大学物理电磁学演示实验实验报告

避雷针

常规防雷电可分为防直击雷电、防感应雷电和综合性防雷电。防直击雷电的避雷装置一般由三部分组成，即接闪器、引下线和接地体；接闪器又分为避雷针、避雷线、避雷带、避雷网。以避雷针作为接闪器的防雷电原理是：避雷针通过导线接入地下，与地面形成等电位差，利用自身的高度，使电场强度增加到极限值的雷电云电场发生畸变，开始电离并下行先导放电；避雷针在强电场作用下产生尖端放电，形成向上先导放电；两者会合形成雷电通路，随之泻入大地，达到避雷效果。实际上，避雷针是引雷针，可将周围的雷电引来并提前放电，将雷电电流通过自身的接地导体传向地面，避免保护对象直接遭雷击。通俗的解释就是：避雷针的作用像雨伞为人们遮雨一样，覆盖着它一定范围内的建筑设施，一旦有雷电进入到了这个伞状的范围，雷电就会被避雷针吸引过来，再通过本体泄人大地，从而使伞状以下的建筑不被雷击。避雷针之外还有避雷线，它是通过防护对象的制高点向另外制高点或地面接引金属线的防雷电，它的防护作用等同于在弧垂上每一点都是一根等高的避雷针。后来发展了避雷带，就是在屋顶四周的女儿墙或屋脊、屋檐上安装金属带做接闪器来防雷电，即如你所说的那种。避雷带的防护原理与避雷线一样，由于它的接闪面积大，接闪设备附近空间电场强度相对比较强，更容易吸引雷电先导，使附近尤其比它低的物体受雷击的几率大大减少。再后来又发展了避雷网，分明网和暗网。明网是在避雷带的中间加敷金属线制成的网，然后通过截面积足够大的金属物与大地连接的防雷电，用以保护建筑物的中间部位。暗网则是利用建筑物钢筋混凝土结构中的钢筋网进行雷电防护，只要每层楼的楼板内的钢筋与梁、柱、墙内的钢筋有可靠的电气连接，并与层台和地桩有良好的电气连接，形成可靠的暗网，则这种方法要比其他防护设施更为有效。

法国易敌雷拥有超过40年丰富防雷器生产和防雷工程经验和一支强大的由法国最著名大学和研究机构组成的工程师队伍，使INDELEC（"易敌雷"）防雷器成为雷电保护装置的专家。不论在法国以至世界各地，PREVECTRON防雷器经过数十年势不可挡的成功，INDELEC（易敌雷）目前正全力推出其最新研究成果：PREVECTRON（第二代）避雷针。

（以下称PREVECTRON 2）

INDELEC避雷针是如何工作的

当雷暴来临时，所产生的能量是相当巨大的（每米达到几千伏），PREVECTRON 2早期预放电防雷器的空气终端从自然界的电场中吸收能量，下端能量收集电极把电能量贮存在防雷器触发装置内。每当闪电发生前，场强度会迅速增强，当防雷器贮存的能量达到某一水平，空气终端便会把信息输送往防雷器电触发装置，在空气终端的尖端便会产生火花，并使尖端周围的空气离子化，形成尖端放电现象。

INDELEC早期预放电避雷针原理

在空气终端的尖端的离子化可被表征为：控制离子的释放：PREVECTRON 2早期预放电防雷器的触发装置容许离子在极短的时间内放电，防雷器触发系统极度的准确性意味着离子可在极准确的时间被释放，换句话说，在主闪电发生前的刹那间。CORONA效应的触发：大量初始电子的存在，连同迅速增强的电场令自然的CORONA效应触发时间减少。预期上引放电通道：PREVETRON 2早期预放电避雷针被设计成从其尖端产生一预期上引放电通道，并早于那些邻近高点产生，这就表示着PREVECTRON 2早期预放电避雷针成为了在其保护范围内最有影响力的一点。在实验室测量时，这个触发时间的提前时间被定义为△T，代表了与单一棒比较起来，PREVECTRON 2早期预放电避雷针空气终端的有效性测量更理想。

尖端电晕放电现象

电晕放电是发生在极不均匀的电场中,空气被局部电离的一种放电形式。当前有关电晕放电测试和信号处理主要集中在电力行业,研究对象是电力系统中的高压输电线和高压电气设备的局部放电。国外学者对高压输电线上的电晕放电情况进行了大量的研究,包括电晕放电能量分析、电晕放电引起EMI 的模拟计算和预测、复合导体输电线的电晕放电情况,还建立了输电线电晕放电辐射场的计算模型在航空航天领域, 空中目标在高速飞行过程中, 其外表面会不断遭到气体分子、尘埃、冰晶等空间粒子的撞击, 这些粒子在于空中目标相互接触分离时, 带上某种极性的电荷, 同时在目标上留下等量异号的电荷。电荷积累到一定程度后, 会在其尖端形成电晕放电。电晕放电过程中会产生强烈的电磁辐射, 高压输电线、大型变压

器等电力设备都会因此造成经济损失, 而且这种电磁干扰对航空、航天飞行器的安全构成很大威胁。因此, 研究电晕放电辐射场测试方法与技术对高压电力系统、航空航天系统静电危害防护等有着重要的意义。

静电滚筒

静电滚筒实验的基本原理，在电学方面是尖端放电，在力学方面是转动定律。本实验的主要部件是一个绝缘塑料筒和两个电极杆，塑料筒可绕中轴自由转动，两个电极杆安置在滚筒两边，且与滚筒中轴平行，每个电极杆上平行排列着一排垂直于电极杆但指向滚筒切线方向的金属尖端。

当两个针形电极杆间加上高压后，尖端处的电荷面密度最大，尖端附近的电场最强，强电场使尖端附近空气中残存的离子发生加速运动，被加速的离子与空气分子相碰撞，使空气分子电离，产生大量新的离子。与尖端电荷异号的离子受吸引而趋向尖端，最后与尖端上电荷中和；与尖端电荷同号的离子受排斥而飞向远方形成“电风”，即电离的气体流，因此尖端放电所产生的带电粒子流推动滚筒而产生的力矩使滚筒转动。

对静电滚筒小实验的思考

如图，为静电滚筒实验

装置的正视图，其中A，B

为两并排水平放置的尖针，

C为竖直放置的静电滚筒，

可灵活绕竖直轴转动。初步

的实验现象是：当A，B两

端分别接上正负极，加上高

电压时，滚筒会顺时针转动；若C为电介质的静电滚筒，则转动得快，若C为导体的静电滚筒，则转动得较慢。

下面谈一下我对这个问题的思考过程。针对上述实验现象，可以提出两种解释假设：一，该现象主要由尖针尖端放电产生的“电风”带动滚筒转动引起；二，该现象主要由尖针与滚筒静电感应产生的电场引起。

首先看一下两种假设对滚筒的顺时针转动这一现象如何解释。如果假设一成立，显然，尖端放电产生的“电风”的确会相对圆心对滚筒产生一个力矩的作用，从而引起滚筒顺时针转动，所以假设一这时与实验未出现矛盾；如果假设二成立，当C为导体的静电滚筒时，A，B之间加上电压瞬间，滚筒表面应该马上会感应出相应的电荷，由对称性，整个滚筒两端受静电引力水平冲外，滚筒处于稳定平衡状态（如下图1），应该不会转动才对，即使给了滚筒一个微小的扰动，由于静电感应的速度极快（达10ˉ9 s），滚筒的稳定平衡状态会很快恢复，滚筒根本转不起来。这时，假设二与实验之间出现了很大的矛盾。

事实上，对于假设二，如果C为电介质的静电滚筒，那么解释起来会出现更大的出入。如上图，A为正极，B为负极，C为电介质的静电滚筒。刚开始时，滚筒会对称性地感应出极化电荷（如上图2），现在给滚筒一个顺时针的微小扰动，由于电介质的极化速度比较慢，滚筒表面局部区域的电荷没有来得及改变，出现如上图3的情形，对称性地分析一下可知，此时滚筒受到总的静电引力产生的力矩恰恰是阻止滚筒顺时针转动的，滚筒应该转不起来才对。可实验事实是，滚筒顺时针转动得很快。这样看来，假设二又遇到了很大的问题，再结合前面的分析，基本上就可以排除假设二了。

以下看一下假设一是如何很好地解释所有实验现象的。前面解释了滚筒的顺时针转动。按照假设一的想法，转动的方向应该与A，B电极的调换没有关系，即滚筒应仍顺时针转动——实验事实是，调换正负极，滚筒仍然顺时针转动，恰好验证了这一点；另外，既然由“电风”带动滚筒转动，那么如果撤去一个电极，只留下一排尖针的话，滚筒应该还是会顺时针转动，只不过转得慢一些而已——探索实验的结果也恰好验证了这一点。

最后，解释一下滚筒不同材料时转速不同的现象。以A正B负为例，

如上图，若C为导体的静电滚筒，根据前面的分析，滚筒表面可以随时看做存在对称的感应电荷，这种静电吸引力有使滚筒恢复稳定平衡的趋势，因而会阻碍滚筒的转动，所以转速会相对较慢。若C为电介质的静电滚筒，根据前面的分析，虽然刚开始运动时会有一个反向力矩阻碍转动，但随着转动的继续，滚筒表面极化的正负电荷“混在一起”，表现出来就好像表面没有极化电荷一样，反向力矩的阻碍作用慢慢消失，所以转速会相对较快。

综上所述，假设一，即尖端放电引起的“电风”是引起静电滚筒实验现象的主要原因，假设二即感应电荷的作用处于次要地位，仅仅影响转动速度的大小。