Pourquoi un coup de foudre ne détruit-il pas le paratonnerre?

Les éclairs sont connus pour causer des quantités massives de dommage . le statistiques sur un éclair sont:

les niveaux actuels dépassant parfois 400 kA, les températures jusqu'à 50 000 ° F et des vitesses proches du tiers de la vitesse de la lumière

Ce sont des nombres énormes, mais les systèmes de protection contre la foudre sont conçus pour éloigner la foudre du bâtiment ou de la structure qu’ils protègent. Les systèmes de protection contre la foudre peuvent être simplement considérés comme des paratonnerres reliés au sol via un câblage (conducteur de descente).

La NOAA spécification pour la protection contre la foudre exige que les paratonnerres mesurent au moins 13 pouces (0,5 po) de diamètre. Le conducteur de descente est un câble en cuivre de taille similaire ( 4/0 AWG ou 12mm ). L’ampérage admissible pour ce type de fil n’est que d’environ 250A pour courant constant. Je me rends compte qu'il s'agit plus d'une limite thermique que d'une limite de capacité instantanée.

À partir de cela papier sur la protection contre la foudre (page 28):

Les réactions positives sur le fonctionnement d'un système de protection contre la foudre sont rarement documentées et le plus souvent même pas remarquées. Il est rare de pouvoir documenter qu'un système de protection contre la foudre a été déclenché s'il fonctionne correctement et s'il n'y a aucun dommage. Il existe parfois des preuves au point d'arrêt de la grève, qui peuvent être constatées lors d'une inspection minutieuse, mais il est rarement rentable pour le propriétaire d'un système de protection contre la foudre d'obtenir l'expertise nécessaire pour effectuer une inspection minutieuse.

Comment une pièce de métal apparemment petite de 13 mm (0,5 po) peut-elle gérer un coup de foudre avec peu ou pas de dégâts visibles, sans beaucoup moins de dégâts, sans être complètement détruite?

La spécification de limite de courant pour un fil est limitée par la chaleur produite par le courant et par la quantité de chaleur que le fil peut dissiper avant de devenir trop chaud. "Trop chaud" dépend des circonstances. Vous verrez des intensités nominales supérieures pour le même type de fil dans les applications de câblage de châssis que le code électrique ne permet pour les installations domestiques, par exemple. Cela est principalement dû au fait qu'il fait trop chaud. La limite ultime pour les applications extrêmes est que le conducteur ne fond pas. Il serait dangereux de courir à des températures voisines de celle-ci sur des supports en bois à l'intérieur d'un mur dans une maison.

Comme vous le dites, le fil est évalué à 250 A continu . La foudre n'est décidément pas continue. 1 ms correspond à "long" pour le temps du coup de foudre principal. Il peut y avoir plusieurs coups dans un événement, mais le temps total est encore court et les autres coups non principaux auront beaucoup moins de courant.

Faire le calcul. Vous dites que le fil a un diamètre de 12 mm et une section de 113 mm² = 113x10 ^-6 m² La résistivité du cuivre à 20 ° C est de 1,68x10 ^-8 Ωm. Une longueur de 1 mètre de ce fil a donc une résistance de

(1,68x10 ^-8 Ωm) (1 m) / (113x10 ^-6 m²) = 149 µΩ

La puissance avec 400 kA à travers cette résistance est alors:

(400 kA) ² (149 µΩ) = 23,8 MW

Le temps pendant lequel le courant est appliqué pendant 1 ms donne l'énergie:

(23,8 MW) (1 ms) = 23,8 kJ

La densité de cuivre est de 8,93 g / cm³ et notre longueur de 1 m a un volume de 113x10 ^-6 m³, ce qui correspond à 113 cm³.

(113 cm³) (8,93 g / cm³) = 1010 g de masse totale de cuivre

La chaleur spécifique du cuivre est de 0,386 J / g ° C.

(23,8 kJ) / (0,386 J / g ° C) (1010 g) = 61 ° C

Cela signifie que passer 400 kA dans un fil de cuivre de 12 mm de diamètre pendant 1 ms provoquera une élévation de température de 61 ° C. C'est une valeur assez extrême pour un coup de foudre. La course principale est généralement beaucoup plus courte que 1 ms et les autres courses ont sensiblement moins de courant. Cependant, même avec ces chiffres, cela montre que, même si le fil va devenir chaud pendant un certain temps, il est tout à fait en mesure de le gérer sans aucune défaillance structurelle.

[Cela a commencé comme une réponse. Mais le calcul aboutit à 3 ordres de grandeur.
Donc, ceci est plutôt un commentaire, je suppose. ]

Un éclair unique a une quantité d'énergie finie ¹ . Le nombre approximatif est $ 5 \ cdot 10 ^ 9 \ text {J} $, ce qui équivaut à 145 L d'essence. ² .

Supposons que toute l'énergie de l'éclair se dissipe dans la tige. Disons que paratonnerre de 12 mm de diamètre et 10 m de long. La densité de cuivre est de 8960 kg / m ³ ,
la masse de notre canne est donc de 10,13 $ \ text {kg} $.
La chaleur spécifique du cuivre est $ \ text {0.385} \ frac {\ text {kJ}} {\ text {kg ° C}} $. Combien d’énergie faut-il pour chauffer la tige de cuivre de 25 ° C au point de fusion du cuivre, ce qui correspond à 1083 $ \ text {° C} $? C'est $ 4.05 \ cdot 10 ^ 5 \ text {J} $.
La chaleur de fusion pour le cuivre est $ \ text {213} \ frac {\ text {kJ}} {\ text {kg}} $. Combien d'énergie faut-il pour faire fondre notre tige? C'est $ 2,13 \ cdot 10 ^ 6 \ text {J} $.

J'ai supposé que toute l'énergie de la foudre était dissipée dans la tige. Mais je ne suis pas au courant de cette hypothèse.

¹ _{Même si sa puissance et son courant de pointe sont très élevés.}
² _{La source}
³ _{Qui étaient Preece et Onderdonk? L'article sur les premières équations (1880, 1928) décrivant les courants qui font fondre le fil.}