新防雷技术课件 第二章

罗克(1692—1761年)先后于1745年和1746年发明了莱顿瓶 并用来表演电的实验。 美国富兰克林(Benjamin FIanklin，1706—1790年)很快 见到从欧洲来的Spence表演的电学实验产生了兴趣， 也动手做实验，并在1746年就对莱顿瓶作了改进，并串 联起来使用，1747年，他发表了关于莱顿瓶功效分析的 文章，在实验中证明了异种电荷可以相消，第一个提 出了正电和负电的概念和电荷既不能创造也不能消灭 的思想。
避雷针发明后
迅速传播到世界各地，产生了公认的好效果，使广大的居 民群众认识到电学科学的价值，随之对人们头脑里非科学 的思维观点也起了积极作用，天电与地电被科学证明是同 一之后，天上雷电之神的威望让位给地上人间的科学了。 九次毁于雷击的圣马可钟楼，1762年道第9次雷击破坏之 后于1766年装上了避雷针，从此再未受到雷的破坏。 Sienna的教堂的塔楼有类似的历史，于1777年也装上了避 雷针。 200多年来全世界各地千百万的建筑物的防雷实践证明了 其确实起到了防雷保护的作用

70年代，航天飞行器兴起，防雷工程出现 了新形势。
产生这种新情况的原因，是由于防雷技术已不适 应科技的迅猛发展，特别是微电子技术的普遍应 用。
ห้องสมุดไป่ตู้

80年代以后，雷灾出现的特点与以往有极 大的不同，可以概括为：



真正证实天电与地电的同一性的人是富兰克林，他把天 电引到地上来作实验，才使人们信服无疑，这是雷电科学 发展史上关键的一步。 他到达这一步之前成功地做了一系列实验研究并作出许多 重要发现，为这一步奠定了基础。 首先他研究了电荷分布与带电体的形状的关系，从而认识 了尖端放电，并改进了莱顿瓶，这使他可以获得大量的电 荷，用以产生强烈的火花放电，因而在1751年伦敦出版的 《电的实验与观察》指出；“到1749年11月7日为止，可以 举出人工放电与闪电在12方面是相似的。但是尚未能判明 天电是否也可以被尖端所吸引。”于是决定设计实验来考 察，这正是他的高明和所以成为雷电科学和防雷技术上有 划时代贡献的科学家的成功之处。
英国格雷(1670——1736年)于1729年发现物体可区分为二类：导
体和非导体。在他的工作的影响下，法国社菲(1698一1739年)做 了类似的实验，约在1734年确定电荷可分为二种，一种被他称为 玻璃型的(今称为正电)，另一种被他称为树脂型的(今称为负电)， 同类相斥，异类相吸。
德国主教冯· 卡年斯特和荷兰的莱顿城物理学家穆欣布
岗亭实验
一个可以容纳一个人的小 房子，有遮雨的顶盖，在 顶盖上方竖起‘一根铁棒， 上端磨尖，铁棒固定在绝 缘底座上，小房子置于高 塔或教堂顶上，人可以在 小房内观察、作实验。 第一个成功的实验是1752年 5月M. D’ Alibard在巴黎郊 外七、八英里外名叫Marly 的乡村中一座花园里做的， 竖立的铁棒高40英尺。5月 10日，值班人员看到雷雨 云过顶上时，铁棒下端发 出电火茨，它与地电产生 的电火花完全一样。
目前，总体上尚属于积累资料阶段 雷电现象的研究历史
18世纪下半叶，富兰克林(B.Franklin)首次 用风筝对闪电进行了科学而系统的研究 20世纪初期，摄影技术及感光材料的进步，揭示了对地闪电的发展过程 与形式，电测技术的发展，揭示了雷暴内部的电荷结构 70年代中期，由于微电子技术和光学技术的发展，地面观测有了明显的 改善 70年代末，出现了磁定向的地闪定位系统与时差法的定位系统，并在几 个国家形成了地闪的定位网
(3) 20世纪之后，电力部门注意到感应雷或者叫雷电的二次 效应的祸害。

建筑防雷方面，富兰克林尖端避雷针的形式也开始有了变化： 1925—1926年Peck第一个在实验室内用“人工雷”研究避雷 针的保护范围问题、雷云极性对保护系数的影响。 1934年美国瓦斯和电力公司(AGE)开始用避雷针和避雷线保 护变电所。 由于避雷线的应用有效，又使建筑物的避雷装置出现避雷带。 它的进一步发展就是50年代以后迅速流行的笼式避雷网，几 乎所有新建的现代化钢筋混凝土楼房都采用它。在19世纪实 行这一方案还不太现实，到了20世纪50年代，现代的钢结构 和钢筋混凝土建筑物已十分接近法拉第笼的条件，只要施工 中对钢筋采取焊接方法就可以很轻易地实现笼式避雷网了， 这可以说是到目前为止，建筑物防雷技术最完善的形式了。

我国科学家观察并忠实客观地记述雷电现象早 于欧美逾干年以上，而研究并明了其本质却又
西方国家对雷电的认识
许多学者进行实验观察，在18世纪中叶对电的本性建立了 科学认识，在这基础上很快把雷电的神学面纱揭穿，从而初步 建立起雷电科学。
首先要归功于创造第一个可以人工制造电的起电机的盖利克
(Gaerjcke，1602—1686年)，他于1653年做了一个直径十多厘米可 以旋转的琉璃球，通过摩擦可获得足够的电来作各种研究，并 于1672年首次观察到电荷的推拒作用。




莱顿瓶的发明被公认为电学发展上的一件大事． 第一个发明它的德国的主教，他鉴于当时各个作电学 表演者放在绝缘支架上的荷电体的电荷难以保存，就 试着把起电机产生的电荷通过一根金属杆送入盛有酒 精或水银的玻璃瓶，然后取走金属杆，发现瓶内电荷 可以长期保留而不减损。 次年莱顿城的Musschenbrock和Cunaeus选择玻璃瓶 内盛水作为电荷保持装置，因为后者是物理学家，能 解释这一贮电原理，故荷兰Nollet命名这个电容器为 莱顿瓶。 其后英国W. Waltson作了重大改进，给玻璃瓶内外均 镀上一层金属，容电量大增，就成为现在通用的莱顿 瓶了。 富兰克林1748年制作了一个所谓“可解剖电容器”的 实验，弄清楚贮电决定于玻璃的性质，与其形状元关， 于是设计制作平行板玻璃电容器



第一个把实验室人工产生的电(可称为地电）与闪电(可称 为天电)产生联想的人是曾任伦敦皇家学会馆长的豪克斯 比(Francis Hauksbee)，l 706年他使玻璃圆筒摩擦带电， 研究它的发光，看到这种闪光与闪电很相似。 次年另一英国人华尔使用琥珀摩擦起电获得更多的电，观 察到放电不仅产生闪光，且产生类似雷鸣的响声，因此认 为雷电很似“地电”的放电。 Stephen Gray于1735、1736年进一步从实验总结出结论， 说：“天电与地电的电火花在本质上是相同的”。 11年后莱比锡大学语言学教授Johann Heinrich Winkler于 1746年发表长达27页的论文，论证了他用莱顿瓶产生的强 大的火花放电与雷电的相似，认定雷电就是一种电荷量更 多的火花放电。



3、大气电学(atmospheric electricity)的发展
研究电离层以下大气中发生的各种电现象及其相互作用的 物理过程的大气物理学分支学科。 18世纪中叶，美国的富兰克第一次用风筝探明雷电的本质 就是电，一般认为这是大气电学研究的开端。对晴天电现 象的研究而言，18世纪末发现大气的微弱导电性。通过观 测研究逐渐发现了大气电场、大气离子、地球维持负电荷 等一系列电现象。20世纪20一30年代起，对云中起电、闪 电物理学等方面开展了较系统的观测与研究，这时大气电 学的研究范围仪限于电离层以下。 随着空间技术的发展，大气电学的研究范围扩大了；尤其 是最近20多年来发现了高层大气起源的电场的重要性，所 以现代大气电的测量已从地面直到磁层〔甚至磁层以上) 的范围内进行即所谓空间电的测量，并将这种范围内的大 气电学的研究称为大气电动力学。
风筝实验
直接从云中取下天电来验证其是否与地电相同。 他设计制作的风筝是用手绢制的，骨架上装有金 属尖端，用麻绳作风筝线，绳下端挂了一个金属 圈，圈上吊了一个铜钥匙，用以把收集到的电荷 引到莱顿瓶，金属困上系一干燥的丝绳，人手拉 丝绳站在遮雨的小屋里，以保证丝绳是不导电的。
发现： 闪电就是静电所产生的火花放电！
第1节 对闪电的科学认识过程 中国古代对雷电的认识


公元前1500年殷商甲骨文中就有“雷”字，稍 晚的西周青铜器上亦有“电”宇，它指的是闪 电。 东汉哲学家王充(27年一约97年）
王充解释雷电现象，认为雷电是“一声一气”而 已 北宋科学家沈括(1031—1095年)著《梦溪笔谈》 南宋初庄绰《鸡肋篇》


经典大气电学的内容，主要由晴天电学和扰 动天气电学两部分构成：


晴天电学主要研究全球内晴空地区发生的电现象 及其活动过程，弄清他们的变化规律和原因。 扰动天气电学主要研究云雨等扰动天气，特别是 雨暴天气时伴随发生的电现象及其活动过程。它 又可细分为： (1)云中起电。研究云中电荷生成、分离并形成一 定分布 的过程； (2)雷电物理学。研究自然闪电与雷的物理特性、 形成机制和发展规律，它是大气电学中研究最多 且集中的课题； (3)人工消除或诱发闪电。
80年代末期，干涉法出现，可以测定闪电位置、判断闪电走向，并实现
了商业化 90年代卫星技术开始应用于闪电的探测，目前主要是光学、RF探测
4、防雷工程技术的发展


从富兰克林发明避雷针起到20世纪初这150年时间里，防 雷技术几乎没有进展。 一是社会生产与生活变迁不大，建筑防雷已有避雷针作了 有效保护，对防雷没有提出什么迫切的新需要；二是大气 电学的理论探索进展很少，不可能指导防雷技术的发展。 进入20世纪之初，电讯和电力事业的发展遇到了雷灾，所 以在这方面工程防雷技术开始出现进展： (1) 1876年贝尔发明电话，为了防护电话设备和人员安全， 19世纪80年代末就出现第二种避雷装置—导电器 (2) 1887年伦敦筹资百万英磅建立供电公司，自此防雷保 护与过电压保护结合在一起，研究绝缘闪络和闪电过程也 结合在一起，因此20世纪以后防雷技术就从建筑领域转移 到电力输送领域，防雷技术人员也就由电力系统来培养了。 特别是高电压实验室的研究为防雷做出了重要贡献。
富兰克林 ( Benjamin Franklin 1706 ~ 1790 )
美国18世纪名列华盛顿后的最著名的人物。出生于 波士顿，只受过极短的正规教育，全靠勤奋自学成才。 曾干过印刷行业，一生从事于许多政治活动。在科学 方面进行了有名的电实验。１７５２年，他用风筝将 雷电引了下来，将“天电”收集到来顿瓶中，从而弄 明白“天电”和“地电”原来是一回事。他对电作了 理论说明并有多项发明，避雷针是最著名的。1790年 病逝在费城，费城人民为他举行了空前隆重的葬礼。 法国经济学家杜尔哥说：“他从天空抓到雷电，从专 制统治者手中夺回权力。” 1746 ~ 1747年开始研究电现象，曾在雷电时放风筝 作实验，发明建筑物防护用的避雷针。


建筑物避雷装置不能不考虑到电力线和电讯线上 过电压波的入侵，因此出现了各种避雷器来把雷 电过电压波分流入地，阻止雷电流侵入建筑均内 部造成灾害。 1907年美国出现铝电解电容避雷器，1908年瑞士 Mosciki用高压电容器作防雷元件，1922年美国西 屋公司制成自动阀型避雷器，1927年美国开始采 用非游离气体以遮断工频续流的管型避雷器．50 年代初，磁吹阀型避雷器问世。1968年日本大阳 松下电气公司研制出新一代的“无间隙避雷器”， 它实质上是一种金属氧化物非线性电阻，现在它 已成为避雷器的主流了。
2、避雷针的发明及其启示
避雷针发明前 在欧洲中世纪，宗教对社会的控制是很强的，雷电被认作 是神的意志，只能作祈祷或者敲响教堂里的的钟才能避免 闪电的袭击。不少统治者把成百吨的炸药贮放在教堂里， 求得上帝的保护。 1784年幕尼黑(Munehen)出版的一本书作过统计：33年内 有386个教堂的尖顶遭到雷击，共有l03名司钟员被击毙。 意大利威尼斯城的圣马可钟楼从1388年至1762年九次毁于 雷击。 1718年4月14日Rrittany城一夜之间24个教堂受雷击，其中 之一被彻底毁坏，2名司钟员丧生。 威尼斯的一个教堂于1767年受雷击，该城的统治者贮藏在 教堂里的几百吨炸药被引爆，3000人被炸死．城的大部分 被毁。 1856年Rhodes岛的一个教堂受雷击，发生类似的大爆炸 4000人毙命。