雷电的形成及避雷针的保护范围.doc

雷电的形成及避雷针的保护范围摘要:由于水成物与云粒子的相互作用,雷云空间电场是上正下负;雷击的危害主要表现为直击雷和雷电感应。本文采用国际上流行的滚球法计算确定避雷针的保护范围。 关键词:静电感应;电磁感应;滚球法 雷电是一种复杂的自然现象,自从有了文字以来,就有了对雷电的记载,富兰克林是第一个用科学的方法研究雷电的人。目前雷电引起的灾害被认为是世界上十大自然灾害之一,人们也加紧了对雷电的研究。本文试从雷电产生的原因,分析雷电的危害,了解避雷针的作用,从而提高对雷电的认识。 1. 雷电的产生 1.1雷电活动过程 地球是一个带电导体,周围存在着大气电场。树木、房屋或是人体也是相当好的导体,在晴天是不会遭遇电击的。地球上空存在一个带负电的电离层,使得地面与电离层形成了一个电容器,场强的方向指向地球表面.做个初步估算.若大气场强E=100V/m,地球表面的电荷面密度为,则整个地球表面所带的负电荷Q约为,即50万库仑。 当地面受热的含水蒸汽的空气上升面形成向上的气流,这些含水蒸汽的上升气流上升时,温度逐渐下降形成雨滴、冰雹,我们称为水成物。这些水成物在地球静电场的作用下被极化,负电荷在上,正电荷在下。它们在重力作用下,落下的速度比云滴和冰晶(这二者称为云粒子)落下的速度要大。因此极化水成物在下落过程中,要与云粒子发生碰撞。碰撞的结果,使其中一部分云粒子被水成物所捕获,增大了水成物的体积。另一部分未被捕获的被反弹回去,而反弹回去的云粒子带走水成物前端的部分正电荷使水成物带上负电荷。由于水成物下降的速度快而云粒子下降的速度慢,因此,带正、负两种电荷的微粒逐渐分离,形成云的上部带正电荷,云的下部带负电荷,从而形成雷云空间电场。雷云空间电场的方向和大气电场的方向是一致的,使得大气的电场强度增强。增强的大气电场促使水成物的加剧极化,上下云层的电荷量急剧增加,雷云发展得更快。在这个过程中,电荷量的增加远远超过上下云层间距离的增加,导致上下云层间的电压逐渐升高,最终击穿上下云层间的空气,形成云间放电。若带负电的水成物,以雨或雹的形式下降到地面,上升气流减弱或消失,带正电的云粒子在重力的作用下逐渐下落使得带正电的云粒子,与带负电的大地或大地上的突出物间的电压不断升高,最击穿它们之间的空气,形成云对大地或大地上的突出物间的放电。 1.2雷电的种类 云层带正电荷对地放电称为正极性雷,而云层带负电荷对地放电成为负极性雷。 根据雷电发生的部位,分为云闪和地闪两大类。云闪是指不与大地和地物发生接触的闪电,它包括云内闪电、云际闪电和云空闪电。地闪是指与大地或地物发生接触的闪电,即云内电荷中心与大地和地物之间的放电过程,因此也称为云地闪电或者直击雷。 云地间放电形成的先导是从云层内的电荷中心伸向地面称向下先导。从接地体向云层推进的称向上先导。只沿着先导方向发生电荷中和的放电称无回击雷电,当发生先导放电之后还出现逆先导方向放电的现象,称为有回击雷电。根据上述的分类,雷电共分为八大类,如下图所示。 1.3 闪电(又称雷电)的阶段 根据大气电场变化,云闪通常可以分为三个阶段:初始阶段、极活跃阶段和最后阶段。 地闪分为三个阶段:先导放电阶段、主放电阶段、余光放电阶段。先导放电阶段:雷云对大地有静电感应,在雷云电场下,大地感应出异号电荷。当雷云中电荷密集处的场强度达到空气击穿场强(25一30kV/m)时,就产生强烈的碰撞游离,形成指向大地一段导电通道,成为雷电先导。主放电阶段:当下行先导接近地面时,会从地面较突出的部分发出向上的迎先导。当迎面先导与下行先导相遇时,便会产生强烈的中和过程,产生极大的电流这就是雷电的主放电阶段。这个阶段存在的时间极短,电流极大。余光放电阶段:主放电到达云端就结束了,云中残余电荷经主放电通道下来,由于雷云中的电阻较大,这个阶段对应的电流不大(数百安),持续时间则较长(0.03-0.055)。 2. 雷击的形式 直击雷带电的云层与大地上某一点之间发生迅猛的放电现象 感应雷 由于静电感应作用,带电云层使地面某一范围带上异种电荷 球形雷 发生时只见一个大球在空中漂移,大球的尺寸大约从10cm到100cm,有些飞行员说曾见到15m到30m直径的火球。有的火球由天空直落地面,有的则在地面上空水平游行,有的甚至通过门窗或烟囱进入室内。但是这种“火球”到底是什么东西,怎样形成的,众说纷纭,没有一种学说能够圆满地解释这种现象,或通过实验圆满地重现这种现象。 3. 雷击的危害及防雷措施 4. 避雷针的保护范围 避雷针的真正功能不是避雷,而是引雷,是让自身遭受雷击来换取其下面的物体得到保护。避雷针系统属于结构最简单的防雷装置,它是由接闪器,引下线和接地体组成的。当雷云的下行先导向地面上被保护物体发展时,处在高处的避雷针(接闪器)率先将先导引向自身,使雷击发生在接闪器上,让强大的雷电流经引下线和接地体泄入大地,从而使被保护物体免遭直接雷击。 避雷针等接闪器对其周围物体的保护范围,常以它们可能防护直接雷击的空间区域来表示,在此空间区域内被保护物体遭受直接雷击的概率非常小。通常采用国际上流行的滚球法计算确定避雷针的保护范围。 在雷云对地放电过程中,下行先导在到达由雷击距所限界定的定向高度范围之前,其发展路径是随机的,直到下行先导头部达到地面上某物体的雷击距范围时,它才会定向击向该物体,如下图1所示。 滚球所能接触到的屋面就(下转44页)(上接43页)是建筑物上可能遭受雷击的区域;滚球不能接触到的地方,则可认为是由建筑的接闪器能够保护的区域,这一区域称为保护区(见图2)。弧以下的空间区域就是保护区,建筑物接闪器将能对该区域空间提供保护。对于强雷来说,其雷电流幅值大,相应的滚球半径大。 应用滚球法可以确定建筑物的空间受雷曲面(见图3),将滚球沿建筑物屋面及突出的接闪器滚遍,其球心运动轨迹即构成了空间受雷曲面。当下行先导发展碰到该曲面时,将会击到该建筑物应屋面。 参考文献 1. 张三慧.大学物理学电磁学M.北京:清华大学社,2008 2. 陈义成.电磁学及其计算机辅助教学M.北京:科学出版社,2004 3. 文武.感应雷电磁干扰及其防护研究D.武汉大学,2004.