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防雷知識(shí)交流

雷電的形成

2008/8/5 17:25:37   石家莊奧冠電子工程有限公司  供稿
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雷電基本理論
人們通過(guò)模擬地球原始大氣在密室中進(jìn)行放電的實(shí)驗(yàn),結(jié)果由無(wú)機(jī)物合成了11種氨基酸。這些物質(zhì)的出現(xiàn),是生命起源的基礎(chǔ),因此,一些生命起源學(xué)說(shuō)認(rèn)為,是雷電孕育了地球上的生命。同理,地球上空有一層電離層,它是由帶正電荷的粒子組成,該電離層起著防止太陽(yáng)和宇宙空間各種有殺害生命作用的射線進(jìn)入地面,保護(hù)地球上的生命,如果沒(méi)有這電離層,即使地球上本來(lái)已經(jīng)有的生命,也會(huì)被來(lái)自太空的各種射線殺死,地球不可能出現(xiàn)現(xiàn)在的繁榮和文明。但是電離層的正電荷以平均約1800A的電流強(qiáng)度向大地放電,可想而知,如果得不到補(bǔ)充,電離層的電荷恨快便會(huì)放盡。由于雷電不斷補(bǔ)充電離層放電失去的電荷,保持電離層總電荷量大體平衡,使這層生命的保護(hù)屏障得以保存,使地球上的生命不致被宇宙射線滅絕。因此,可以說(shuō),是雷電促使地球成為文明的星球。從這個(gè)角度來(lái)講,人類有今天的文明應(yīng)該感謝雷電。

由于雷擊會(huì)給人類帶來(lái)災(zāi)害,因此,人類很早就與雷害進(jìn)行斗爭(zhēng)。其中取得卓越成就的有18世紀(jì)中葉著名科學(xué)家富蘭克林(Franklin)M·B·羅蒙諾索夫(JIOMOHOCOB),L·B·黎赫曼(PHXMAH)。他們通過(guò)大量實(shí)驗(yàn)建立了雷電學(xué)說(shuō),認(rèn)為雷擊是云層中大量陰電荷和陽(yáng)電荷迅速中和而產(chǎn)生的現(xiàn)象;并且創(chuàng)立了避雷理論,發(fā)明了避雷針。他們?nèi)〉玫倪@些科學(xué)成就,已為人類鞒雋酥卮蟮墓畢住?

我國(guó)古籍中,有關(guān)雷電理論和避雷實(shí)踐的記載十分豐富。例如東周時(shí)《莊子》上記述:“陰陽(yáng)分爭(zhēng)故為電,陽(yáng)陰交爭(zhēng)故為雷,陰陽(yáng)錯(cuò)行,天地大駭,于是有雷、有霆!边@些學(xué)說(shuō)與現(xiàn)代的雷電學(xué)說(shuō)是如此相似,不過(guò)它比現(xiàn)代雷電學(xué)說(shuō)要早2000多年。在古籍中關(guān)于建筑工程中避雷的記載也十分豐富。南北朝的孟奧《北征記》中有如下記述:“凌云臺(tái)南角一百步,有白石室,名避雷室。”又有盛弦之《荊州記》中記述:“湖陽(yáng)縣春秋蓼國(guó),樊重之邑了,重母畏雷,為立石室,以避之,悉之文石為階砌,至今猶存!睍姓劶暗陌资、文石,據(jù)分析應(yīng)該屬于絕緣性能較好的石塊。至于宋、元、明、清代的建筑物多用“雷公柱”(宋代稱棖桿)等措施以避雷。

在古籍中有關(guān)雷擊的事故的記述就更多了,例如:

《續(xù)晉陽(yáng)春秋》:“太元五年,霹靂含殿四柱,殺內(nèi)侍二人。”

《晉安帝記》:“義熙三年六月,震太廟鴟尾,徹壁柱,若有文字!

《晉中興書征祥說(shuō)》:“元興三年,永安王皇后至住巴防,將設(shè)威儀入宮,天大雷震,人馬多死!

《沈括·夢(mèng)溪筆談》:“內(nèi)侍李舜舉家為暴所震,其堂之西屋雷火自窗間出,赫然出檐。人以為堂屋已焚,皆出避之。及雷止,其舍宛然,墻壁窗紙皆默。有一木格,其中雜貯諸器,其漆器銀鋁者,銀悉容流在地,漆器不燃灼。有一寶刀,極堅(jiān)剛,就刀室中容為汁。而室亦儼然。人必謂:當(dāng)先焚草木,然后流金石,今乃金石皆爍而草木無(wú)一毀者,非人情所測(cè)。

《齊書·五行志》:“永元三年正月,豫章郡,天火燒三千余家!痹撎旎,到底是一般雷擊,還是球形雷?未加考證。

以上只是我國(guó)古籍關(guān)于雷記載中的點(diǎn)滴摘錄,當(dāng)然它與現(xiàn)代雷電理論和避雷技術(shù)相比還有差距,但是從歷史觀點(diǎn)來(lái)看,我們的祖先能夠在那么早的年代里就創(chuàng)造出那樣完整的雷電理論,并且在技術(shù)上得到應(yīng)用,這是我們民族光輝燦爛文化歷史的一頁(yè)。

雷電的成因

通常所謂雷擊是指一部分帶電的云層與另一部分帶異種電荷的云層,或者是帶電的云層對(duì)大地之間迅猛的放電。這種迅猛的放電過(guò)程產(chǎn)生強(qiáng)烈的閃電并伴隨巨大的聲音。當(dāng)然,云層之間的放電主要對(duì)飛行器有危害,對(duì)地面上的建筑物和人、畜沒(méi)有很大影響。然而,云層對(duì)大地的放電,則對(duì)建筑物、電子電氣設(shè)備和人、畜危害甚大,這是我們研究的主要對(duì)象。

通常雷擊有三種主要形式:其一是帶電的云層與大地上某一點(diǎn)之間發(fā)生迅猛的放電現(xiàn)象,叫做“直擊雷”。其二是帶電云層由于靜電感應(yīng)作用,使地面某一范圍帶上異種電荷。當(dāng)直擊雷發(fā)生以后,云層帶電迅速消失,而地面某些范圍由于散流電阻大,以致出現(xiàn)局部高電壓,或者由于直擊雷放電過(guò)程中,強(qiáng)大的脈沖電流對(duì)周圍的導(dǎo)線或金屬物產(chǎn)生電磁感應(yīng)發(fā)生高電壓以致發(fā)生閃擊的現(xiàn)象,叫做“二次雷”或稱“感應(yīng)雷”。其三是“球形雷”,將在后面另詳細(xì)說(shuō)明。

(1)雷云的形成
不管是直擊雷還是感應(yīng)雷都與帶電的云層存在分不開,帶電的云層稱為雷云。有關(guān)雷云形成的假說(shuō)很多,但至今尚未有一種被公認(rèn)為無(wú)懈可擊的完整學(xué)說(shuō),這里我們介紹其中被認(rèn)為比較完善并經(jīng)常被推薦的假說(shuō)。

根據(jù)大量科學(xué)測(cè)試可知,地球本身就是一個(gè)電容器,通常大了穩(wěn)定地帶負(fù)電荷50萬(wàn)C左右,而地球上空存在一個(gè)帶正電的電離層,這兩者之間便形成一個(gè)已充電的電容器,它們之間的電壓為300KV左右,并且場(chǎng)強(qiáng)為上正下負(fù)。

當(dāng)?shù)孛婧魵獾目諝馐艿綗霟岬牡孛婧婵臼軣岫仙,或者較溫暖的潮濕空氣與冷空氣相遇而被墊高都會(huì)產(chǎn)生向上的氣流。這些含水蒸氣的上升時(shí)溫度逐漸下降形成雨滴、冰雹(稱為水成物),這些水成物在地球靜電場(chǎng)的作用下被極化(圖1-1),

負(fù)電荷在上,正電荷在下,它們?cè)谥亓ψ饔孟侣湎碌乃俣缺仍频魏捅Вㄟ@二者稱為云粒子)要大,因此極化水成物在下落過(guò)程中要與云粒子發(fā)生碰撞。碰撞的結(jié)果是其中一部分云粒子被水成物所捕獲,增大了水成物的體積,另一部分未被捕獲的被反彈回去。而反彈回去的云粒子帶走水成物前端的部分正電荷,使水成物帶上負(fù)電荷。由于水成物下降的速度快,而云粒子下降的速度慢,因此帶正、負(fù)兩種電荷的微粒逐漸分離(這叫重力分離作用),如果遇到上升氣流,云粒子不斷上升,分離的作用更加明顯。最后形成帶正電的云粒子在云的上部,而帶負(fù)電的水成物在云的下部,或者帶負(fù)電的水成物以雨或雹的形式下降到地面。當(dāng)下面所講的帶電云層一經(jīng)形成,就形成雷云空間電場(chǎng),空間電場(chǎng)的方向和地面與電離層之間的電場(chǎng)方向是一致的,都是上正下負(fù),因而加強(qiáng)了大氣的電場(chǎng)強(qiáng)度,使大氣中水成物的極化更厲害,在上升氣流存在在情況下更加劇重力分離作用,使雷云發(fā)展得更快。

從上面的分析,好像雷云總是上層帶正電荷,下層帶負(fù)電荷。實(shí)際上氣流并不單是只有上下移動(dòng),而比這種運(yùn)動(dòng)更為復(fù)雜。因此雷云電荷的分布也比上面講的要復(fù)雜得多。

根據(jù)科學(xué)工作者大量直接觀測(cè)的結(jié)果,典型的雷云中的電荷分布大體如圖1.2所示。

科學(xué)工作者的測(cè)試結(jié)果表明,大地被雷擊時(shí),多數(shù)是負(fù)電荷從雷云向大地放電,少數(shù)是雷云上的正電荷向大地放電;在一塊雷云發(fā)生的多次雷擊中,最后一次雷擊往往是雷云上的正電荷向大地放電。從觀測(cè)證明,發(fā)生正電荷向大地放電的雷擊顯得特別猛烈。

上面的假說(shuō)首先是由威爾遜(Wilson)提出的,通常把它叫做威爾遜假說(shuō)。另外,廣州有位唐山樵先生對(duì)雷云的形成提出了如下的假說(shuō): 雷電的出現(xiàn)是與氣流、風(fēng)速密切相關(guān)的,而且與地球磁場(chǎng)也有一定的聯(lián)系。雷雨云內(nèi)部的不停運(yùn)動(dòng)和相互磨擦而使雷雨云產(chǎn)生大量的正、負(fù)電荷的小微粒,即所謂的摩擦生電。這樣,龐大的雷
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