论文|避雷针不影响云中电荷的分布

关键词：避雷针；尖端放电；雷击；电晕电流；地面电场

谈到带电导体周围的静电场时，常以避雷针为例，讨论尖端放电问题.认为雷暴时，由于静电感应使地面上的物体带异号电荷，当电荷积累到一定程度，在云层和这些物体之间形成足够强的电场，使得空气被击穿而发生强大的火花放电，这就是雷击现象.为了避免雷击，可在建筑物上安装避雷针，通过这条最易于导电的通路，局部保持不断地放电，从而避免雷击现象的产生.误认为避雷针的原理就是通过尖端放电，“中和”云中电荷.许多教学演示也是以尖端放电为例，说明避雷针可以“防雷”的原理.

1.避雷针对云中电荷分布没有直接影响

通过起电，云中电荷不断增加，周围电场(包括地面电场)不断增加，雷云距离地面约3～8 km，地面上任何建筑物，都不会直接影响云中电荷分布.云中电荷附着在云雾颗粒上，而且这些颗粒频繁运动.当云中带电达到一定数量时，使云雾局部强电场击穿形成放电，引发雷击先导(图1).雷云经常以单体形式存在，每个单体线度从几百米到几千米，雷暴时大气可存在若干雷云单体，在单体中那个部位产生放电，引起雷击先导，有很大偶然性，决不受地面建筑物影响.云中一旦产生放电，大部形成云闪，少量形成地闪.当雷击先导向地面发展并接近地面建筑(或避雷针)几十米时，才会受到建筑及感应电荷形成的空间电场畸变的影响，使雷击先导指向地面或避雷针.由此可知，称避雷针为接闪器更合理.

图1　雷击从云中产生

2　避雷针释放出的离子不会影响雷击的发生

当云中带有大量电荷时，除水面外，地面物体，如树木、草地、建筑等，都会发生尖端放电并释放离子，即自然放电，由避雷针释放出的离子，只占自然放电释放离子的很少一部分.这部分离子不可能“部分”的“中和”掉云中电荷，并足以阻止雷击的发生.

2.1　避雷针释放出的离子量太少

雷云单体携带约30～80 C电荷，一次云地闪将有20 C电荷输送到地面.雷暴时，雷击活动非常剧烈，云中电场变化很大，需要在多长时间，中和掉多少电荷，才能阻止雷击发生还无定论.根据较强雷暴时可发生10次/min以上雷击活动，估计至少5～10 C/min以上电荷被中和掉，才有可能避免雷击的发生.为了研究避雷针的电晕放电电流，在石油大学(华东)建立了两个34 m高的铁塔，塔上分别安装了常规避雷针(单针)和多针(13针)导体消雷器［1］，测量了两者不同气象条件下的电流，所测电流包括了电晕电流和感应电流(脉冲分量)，同时又测量了避雷针保护区内(近区)、外(远区)的地面电场强度.决定避雷针释放离子的数量是电晕电流，附近有云、地闪时，在避雷针了产生感应电流，只有当附近没有云、地闪时，所测电流才是电晕电流.由雷电规律可知，在强雷暴时，地面电场不是最强，反映云中电荷量不是最大，反而在雷电活动晚期地面电场长时间出现较大值，得到较大的电晕电流.1996年7月20日17：50～19:23的一次雷暴活动时，我们进行了连续测量，图2是这次测量中由18：34～18:44的实测曲线，这时雷暴处于较晚时期.

图2　雷暴晚期，常规避雷针、多针导体消雷器

电晕电流和保护区内、外地面电场测量曲线

图2(a)中☆号为常规避雷针电流曲线，★号为导体消雷器电流曲线，曲线的脉冲部分反映附近有雷电活动，只有无脉冲才反映的是电晕电流.另外两条曲线是地面电场曲线，(b)是保护区内的电场，(c)是保护区外的电场.由图可见在18：41时，常规避雷针的电晕电流约10 μA，消雷器的电晕电流约40 μA，相应的保护区内电场强度约20 kV/m，保护区外电场强度大于30 kV/m.我们这里不准备讨论常规避雷针和多针导体消雷器电晕电流大小有区别的原因，也不讨论保护区内外地面电场的差异，只讨论依靠避雷系统是否可以阻雷击发生.表1列出了1996年和1997年23次雷暴所测数据.由表可见，常规避雷针电晕电流约10 μA，如果认为避雷针所释放的离子可以中和云中电荷，则每分钟可以“中和”云中电荷为：

Q＝It=10×10-6×60=6×10-4(C)，

和假设要防止雷击发生，需在1 min内“中和”掉云中电荷5C相差上万倍.

表1　

不同气象条件下，常规避雷针电流和地面电场测量值　

从另一角度讨论，如果按照避雷针的电晕电流为10 μA，要“中和”掉1 C电荷，需要28 h，时间太长了.一般一次强雷暴活动仅30 min左右，在这段时间内，将发生几百次甚至上千次的云地闪.由此可见，要想依靠避雷针通过尖端放电“中和”云中电荷防止雷击，以达到保护建筑物是不可能的。

2.2　避雷针释放出的离子不能及时地垂直上飘到雷云中
由避雷针释放出的离子，依靠电场力和对流气流上飘，当电场强度为1 V/m时，离子可获得1.5×10-4 m/s的漂移速度.由图2实测曲线可得到，一般雷暴时地面电场约为10～29 kV/m，如果取20 kV/m，在电场力作用下离子的上飘速度约为3 m/s.气流使离子上飘速度约为2.4 m/s，当两者上飘速度同方向时，离子将获得5.4 m/s的上飘速度.一般雷云高度约3 km，离子到达云层需要556 s，相当于9 min，这一时间也是太长了.同时离子将要受到水平气流的影响，雷暴时水平风速很大，高空中约25 m/s，在离子上飘所用时间556 s时，离子受水平风影响向前漂移13 900 m.一般雷云移动速度约6 m/s，在556 s内假设离子运动方向和水平风方向一致，雷云将移动3 336 m，两者很难相遇，更何况这时雷云已早远离避雷针保护范围.

2.3　离子的寿命

考虑到离子运动中要发生频繁的碰撞、复合，必限制了离子的寿命，一般离子的平均寿命约50～200 s，如果离子以5.4 m/s的速度上飘时，以离子寿命为200 s计算，部分离子也只能上飘1 km左右. 

3.雷云中电荷减少的途径

雷云携带的电荷约30～80 C，每次云、地闪可输运20～30 C，但云、地闪后，云中电荷将以惊人的速度又起电，所以雷暴时，云、地闪相当频繁，最多时在一个雷云单体上可发生10次/min以上的闪击.1997年6月19日16∶20～18∶03的一次雷暴活动时，我们进行了连续测量.图3是16∶50～17∶02，雷电活动比较剧烈的一段时间的实测曲线.

图3　雷暴中期，常规避雷针、多针导体消雷器
电晕电流和保护区内、外地面电场测量曲线

(1)电流、电场的每个脉冲变化，反映了附近的一次雷闪，纵观雷暴的全过程，雷闪比较频繁的时刻约15次/min.
(2)电流、电场脉冲峰值，在全过程处于中等大小，电流峰值分别约70 μA和30 μA，保护区内电场峰值约10～17 kV/m，保护区外电场峰值约15～25 kV/m.
雷暴时地面任何物体都向空中释放电荷，雷云中约70%～95%的电荷被地面物体释放的电荷中和，其中只有少量电荷通过云、地闪放掉.由于地面物体不断向空间释放离子，所以地面上空必然存在离子层，其极性和云下部电荷极性相反，常称其为屏蔽层.屏蔽层的存在减少云中电荷在地面产生的电场，由图3实测曲线可见，避雷针保护范围内的地面电场比保护范围外的地面电场约小30%，反映了避雷针释放的离子比一般建筑物多，其上部空间屏蔽效果要大.

4.结束语

许多没有从事防雷研究的工程技术人员，受尖端放电的影响，导致了对避雷针的错误认识，而且已经延续了两代人.事实上，避雷针尖端放电的物理概念是对的，闪电和静电放电在本质上是一致的.但由此引伸，解释避雷针可以“避雷”的原理时，出现了许多错误概念.误认为，当雷云带有足够多电荷时，使云地间几千米的空气被击穿发生地闪，误认为由于尖端放电释放出大量离子流“中和”掉云中电荷，使雷击不再发生.这种观点又极易为人接受，正因为如此，国内出现了很多所谓的“新型”避雷针.由于雷电对人类的威胁太大，特别是微波通讯、计算机、微电子设备，对防雷有更高的要求，在“有病乱投医”思想的指导下，“新型”避雷针的生意居然很兴隆.70年代，国外也流行过塔形、伞形等多短针消雷器，有成千上万根针，企图以增加针尖数量，使之释放出更多离子，但都没有获得成功.目前在各种因素驱动下，这些因素包括防雷需要，防雷理论上的不完善，雷击小概率的特点，更重要的是经济利益的驱动，各种“新型”防雷设备仍然不断出现.利用“中和”理论，作为制造各种防雷设备的理论根据是错误的，这一点在国内外学术界已达成共识而这种共识，还没有反映到国内大学物理教材中.