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雷電的記載、雷電的形成原因、雷電特性以及危害1
發(fā)布時(shí)間:2019/4/22 8:34:38

雷電的記載、雷電的形成原因、特點(diǎn)以及危害1

一、雷電概述

人們通過(guò)模擬地球原始大氣在密室中進(jìn)行放電的實(shí)驗(yàn),結(jié)果由無(wú)機(jī)物合成了11種氨基酸。這些物質(zhì)的出現(xiàn),是生命起源的基礎(chǔ),因此,一些生命起源學(xué)說(shuō)認(rèn)為,是雷電孕育了地球上的生命。同理,地球上空有一層電離層,它是由帶正電荷的粒子組成,該電離層起著防止太陽(yáng)和宇宙空間各種有殺害生命作用的射線進(jìn)入地面,保護(hù)地球上的生命,如果沒(méi)有這電離層,即使地球上本來(lái)已經(jīng)有的生命,也會(huì)被來(lái)自太空的各種射線殺死,地球不可能出現(xiàn)現(xiàn)在的繁榮和文明。但是電離層的正電荷以平均約1800A的電流強(qiáng)度向大地放電,可想而知,如果得不到補(bǔ)充,電離層的電荷恨快便會(huì)放盡。由于雷電不斷補(bǔ)充電離層放電失去的電荷,保持電離層總電荷量大體平衡,使這層生命的保護(hù)屏障得以保存,使地球上的生命不致被宇宙射線滅絕。因此,可以說(shuō),是雷電促使地球成為文明的星球。從這個(gè)角度來(lái)講,人類(lèi)有今天的文明應(yīng)該感謝雷電。

由于雷擊會(huì)給人類(lèi)帶來(lái)災(zāi)害,因此,人類(lèi)很早就與雷害進(jìn)行斗爭(zhēng)。其中取得卓越成就的有18世紀(jì)中葉著名科學(xué)家富蘭克林(Franklin)M·B·羅蒙諾索夫(JIOMOHOCOB),L·B·黎赫曼(PHXMAH)。他們通過(guò)大量實(shí)驗(yàn)建立了雷電學(xué)說(shuō),認(rèn)為雷擊是云層中大量陰電荷和陽(yáng)電荷迅速中和而產(chǎn)生的現(xiàn)象;并且創(chuàng)立了避雷理論,發(fā)明了避雷針。他們?nèi)〉玫倪@些科學(xué)成就,已為人類(lèi)作出了重大的貢獻(xiàn)。

我國(guó)古籍中,有關(guān)雷電理論和避雷實(shí)踐的記載十分豐富。例如東周時(shí)《莊子》上記述:陰陽(yáng)分爭(zhēng)故為電,陽(yáng)陰交爭(zhēng)故為雷,陰陽(yáng)錯(cuò)行,天地大駭,于是有雷、有霆。這些學(xué)說(shuō)與現(xiàn)代的雷電學(xué)說(shuō)是如此相似,不過(guò)它比現(xiàn)代雷電學(xué)說(shuō)要早2000多年。在古籍中關(guān)于建筑工程中避雷的記載也十分豐富。南北朝的孟奧《北征記》中有如下記述:凌云臺(tái)南角一百步,有白石室,名避雷室。又有盛弦之《荊州記》中記述:湖陽(yáng)縣春秋蓼國(guó),樊重之邑了,重母畏雷,為立石室,以避之,悉之文石為階砌,至今猶存。書(shū)中談及的白石、文石,據(jù)分析應(yīng)該屬于絕緣性能較好的石塊。至于宋、元、明、清代的建筑物多用雷公柱(宋代稱(chēng)棖桿)等措施以避雷。

在古籍中有關(guān)雷擊的事故的記述就更多了,例如:
  《續(xù)晉陽(yáng)春秋》:太元五年,霹靂含殿四柱,殺內(nèi)侍二人。
  《晉安帝記》:義熙三年六月,震太廟鴟尾,徹壁柱,若有文字。
  《晉中興書(shū)征祥說(shuō)》:"元興三年,永安王皇后至住巴防,將設(shè)威儀入宮,天大雷震,人馬多死。"
  《沈括·夢(mèng)溪筆談》:內(nèi)侍李舜舉家為暴所震,其堂之西屋雷火自窗間出,赫然出檐。人以為堂屋已焚,皆出避之。及雷止,其舍宛然,墻壁窗紙皆默。有一木格,其中雜貯諸器,其漆器銀鋁者,銀悉容流在地,漆器不燃灼。有一寶刀,極堅(jiān)剛,就刀室中容為汁。而室亦儼然。人必謂:當(dāng)先焚草木,然后流金石,今乃金石皆爍而草木無(wú)一毀者,非人情所測(cè)。
  《齊書(shū)·五行志》:永元三年正月,豫章郡,天火燒三千余家。該天火,到底是一般雷擊,還是球形雷?未加考證。 以上只是我國(guó)古籍關(guān)于雷記載中的點(diǎn)滴摘錄,當(dāng)然它與現(xiàn)代雷電理論和避雷技術(shù)相比還有差距,但是從歷史觀點(diǎn)來(lái)看,我們的祖先能夠在那么早的年代里就創(chuàng)造出那樣完整的雷電理論,并且在技術(shù)上得到應(yīng)用,這是我們民族光輝燦爛文化歷史的一頁(yè)。 
 

二、雷電的成因

通常所謂雷擊是指一部分帶電的云層與另一部分帶異種電荷的云層,或者是帶電的云層對(duì)大地之間迅猛的放電。這種迅猛的放電過(guò)程產(chǎn)生強(qiáng)烈的閃電并伴隨巨大的聲音。當(dāng)然,云層之間的放電主要對(duì)飛行器有危害,對(duì)地面上的建筑物和人、畜沒(méi)有很大影響。然而,云層對(duì)大地的放電,則對(duì)建筑物、電子電氣設(shè)備和人、畜危害甚大,這是我們研究的主要對(duì)象。
  通常雷擊有三種主要形式:其一是帶電的云層與大地上某一點(diǎn)之間發(fā)生迅猛的放電現(xiàn)象,叫做直擊雷。其二是帶電云層由于靜電感應(yīng)作用,使地面某一范圍帶上異種電荷。當(dāng)直擊雷發(fā)生以后,云層帶電迅速消失,而地面某些范圍由于散流電阻大,以致出現(xiàn)局部高電壓,或者由于直擊雷放電過(guò)程中,強(qiáng)大的脈沖電流對(duì)周?chē)膶?dǎo)線或金屬物產(chǎn)生電磁感應(yīng)發(fā)生高電壓以致發(fā)生閃擊的現(xiàn)象,叫做二次雷或稱(chēng)感應(yīng)雷。其三是球形雷,將在后面另詳細(xì)說(shuō)明。

(1) 雷云的形成

  不管是直擊雷還是感應(yīng)雷都與帶電的云層存在分不開(kāi),帶電的云層稱(chēng)為雷云。有關(guān)雷云形成的假說(shuō)很多,但至今尚未有一種被公認(rèn)為無(wú)懈可擊的完整學(xué)說(shuō),這里我們介紹其中被認(rèn)為比較完善并經(jīng)常被推薦的假說(shuō)。
  根據(jù)大量科學(xué)測(cè)試可知,地球本身就是一個(gè)電容器,通常帶了穩(wěn)定地帶負(fù)電荷50萬(wàn)庫(kù)侖左右,而地球上空存在一個(gè)帶正電的電離層,這兩者之間便形成一個(gè)已充電的電容器,它們之間的電壓為300KV左右,并且場(chǎng)強(qiáng)為上正下負(fù)。
  當(dāng)?shù)孛婧魵獾目諝馐艿綗霟岬牡孛婧婵臼軣岫仙蛘咻^溫暖的潮濕空氣與冷空氣相遇而被墊高都會(huì)產(chǎn)生向上的氣流。這些含水蒸氣的上升時(shí)溫度逐漸下降形成雨滴、冰雹(稱(chēng)
為水成物),這些水成物在地球靜電場(chǎng)的作用下被極化(圖1-1),

 

 


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1-1水成物在大氣電場(chǎng)中的極化

負(fù)電荷在上,正電荷在下,它們?cè)谥亓ψ饔孟侣湎碌乃俣缺仍频魏捅Вㄟ@二者稱(chēng)為云粒子)要大,因此極化水成物在下落過(guò)程中要與云粒子發(fā)生碰撞。碰撞的結(jié)果是其中一部分云粒子被水成物所捕獲,增大了水成物的體積,另一部分未被捕獲的被反彈回去。而反彈回去的云粒子帶走水成物前端的部分正電荷,使水成物帶上負(fù)電荷。由于水成物下降的速度快,而云粒子下降的速度慢,因此帶正、負(fù)兩種電荷的微粒逐漸分離(這叫重力分離作用),如果遇到上升氣流,云粒子不斷上升,分離的作用更加明顯。最后形成帶正電的云粒子在云的上部,而帶負(fù)電的水成物在云的下部,或者帶負(fù)電的水成物以雨或雹的形式下降到地面。當(dāng)下面所講的帶電云層一經(jīng)形成,就形成雷云空間電場(chǎng),空間電場(chǎng)的方向和地面與電離層之間的電場(chǎng)方向是一致的,都是上正下負(fù),因而加強(qiáng)了大氣的電場(chǎng)強(qiáng)度,使大氣中水成物的極化更厲害,在上升氣流存在在情況下更加劇重力分離作用,使雷云發(fā)展得更快。
  從上面的分析,好像雷云總是上層帶正電荷,下層帶負(fù)電荷。實(shí)際上氣流并不單是只有上下移動(dòng),而比這種運(yùn)動(dòng)更為復(fù)雜。因此雷云電荷的分布也比上面講的要復(fù)雜得多。
 
  根據(jù)科學(xué)工作者大量直接觀測(cè)的結(jié)果,典型的雷云中的電荷分布大體如圖1.2所示。

 


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1-2典型的雷電云中的電荷分布,按理論歸納

科學(xué)工作者的測(cè)試結(jié)果表明,大地被雷擊時(shí),多數(shù)是負(fù)電荷從雷云向大地放電,少數(shù)是雷云上的正電荷向大地放電;在一塊雷云發(fā)生的多次雷擊中,最后一次雷擊往往是雷云上的正電荷向大地放電。從觀測(cè)證明,發(fā)生正電荷向大地放電的雷擊顯得特別猛烈。
  上面的假說(shuō)首先是由威爾遜(Wilson)提出的,通常把它叫做威爾遜假說(shuō)。另外,廣州有位唐山樵先生對(duì)雷云的形成提出了如下的假說(shuō): 雷電的出現(xiàn)是與氣流、風(fēng)速密切相關(guān)的,而且與地球磁場(chǎng)也有一定的聯(lián)系。雷雨云內(nèi)部的不停運(yùn)動(dòng)和相互磨擦而使雷雨云產(chǎn)生大量的正、負(fù)電荷的小微粒,即所謂的摩擦生電。這樣,龐大的雷雨云就相當(dāng)于一塊帶有大量正、負(fù)電荷的云塊,而這些正、負(fù)電荷不斷地產(chǎn)生,同時(shí)也在不斷地的復(fù)合,當(dāng)這些云塊在水平方向向東或向西迅速移動(dòng)時(shí)(最大風(fēng)速可達(dá)40m/s),它與地球磁場(chǎng)磁力線產(chǎn)生切割,這就好像導(dǎo)體切割磁力線產(chǎn)生電流一樣,云中的正、負(fù)電荷將產(chǎn)生定向移動(dòng),其移動(dòng)的方向可按右手定則來(lái)判斷。若云塊是由西向東移動(dòng),而地磁場(chǎng)磁力線則是由地球南極指向地球的北極,因此大量正電荷向上移動(dòng),負(fù)電荷向下移動(dòng),這樣云的下部將積聚越來(lái)越多的負(fù)電,而云的上部積聚大量的正電,當(dāng)電場(chǎng)強(qiáng)度達(dá)到足夠高(2530KV/cm)時(shí)將引起雷云間強(qiáng)烈放電,或是雷云中的內(nèi)部放電,或是雷云對(duì)地放電,即所謂的雷電。
  綜上所述,雷電的成因仍為摩擦生電及云塊切割磁力線,把不同電荷進(jìn)一步分離。由此可見(jiàn),雷電的成因或者說(shuō)主要能源來(lái)自于大氣的運(yùn)動(dòng),沒(méi)有這些運(yùn)動(dòng),是不會(huì)有雷電的。這也說(shuō)明了為什么雷電總伴隨著狂風(fēng)驟雨而出現(xiàn)。

 

 

2)電離層與地面間的電荷平衡

1-3 地球電場(chǎng)示意圖

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上面說(shuō)過(guò),地球是一個(gè)表面帶負(fù)電荷的球體,并且它所帶的負(fù)電荷量長(zhǎng)期穩(wěn)定在5×105C水平,而在地球上空的電離層上則帶有相等的正電荷,使電離層與地面之間的電壓約300KV。因而在電離層與地面之間存在一個(gè)電場(chǎng),晴天時(shí)在地面附件的電場(chǎng)強(qiáng)度為120V/m。即使在晴天時(shí),大氣中總有一些空氣分子被電離。
  在電場(chǎng)的作用下造成放電電流。根據(jù)觀測(cè)和計(jì)算的結(jié)果表明,全地球該放電電流強(qiáng)度為1800A,如果長(zhǎng)期如此,電離層與地面之間的電荷將很快放電完畢;然而事實(shí)上,它們之間大致長(zhǎng)期保持恒定的電量和電壓,這主要由于雷暴的形成和雷擊,把正電荷從大地送回到電離層,起到對(duì)電離的正電荷充電的作用。根據(jù)衛(wèi)星觀測(cè)資料及電學(xué)觀測(cè)資料估計(jì),在任何一時(shí)刻全地球表面上連續(xù)發(fā)生著大約1000個(gè)雷暴,從而使電離層與大地之間的電場(chǎng)保持穩(wěn)定。

(3)尖端放電與雷擊

  由物理學(xué)可知,通常物體內(nèi)部的正電荷和負(fù)電荷是相等的,所以從整體來(lái)看不顯示帶電現(xiàn)象,當(dāng)某一物體所具有的正、負(fù)電荷不相等時(shí),這個(gè)物體就顯示帶電的特性,當(dāng)物體內(nèi)部的正電荷多于負(fù)電荷,物體帶正電,反之帶負(fù)電。由于電荷都有異性相吸、同性相斥的特性,所以帶電物體中的同性電荷總是受到互相排斥的電場(chǎng)力作用。以一個(gè)如圖1-4那樣的帶尖鋒的金屬球?yàn)槔偃缃饘偾驇县?fù)電(同理也可以解釋帶上正電),由于電荷同性相斥的作用,電子總是分布到金屬球的最外層表面,并且有逃離金屬球表面的趨勢(shì)。球帶尖鋒部分的電子受到同性電荷往外排斥力最強(qiáng),故最容易被排斥離開(kāi)金屬球,這就是通常說(shuō)的尖端放電。此外當(dāng)帶電物體周?chē)目諝庠匠睗窕驇в信c帶電體相反電荷的離子時(shí),帶電體也越易放電。
  當(dāng)天空中有雷云的時(shí)候,因雷云帶有大量電荷,由于靜電感應(yīng)作用,雷云下方的地面和地面上的物體都帶上與雷云相反的電荷。雷云與其下方的地面就成為一個(gè)已充電的電容器,當(dāng)雷云與地面之間的電壓高到一定的時(shí)候,地面上突出的物體比較明顯地放電。同時(shí),天空帶電的雷云在電場(chǎng)的作用下,少數(shù)帶電的云粒(或水成物)也向地面靠攏,這些少數(shù)帶電微粒的靠攏,叫做先驅(qū)注流,又叫電流先導(dǎo)。先驅(qū)注流的延續(xù)將形成電離的微弱導(dǎo)通,這一階段稱(chēng)為先驅(qū)放電。

 

 

 

1-4

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        開(kāi)始產(chǎn)生的先驅(qū)放電是不連續(xù)的,是一個(gè)一個(gè)脈沖地相繼向前發(fā)展。它發(fā)展的平均速度為105106m/s各脈沖間隔約3090μs,每階段推進(jìn)約50 m。先驅(qū)放電常常表現(xiàn)為分枝狀,這是由于放電是沿著空氣電離最強(qiáng)、最容易導(dǎo)電的路徑發(fā)展的。這些分枝狀的先驅(qū)放電通常只有一條放電分支達(dá)到大地。

當(dāng)先驅(qū)放電到達(dá)大地,或與大地放電迎面會(huì)合以后,就開(kāi)始主放階段,這就是雷擊。在主放電中雷云與大地之間所聚集的大量電荷,通過(guò)先驅(qū)放電所開(kāi)辟的狹小電離通道發(fā)生猛烈的電荷中和,放出能量,以至發(fā)出強(qiáng)烈的閃光和震耳的轟鳴。在雷擊中,雷擊點(diǎn)有巨大的電流流過(guò)。大多數(shù)雷電流峰值為幾十KA,也有少數(shù)上百KA以至幾百KA的。雷電流峰值的大小與土壤電阻率的大小成減函數(shù)關(guān)系,即土壤電阻率高,則雷電流峰值小;土壤電阻率低,則雷電流峰值大。
  雷電流大多數(shù)是重復(fù)的,通常一次雷電包括34次放電。重復(fù)放電都是沿著第一次放電通路發(fā)展的。雷電之所以重復(fù)發(fā)生,是由于雷云非常之大,它各部分密度不完相同,導(dǎo)電性能也不一樣,所以它所包含的電荷不能一次放完,第一次放電是由雷云最低層發(fā)出的,隨后放電是從較高云層、或相鄰區(qū)發(fā)出的。一次放電全部時(shí)間可達(dá)十分之幾秒。


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