雷电原理探究及应用

雷电原理探究及应用

提要：我国居民在古代便很关注雷电现象，也有不少建筑部件是为雷电灾害专门设计的，但是效果并不理想，时而有雷电及雷电引发的火灾造成重大损失，为此要保护这些重要建筑，雷电显现的研究便显得尤为重要了，雷电装置的研发及应用便成为一个世界性的课题。

关键词：雷电现象；建筑物；防雷装置；避雷实验

选题背景

我国现存古代建筑物是世界文化遗产中的瑰宝，除巍巍皇宫王府外，更大量是宗教寺庙。千百年来，除毁于人为外，更多的则毁于地震、洪水以及雷火之中。北京法源寺悯忠高阁五层木塔、妙应寺白塔、天坛祈年殿、明清承天门（今天安门）和三大殿、布达拉宫、开封佑国寺木塔、宣城敬亭山双塔、承德外八庙普佑寺、沈阳明东陵等古建筑物被雷击焚毁的部分事例。1957年7月6日明十三陵长陵陵恩殿西部的兽头被雷击掉一半，横梁被炸裂、楠木大柱劈裂20厘米，同时造成一死三伤。两天后雷击焚毁了北京中山公园音乐堂。这连续的两桩雷击事故惊动了周恩来总理，他当即指示北京人民政府，对北京市重要古建筑物采取防雷措施，由此开始了天安门、三大殿、景山万春亭、北海白塔、鼓楼、天坛祈年殿、颐和园排云殿等古建筑物的防雷。

由于我国古建筑物尚存量较多，目前还有不少古建未完善防雷装置，雷害仍在连续发生。急需建立古建筑物防雷体系，保护古建筑长久平安。

但是在我国古代也有不少关于避雷装置的记载：唐代《炙毂子》一书在记载了这样一件事：汉朝时柏梁殿遭到火灾，一位巫师建议，将一块鱼尾形状的铜瓦放在层顶上，就可以主防止雷电所引起的天火。屋顶上所设置的鱼尾开头的瓦饰，实际上兼作避雷之用，可认为是现代避雷针的雏形。法国旅行家卡勃里欧别?戴马甘兰1688年所著的《中国新事》一书中记有：中国屋脊两头，都有一个仰起的龙头，龙口吐出曲折的金属舌头，伸向天空，舌根连结一根细的铁丝，直通地下。这种奇妙的装置，在发生雷电的时刻就大显神通，若雷电击中了屋宇，电流就会从龙舌沿线睛行至地底，避免雷电击毁建筑物。这说明，中国古代建筑上的避雷装置，在结构上已和现代避雷针基本相似。

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铜钥匙。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。富兰克林把这种避协装置称为避雷针。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。

雷电原理

由于大气的剧烈运动，引起静电摩擦和其他电离作用，使云团内部产生了大量的带正、负电荷的带电离子，又因空间电场力的作用，这些带电离子定向垂直移动，使云团上部积累正电荷，下部积累负电荷（情况也可以相反），云团内产生分层电荷，形成产生雷电的雷云。雷云的成因主要来自于大气的运动，当雷云在天空移动时，在其下方的地面上会静电感应出一个带相反电荷的地面阴影

如果有一个带尖锋的金属球，让它带上负电，由于电荷同性相斥的作用，球体尖锋部分的电子受到同性电荷排斥力最强，最容易被排斥而离开金属球，这就是“尖端放电”。

地面上相对较高的建筑物，有时是避雷针，就好比金属球上的尖锋。雷击最容易在这些地方发生。

平时的闪电表面上看只闪一次，实际上是一系列闪光，在闪光发生的瞬间，雷电流在极短的时间内，以连续的、尖峰脉冲形式通过强大电流。尤其是直击雷，它的放电电流平均达2.5万到4.5万安培间，大雷暴时最高达20万安培。

如果雷电击在树木或建筑物件上，被雷击的物体瞬间将产生大量热能，由于雷电流很大，通过的时间又极短（50~100ms），根本来不及散发，以致物体内部的水份大量变成蒸气，并迅速膨胀，产生巨大的爆炸力，造成破坏。与雷电通道直接接触的金属因高温而熔化的可能性很大，因为通道的温度可高大6000~10000℃，甚至更高。因此在雷电流通道上遇到易燃物质，会引起火灾。

我们防治雷电灾害的方法便是避免超高电流及超高电流带来的超高温度，这就是避雷针。

对于上面的原理我们现在以一比较简单的演示实验来模拟，我们称之为雷电产生及避雷原理演示仪。让我们有一个直观的感受。

实验仪器结构绝缘支架两个金属圆板顶端呈球形的金属物体顶端呈圆锥形（尖端）的金属物体（如图所示）

附件：维氏发电机

工作原理

将绝缘支架上的两个金属圆板与起电机的两极相接。在下板上放一个上部呈球状的铜块，调节板距，使球顶距上板1厘米左右。摇动起电机，当板板间电压超过10千伏时，铜球与上板间形成火花放电。放电后，极板间电压消失，复又被起电机充电。上述过程重复出现，在球与上板之间形成断续火花放电，可听到噼啪声，并看到跳过的火花。将起电机的两极接触使起电机放电，将一个顶端呈圆锥状的铜块放在圆板上(为了比较，这个铜块与前述铜块等高)，上述火花放电现象立即停止，但可听到丝丝的电晕放电声（由于电压不足，此现象可能不是很明显）。这是由于第二个铜块的尖端附近形成的强电场，使空气分子电离，致使极板经常处于连续的电晕放电状态，即所谓尖端放电现象。尖端放电的结果，使极板间的电压不能达到火花放电的数值，因此火花放电停止。如高层建筑物顶端都安有高于屋顶物体的金属避雷针，避雷针就是利用尖端放电来避免强烈火花放电的原理制成的。

结论

为了验证不同形状避雷针的避雷效果，我们采取了圆形避雷针和锥形避雷针在相同环境下的避雷效果优劣的实验比较，实验结果显示：锥形避雷针的避雷效果要明显优于圆形避雷针，这种优劣性的比较是基于放电模式的不同造成的，连续平缓的电晕放电模式在防止雷电自然灾害的发生方面有着比较突出的优势，优势1：减缓了雷电对建筑物的直接打击力度，避免了积累效应。优势2：放电过程中有效的防止了电火花的产生，大大避免了雷电的二级灾害。