雷电的形成机理及特征

第一节雷电的形成机理

雷电是自然界中一种极为壮观的声、光、电现象，对人类的生产和生活有着巨大的影响。那么，我们先从认识雷电谈起。

我国古籍中，有关雷电理论的记载十分丰富。例如东周时《庄子》上记述：“阴阳分争故为电，阳阴交争故为雷，阴阳错行，天地大骇，于是有雷、有霆。”这些学说与现代的雷电学说是如此相似，不过它比现代雷电学说要早2000多年。在古籍中关于建筑工程中避雷的记载也十分丰富。南北朝的孟奥《北征记》中有如下记述：“凌云台南角一百步，有白石室，名避雷室。”又有盛弦之《荆州记》中记述：“湖阳县春秋蓼国，樊重之邑了，重母畏雷，为立石室，以避之，悉之文石为阶砌，至今犹存。”书中谈及的白石、文石，据分析应该属于绝缘性能较好的石块。至于宋、元、明、清代的建筑物多用“雷公柱”（宋代称枨杆）等措施以避雷。

在古籍中关于雷击事故的记述就更多了，例如在《续晋阳春秋》上记述：“太元五年，霹雳含殿四柱，杀内侍二人。”《晋安帝记》上记述：“义熙三年六月，震太庙鸱尾，彻壁柱，若有文字。”《晋中兴书征祥说》上记述：“元兴三年，永安王皇后至住巴防，将设威仪入宫，天大雷震，人马多死。”《沈括?梦溪笔谈》上记述：“内侍李舜举家为暴所震，其堂之西屋雷火自窗间出，赫然出檐。人以为堂屋已焚，皆出避之。及雷止，其舍宛然，墙壁窗纸皆默。有一木格，其中杂贮诸器，其漆器银铝者，银悉容流在地，漆器不燃灼。有一宝刀，极坚刚，就刀室中容为汁。而室亦俨然。人必谓：当先焚草木，然后流金石，今乃金石皆烁而草木无一毁者，非人情所测。《齐书?五行志》：“永元三年正月，豫章郡，天火烧三千余家。”

以上只是我国古籍关于雷电灾害中的点滴摘录，当然它与现代雷电理论和防雷技术相比还有差距，但是从历史观点来看，我们的祖先能够在那么早的年代里就创造出那样完整的雷电理论，并且在技术上

得到应用，这是我们民族光辉灿烂文化历史的一页。

1.1 雷电的特征

雷电现象是自然界中一种瞬间放电现象，同时伴随有雷声，具有高电流、高电压、变化快、放电时间短、辐射强等特征。

1.1.1 雷电具有很大的电流

根据统计资料表明，每次雷击闪电电流大小和波形有很大差别，尤其是不同种类放电差别更大。雷电流在流通过程中是变化的，其在几个微秒内达到最大值，约数十至数百千安，然后在几十微秒内衰减下去。其大小与地理位置、地质条件、季节等因素都有关系。一般平原地区比山地雷电流大，正闪电比负闪电能量大，第一闪击比随后闪击电流大。

1.1.2 雷电具有很高的电压

闪电电荷量是指一次闪电中正电荷与负电荷中和的数量。这个数量直接反映一次闪电放出的能量，也就是一次闪电的破坏力。闪电电荷的多少是由雷云带电荷情况决定的，与地理条件和气象情况有关，也存在很大的随机性。大量观测数据表明，一次闪电放电电荷可从零点几库仑到1000多库仑，这些电荷在微秒内瞬时放电，所以，云层对大地之间的将电压高达几百万到几千万伏。

1.1.3 雷电波的能量主要集中在低频范围

从雷电波频谱结构可以获悉雷电波电压、电流的能量在各频段的分布，根据这些数据可以估算被保护系统在其频带范围内雷电冲击波的幅度和能量大小，进而确定防雷措施；另一方面，可以根据它的频谱特性来选择合适的传输线。根据雷电的标准波形，由计算可知，从0～30MHz的电流峰值明显较大，并且峰值大致相同，30MHz以上的电流峰值明显下降，频率越高，电流峰值越低。也就是说：雷电流主要分布在低频部分，随频率升高而递减。在波尾相同时，波前越陡高次谐波越丰富；在波前相同的情况下，波尾越长，低频部分越丰富。

根据这些数据可以估算通信系统频带范围内雷电冲击的幅度和能量大小，进而确定雷电防护措施。

1.1.4 雷电活动规律

雷电活动从季节来讲以夏季最活跃，冬季最少，从地区分布来讲是赤道附近最活跃，随纬度升高而减少，极地最少。

雷灾事故的历史资料统计和实验研究证明，雷击的地点以及遭受雷击的部位是有一定规律，同一区域容易遭受雷击的地点和部位有：土壤电阻率较小的地方，如有金属矿床的地区、河岸、地下水出口处、湖沼、低洼地区和地下水位高的地方；山坡与稻田接壤处；具有不同电阻率土壤的交界地段。易遭受雷击的建（构）筑物：高耸突出的建筑物，如水塔、电视塔、高楼等；排出导电尘埃、废气热气柱的厂房、管道等；内部有大量金属设备的厂房；地下水位高或有金属矿床等地区的建（构）筑物；孤立、突出在旷野的建（构）筑物。同一建（构）筑物易遭受雷击的部位：平屋面和坡度≤1/10的屋面，檐角、女儿墙和屋檐；坡屋度＞1/10且＜1/2的屋面；屋角、屋脊、檐角和屋檐；坡度＞1/2的屋面、屋角、屋脊和檐角；建（构）筑物屋面突出部位，如烟囱、管道、广告牌等。

1.2 雷电的形成机理

雷电是指一部分带电的云层与另一部分带异种电荷的云层，或者是带电的云层对大地之间迅猛的放电。这种迅猛的放电时产生强烈的闪电并伴随巨大的声音。那么，雷电具体的形成过程又是怎样的呢？

1.2.1 雷云的形成

雷电的形成与带电的云层---雷云的存在分不开，有关雷云形成的假说很多，但至今尚未有一种被公认为无懈可击的完整学说，这里我们介绍其中被认为比较完善并经常被推荐的假说---威尔逊假说。根据大量科学测试得知，地球本身是一个电容器，通常大约稳定的携带负电荷50万C左右，而地球上空存在一个带正电的电离层，这两者之

间便形成一个充好电的电容器，它们之间的电压约为300KV左右，并且场强为上正下负。当地面含水蒸气的空气受到炽热的地面烘烤受热上升，或者较温暖的潮湿空气与冷空气相遇而被垫高，都会产生向上的气流。这些含水蒸气的气流在上升时温度逐渐下降，形成雨滴、冰雹，就称为水成物，这些水成物在地球静电场的作用下被极化，极化后负电荷在上，正电荷在下，它们在重力作用下落下的速度比云滴和冰晶（这二者称为云粒子）要大，因此极化水成物在下落过程中要与云粒子发生碰撞。碰撞的结果是其中一部分云粒子被水成物所“捕获”，这样就增大了水成物的体积，另一部分未被“捕获”的被反弹回去。而反弹回去的云粒子带走水成物前端的部分正电荷，使水成物带上负电荷。由于水成物下降的速度快，而云粒子下降的速度慢，因此带正、负两种电荷的微粒逐渐分离（这叫重力分离作用）。如果遇到上升气流，云粒子不断上升，分离的作用更加明显。最后形成带正电的云粒子在云的上部，而带负电的水成物在云的下部，或者带负电的水成物以雨或雹的形式下降到地面。

当带电云层一经形成，就形成雷云空间电场，空间电场的方向和地面与电离层之间的电场方向是一致的，都是上正下负，因而加强了大气的电场强度，使大气中水成物的极化更厉害，在上升气流存在的情况下，更加剧重力分离作用，使雷云发展得更快。看到上面的分析，好像雷云总是上层带正电荷，下层带负电荷。实际上气流并不单是只有上下移动，而比这种运动更为复杂。因此雷云电荷的分布也比上面讲的要复杂得多。根据科学工作者的大量直接观测记录，可以确定，当大地遭受雷击时，多数是负电荷从雷云向大地放电，少数是雷云上的正电荷向大地放电；在一块雷云发生的多次雷击中，最后一次雷击往往是雷云上的正电荷向大地放电。观测证明，发生正电荷向大地放电的雷击显得特别猛烈。

还有假说认为，降雨是驱使正负电荷分开的原因。为了验证这一假说，

美国一些科学家利用雷达来测试闪电之后降雨速度的变化情况。按道理说，假如雨滴是逆电场力而降落，速度必然受阻，闪电之后，电场强度减弱，降雨速度就应自然加快。然而，试验的结果是，闪电前后降雨的速度并没有什么变化。这就意味着，降雨不是驱使正负电荷分开的原因。

另外，广州有位唐山樵先生对雷云的形成提出了如下的假说：雷电的出现是与气流、风速密切相关的，而且与地球磁场也有一定的联系。雷雨云内部的不停运动和相互磨擦而使雷雨云产生大量的正、负电荷的小微粒，即所谓的摩擦生电。这样，庞大的雷雨云就相当于一块带有大量正、负电荷的云块，而这些正、负电荷不断地产生，同时也在不断地的复合，当这些云块在水平方向向东或向西迅速移动时（最大风速可达40m/s），它与地球磁场磁力线产生切割，这就好像导体切割磁力线产生电流一样，云中的正、负电荷将产生定向移动，其移动的方向可按右手定则来判断。若云块是由西向东移动，而地磁场磁力线则是由地球南极指向地球的北极，因此大量的正电荷向上移动，负电荷向下移动，这样云的下部将积聚越来越多的负电，而云的上部积聚大量的正电，当电场强度达到足够高（25～30KV/cm）时将引起雷云间的强烈放电，或是雷云中的内部放电，或是雷云对地放电，即雷电。

综上所述，雷电的成因仍为摩擦生电及云块切割磁力线，把不同电荷进一步分离。由此可见，雷电的成因或者说主要能源来自于大气的运动，没有这些运动，是不会有雷电的。这也说明了为什么雷电总伴随着狂风骤雨而出现。

1.2.2 电离层与地面间的电荷平衡

上面说过，地球是一个表面带负电荷的球体，并且它所带的负电荷量长期稳定在5×105C水平，而在地球上空的电离层上则带有相等的正电荷，使电离层与地面之间的电压约300KV。因而在电离层与地

面之间存在一个电场，晴天时在地面附件的电场强度为120V/m，在电场的作用下产生电流，根据观测和计算表明，该放电电流强度为大约为1800A，如果长期如此，电离层与地面之间的电荷将很快放电完毕。然而事实上，它们之间大致长期保持恒定的电量和电压，这主要由于雷暴的形成和雷击作用，把正电荷从大地送回到电离层，起到对电离的正电荷充电作用。根据卫星观测资料及电学观测资料估计，在任何时刻，全球表面上连续发生着大约1000个雷暴，从而使电离层与大地之间的电场保持平衡。

1.2.3 尖端放电与雷击

由物理学可知，通常物体内部的正电荷和负电荷是相等的，所以整体不显示带电现象，当某一物体所具有的正、负电荷不相等时，这个物体就显示带电的特性，当物体内部的正电荷多于负电荷，物体带正电，反之带负电。由于电荷都有异性相吸、同性相斥的特性，所以带电物体中的同性电荷总是受到互相排斥的电场力作用。以带尖锋的金属球为例，假如金属球带上负电（同理也可以解释带上正电），由于电荷同性相斥的作用，电子总是分布到金属球的最外层表面，并且有“逃离”金属球表面的趋势。球尖锋部分的电子受到同性电荷往外排斥力最强，故最容易被排斥离开金属球，这就是通常说的“尖端放电”。此外当带电物体周围的空气越潮湿或带有与带电体相反电荷的离子时，带电体也越易放电。

当天空中有雷云的时候，因雷云带有大量电荷，由于静电感应作用，雷云下方的地面和地面上的物体都带上与雷云相反的电荷。雷云与其下方的地面就成为一个已充电的电容器，当雷云与地面之间的电压高到一定的时候，地面上突出的物体会放电，同时，天空带电的雷云在电场的作用下，少数带电的云粒（或水成物）也向地面靠拢，这些少数带电微粒的靠拢，叫做先驱注流，又叫电流先导。先驱注流的延续将形成电离的微弱导通，这一阶段称为先驱放电。

开始产生的先驱放电是不连续的，是一个一个脉冲的相继向前发展，发展的平均速度为105～106m/s，各脉冲间隔约30～90us，每阶段推进约50 m。先驱放电常常表现为分枝状，这是由于放电是沿着空气电离最强、最容易导电的路径发展的。这些分枝状的先驱放电通常只有一条放电分支达到大地。当先驱放电到达大地，或与大地放电迎面会合以后，就开始主放电阶段，这就是雷击。在主放电中雷云与大地之间所聚集的大量电荷，通过先驱放电所开辟的狭小电离通道发生猛烈的电荷中和，放出能量，以至发出强烈的闪光和震耳的轰鸣。在雷击中，雷击点有巨大的电流流过。大多数雷电流峰值为几十KA，也有少数上百KA以至几百KA的。雷电流峰值的大小与土壤电阻率的大小成减函数关系，即土壤电阻率高，则雷电流峰值小；土壤电阻率低，、则雷电流峰值大。雷电流大多数是重复的，通常一次雷电包括3～4次放电。重复放电都是沿着第一次放电通路发展的。雷电之所以重复发生，是由于雷云非常之大，它各部分密度不完全相同，导电性能也不一样，所以它所包含的电荷不能一次放完，第一次放电是由雷云最低层发出的，随后放电是从较高云层、或相邻区发出的。

云层中的电场是通过电磁感应效应形成的。

根据电磁感应理论，在磁场中做切割磁力线运动的导体，将在导体两端产生感生电动势。我们知道，地球本身就是一个天然大磁体，地磁场的S极在地理北极附近，N极在地理南极附近。如果把含有大量离子和带电粒子的积雨云视为导体，那么当它东西方向飘移时，所做的就是切割地磁场磁力线的运动，因而将在云层上下两端极化出异性电荷。

根据感生电动势公式：E = BLV sinθ，云层上下两端所形成的电场强度与云冠高度和云朵的运动速度成正比。一般情况下，云层高度在不小于3000～4000米时方能发生雷电，这相当于切割磁力线导体的

长度。而积雨云的云冠高度往往在8000～12000米之间，所以雷电更多地发生在积雨云中。经验告诉我们，在雷雨天气里，必伴有很强的风势，而风力的大小直接决定了云朵的运动速度，风势越大，雷电的放电强度就越高。云朵的运动方向与南北磁力线的夹角，也是决定雷电强度的一个重要因素。当夹角为零时，亦即云朵南北方向运动时，sinθ= 0，意味着在云层中不会极化出异性电荷。当夹角为90°时，亦即云朵由东向西运动时，sinθ= 1，根据右手定则判断，云层上端集结的是正电荷，下端集结的是负电荷，届时将发生最为激烈的大气放电现象。根据云层电荷的极化过程可知，雷电之能来源于风能。

略作计算表明，若云冠高度为10000米，云朵运动速度为50米/秒，θ=90°，地磁场强度B=5×10-5特斯拉，那么，在云层上下两端每秒钟集结的电荷就可以产生25伏特的电位差，400秒内所产生的感生电位差就可以达到1万伏特。如果考虑其他因素的影响，通常情况下，积雨云只需10～20分钟的时间，即可完成大气放电所需要的电荷积累，这一点与我们的日常经验相符。

雷电，按云层的放电部位可将其分为以下四类：云内闪电、云际闪电、联珠状闪电和云地闪电。

以一块云层的上下两端为基点，在一块云体内部发生的大气放电现象，称为云内闪电。这种闪电发生时，看上去呈带状闪光，它是由连续几次放电过程所组成。

雷电若是发生在上下两块云层之间，则被称为云际闪电，这种闪电发生的前提条件是两块云朵的运动方向相同。在电磁感应效应作用下，处在上方的云朵的底端界面，与处在下方的云朵的顶端界面，两个部位所集结的电荷性质正好相反。当云层间距适当时，就会发生大气放电现象。这种闪电发出的光透过云层，就像树干伸出许多树枝一样，在空中快速曲折地行进，它是自然界中最常见的一种闪电。

云际间还发生一种闪电，发生这种闪电的云朵不同之处在于，两

块云朵虽处在同一高度，但运动方向却是相对的，基本是一块云朵由东向西运动，而另一块云朵则是由西向东运动。根据电磁感应的右手定则判断，在两块云朵的同一界面，将分别极化出两种性质不同的电荷。即由东向西运动的云朵，顶端界面集结的是正电荷，底端界面集结的是负电荷；而由西向东运动的云朵，顶端界面集结的则是负电荷，底端界面集结的是正电荷。当这两块积雨云在空中平行相遇时，同一界面间的异性电荷就会相互吸引，在云际边缘发生多点大气发电现象，这就是所谓的联珠状闪电。曾有人看到过这种闪电，一连串球状闪光就像一长串佛珠，挂在以云幕为背景的天际，景象甚为壮观。由于形成这种闪电条件特殊，需要两股对流的空气以相反的风向推动云朵运动，所以联珠状闪电在自然界中极为罕见。