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雷電基本理論
  • 作者:    來源:南京蘇瑞科技    時間:2013-7-17    點擊:966次
人們通過模擬地球原始大氣在密室中進行放電的實驗,結果由無機物合成了11種氨基酸。這些物質的出現,是生命起源的基礎,因此,一些生命起源學說認為,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和宇宙空間各種有殺害生命作用的射線進入地面,保護地球上的生命,如果沒有這電離層,即使地球上本來已經有的生命,也會被來自太空的各種射線殺死,地球不可能出現現在的繁榮和文明。但是電離層的正電荷以平均約1800a的電流強度向大地放電,可想而知,如果得不到補充,電離層的電荷恨快便會放盡。由于雷電不斷補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,是雷電促使地球成為文明的星球。從這個角度來講,人類有今天的文明應該感謝雷電。 由于雷擊會給人類帶來災害,因此,人類很早就與雷害進行斗爭。其中取得卓越成就的有18世紀中葉著名科學家富蘭克林(franklin)m·b·羅蒙諾索夫(jiomohocob),l·b·黎赫曼(phxmah)。他們通過大量實驗建立了雷電學說,認為雷擊是云層中大量陰電荷和陽電荷迅速中和而產生的現象;并且創立了避雷理論,發明了避雷針。他們取得的這些科學成就,已為人類作出了重大的貢獻。 我國古籍中,有關雷電理論和避雷實踐的記載十分豐富。例如東周時《莊子》上記述:“陰陽分爭故為電,陽陰交爭故為雷,陰陽錯行,天地大駭,于是有雷、有霆。”這些學說與現代的雷電學說是如此相似,不過它比現代雷電學說要早2000多年。在古籍中關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:“湖陽縣春秋蓼國,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。”書中談及的白石、文石,據分析應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”(宋代稱棖桿)等措施以避雷。 在古籍中有關雷擊的事故的記述就更多了,例如: 《續晉陽春秋》:“太元五年,霹靂含殿四柱,殺內侍二人。” 《晉安帝記》:“義熙三年六月,震太廟鴟尾,徹壁柱,若有文字。” 《晉中興書征祥說》:“元興三年,永安王皇后至住巴防,將設威儀入宮,天大雷震,人馬多死。” 《沈括·夢溪筆談》:“內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,極堅剛,就刀室中容為汁。而室亦儼然。人必謂:當先焚草木,然后流金石,今乃金石皆爍而草木無一毀者,非人情所測。 《齊書·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。 以上只是我國古籍關于雷記載中的點滴摘錄,當然它與現代雷電理論和避雷技術相比還有差距,但是從歷史觀點來看,我們的祖先能夠在那么早的年代里就創造出那樣完整的雷電理論,并且在技術上得到應用,這是我們民族光輝燦爛文化歷史的一頁。 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大地之間迅猛的放電。這種迅猛的放電過程產生強烈的閃電并伴隨巨大的聲音。當然,云層之間的放電主要對飛行器有危害,對地面上的建筑物和人、畜沒有很大影響。然而,云層對大地的放電,則對建筑物、電子電氣設備和人、畜危害甚大,這是我們研究的主要對象。 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之間發生迅猛的放電現象,叫做“直擊雷”。其二是帶電云層由于靜電感應作用,使地面某一范圍帶上異種電荷。當直擊雷發生以后,云層帶電迅速消失,而地面某些范圍由于散流電阻大,以致出現局部高電壓,或者由于直擊雷放電過程中,強大的脈沖電流對周圍的導線或金屬物產生電磁感應發生高電壓以致發生閃擊的現象,叫做“二次雷”或稱“感應雷”。其三是“球形雷”,將在后面另詳細說明。 (1)雷云的形成不管是直擊雷還是感應雷都與帶電的云層存在分不開,帶電的云層稱為雷云。有關雷云形成的假說很多,但至今尚未有一種被公認為無懈可擊的完整學說,這里我們介紹其中被認為比較完善并經常被推薦的假說。 根據大量科學測試可知,地球本身就是一個電容器,通常大了穩定地帶負電荷50萬c左右,而地球上空存在一個帶正電的電離層,這兩者之間便形成一個已充電的電容器,它們之間的電壓為300kv左右,并且場強為上正下負。 當地面含水蒸氣的空氣受到熾熱的地面烘烤受熱而上升,或者較溫暖的潮濕空氣與冷空氣相遇而被墊高都會產生向上的氣流。這些含水蒸氣的上升時溫度逐漸下降形成雨滴、冰雹(稱為水成物),這些水成物在地球靜電場的作用下被極化(圖1-1), 負電荷在上,正電荷在下,它們在重力作用下落下的速度比云滴和冰晶(這二者稱為云粒子)要大,因此極化水成物在下落過程中要與云粒子發生碰撞。碰撞的結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,而帶負電的水成物在云的下部,或者帶負電的水成物以雨或雹的形式下降到地面。當下面所講的帶電云層一經形成,就形成雷云空間電場,空間電場的方向和地面與電離層之間的電場方向是一致的,都是上正下負,因而加強了大氣的電場強度,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,下層帶負電荷。實際上氣流并不單是只有上下移動,而比這種運動更為復雜。因此雷云電荷的分布也比上面講的要復雜得多。 根據科學工作者大量直接觀測的結果,典型的雷云中的電荷分布大體如圖1.2所示。 科學工作者的測試結果表明,大地被雷擊時,多數是負電荷從雷云向大地放電,少數是雷云上的正電荷向大地放電;在一塊雷云發生的多次雷擊中,最后一次雷擊往往是雷云上的正電荷向大地放電。從觀測證明,發生正電荷向大地放電的雷擊顯得特別猛烈。 上面的假說首先是由威爾遜(wilson)提出的,通常把它叫做威爾遜假說。另外,廣州有位唐山樵先生對雷云的形成提出了如下的假說: 雷電的出現是與氣流、風速密切相關的,而且與地球磁場也有一定的聯系。雷雨云內部的不停運動和相互磨擦而使雷雨云產生大量的正、負電荷的小微粒,即所謂的摩擦生電。這樣,龐大的雷雨云就相當于一塊帶有大量正、負電荷的云塊,而這些正、負電荷不斷地產生,同時也在不斷地的復合,當這些云塊在水平方向向東或向西迅速移動時(最大風速可達40m/s),它與地球磁場磁力線產生切割,這就好像導體切割磁力線產生電流一樣,云中的正、負電荷將產生定向移動,其移動的方向可按右手定則來判斷。若云塊是由西向東移動,而地磁場磁力線則是由地球南極指向地球的北極,因此大量的正電荷向上移動,負電荷向下移動,這樣云的下部將積聚越來越多的負電,而云的上部積聚大量的正電,當電場強度達到足夠高(25~30kv/cm)時將引起雷云間的強烈放電,或是雷云中的內部放電,或是雷云對地放電,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,把不同電荷進一步分離。由此可見,雷電的成因或者說主要能源來自于大氣的運動,沒有這些運動,是不會有雷電的。這也說明了為什么雷電總伴隨著狂風驟雨而出現。 (2)電離層與地面間的電荷平衡上面說過,地球是一個表面帶負電荷的球體,并且它所帶的負電荷量長期穩定在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電場,晴天時在地面附件的電場強度為120v/m。即使在晴天時,大氣中總有一些空氣分子被電離。 在電場的作用下造成放電電流。根據觀測和計算的結果表明,全地球該放電電流強度為1800a,如果長期如此,電離層與地面之間的電荷將很快放電完畢;然而事實上,它們之間大致長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,起到對電離的正電荷充電的作用。根據衛星觀測資料及電學觀測資料估計,在任何一時刻全地球表面上連續發生著大約1000個雷暴,從而使電離層與大地之間的電場保持穩定。見圖1-3 (3)尖端放電與雷擊由物理學可知,通常物體內部的正電荷和負電荷是相等的,所以從整體來看不顯示帶電現象,當某一物體所具有的正、負電荷不相等時,這個物體就顯示帶電的特性,當物體內部的正電荷多于負電荷,物體帶正電,反之帶負電。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力作用。以一個如圖1。4那樣的帶尖鋒的金屬球為例,假如金屬球帶上負電(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。球帶尖鋒部分的電子受到同性電荷往外排斥力最強,故最容易被排斥離開金屬球,這就是通常說的“尖端放電”。此外當帶電物體周圍的空氣越潮濕或帶有與帶電體相反電荷的離子時,帶電體也越易放電。 當天空中有雷云的時候,因雷云帶有大量電荷,由于靜電感應作用,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已充電的電容器,當雷云與地面之間的電壓高到一定的時候,地面上突出的物體比較明顯地放電。同時,天空帶電的雷云在電場的作用下,少數帶電的云粒(或水成物)也向地面靠攏,這些少數帶電微粒的靠攏,叫做先驅注流,又叫電流先導。先驅注流的延續將形成電離的微弱導通,這一階段稱為先驅放電。 開始產生的先驅放電是不連續的,是一個一個脈沖地相繼向前發展。它發展的平均速度為105~106m/s各脈沖間隔約30~90us,每階段推進約50 m。先驅放電常常表現為分枝狀,這是由于放電是沿著空氣電離最強、最容易導電的路徑發展的。這些分枝狀的先驅放電通常只有一條放電分支達到大地。 當先驅放電到達大地,或與大地放電迎面會合以后,就開始主放階段,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,通過先驅放電所開辟的狹小電離通道發生猛烈的電荷中和,放出能量,以至發出強烈的閃光和震耳的轟鳴。在雷擊中,雷擊點有巨大的電流流過。大多數雷電流峰值為幾十ka,也有少數上百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關系,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。 雷電流大多數是重復的,通常一次雷電包括3~4次放電。重復放電都是沿著第一次放電通路發展的。雷電之所以重復發生,是由于雷云非常之大,它各部分密度不完相同,導電性能也不一樣,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出的,隨后放電是從較高云層、或相鄰區發出的。一次放電全部時間可達十分之幾秒。
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