雷電的產生原因及其預防與應用


每年夏季，天氣多變，早上晴空萬里，下午卻烏云密布，響起陣陣雷聲。而我們這個學期所研究的就是這夏季雨天最常出現的一種自然現象——雷電。
我們把雷電分成了以下幾個問題進行探討：
一、雷電的產生原因：
1、簡述原因：
雷電是發生在大氣層中大氣或云塊在氣流作用下產生異性電荷的積累使某處空氣被擊穿，電荷中和產生強烈的聲、光、電并發的一種物理現象，通常是指帶電的云層對大地之間、云層與云層之間、云層內部的放電現象。這個放電的過程會產生強烈的閃電和巨大的聲響，即人們常說的“電閃雷鳴”。
2、簡述原因的分析
我們在初中曾經學過關于雷電產生原因的基礎內容：雷電是由于天空與地面的強烈中和反應，但對于實質成因并不了解。
現在我們將結合高中所學的知識以及網站提供的資料，對雷電的產生原因進行更全面的分析與理解：
雷電是一種常見的大氣放電現象。雷電一般產生于對流發展旺盛的積雨云中，因此常伴有強烈的陣風和暴雨，有時還伴有冰雹和龍卷。在夏天的午后或傍晚，地面的熱空氣攜帶大量的水汽不斷地上升到高空，形成大范圍的積雨云。積雨云頂部一般較高，積雨云的不同部位聚集著大量的正電荷或負電荷，可達20公里，云的上部常有冰晶。冰晶的凇附，水滴的破碎以及空氣對流等過程，使云中產生電荷。
云中電荷的分布較復雜，但總體而言，云的上部以正電荷為主，下部以負電荷為主從而形成雷雨云。而地面因受到近地面雷雨云的靜電感應，也會帶上與云底相反符號的電荷，兩者相當于一個巨大的電容器。一般情況下，我們把地面看成零電勢面，積雨云與地面的高度差比較大，根據公式：U=Ed，積雨云與地面間的電場強度與距離都很大，所以它們間的電勢差很大，即電壓很大。
閃電的電壓很高，約為1億至10億伏特。閃電的平均電流是3萬安培，最大電流可達30萬安培。一個中等強度雷暴的功率可達一千萬瓦，相當于一座小型核電站的輸出功率。當云層里的電荷越積越多，使電場強度達到一定強度時，就會把空氣擊穿，打開一條狹窄的通道強行放電。當云層放電時，由于云中的電流很強，通道上的空氣瞬間被燒得灼熱，溫度高達6000--20000℃，所以發出耀眼的強光，這就是閃電。而閃道上的高溫會使空氣急劇膨脹，同時也會使水滴汽化膨脹，從而產生沖擊波，這種強烈的沖擊波活動形成了雷聲。
二、雷電的分類：
我們根據生活常識和結合有關資料，發現雷的種類主要有四種：直擊雷、球雷、感應雷和雷電侵入波。
直擊雷：是雷電與地面、樹木、鐵塔或其它建筑物等直接放電形成的。這雷擊的能量很大，雷擊后一般會留下燒焦、坑洞，突出部分削掉等痕跡。
球雷：是一種紫色或灰紫色的滾動雷，它能沿地面滾動或空中飄動，能從門窗、煙囪等孔洞縫隙竄入室內，遇到人體或物體容易發生爆炸。
感應雷：是指感應過壓。雷擊于電線或電氣設備附近時，由于靜電和電磁感應將在電線或電氣設備上形成過電壓。沒聽到雷聲，并不意味著沒有雷擊。
雷電侵入波：是雷電發生時，雷電流經架空電線或空中金屬管道等金屬體產生沖擊電壓，沖擊電壓又隨金屬體的走向而迅速擴散，以致造成危害。
三、雷電的危害：
自然界每年都有幾百萬次閃電。雷電災害是“聯合國國際減災十年”公布的最嚴重的十種自然災害之一。最新統計資料表明，雷電造成的損失已經上升到自然災害的第三位。全球每年因雷擊造成人員傷亡、財產損失不計其數。據不完全統計，我國每年因雷擊以及雷擊負效應造成的人員傷亡達3000～4000人，財產損失在50億元到100億元人民幣。


雷電災害所涉及的范圍幾乎遍布各行各業。現代電子技術的高速發展，帶來的負效應之一就是其抗雷擊浪涌能力的降低。以大規模集成電路為核心組件的測量、監控、保護、通信、計算機網絡等先進電子設備廣泛運用于電力、航空、國防、通信、廣電、金融、交通、石化、醫療以及其它現代生活的各個領域，以大型CMOS集成元件組成的這些電子設備普遍存在著對暫態過電壓、過電流耐受能力較弱的缺點，暫態過電壓不僅會造成電子設備產生誤操作，也會造成更大的直接經濟損失和廣泛的社會影響。
　　1、雷擊造成的危害主要有五種：
（1）直擊雷
直擊雷是雷擊危害最主要的一種形式，我們在前面的雷電的分類中已經介紹過了。由于直擊雷是帶電的云層對大地上的某一點發生猛烈的放電現象，所以它的破壞力十分巨大，若不能迅速將其瀉放入大地，將導致放電通道內的物體、建筑物、設施、人畜遭受嚴重的破壞或損害——火災、建筑物損壞、電子電氣系統摧毀，甚至危及人畜的生命安全。
（2）雷電波侵入
　　雷電不直接放電在建筑和設備本身，而是對布放在建筑物外部的線纜放電。線纜上的雷電波或過電壓幾乎以光速沿著電纜線路擴散，侵入并危及室內電子設備和自動化控制等各個系統。因此，往往在聽到雷聲之前，我們的電子設備、控制系統等可能已經損壞。
　　（3）感應過電壓
　　雷擊在設備設施或線路的附近發生，或閃電不直接對地放電，只在云層與云層之間發生放電現象。閃電釋放電荷，并在電源和數據傳輸線路及金屬管道金屬支架上感應生成過電壓。
　　雷擊放電于具有避雷設施的建筑物時，雷電波沿著建筑物頂部接閃器（避雷帶、避雷線、避雷網或避雷針）、引下線泄放到大地的過程中，會在引下線周圍形成強大的瞬變磁場，輕則造成電子設備受到干擾，數據丟失，產生誤動作或暫時癱瘓；嚴重時可引起元器件擊穿及電路板燒毀，使整個系統陷于癱瘓。
（4）系統內部操作過電壓
　　因斷路器的操作、電力重負荷以及感性負荷的投入和切除、系統短路故障等系統內部狀態的變化而使系統參數發生改變，引起的電力系統內部電磁能量轉化，從而產生內部過電壓，即操作過電壓。
　　操作過電壓的幅值雖小，但發生的概率卻遠遠大于雷電感應過電壓。實驗證明，無論是感應過電壓還是內部操作過電壓，均為暫態過電壓（或稱瞬時過電壓），最終以電氣浪涌的方式危及電子設備，包括破壞印刷電路印制線、元件和絕緣過早老化壽命縮短、破壞數據庫或使軟件誤操作，使一些控制元件失控。
　　（5）地電位反擊
　　如果雷電直接擊中具有避雷裝置的建筑物或設施，接地網的地電位會在數微秒之內被抬高數萬或數十萬伏。高度破壞性的雷電流將從各種裝置的接地部分，流向供電系統或各種網絡信號系統，或者擊穿大地絕緣而流向另一設施的供電系統或各種網絡信號系統，從而反擊破壞或損害電子設備。同時，在未實行等電位連接的導線回路中，可能誘發高電位而產生火花放電的危險。
2、按其破壞因素又可歸納為三類。
（1）電性質破壞：
雷電產生高達數萬伏甚至數十萬伏的沖擊電壓，可毀壞發電機、變壓器、斷路器、絕緣子等電氣設備的絕緣，燒斷電線或劈裂電桿，造成大規模停電；絕緣損壞會引起短路，導致火災或爆炸事故；二次放電（反擊）的火花也可能引起火災或爆炸；絕緣的損壞，如高壓竄入低壓，可造成嚴重觸電事故；巨大的雷電流流入地下，會在雷擊點及其連接的金屬部分產生極高的對地電壓，可直接導致接觸電壓或跨步電壓的觸電事故。
（2）熱性質破壞：
當幾十至上千安的強大電流通過導體時，在極短的時間內將轉換成大量熱能。雷擊點的發熱能量約為500～2000J，這一能量可熔化50～200立方厘米的鋼。故在雷電通道中產生的高溫往往會釀成火災。
（3）機械性質破壞：
由于雷電的熱效應，能使雷電通道中木材纖維縫隙和其他結構縫隙中的空氣劇烈膨脹，同時使水分及其他物質分解為氣體，因而在被雷擊物體內部出現很大的壓力，致使被擊物遭受嚴重破壞或造成爆炸。


四、如何防御雷電災害
經過我們的研究，結合網上查找的資料，總結出預防雷電總的原則：一是人體的位置盡量降低，以減少直接雷擊的危險；二是人體與地面的接觸部分如雙腳要盡量靠近，與地面接觸越小愈好，以減少“跨步電壓”。
　　1、如在野外，應立即尋找蔽護所。以裝有避雷針的、鋼架的或鋼盤混凝土建筑物，作為避雷場所，具有完整金屬車廂的車輛也可以利用。
　　2、沒有掩蔽所時，要遠離高壓輸電線。高壓輸電線均為裸線且電壓均在萬伏以上，如果離高壓線的距離小于18米時，容易造成極嚴重的觸電事故。
　　3、千萬不要靠近空曠地帶或山頂上的孤樹，這里最易受到雷擊；高樹林子的邊緣，電線、旗桿的周圍和干草堆、帳篷等無避雷設備的高大物體附近，鐵軌、長金屬欄桿和其他龐大的金屬物體近旁，山頂、制高點等場所也不能停留。這些地方最容易遭遇雷電襲擊。
　　4、雷電期間，如正在駕車，應留在車內。車殼是金屬的，因屏蔽作用，就算閃電擊中汽車，也不會傷人，因此，車廂是躲避雷擊的理想地方。但是雷電期間最好不要騎馬、騎自行車、騎摩托車和開敞篷拖拉機；不要攜帶金屬物體在露天行走，不要使用手機；不要靠近避雷設備的任何部分；盡量不要使用設有外接天線的收音機和電視機，不要接打電話。
　　5、如果你在江、河、湖泊或游泳池中游泳時，遇上雷雨則要趕快上岸離開。因為水面易遭雷擊，況且在水中若受到雷擊傷害，還增加溺水的危險。另外，盡可能不要呆在沒有避雷設備的船只上，特別是高桅桿的木帆船。
　　6、如果在空曠的野外無處躲避，應該盡量尋找低凹地(如土坑)藏身，或者采用盡量降低重心和減少人體與地面的接觸面積，立即下蹲，雙腳并攏，手放膝上，身向前屈，千萬不要躺在地上、壕溝或土坑里，如能披上雨衣，防雷效果就更好。在野外的人群，無論是運動的，還是靜止的，都應拉開幾米的距離，不要擠在一起，也可躲在較大的山洞里。
　　7、注意當你感到皮膚刺痛或頭發豎起，是雷電將至的先兆，要立即倒在地上。受到雷擊的人可能被燒傷或嚴重休克，但身上并不帶電，可以安全地加以處理。
8、如有強雷鳴閃電時你正巧在家里，建議無特殊需要，不要冒險外出。但也應注意以下幾點：
①不宜在建筑物朝天平面(天面)上活動。因為當朝天平面發生直接雷擊時，強大的雷電流可導致人員傷亡。
②不宜使用淋浴器。因為水管與防雷接地相連，雷電流可通過水流傳導而致人傷亡。
③緊閉門窗，防止側擊雷和球雷侵入。
五、雷電的利用：
雷電中所蘊涵的能量很多，全世界一天的雷電放電的能量可以足夠人類用一年。如果能好好的將雷電利用起來，將使人類對與其他能源的依賴大大減少。
但是以現在的技術條件來說，人類對于雷電的應用仍處于設想階段。
結合網上的資料與我們的分析，對于利用雷電，我們有以下設想：
1、雷電是一種無污染的能源，它一次放電能達1至10億焦耳。中國成語中就有“雷霆萬鈞”之力一詞（霆：劈雷，鈞：古代的重量單位，合當時30斤）。利用這種巨大的沖擊力，可以夯實松軟的基地，從而為建筑工程節省大量的能源。根據高頻感應加熱原理，利用雷電產生的高溫，可使巖石內的水分膨脹，達到破碎巖石，開采礦石之目的。
2、雷電能治病：每場雷雨過后，空氣中的氣體分子在雷電場的作用下，會分離出帶負電的負氧離子。研究人員測試表明，雷雨過后，每立方厘米空氣中的負氧離子可達1萬余個，而晴天里的鬧市區，負氧離子僅幾十個。實驗表明，被稱做“空氣的維生素”的負氧離子，對人體健康很有利。醫療專家模擬雷雨的神奇作用，將負氧離子引入病房，結果發現，當室內空氣中的負氧離子與正離子的比例調控在9比1之時，對氣喘、燒傷、潰瘍以及其他外傷的治療有促進作用；可使居室內細菌、病毒減少；同時，對過敏性鼻炎、神經性皮炎、關節疼痛等病癥均有一定的療效。釣魚的朋友有一條漁諺云：寧釣雷雨后，不釣雷雨前。也是基于這個道理。此外，雷鳴電閃時，強烈的光化學作用，還會促使空氣中的一部分氧氣發生反應，生成具有漂白和殺菌作用的臭氧。伴隨著雷電的上升氣流，可將停滯于對流層下面的污染大氣攜帶到10公里以上的平流層底部。
3、它可以制造氮肥：發生雷電時，大氣中的閃電通道可達幾千米長，溫度極高，有大量的氮和氧化合成二氧化氮。生成的二氧化氮溶解于雨水中，變成濃度不高的硝酸，落入土壤中，又和其他物質化合變成硝石。是大自然對人類無償的恩賜。
4、雷電可預示天氣：農諺云：“東閃日頭西閃雨”，因中國地處西風帶內，云雨大多從西邊移動過來影響本地。其他還有“南閃火門開，北閃有雨來”等。
5、雷電找礦：雷電愛打擊容易導電的物體，利用這一特點，為地質勘探人員尋找金屬礦床提供了線索。
六、總結：
本次研究性學習經過每一個組員的討論與交流后順利完成。在本次研究性學習中，我們了解到了雷電的產生原因、分類、危害及其預防與利用等的知識。另外，我們還學習到了如何將我們學的物理理論知識與實際相結合。我們會把這些書上沒有或很少涉及的知識轉化成自己的知識并好好利用。最后，感謝各網站給我們在資料上的支持還有老師對我們的指點。如果我們有什么內容性錯誤或不足，請給我們提出意見與建議，我們會繼續努力爭取在下次做得更好！