浅谈雷电形成的原因

浅谈雷电形成的原因

摘要雷电时大自然中一种神秘、强大的能量。能量是守恒的,它只能转移而不能凭空产生和消失。这些能量是电磁感应造成的。

关键词电磁感应;尖端放电

科学家们对雷雨云的带电机制及电荷有规律分布,进行了大量的观测和试验,积累了许多资料,并提出各种各样的解释,有些论点至今还有争论。

1产生雷电的条件

雷电是伴有闪电和雷鸣的一种雄伟壮观而又有点令人生畏的放电现象。雷电一般产生于对流发展旺盛的积雨云中,因此常伴有强烈的阵风和暴雨,有时还伴有冰雹和龙卷。放电过程中,由于闪道中温度骤增,使空气体积急剧膨胀,从而产生冲击波,导致强烈的雷鸣。带有电荷的雷云与地面的突起物接近时,它们之间就发生激烈的放电。在雷电放电地点会出现强烈的闪光和爆炸的轰鸣声。这就是人们见到和听到的闪电雷鸣。雷电是从雷电云中发出,雷电云密度比较大,黑云如翻墨。这些水汽并非纯水,是有自由电荷的,所以可以将整块云看作一块导体,虽然与金属导体相比,这块导体的自由电荷显得很稀疏,但电动势的大小与电荷量无关。

2电磁感应

电磁感应原理就是:只要穿过闭合电路的磁通量发生变化,闭合电路就有电流产生。这种利用磁场产生电流的现象叫电磁感应,产生的电流叫感应电流。

电磁感应原理引深:变化的磁场在周围空间产生电场,当导体处在此电场中时,导体中的自由电子在电场力作用下作定向移动而产生电流即感应电流。电磁感应的本质可以追塑到麦克斯韦电磁场理论:变化的磁场在周围空间产生电场,当导体处在此电场中时,导体中的自由电子在电场力作用下作定向移动而产生电流即感应电流;如果不是闭合回路,则导体中自由电子的定向移动使断开处两端积累正、负电荷而产生电势差──感应电动势。

3雷电和磁场的关系

地球是被地磁场所笼罩着的。磁场有了,产生感应电动势还需要什么条件呢?我们知道感应电动势有两种:一种是穿过电路的磁通量变化而产生的电动势叫感生电动势;另一种是导体切割磁感线产生的电动势叫动生电动势。地磁场在某一点的磁感应强度不变的,而与该点附近的磁感应强度也几乎一样,云的形状也不会剧烈变化,所以不是感生电动势,而是动生电动势。雷电是动能和磁场能转化而来。那么雷电云是在切割磁感线吗?答案是肯定的。我们都有这个常识,雷雨来临时,往往有很大的风,而在高空中风更大。假设有一块雷电云是一个棱长L=500米的正方形,底面平行于地面。自西向东(地磁场的南北极和地理南北极相反,而且有偏

差,这里我们姑且认为没有偏差)以10m/s的速度行进,地磁场的磁感应强度为0.00003T,在洛伦兹力的作用下,云中的自由负电荷聚集在了下表面,正电荷聚集在了上表面,云的表面并非是平坦的,有突起有下凹,电荷会在导体表面突起尖锐的地方聚集,该处附近的电场就比较强。(对孤立导体)导体表面有电荷堆积时,电荷密度与导体表面的形状有关。在凹的部位电荷密度接近零,在平缓的部位小,在尖的部位最大。当电荷密度达到一定的量值后,电荷产生的电场会很大,以至于把空气击穿(电离),空气中的与导体带电相反的离子会与导体的电荷中和,出现放电火花,并能听到放电声。强电场作用下,物体尖锐部分发生的一种放电现象称为尖端放电,他属于一种电晕放电。他的原理是物体尖锐处曲率大,电力线密集,因而电势梯度大,致使其附近部分气体被击穿而发生放电。如果物体尖端在暗处或放电特别强烈,这时往往可以看到它周围有浅蓝色的光晕。通常情况下,空气是不导电的,但是如果电场特别强,空气分子中的正负电荷受到方向相反的强电场力,有可能被“撕”开,这个现象叫做空气的电离。由于电离后的空气中有了可以自由移动的电荷,空气就可以导电了,空气电离后产生的负电荷就是负离子,失去原子的电荷带正电,叫做正离子。被电离得空气可看作导体的一部分,而且这个部分很尖锐,电荷会往该处聚集,这样就会一直向下电离。闪电到达地面中和了一部分感应出的正电荷后,在地面的负电荷和云中正电荷的作用下,闪电最终是升上去的。闪电电压很大。如果没有损耗,并认为所有负电荷同时聚集到放电处,这时的电动势公式就为:E=BLvLL=BVv=37500v。为什么这么求呢?可以将这块正方形导体看做是由n 根相同的导体棒组成,每根导体棒产生的电动势为:E=BLv=0.15v。电动势可以看做是使电荷运动的力,电荷往放电处集中,这些力也往放电处集中,就像是压一根针头被堵住、里面装满水的针管,压力就分散到管内各点,当堵住针头的东西不见了之后,压力便往针孔处集中了。还可以这样理解:用n根特殊的导线将那n根导体棒与地面相连,这种导线就像是一座宽窄可变的桥,将每根导体棒上的电荷看做一个人,当只有一个人时,桥的宽度恰能让一个人通过,当有两个人时,桥变宽让俩个人恰能同时通过,闪电电离空气的多少是可以改变的,所以闪电这条电路就可以看做是这样的导线。因为电压都是0.15v,所以每根导线中单位体积内的自由电荷数相等,电荷定向移动速率相等,将所有导线拉拢到一起浓缩成一根,这时这根导线中电荷定向移动速率不变但单位体积内的自由电荷数变为之前的n倍,所以该导线的电压变为之前每根的n倍。上面所求的是理想值,因为电离空气有损耗,而且电荷并不是同时瞬间聚集到放电处,往放电处聚集是一个过程,但是闪电到达地面的电压依然会很大。

4雷电对地放电的基本过程

1)雷云中的负电荷逐渐积累,同时在附近地面上感应出正电荷。

2)当雷云与大地之间局部电场强度超过大气游离临界场强时,就开始有局部放电通道自雷云边缘向大地发展─先导放电(先导放电发展的平均速度较低约为1.5×105m/s,表现出的电流不大,约为数百安培),先导通道具有导电性,因此雷云中的负电荷沿通道分布,并继续向地面延伸,地面上的感应正电荷也逐渐增多。

3)先导通道发展临近地面时,由于局部空间电场强度的增加,常在地面突起出现正电荷的先导放电,向天空发展──迎面先导。

4)先导通道到达地面或与迎面先导相遇后,在通道端部因大气强烈游离而产生高密度的等离子区,自下而上迅速传播,形成一条高导电率等离子通道,使先导通道以及雷云中的负电荷与大地的正电荷迅速中和──主放电过程(主放电的发展速度很快,约为2×107m/s～1.5×108m/s,

出现很强的脉冲电流,可达几十至二、三百千安培)。

5)主放电到达云端结束,云中的残余电荷经过主放电通道流下来──余光放电。研究雷电云发现大多数是下方带负电,是一种巧合,可能与风有关系。

参考文献

[1]黄朝军.浅析雷电的形成机理及预防[J].科技信息(科学教研),2007,25.

[2]黄显吞.雷电的形成与发展对建筑塔吊感应高压电的影响[J].甘肃联合大学学报(自然科学版),2009,S1.

[3]北川信一郎,矫春甫.人体防雷安全问答(2)[J].贵州气象,1996,05.