñứng (A/m ), E là cường ñộ ñiện trường (V/m). Các nhà khoa học sử dụng bóng thám không (balloon) ñể nghiên cứu sự thay ñổi của ñiện dẫn suất của không khí. Sử dụng dữ liệu ño ñạc từ bóng thám không Explore II (Gish và Sherman, 1936), Gish (1944) giới thiệu khái niệm ñiện trở của cột khí quyển (columnar resistance) và tìm thấy ñiện dẫn suất thay ñổi theo ñộ cao. Gish (1944) ñề xuất biểu thức thực nghiệm của ñiện trở suất phụ thuộc vào ñộ cao: γ = (2,94e-0,00452Z + 1,39e-0,00375Z + 0,369e-0,000121Z) x1013 (1.16) γ là ñiện trở suất của khí quyển (ñơn vị Ω.m), ñiện dẫn suất bằng nghịch ñảo của ñiện trở suất λ = 1/γ. Từ dồ thị biểu diễn của ñiện dẫn suất tăng theo ñộ cao (Hình 1.8), ta thấy rằng: khi thời tiết có nắng gắt, ñiện dẫn suất tăng nhanh hơn khi thời tiết có nắng nhẹ. Hình 1.8. ðiện ñẫn suất thay ñổi theo ñộ cao Từ biểu thức thực nghiệm trên (1.16), các nhà khoa học ñã tính ñược ñiện trở cột Rc = 1,2.1017 Ωm2. 13
  14. LUẬN VĂN THẠC SĨ KHOA HỌC 1.1.3. Dòng ñiện toàn cầu Mô hình cổ ñiển dòng ñiện toàn cầu (the global circuit) ñược ñề nghị bởi C.T.R Wilson (1920,1929). Dòng ñiện toàn cầu phát sinh từ sự cân bằng giữa ñiện tích sinh ra trong vùng có thời tiết bị xáo ñộng và dòng ñiện toàn cầu của ion nhỏ ñi vào vùng có thời tiết tốt. ðiện thế của tầng ñiện ly (ionosphere potential) gây ra một dòng ñiện chạy qua ñiện trở cột thẳng ñứng của tầng ñối lưu (troposphere) và tầng bình lưu (stratosphere). - ðiện thế của tầng ñiện ly : ðiện thế V1 của tầng ñiện ly so với gốc ñiện thế (ở mặt ñất) ñược tính : z1 V1 = ∫ E ( z ) dz 0 (1.17) E(z) ñược ño bằng sensor ñặt trên bóng thám không hoặc máy bay. ðộ dẫn ñiện của không khí tăng thực chất ở trên tầng ñối lưu. Sự tăng nhiệt ñộ trên bề mặt Trái ðất dẫn ñến sự ñối lưu mạnh mẽ hơn, ñiều này làm tăng ñiện thế của tầng ñiện ly V1 (Price, 1993) và có thể ñề nghị một phương pháp gián tiếp của sự dự báo nhiệt ñộ trên bề mặt Trái ðất. Những thu thập nghiên cứu của Mülheisen (Budyko, 1971) ở ðức từ năm 1959 ñến 1972 ñã cung cấp những dẫn chứng quan trọng cho mô hình dòng ñiện toàn cầu và những thay ñổi của ñiện thế tầng ñiện ly ở các ñịa phương. Hình 1.9 chỉ ra sự so sánh của V1 ở Weissenau (Germany) và ðại Tây Dương (ñược nghiên cứu trên tàu Meteor) với PG ở Lerwich. ðo ñạc này do Mülheisen và Fischer tiến hành ở hai thời ñiểm 17 tháng 3 và ngày 2 tháng 4 năm 1969. ðiện thế của tầng ñiện ly và PG ñều có các biên ñộ lớn nhất vào các ngày 20 và 21 tháng 3; các biên ñộ này giảm dần và thấp nhất vào những ngày cuối tháng 3 và những ngày ñầu tháng 4. Hình 1.9. ðiện thế của tầng ñiện ly ở các nơi so với PG ở cùng chu kỳ thời gian 14
  15. LUẬN VĂN THẠC SĨ KHOA HỌC - Mật ñộ dòng ñiện: Mật ñộ dòng ñiện có mối quan hệ với ñiện trở cột khí quyển trên một ñơn vị diện tích Rc và ñiện thế V1 của tầng ñiện ly: V1 j= (1.18) Rc j là mật ñộ dòng ñiện (A/m2), Rc là ñiện trở cột. Tại bề mặt Trái ðất, dòng j có thể ñược xác ñịnh như dòng ñiện ñi từ bầu khí quyển vào ñất. Ví dụ khi thời tiết tốt, ñề xuất của Israël (1953) V1 = 270 kV và Rc = 1017 Ωm2 thì j = V1/Rc = 2.7.10-12 A/m2 Dòng ñiện i = j.ST = 2.7.10-12 x 4π(6400.103)2 ≈1400 A Hình 1.10. Mạch ñiện tương ñương của Trái ðất Trái ðất nhận ñược các ñiện tích dương, nó phóng ñiện trong thời gian t = |QT| / i = 590000/1400 ≈ 421 s. ðiện tích của nó vẫn giữ nguyên không ñổi nhờ hoạt ñộng dông sét. Như vậy hệ thống cầu hình thành bởi tầng ñiện ly bao xung quanh Trái ðất làm thành một cái tụ có ñiện dung và tạo thành mạch RC tích và phóng có hằng số thời gian τ khoảng 7 phút. Ta có thể ñưa ra mạch ñiện tương ñương cho Trái ðất ñược minh họa ở Hình 1.10. Vậy, Gradient ñiện thế của Trái ðất khi thời tiết tốt biến thiên theo chu kỳ ngày, cực ñại vào lúc vừa tối và cực tiểu vào lúc bình minh. Cường ñộ ñiện trường Trái ðất giảm theo ñộ cao. Tính dẫn ñiện của khí quyển quyết ñịnh chủ yếu bới các ion nhỏ và ñiện dẫn suất tăng theo ñộ cao. 15
  16. LUẬN VĂN THẠC SĨ KHOA HỌC 1.2. ðiện dông[3][4][7][17][18][19] 1.2.1. Sơ lược về lịch sử nghiên cứu Tiếng sét trong thần thoại là sự ñem ñến sợ hãi cho con người bởi sức mạnh của tự nhiên. Người Hy Lạp kinh sợ sét và coi nó như là sự gào thét của thần Zớt. Những tên cướp ở Bắc Âu (thế kỷ VIII và X) cho rằng sét ñược sinh ra bởi ông Thor bằng cách lấy cái búa ñánh vào ñe, chúng ñược chở bằng xe ngựa băng qua những ñám mây. Bộ lạc Bắc Mỹ tin rằng sấm sét sinh ra là do tiếng vỗ của ñôi cánh phát sáng của con chim huyền bí. Ngày nay, khoa học ñã giải thích sét thông qua thực nghiệm ño ñạc thay cho những khái niệm trực giác và huyền bí ñó. Tia lửa kèm theo tiếng nổ phát ra từ máy ñiện và chai Leyden là những thí nghiệm ñầu tiên của Hanksbee, Newton, Wall, Nollet và Gray. Các ông ñã chỉ ra rằng sấm sét là do sự phóng ñiện. Năm 1708, tiến sĩ William Wall là một trong những người ñầu tiên quan sát tia lửa ñiện giống với tia sét thu nhỏ. Giữa thế kỷ 18, Benjamin Franklin chỉ ra rằng hiện tượng phóng ñiện trong khí quyển về cơ bản không khác với tia lửa ñiện. Tháng 7 năm 1750, Franklin giả thiết rằng ñiện năng có thể lấy ñược từ một ăng ten cao với một ñầu nhọn. Vào năm 1952, Thomas-Francois Dalibard dựng một cột sắt cao 12 m tại Marly-la-Ville (gần Paris), bắt ñược tia lửa nổ (detonating sparks) khi ñám mây ñi qua. Tháng 5 năm 1752, Thomas-Francois Dalibard khẳng ñịnh lý thuyết của Franklin ñúng. Franklin ñã nêu ra sự giống nhau giữa tia lửa ñiện và sét: - Cả hai phát ra ánh sáng màu giống nhau - Chúng di chuyển nhanh chóng - Dẫn ñược trong kim loại, nước và nước ñá - Nấu chảy kim loại và bắt lửa ñối với chất dễ cháy - Có mùi “lưu huỳnh” (mà ngày nay ta biết là mùi của ôzôn) - Ngọn lửa Sant-Elma tương tự với sự phóng ñiện phát sáng. - Có thể dùng kim nhọn ñể thu. Tháng 6 năm 1752, Franklin làm thí nghiệm nổi tiếng về sét bằng diều. Thí nghiệm này ñược lập lại bởi Romass, ông ñã lấy ra tia lửa từ sợi dây kim loại dài 2,7m. Với việc sáng chế ñiện kế xách tay và bình ngưng của Kenvin thế kỷ 19, việc ño lường ñạt ñộ chính xác cao. H.H.Hoffert (1888) nhận biết sét ñánh thẳng bằng camera và công bố trong tác phẩm “Intermittent Lightning – Flashes”. J. Elster và H. Geitel làm việc trên máy phát xạ electron nhiệt và ñã ñề xuất lý thuyết giải thích cấu trúc ñiện dông (1885). Bằng cách ñó có thể xác ñịnh rõ ion dương và ion âm luôn tồn tại trong khí quyển. F.Pocket (1897-1900) ước tính cường ñộ dòng sét bằng cách phân tích ánh sáng của chớp. Nghiên cứu sét bằng kỹ thuật ño lường hiện ñại 16
  17. LUẬN VĂN THẠC SĨ KHOA HỌC của C.T.R Wilson ñã ñánh giá ñược cấu trúc của ñiện dông gồm cả phóng ñiện sét. Wilson ñược giải thưởng Nobel với phát minh ra bình mây (Cloud Chamber). ðịnh vị phóng ñiện từ không gian bằng vệ tinh dùng kỹ thuật OTD (Optical Transient Detector) và LIS (Lightning Imaging Sensor) (Christian, 1999; Christian et al., 2003). Bằng phương tiện này Christian ñã chỉ ra rằng 78% hoạt ñộng sét tập trung ở giữa vĩ ñộ 300 vĩ Nam và 300 vĩ Bắc. Châu Phi là nơi tập trung sét lớn nhất thế giới và tỉ số về sét ñánh trên ñất liền so với sét ñánh trên biển là 10:1 (Christian, 2003). Tiến sĩ Nguyễn Xuân Anh, trưởng Phòng Vật lý khí quyển, Viện Vật lý ñịa cầu, khuyến cáo vào mùa mưa, người dân phải chú ý tới sét, hiện tượng này thường xảy ra do sự phát triển bất thường của khí hậu. Việt Nam là một trong 3 vùng có hoạt ñộng sét mạnh nhất thế giới, với mức trung bình 80 ñến 90 ngày dông trong năm. Các tỉnh hay bị sét nhất là Hòa Bình, Hải Dương, Hà Tĩnh và ñồng bằng sông Mekong. Dông kèm theo mưa lớn và sét xuất hiện thường xuyên ở Việt Nam vào tháng 5 ñến tháng 9. Việc nghiên cứu và dự báo dông sét ở Việt Nam gần ñây ñược cải thiện một cách ñáng kể, nhờ việc lắp ñặt một hệ thống quan sát gồm 8 trạm trên cả nước. Viện Vật lý ñịa cầu ñã ñưa ra dự báo rủi ro sét cho người dân. 1.2.2. Mây dông Dông là hiện tượng xảy ra chủ yếu vào mùa hè liên quan ñến sự phát triển mạnh mẽ của ñối lưu nhiệt và các nhiễu ñộng khí quyển. Dông ñược ñặt trưng bởi sự xuất hiện những ñám mây dông hay mây tích vũ (Cumulonimbus) có ñộ dầy từ 10 ÷ 16 km, tích tụ một lượng nước và tạo ra những ñiện thế cực mạnh. Hình 1.11. Cấu trúc của mây dông 17
  18. LUẬN VĂN THẠC SĨ KHOA HỌC Trong thực tế sự hình thành các cơn dông gắn liền với sự xuất hiện của những luồng không khí khổng lồ từ mặt ñất bốc lên. Các luồng không khí này ñược hình thành do sự ñốt nóng bởi ánh sáng Mặt Trời, ñặc biệt ở các vùng cao (dông nhiệt) hoặc do sự gặp nhau của những luồng không khí nóng ẩm với không khí lạnh (dông Front). Sau khi ñã ñạt ñược ñộ cao nhất ñịnh (khoảng vài kilômet trở lên – vùng nhiệt ñộ âm), luồng không khí ẩm này bị lạnh ñi, hơi nước ngưng tụ thành những giọt nhỏ li ti hay các tinh thể băng và tạo thành những ñám mây dông. Cơn dông có thể kéo dài từ 30 phút ñến 12 tiếng và có thể trải rộng từ vài chục ñến hàng trăm km. Thông thường, thành phần của mây dông gồm có mưa, tuyết hòn và mảnh băng. Tuyết hòn (snow pellets) hoặc tuyết hạt ñược tạo thành bởi nước chậm ñông bám lên các tinh thể tuyết. Mảnh băng: tinh thể băng tập hợp các hạt nước ñông cứng ở bề mặt. Trong những chuyển ñộng thẳng ñứng ñủ lớn, các hạt nước này chảy ra và ñóng băng trở lại (có cấu trúc vỏ hành). 1.2.3. Quá trình nhiễm ñiện ðã từ lâu người ta khẳng ñịnh về nguồn tạo ra ñiện trường giữa các ñám mây dông và mặt ñất chính là những ñiện tích tích tụ trên các hạt nước li ti và các tinh thể băng của các ñám mây dông ñó. Xét quá trình nhiễm ñiện trong mây phải dựa vào hai tiêu chuẩn chung : * Vật lý vi mô (vai trò của hạt nước- hydrométéores) * ðộng học (vai trò của các ion) - Các cơ chế vật lý vi mô : 1- Va chạm giữa các hạt nước dẫn ñến sự truyền ñiện tích theo hai kiểu quá trình: quá trình cảm ứng (có vai trò của ñiện trường) và không cảm ứng (không có vai trò của ñiện trường) 2- Hiệu ứng trọng lực dẫn ñến phân tách các hạt và tạo thành sự phân cực hạt. Hình 1.12. Quá trình va chạm cảm ứng Hai giai ñoạn trong quá trình cảm ứng (Hình 1.12): 18
  19. LUẬN VĂN THẠC SĨ KHOA HỌC + Va chạm giữa các hạt trung hòa nhưng bị phân cực và có kích thước khác nhau, kết quả hạt lớn tích ñiện âm, hạt nhỏ tích ñiện dương. + Phân tách giữa hai ñám hạt: các hạt lớn tích ñiện âm tách xuống phía dưới và các hạt nhỏ tích ñiện dương ở phía trên. Thuận lợi của tiêu chuẩn này là giải thích tốt cấu trúc phân cực chính của mây. Và gặp bất thuận lợi là cần sự tồn tại trước một ñiện trường trong mây (quá trình không khởi ñầu). Quá trình không cảm ứng là sự va chạm của các hạt bị ñóng băng có nhiệt ñộ khác nhau (Hình 1.13) Tinh thể băng mang nhiệt ñộ T2 ñi lên va chạm với tuyết hạt mang nhiệt ñộ T1 (T1 < T2) ñi xuống. Kết quả là phần dương ở trên ñám mây (các tinh thể), phần âm ở giữa ñám mây (tuyết hạt), phần dương ở dưới ñám mây (tuyết hạt). Hình 1.13. Quá trình va chạm không cảm ứng - Quá trình ñộng học: Theo lý thuyết nhiễm ñiện ñối lưu của Vonnegut (1963), sự vận chuyển của các ion dương tạo nên ở mặt ñất về phía ñám mây bởi các dòng ñối lưu. Các ion dương ñi tới ñỉnh của ñám mây hút các hạt tích ñiện âm và các hạt tích ñiện âm này vì thế bị kéo xuống dưới bởi các dòng ñi xuống. - Cấu trúc ñiện của mây tích vũ: Hình 1.14. Cấu trúc ñiện cơ bản của mây tích vũ 19
  20. LUẬN VĂN THẠC SĨ KHOA HỌC Cấu trúc 3 cực là phổ biến nhất, các cực mang tên p, N, P (Hình 1.14). Vùng phía trên chiếm một nửa vùng mây, chứa ñiện tích dương gọi là vùng P. Vùng chính giữa mây gọi là vùng ñiện tích âm N, vùng thấp nhất phân bố ít ñiện tích hơn mang ñiện tích dương gọi là vùng p ở chân mây. Vùng N và P có ñiện tích xấp sỉ bằng nhau tạo thành lưỡng cực. Malan (1952) ñã cho biết phân bố vùng ñiện tích P, N, p theo ñộ cao của mây dông ở Nam Mỹ (cách 1.8km trên mực nước biển). ðiện tích tổng cộng 10C ở giới hạn 2 km, - 40 C ở giới hạn 5 km và + 40 C ở giới hạn 10 km. - ðiện trường giữa mây dông và mặt ñất: + Mặt ñất là một mặt phẳng dẫn ñiện, ñiện trường (trong không gian) gây cảm ứng một ñiện tích trên mặt này (lượng ñiện tích cảm ứng này làm thay ñổi ñiện trường trong ñất tạo ra ảnh của ñiện trường không gian qua mặt phẳng Trái ðất, biểu diễn ở Hình 1.15). Hình 1.15. ðám mây lưỡng cực và ảnh ñiện của nó trên mặt ñất + ðiện trường ñược tăng cường bởi các vật dẫn: hạt nước trong mây, các vật nhô cao của mặt ñất (cây cối, các cột ñiện cao thế, các tháp cao, các tòa nhà cao…) 1.2.4. Hoạt ñộng phóng ñiện ðến một mức ñộ nào ñó ñộ lớn của các ñiện tích trái dấu của mây sẽ tạo nên một sự chênh lệch ñiện thế ñể ñánh thủng lớp không khí ngăn cách nó với mặt ñất (cường ñộ ñiện trường ở mặt ñất lúc này khoảng 25 ÷ 30kV/cm), lúc này xảy ra hiện tượng phóng ñiện giữa ñám mây dông và mặt ñất. Tiến trình có khả năng nhất của cấu trúc mây và kiểu phóng ñiện trong quá trình dông theo Krehbiel (1986) ñược biểu diễn bằng Hình 1.16. 20
ADSENSE

CÓ THỂ BẠN MUỐN DOWNLOAD

LV.11: Bộ Luận Văn Tốt Nghiệp Chuyên Ngành Tài Chính Ngân Hàng
172 tài liệu
841 lượt tải
THÔNG TIN
TRỢ GIÚP
HỖ TRỢ KHÁCH HÀNG
Theo dõi chúng tôi

Chịu trách nhiệm nội dung:

Nguyễn Công Hà - Giám đốc Công ty TNHH TÀI LIỆU TRỰC TUYẾN VI NA

LIÊN HỆ

Địa chỉ: P402, 54A Nơ Trang Long, Phường 14, Q.Bình Thạnh, TP.HCM

Hotline: 093 303 0098

Email: support@tailieu.vn

Giấy phép Mạng Xã Hội số: 670/GP-BTTTT cấp ngày 30/11/2015 Copyright © 2022-2032 TaiLieu.VN. All rights reserved.

 

Đồng bộ tài khoản
2=>2