1、雷电常识雷电常识工 解 量 甲 的 发 展 史,我国古代对电的认识，是 从 雷 电 及 摩 擦起 电 现 象 开 始 的。早 在 3 0 0 0 多 年 前 的 殷商 时 期，甲 骨 文 中 就 有 了“雷”及“电”的形声字。西周初期，在青铜器上就已经 出 现 加 雨 字 偏 旁 的“電”字。在细致观察的同时，人们也在探讨雷电的成因。淮南子 坠形训认为，“阴 阳 相 薄 为 雷，激 扬 为 电”,即 雷 电 是 阴 阳 两 气 对 立 的 产 物。王 充 也 持 类 似 看 法。明 代 刘 基(1 3 1 1 1 3 7 5)说得更为明确：“雷者，天气之郁而激而发也。阳气困于阴，必迫，迫极而迸
2、，迸而声为雷，光 为 电”。可 见，当 时 已 有 人 认 识 到 雷 电 是 同一 自 然 现 象 的 不 同 表 现 。工，工 中 国 古 代 对 雷 电 的 认 识 避 雷 针 是 尖 端 放 电 的 具 体 应 用，我 国 古代 地 采 用 各 种 措 施 防 雷。古 塔 的 尖 顶 多 涂 金 属 膜 或 鎏 金，高 大 建 筑 物 的 瓦 饰 制 成 动 物(吻 兽)形 状 且 冲 天 装 设，都 起 到 了 避 雷 作 用。如 武 当 山 主 峰 峰 顶 矗 立 着 一 座 金 殿，至 今 已 有 5 0 0 多 年 历 史，虽 高 耸 于 峰 巅 却 从 没 有 受 过 雷 击
3、 。工 ，对 电 的 只1 6 世 纪，现 代 科 学 先 驱 英 国 的 弗 兰 西 斯-培根、法国的勒内 笛卡儿、意大利的伽利略等人 在 反 对 宗 教 封 建 神 学 和 经 验 哲 学 的 斗 争 的 潮流 中 倡 导 和 宣 传 了 正 确 的 科 学 思 想 和 可 选 方 法 ，对 当 时 和 后 人 产 生 了 极 大 影 响 ，把 科 学 实 验 提 到 了 很 重 要 的 地 位 。在 这 个 基 础 上 建 立 理 性 思 维,怀 疑 一 切 教 条 和 无 根 据 的 论 断。很 多 学 者 进 行 了 试 验 和 观 察，在 1 8 世 纪 中 叶 对 电 的 本 性
4、 建 立 了 科 学 认 识 ，在 这 个 基 础 上 很 快 把 雷 电 的 神 学 面 纱 揭 穿 ，从 而 初 步 建 立 了 雷 电 科 学 。Your site here工：2 欢 美 雷 电 科 学 的 建 立1 2 次 美 雷 甲 科 学 的 建 立只有在电学有了 一 定的发展之后，方 有 了 对闪电科学认识的条件。第 一 个把实验室中的电与自 然 界 的 闪 电 发 生 联 系 的 人 是 曾 任 英 国 伦 敦 皇 家 学会馆长的豪克斯比(Hauksbee)。1 7 0 6 年 他用玻璃棒摩擦带电，研究它的发光，看到静电产生的闪光和闪电相似，而发生了联想，这种猜测 已接触到物
5、理学的本质，可以认为是对闪电进入 了 科 学 认 识 之 门，这还仍不能认为是对闪电有了 科学认识，因为他没有建立在科学实验的论证上。Your site here 第 一 个达到这 一 步的是美国杰出科学家富兰克林(Franklin1706-1790),他先是在实验室内 进 行 一 系 列 电 学 实 验，论证了实验室内静电 放电现象与天空闪电的种种类似性，以科学的 理 性 思 维 探 索 闪 电 的 本 质。富 兰 克 林 之 卓 越 贡 献和成就在于他又迈出了决定性的 一 步，那 就 是 把 云 中 的 闪 电 引 到 地 面 上 来 做 实 验 检 定，从 科 学 实 验 上 来 证 明
6、 自 己 的 理 性 判 断。他 所 设 计 的著名的风筝实验，许多科学家重复他的实验，一 起 来 认 识 这 个 科 学 判 断，闪电就是静电产生 的火花放电。Your site here1 2 欢 美 雷 电 科 学 的 建 立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 1 7 5 2 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
7、 亏 这 次 传 下 来 的 闪 电 比 较 弱，富 兰 克 林 没 有 受 伤。1.3、人 杆 避 雷 针 的 发 明LOGO 1.31.3、人人 杆杆 的的 发发 明明 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 。Your site here工工，4 4、现现
8、代代 雷雷 甲甲 科科 学学 的的 友友 展展富 兰 克 林 对 闪 电 的 认 识 只 是 解 决 雷 电 的定 性 问 题，要 跨 入 定 量 的 认 识，必 须 解 决 实 验 仪 器 和 方 法，整 整 100100 多 年 来,人 们 对 雷 电 的 认 识 没 有 明 显 的 进 展。英 国 开 尔 文 男 爵(1824-19071824-1907 )是 第 一 位 对 大 气 电 学 作 出 重要 贡 献 的 学 者，开 创 了 定 量 研 究 闪 电 物 理 的 工作 ,他 对 实 验 研 究 和 理 论 探 索 做 出 了 关 键 性 贡 献。他 建 议 用 气 球 携 带
9、仪 器 探 测 高 空 不 同 高 度 的电场，要考虑大气的导电性，要研究雨的起 电 机 理 ，要 用 照 相 记 录 作 为 研 究 的 一 种 方 法 。工.4、现 代 髯 甲 科 学 的 发 展从 2 0 世 纪 初 开 始，大 气 科 学 开 始 有 了 长 足 发 展，沃 尔 特(W alter)等 一 些 科 学 家 终 于 用 移 动 照 相 机 实 现 了 开 尔 文 的 设 想，拍 出 了 一 批 闪 电 照 片，显 示 了 闪 电 的 过 程 及 其 特 征 ，其 数 据 还 一 直 沿 用 至 今 ，这 是 一 个 重 大 突 破 。人 们 认 识 了 闪 电 是 由 梯
10、 式 先 导开 始 的 闪 电 全 过 程 包 括 有 多 次 闪 击 放 电 。二 次 世 界 大 战 期 间 发 展 起 来 的 无 线 电 遥 控 技 术 、飞机的改造，为大气探测创造了条件。用飞机穿入 雷 雨 云 中 和 用 地 面 无 线 电 遥 测 ，是 人 们 对 雷 雨 云 的 电结构、闪电发展物理过程和雷电的起电机制的认 识 大 大 进 了 一 步 ，这 为 人 们 研 究 雷 电 防 护 提 供 了 科 学 基 础。单 当地面含水蒸气的空气受到炽热的地面烘烤受热 而 上 升 ，或 者 较 温 暖 的 潮 湿 空 气 与 冷 空 气 相遇 而 被 抬 高 都 会 产 生 向
11、上 的 气 流 。这 些 含 大 量 水 蒸 气 的 空 气 上 升 时 温 度 逐 渐 下 降 形 成 雨 滴 、冰 雹(称 为 水 成 物),这 些 水 成 物 受 大 气 电 场、重力、对流以及温差、碰撞感应、破碎等起电 效应的同时作用，正负电荷分别在云的不同部 位 积 聚，就 形 成 了 积 雨 云，即 雷 雨 云。2.雷 电 的 成 和 分 类积积 雨雨 云云 的的 特特 征征：:积 雨 云 就 是 一 种 在 强 烈 垂 直 对流 过 程 中 形 成 的 云 。由 于 地 面 吸 收 太 阳 的 辐 射 热 量 远 大 于 空 气 层 ，所 以 白 天 地 面 温 度 升 高 较
12、多 ，夏 季 这 种 升 温 更 为 明 显 ，所 以 近 地 面 的 大 气 的 温 度 由 于 热 传 导 和 热 辐 射 也 跟 着 升 高 ，气 体 温 度 升 高必然膨胀，密度减小，压强也随着降低，根据 力 学 原 理 它 就 要 上 升 ，上 方 的 空 气 层 密 度 相 对 说 来就较大，就要下沉。2 2 工工 工工 量量 成成 的的 物物 理过理过 程程Your site here热 气 流 在 上 升 过 程 中 膨 胀 降 压 ，同 时 与 高 空 低温 空 气 进 行 热 交 换 ，于 是 上 升 气 团 中 的 水 汽 凝 结而出现雾滴，就形成了云。在强对流过程中，云
13、中的雾滴进一步降温，变成过冷水滴、冰晶 或 雪 花，并 随 高 度 逐 渐 增 多。在 冻 结 高 度(-1 0 ),由 于 过 冷 水 大 量 冻 结 而 释 放 潜 热，使 云 顶 突 然 向 上 发 展 ，达 到 对 流 层 顶 附 近 后 向 水 平方向铺展，形成云砧，是积雨云的显著特征。2 2 工工 工工 量量 成成 的的 物物 理过理过 程程Your site here 根 据 雷 雨 云 电 荷 分 布 模 型，宏 观 上 分 为 三 个 电 荷集 中 区。云 中 最 高 的 集 中 区 是 正 电 荷，中 间 区 为 负 电 荷，最 低 区 为 正 电 荷 。云 层 带 正 电
14、 荷 区 对 地 放 电 称 为正 极 性 闪 电 ，云 层 带 负 电 荷 对 地 放 电 称 为 负 极 性 闪 电。正 极 性 闪 电 时 正 电 荷 由 云 到 地，为 正 值，负 极 性 闪 电 时 负 电 荷 由 云 到 地，故 为 负 值。雷 雨 下 部 虽 带 正 电，但 电 荷 量 较 少，所 以，雷 雨云 绝 大 部 分 整 体 对 地 还 是 显 示 为 负 电 荷 区2.1.2 8182.1.2雷云的结构(含正极性闪击、负极性-40十 十smal centre ofpositive chargecloud tocloudcloud toair-5 关 于 积 雨 云 电
15、 荷 的 产 生 原 因 有 很 多 学 说，我 们 这 里 介 绍 几 个 公 认 比 较 成 熟 的 学 说：A.感 应 起 电：大 量 科 学 研 究 表 明，地 球本 身 就 是 一 个 电 容 器，通 常 稳 定 地 带 5 0 万 库 仑 的 负 电 荷，而 地 球 上 空 有 一 个 带 正 电 的 电 离 层，这 样 形 成 了 一 个 已 经 充电 的 电 容 器，它 们 之 间 的 电 压 大 约 为3 0 0 千 伏，上 正 下 负。2 1:3:3 置置 起起 甲甲 机机2 :3 置 起 甲 机A.感 应 起 电：积 雨 云 中 的 云 粒 子(雾 滴 和 冰 晶)在大气
16、电场中感生电荷，上负下正。云粒子下降 过 程 中 一 方 面 吸 引 上 升 气 流 中 的 大 气 负 离 子 ，使云粒子下端的正电荷中和，另一方面，上升 气 流 中 的 中 性 粒 子 与 云 粒 子 下 部 碰 撞 ，一 部 分 被 捕 获 增 大 云 粒 子 ，另 一 部 分 被 弹 开 也 带 走 了 正电荷，使云粒子整体显现负电性。上升气流 中 的 大 气 正 离 子 和 带 正 电 荷 的 粒 子 相 对 云 粒 子 来 说 体 积 小 ，整 体 呈 上 升 趋势。造成云体上正 下 负 的 电 荷 分 布 特 性 。另 有 极 少 量 带 正 电 粒 子 在 云 体 本 身 电
17、场 作 用 下 保 持 在 云 体 底 部 。Your site here2 1:3:3 置置 起起 甲甲 机机n B.温差起电：实验表明冰具有热电效应，冰晶 中 总 存 在 带 正 电 的 氢 离 子 H+和 带 负 电 的 氢 氧根离子H-,离 子 浓 度 随 温 度 升 高 而 增 大，冰晶两端温度有差异时，热端离子浓度高，冷端低，发生扩散现象，两种离子都会从热端向冷端运动，氢离子质量小，速度快，先 到 达 冷端从而导致冷端带正电，建立起静电场，形成冷正热负的电 偶极子，这就是冰的热电现象的微 观。2 1:3 置 起 甲 机B.温 差 起 电：积雨云的温差起电的两种方式：(1)冰晶、雹粒
18、相互碰撞摩擦若有温差时就会发生热电效应，引起离子迁移，当两者分开时，都带上了电，在重 力和气流作用下相互分离，这就出现了积雨云中正、负 电荷的分布区。(2)过冷液滴与冰晶或雹粒接触，过冷却水有了凝结核而发生相变，迅速变为固体，同时放出潜热，他使冰块内 部温度升高膨胀、导致外部破裂成碎屑，又由于潜热温 差出现热电效应，冰核带上了负电荷，轻小的碎屑带上 正电荷被上升气流携带积聚在云体上部，造成云体上正 下负的电荷分布特性。C 对 流 起 电：云 的 对 流 运 动 反 抗 着 电 场 施 加 的力，输 送 把 云 底 以 下 低 层 大 气 净 正 离 子 电 荷 带到 云 内 直 至 云 的 上
19、 部 ，并 在 云 的 上 部 积 聚 形 成 正 电 荷 中 心，在 这 正 的 中 心 形 成 的 电 场 作 用 下，形 成 向 上 的 传 导 电 流，云 顶 以 上 还 有 电 离 层 的 负 离 子 向 下 移 动 到 云 顶，因 此，云 顶 以 上 带 负 离 子 ，他 们 随 着 对 流 云 体 四 周 围 下 沉 气 流 沿 着 云 体 侧 面 下 降 到 云 体 下 部，在 云 的 下 部 形 成 负 电 荷 中 心，使 地 面 产 生 尖 端 放 电，形 成 大 量 正 离子，这些正离子又随对流上升气流到云体上 部，进 一 步 加 强 了 云 上 部 的 正 电 荷 中
20、心，同 时 又 吸 引 上 方 电 离 层 的 负 离 子 。Your site here2 1:3:3 置置 起起 甲甲 机机2 1:3:3 置置 起起 甲甲 机机D.破 碎 起 电：云 内 大 水 滴 下 降 时 受 到 气 流 的 作 用变 得 不 稳 定 ，变 形 破 碎 ，生 成 许 多 小 水 滴 和 几 个 较大水滴。破碎时小水滴带负电，较大水滴带正电，小 水 滴 相 对 较 轻 ，容 易 被 上 升 气 流 携 带 到 云 体 上 方 ，小 水 滴 质 量 轻 被 上 升 气 流 带 到 云 层 上 部 ，大 水 滴 质 量 重 则 留 在 下 层 或 降 落 到 地 面 ，这
21、 样 便 形 成 了 带 电 荷 云 层 的 分 离 过 程 。当 带 电 荷 云 层 逐 步 积 累 到 足 够 的 电 荷 量 时,便 产 生 闪 电 现 象，形 成 雷 电。(实 验 证 明：水 滴 分 裂 时，确 实 大 水 珠 带 正 电 荷，小 水 珠 带 负 电 荷 这 一 理 论；分 裂 水 滴 所 需 气 流 的 速 度 为 3-8m/s,这正是雷云中上升气流的速度)形成上负下 正 的 带 电 云 体。E.水 滴 冻 结 起 电：水 滴 在 冻 结 过 程 中 会产 生 电 荷,冰 晶 带 正 电 荷，水 滴 带 负 电荷，当 上 升 气 流 把 冰 晶 上 的 水 分 带
22、走 时，就 会 导 致 电 荷 分 离，而 使 雷 雨 云 带 电。2 1:3 置 起 甲 机2 2 熟 悉 置 甲 的 分 类 形，状分类 空 间 位 置，分2.2.12.2.1 闪 电 的 部 位 按空间分类分为：云 内 闪、云 际 闪 和 云 地 闪。2.2.22.2.2 闪 电 的 形 状 按形状分类分为：线 状 闪 电、片 状 闪 电、带状闪电、联珠状闪电和球形闪电等。2 2 熟 悉 人 甲 的 分 类 形，状 分 类 空 间 位 置，分云内闪云际闪云空闪闪电地闪云闪2.2:3 人 电 的 声 首 闪电通路中的空气突然剧烈增热，使 它 的 温 度 高达达15000-200001500
23、0-20000,因 而 造 成 空 气 急 剧 膨 胀，通 道 附 近 的 气 压 可 增 至 一 百 个 大 气 压 以 上 。紧 接 着，又发生迅速冷却，空气很快收缩，压力减低。这 一 骤 胀 骤 缩 都 发 生 在 千 分 之 几 秒 的 短 暂 时 间 内 ，所 以 在 闪 电 爆 发 的 一 刹 那 间 ，会 产 生 冲 击 波 。冲 击 波 以 5 0 0 0 米/秒 的 速 度 向 四 面 八 方 传 播，在 传 播 过 程 中 ，它 的 能 量 很 快 衰 减 ，而 波 长 则 逐 渐 增 长。在闪电发生后0.10.30.10.3 秒，冲击波就演变成 声 波 ，这 就 是 我
24、们 听 见 的 雷 声 。2.2.42.2.4 地地 闪闪 地闪是指云内荷电中心和大地之间的放电过程，亦 指 与 大 地 和 地 物 接 触 发 生 的 闪 电 。正地闪：闪 电 电 流 为 正(向 下)的 称 正 地 闪；通常云底荷正电荷，地面为负电荷。负地闪：闪 电 电 流 为 负(向 上)的 称 负 地 闪；通常云底荷负电荷，地面为正电荷。正地闪明显少于负地闪。地闪的分类和特征：分 八 类：1 a 负 云 闪、1 b下行负雷、2a向上正先导-连续负放电、2b向上正先 导-多 闪 击 负 放 电、3 a 正 云 闪、3 b 向 下 正 闪、4 a 向 上 负 先 导(山 地)、4 b 上
25、行 正 雷。4.1直击雷的危害4.1.1雷电流的热效应 雷 击 点 注 入 电 流 达 数 十 到 数 百 千 安 培，其 热 效 应 可 在 雷 击点 局 部 范 围 内 产 生 可 达 6 0 0 0-1 0 0 0 0 ,它 可 以 使 金 属、输 电 线 路 融 化 ，树 木 草 堆 被 引 燃 等 。Q=R idt+式中：Q一热量，Ji 一 雷击点电流R 一 雷 击 通 道 电 阻雷击点温升的计算：T=Q/mc 式中：T一温升，Km 一 通 过 雷 电 流 物 体 的 质 量C-通过雷电流物体的比热容，J/kg KYour site here4、雷电 的 危 青由 物 理 学 可 知
26、，在 载 电 流 的 导 体 周 围 空 间存 在 磁 场 ，在 磁 场 里 的 载 流 导 体 受 到 电 磁 力 的作用。两条载流导体相互间有作用力存在，我 们把这种作用力叫做电动力。雷击的时候，由 于 电 动 力 的 作 用 有 可 能 使 导 线 被 折 断 炸 裂 。一 条 导 线 或 金 属 构 件 的 弯 曲 部 分 有 电 流 通 过 的 时 候 拐 弯 部 分 将 受 到 电 动 力 作 用 ，它 们 之 间 的 夹 角 越 小，受 到 的 电 动 力 越 大。所 以，应 当 将 接 闪带、引下线等在拐弯的夹角弯成直角或钝角。4:1:2 雷 电 流 的 电 动 力 机 械 大
27、 效 应Your site here(1)内压力效应及危害由于瞬间雷电流很大，通过时间又很短，如果雷电击中树木或建筑物构件上，被击中的物体将产生大量的热量，又来不及散发以致物 体内部的水分大量变成蒸汽，并迅速膨胀，产 生 巨 大 的 压 力 而 爆 炸,造 成 破 坏。4:1:3 雷 电 流 的 内 压 力 和 伸 击 波 效 及 危 青Your site here(2)雷电流的冲击波效应及危害 由于雷电通道中空气受热急剧膨胀，并 以 超 声速 度 向 四 周 扩 散 ，其 外 围 附 近 的 空 气 被 强 烈 压 缩形成“激波”。“激波”到达的地方，空气 密度、压力和温度都会突然增加。“激
28、波”过 后，该区域内空气压力下降，直到低于大气压 力。这种“激波”在空气中传播，会使附近的 建筑物受到破坏，人、牲畜受到伤害，这种冲 击波的作用就如同炸药在爆炸时对附近的建筑 物、人和牲畜的损害一样。Your site here4 1:雷 电 流 的 内 压 力 和 伸 击 波 效 应 及 危 青4 4 22 胃胃 蛋蛋 甲甲 磁磁 脉脉 伊伊 时时 危危 声声2 感 应当金属物处于雷云和大地电场中时，使金属物上感应出与雷云符号相反的电荷。静电感应高电压，在 高 压 架 空 线 路 可 达300-400KV,一 般 低 压 架 空 线 路 可 达 1 0 0 K V。电 讯 线 路 可 达40
29、-60KV,建 筑 物 也 可 以 产 生 相 当 高 的 有 危 险 的 电 压。雷 云 主 放 电 时,先导通道中的电荷迅速中和。其它导体上的感 应电荷由于失去了电场的约束得到释放，Your site here 如没有被中和或不就近泄入地中就会产生很高的 电 位,这 种 由 静 电 感 应 产 生 的 过 电 压 对 接 地不良的电气系统有破坏作用，对于建筑物内部 的 金 属 构 架 与 接 地 不 良 的 金 属 器 件 之 间 容 易 发 生火花，这对存放易燃物品的建筑物，如汽油，有 瓦 斯 的 地 方，火 药 库 和 有 大 量 可 燃 性 微 粒 飞 扬 的 场 所，如面粉厂，亚麻
30、厂等有引起爆炸的 危 险。局 部 高 电 压 对 人 身 也 有 相 当 大 的 危 险。4 4.2.2 工工 雷雷 电电 的的 静静 电电 感感 应应Your site here4 4.2.2 工工 雷雷 电电 的的 静静 电电 感感 应应 当雷击发生后，雷 云 上 所 带 的 电 荷，通 过 闪 击 与地 面 的 异 种 电 荷 迅 速 中 和，而 某 些 局 部，例 如 架 空 导 线 上 的 感 应 电 荷，由 于 与 大 地 间 的 电 阻 比 较 大,不 能 在 短 的 时 间 内 消 失，这 样 就 会 形 成 局 部 感 应 高 电 压 ，这 高 电 压 从 雷 击 开 始 随
31、 时 间 的 推 移 而 下 降，它 符 合 R C 电 路 放 电 的 规 律，即：Vt=Ve-t/RC V=Q/C式 中：Vt-雷 击 发 生 后，金 属 物 与 大 地 之 间 瞬 间 的 电 压，V;V 一 发生闪击那 一 瞬间，即t等于零那 一 瞬间，金属物对大地的 电 压，V;R 一 金属物对大地的散流电阻，;C 一 金属物对地电容，F;Q 一 金属物积聚的电荷量，C;t 闪击发生后延续的时间，S。Your site here 由于雷电流有极大幅值和陡度，在 它 周 围 的 空间 将 有 强 大 的 、变 化 的 电 磁 场 ，处 在这电磁场 中 的 导 体 会 感 应 出 较 大 的 电 动 势 。如 果 在 雷 电 流 引 下 线 附 近 放 置 一 个 开 口 的 金 属 环 ，环 上 的 感 应 电 势 足 以 使 气 隙 间 放 电 产 生 火 花 ，这 些 火 花 可 以 引 起 易 燃 物 品 着 火 或 易 燃 气 体 爆 炸 。如 果 回 路 中 有 导 体 接 触 不 良 ，也 会 使 回 路 过 热 ，引 起 易 燃 物 品 燃 烧 ，酿 成 火 灾4:2.2 雷 电 的 电 磁 感 雷 电 电 磁 脉 伸Your site here
