避雷针的原理与应用

生活中的物理
——避雷针的原理和应用
避雷针，又名防雷针，是用来保护建筑物等避免雷击的装置。

在高大建筑物顶端安装一个金属棒，用金属线与埋在地下的一块金属板连接起来，利用金属棒的尖端放电，使云层所带的电和地上的电逐渐中和，从而不会引发事故。

按照所要保护的建筑物的大小，避雷针有各种各样的规格。

现代避雷针是美国科学家富兰克林发明的。

富兰克林认为闪电是一种放电现象。

为了证明这一点，他在1752年7月的一个雷雨天，冒着被雷击的危险，将一个系着长长金属导线的风筝放飞进雷雨云中，在金属线末端拴了一串银钥匙。

当雷电发生时，富兰克林手接近钥匙，钥匙上迸出一串电火花。

手上还有麻木感。

幸亏这次传下来的闪电比较弱，富兰克林没有受伤。

在成功地进行了捕捉雷电的风筝实验之后，富兰克林在研究闪电与人工摩擦产生的电的一致性时，他就从两者的类比中作出过这样的推测：既然人工产生的电能被尖端吸收，那么闪电也能被尖端吸收。

他由此设计了风筝实验，而风筝实验的成功反过来又证实了他的推测。

他由此设想，若能在高物上安置一种尖端装置，就有可能把雷电引入地下。

富兰克林把这种避雷装置：把一根数米长的细铁棒固定在高大建筑物的顶端，在铁棒与建筑物之间用绝缘体隔开。

然后用一根导线与铁棒底端连接。

再将导线引入地下。

富兰克林把这种避雷装置称为避雷针。

经过试用，果然能起避雷的作用。

避雷针的发明是早期电学研究中的第一个有重大应用价值的技术成果，促进了人类和自然的谐相处。

避雷针的作用
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。

当避雷针截受雷击时，由接闪体接闪，通过雷电波形处理装置，利用外壳与中心接地杆之间有3mm间隙，构成耦合电容，同时外壳通过一个电感线圈接地（中心接地杆）当下行先导接近接闪器时，由于频率极高，电感呈开路状态，电容对高频呈现短路特性，因此耦合电容作用下，接闪器表面电场强度迅速增加，直至触发雪崩过程，从而能在顷刻间将雷电流泄放入地，以至有效的达到防雷害保安全的目的。

避雷针的工作原理：
在雷雨天气，高楼上空出现带电云层时，避雷针和高楼顶部都被感应上大量电荷，由于避雷针针头是尖的，而静电感应时，导体尖端总是聚集了最多的电荷．这样，避雷针就聚集了大部分电荷．避雷针又与这些带电云层形成了一个电容器，由于它较尖，即这个电容器的两极板正对面积很小，电容也就很小，也就是说它所能容纳的电荷很少．而它又聚集了大部分电荷，所以，当云层上电荷较多时，避雷针与云层之间的空气就很容易被击穿，成为导体．这样，带电云层与避雷针形成通路，而避雷针又是接地的．避雷针就可以把云层上的电荷导人大地，使其不对高层建筑构成危险，保证了建筑物的安全．
避雷针制作、安装
１.所有金属部件必须镀锌，操作时注意保护镀锌层。

２.采用镀锌钢管管制作针尖，管壁厚度不得小于3mm,针尖刷锡长度不得小于70mm ３.避雷针应垂直安装牢固。

垂直度允许偏差为3/1000。

４.焊接要求焊接应采用搭接焊，其搭接长度必须符合下列规定：
a.扁钢为其宽度的2倍(且至少3个棱边焊接)。

b.圆钢为其直径的6倍。

c.圆钢与扁钢连接时，其长度为圆钢直径的6倍。

5. 避雷针一般采用圆钢或钢管制成，其直径不应小于下列数值：
a独立避雷针一般采用直径为19mm镀锌圆钢。

b屋面上的避雷针采用直径25mm镀锌钢管。

c水塔顶部避雷针采用直径25mm或40mm的镀锌钢管
d烟囱顶上避雷针采用直径25mm镀锌圆钢或直径为40mm镀锌钢管e避雷环用
直径12mm镀锌圆钢或截面为100mm2镀锌扁钢，其厚度应为4mm．
6 避雷针宜采用圆钢或焊接钢管制成，其直径不应小于下列数值：
针长1m以下：圆钢为12mm 钢管为20 mm
针长1-2m：圆钢为16mm 钢管为25mm
烟囱顶上的针：圆钢为20 mm 钢管为40 mm。