Treść zadania

Przeprowadzić analizę pola elektrycznego układu pokazanego na rysunku. Na podstawie określonych warunków wyładowania, określić gęstość ładunku w chmurach burzowych.

Część A – budynki bez instalacji odgromowej

Odtworzono rysunek w programie FEMM. Przypisano właściwości materiałów (budynki – marmur, chmury – skondensowana para wodna (woda @ 20C).

Utworzono warunki graniczne i przypisano je do ramki otaczającej rysunek.

Zdefiniowano 3 przewodniki i przypisano do nich odpowiednie napięcia:

·         Ziemia – 0 V

·         Chmura1 – 15000000 V

·         Chmura2 – 13000000 V

Utworzono siatkę i uruchomiono analizę.

Domyślnia analiza przedstawia rozkład napięć na narysowanej płaszczyźnie.

Analizę przeprowadzono dla gęstości pola elektrycznego.

Linię prowadzenia charakterystyki zaczęto w punkcie (0,14) i skończono w punkcie (50,14), gdzie (22,14) jest najwyższym punktem pośród budowli (szczyt „wieży”).

Charakterystyka prezentuje się następująco:

Drugą linię prowadzenia rozpoczęto w punkcie (22,0), a zakończono w punkcie (22,30).

Charakterystyka prezentuje się następująco:

Część B – budynki z instalacją odgromową

Rysunek z poprzedniej części rozszerzono o „piorunochrony” długości 3 metrów na szczycie każdego dachu. Każdy piorunochron przypisano do przewodnika „Ziemia”.

Utworzono siatkę i uruchomiono analizę.

Analizę przeprowadzono dla gęstości pola elektrycznego.

Linię prowadzenia charakterystyki zaczęto w punkcie (0,14) i skończono w punkcie (50,14), gdzie (22,14) jest najwyższym punktem pośród budowli (szczyt „wieży”).

Charakterystyka prezentuje się następująco:

Drugą linię prowadzenia rozpoczęto w punkcie (22,0), a zakończono w punkcie (22,30).

Charakterystyka prezentuje się następująco:

Wnioski

              Porównując wykresy z analiz dla budynków z i bez instalacji odgromowej (część A oraz część B), można zauważyć, że intensywność pola elektrycznego (która jest proporcjonalna do gęstości strumienia) zmieniła swoją charakterystykę w taki sposób, że punkt maksymalnej wartości został „odsunięty” od powierzchni budynku, co zdecydowanie ogranicza ryzyko niekontrolowanego wyładowania elektrycznego bezpośrenio pomiędzy chmurą a powierzchnią budynku. Instalacje odgromowe stosowane są od dawna jako środki zapobiegawcze chroniące obiekty mieszkalne oraz ich mieszkańców przed pożarami i porażeniami wywołanymi uderzeniem piorunów. W instalacjach odgromowych stosuje się zwody, których celem jest „ściągnięcie” wyładowania jak najszybciej do gruntu. W przypadku braku instalacji, uderzenia piorunów są niekontrolowane, co oznacza, że prąd powstały z wyładowania może popłynąć trudną do określenia drogą, wywołując pożar, niszcząc sprzęt, czy nawet stwarzając zagrożenie dla zdrowia i życia osób przebywających w budynku.

              Program FEMM ponownie bardzo dobrze sprawdził się jako narzędzie analizy problemu – w tym przypadku zagadnienia elektrostatyki – z zastosowaniem metody elementów skończonych. Dyskretyzacja i przybliżenia wykonywane automatycznie, graficzna reprezentacja kolorowych map wyliczonych wartości liczbowych oraz możliwość kreślenia charakterystyk dla dowolnej linii prowadzenia to wygodne i dość dokładne narzędzie do przeprowadzania wszelkich analiz w przestrzeni dwuwymiarowej.