防雷知識(shí)系列（一）－雷電基本理論
作者: www.tj-spd.cn 時(shí)間: 2007-12-06
本文章共4969字，


來源：防雷中國(guó)　

人們通過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，如果沒有這電離層，即使地球上本來已經(jīng)有的生命，也會(huì)被來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，是雷電促使地球成為文明的星球。從這個(gè)角度來講，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）。他們通過大量實(shí)驗(yàn)建立了雷電學(xué)說，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?lt;/P>


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。”這些學(xué)說與現(xiàn)代的雷電學(xué)說是如此相似，不過它比現(xiàn)代雷電學(xué)說要早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。”書中談及的白石、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》：“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。”該天火，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)雷云形成的假說很多，但至今尚未有一種被公認(rèn)為無懈可擊的完整學(xué)說，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。


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蛘咻^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。


上面的假說首先是由威爾遜（Wilson）提出的，通常把它叫做威爾遜假說。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： 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，龐大的雷雨云就相當(dāng)于一塊帶有大量正、負(fù)電荷的云塊，而這些正、負(fù)電荷不斷地產(chǎn)生，同時(shí)也在不斷地的復(fù)合，當(dāng)這些云塊在水平方向向東或向西迅速移動(dòng)時(shí)（最大風(fēng)速可達(dá)40m/s），它與地球磁場(chǎng)磁力線產(chǎn)生切割，這就好像導(dǎo)體切割磁力線產(chǎn)生電流一樣，云中的正、負(fù)電荷將產(chǎn)生定向移動(dòng)，其移動(dòng)的方向可按右手定則來判斷。若云塊是由西向東移動(dòng)，而地磁場(chǎng)磁力線則是由地球南極指向地球的北極，因此大量的正電荷向上移動(dòng)，負(fù)電荷向下移動(dòng)，這樣云的下部將積聚越來越多的負(fù)電，而云的上部積聚大量的正電，當(dāng)電場(chǎng)強(qiáng)度達(dá)到足夠高（25～30KV/cm）時(shí)將引起雷云間的強(qiáng)烈放電，或是雷云中的內(nèi)部放電，或是雷云對(duì)地放電，即所謂的雷電。
綜上所述，雷電的成因仍為摩擦生電及云塊切割磁力線，把不同電荷進(jìn)一步分離。由此可見，雷電的成因或者說主要能源來自于大氣的運(yùn)動(dòng)，沒有這些運(yùn)動(dòng)，是不會(huì)有雷電的。這也說明了為什么雷電總伴隨著狂風(fēng)驟雨而出現(xiàn)。

(2)電離層與地面間的電荷平衡
上面說過，地球是一個(gè)表面帶負(fù)電荷的球體，并且它所帶的負(fù)電荷量長(zhǎng)期穩(wěn)定在5×105C水平，而在地球上空的電離層上則帶有相等的正電荷，使電離層與地面之間的電壓約300KV。因而在電離層與地面之間存在一個(gè)電場(chǎng)，晴天時(shí)在地面附件的電場(chǎng)強(qiáng)度為120V/m。即使在晴天時(shí)，大氣中總有一些空氣分子被電離。

在電場(chǎng)的作用下造成放電電流。根據(jù)觀測(cè)和計(jì)算的結(jié)果表明，全地球該放電電流強(qiáng)度為1800A，如果長(zhǎng)期如此，電離層與地面之間的電荷將很快放電完畢；然而事實(shí)上，它們之間大致長(zhǎng)期保持恒定的電量和電壓，這主要由于雷暴的形成和雷擊，把正電荷從大地送回到電離層，起到對(duì)電離的正電荷充電的作用。根據(jù)衛(wèi)星觀測(cè)資料及電學(xué)觀測(cè)資料估計(jì)，在任何一時(shí)刻全地球表面上連續(xù)發(fā)生著大約1000個(gè)雷暴，從而使電離層與大地之間的電場(chǎng)保持穩(wěn)定。見圖1-3

(3)尖端放電與雷擊
由物理學(xué)可知，通常物體內(nèi)部的正電荷和負(fù)電荷是相等的，所以從整體來看不顯示帶電現(xiàn)象，當(dāng)某一物體所具有的正、負(fù)電荷不相等時(shí)，這個(gè)物體就顯示帶電的特性，當(dāng)物體內(nèi)部的正電荷多于負(fù)電荷，物體帶正電，反之帶負(fù)電。由于電荷都有異性相吸、同性相斥的特性，所以帶電物體中的同性電荷總是受到互相排斥的電場(chǎng)力作用。以一個(gè)如圖1。4那樣的帶尖鋒的金屬球?yàn)槔偃缃饘偾驇县?fù)電（同理也可以解釋帶上正電），由于電荷同性相斥的作用，電子總是分布到金屬球的最外層表面，并且有“逃離”金屬球表面的趨勢(shì)。球帶尖鋒部分的電子受到同性電荷往外排斥力最強(qiáng)，故最容易被排斥離開金屬球，這就是通常說的“尖端放電”。此外當(dāng)帶電物體周圍的空氣越潮濕或帶有與帶電體相反電荷的離子時(shí)，帶電體也越易放電。

當(dāng)天空中有雷云的時(shí)候，因雷云帶有大量電荷，由于靜電感應(yīng)作用，雷云下方的地面和地面上的物體都帶上與雷云相反的電荷。雷云與其下方的地面就成為一個(gè)已充電的電容器，當(dāng)雷云與地面之間的電壓高到一定的時(shí)候，地面上突出的物體比較明顯地放電。同時(shí)，天空帶電的雷云在電場(chǎng)的作用下，少數(shù)帶電的云粒（或水成物）也向地面靠攏，這些少數(shù)帶電微粒的靠攏，叫做先驅(qū)注流，又叫電流先導(dǎo)。先驅(qū)注流的延續(xù)將形成電離的微弱導(dǎo)通，這一階段稱為先驅(qū)放電。

開始產(chǎn)生的先驅(qū)放電是不連續(xù)的，是一個(gè)一個(gè)脈沖地相繼向前發(fā)展。它發(fā)展的平均速度為105～106m/s各脈沖間隔約30～90us，每階段推進(jìn)約50 m。先驅(qū)放電常常表現(xiàn)為分枝狀，這是由于放電是沿著空氣電離最強(qiáng)、最容易導(dǎo)電的路徑發(fā)展的。這些分枝狀的先驅(qū)放電通常只有一條放電分支達(dá)到大地。

當(dāng)先驅(qū)放電到達(dá)大地，或與大地放電迎面會(huì)合以后，就開始主放階段，這就是雷擊。在主放電中雷云與大地之間所聚集的大量電荷，通過先驅(qū)放電所開辟的狹小電離通道發(fā)生猛烈的電荷中和，放出能量，以至發(fā)出強(qiáng)烈的閃光和震耳的轟鳴。在雷擊中，雷擊點(diǎn)有巨大的電流流過。大多數(shù)雷電流峰值為幾十KA，也有少數(shù)上百KA以至幾百KA的。雷電流峰值的大小與土壤電阻率的大小成減函數(shù)關(guān)系，即土壤電阻率高，則雷電流峰值小；土壤電阻率低，、則雷電流峰值大。

雷電流大多數(shù)是重復(fù)的，通常一次雷電包括3～4次放電。重復(fù)放電都是沿著第一次放電通路發(fā)展的。雷電之所以重復(fù)發(fā)生，是由于雷云非常之大，它各部分密度不完相同，導(dǎo)電性能也不一樣，所以它所包含的電荷不能一次放完，第一次放電是由雷云最低層發(fā)出的，隨后放電是從較高云層、或相鄰區(qū)發(fā)出的。一次放電全部時(shí)間可達(dá)十分之幾秒。