雷電與防雷誤區(qū)

摘要：闡述雷電形成的原因、產(chǎn)生的過(guò)程以及防雷的方法，以便正確選用防雷器件。

關(guān)鍵詞：雷電形成防雷方法

Lightning and Lightning Proof Mistake Region

Abstract:To select correctly lightning proof devices,reasons and process of lightning forming as well as lightning proof methods are introduced in this paper

Keywords:lightning forming,lightning proof method

　　隨著電子技術(shù)的發(fā)展，電子器件已進(jìn)入大規(guī)模集成電路時(shí)代。電子設(shè)備的功能得以改善，運(yùn)行的可靠性不斷提高，然而防雷的能力卻大大地降低了?，F(xiàn)在，每年遭到雷擊而造成的損失數(shù)以億元計(jì)，所以研究保護(hù)微電子設(shè)備免遭雷電危害已成為一個(gè)重要課題。雖然近兩個(gè)世紀(jì)出現(xiàn)了很多的防雷方法和派生出很多防雷器件，但由于對(duì)雷電的了解不全面或?qū)ζ骷阅艿钠?jiàn)，往往得不到預(yù)期的效果。由于不得其法，浪費(fèi)了大量資財(cái)。本文闡述雷電的成因并指出當(dāng)前防雷誤區(qū)，力圖打破似乎凍結(jié)的防雷方法的規(guī)范，以求防雷研究的進(jìn)展。

1雷電的形成

1.1自然界的自由電荷

在電子學(xué)中，當(dāng)人們研究電的現(xiàn)象時(shí)發(fā)現(xiàn)構(gòu)成物質(zhì)的微單元的原子中，圍繞原子核高速旋轉(zhuǎn)的外層電子易受外界條件的影響而逸出，使原子缺少電子或者自由電子單獨(dú)存在而對(duì)外部形成電場(chǎng)的帶電現(xiàn)象。

金屬導(dǎo)體和絕緣體的內(nèi)部結(jié)構(gòu)區(qū)別在于：金屬導(dǎo)體中的自由電子內(nèi)部引力較弱，而絕緣體內(nèi)部引力較強(qiáng)。所以在金屬導(dǎo)體環(huán)路中，如加上一種使自由電子逸出的力量（這個(gè)力量我們叫電壓），由于環(huán)路中電壓的存在，金屬中的電子產(chǎn)生位移式的流動(dòng)，不過(guò)金屬內(nèi)的正負(fù)電荷量的絕對(duì)值是相等的，一旦去掉加在環(huán)路中的電壓，環(huán)路立即處于中性，沒(méi)有電子的流動(dòng)，不再產(chǎn)生電場(chǎng)。

對(duì)非環(huán)路的金屬，比如兩塊相互平行的金屬板，它們之間以空氣為介質(zhì)，如在這兩塊板上加上電壓，金屬導(dǎo)體中的電子按同性相斥，異性相吸規(guī)律，使電子向一面流動(dòng)，產(chǎn)生電場(chǎng)，這種現(xiàn)象稱為靜電現(xiàn)象。這時(shí)對(duì)某一塊金屬來(lái)說(shuō)，它們電荷的正負(fù)電量的絕對(duì)值就不相等了，這時(shí)如去掉加在其上的電壓，它不像環(huán)路那樣呈現(xiàn)電中性，卻仍保持帶電性質(zhì)，仍然有電場(chǎng)的存在，但是隨著時(shí)間的推移，這個(gè)電場(chǎng)會(huì)自然消失。正統(tǒng)的理論解釋為A片金屬的電子通過(guò)介質(zhì)層逐步釋放給B片金屬的結(jié)果，這是以環(huán)路電流理論為依據(jù)的論點(diǎn)。但是，如果將兩塊已充了電的金屬塊瞬間拉開到不可能從A向B釋放電子的距離，兩塊金屬會(huì)不會(huì)永久性地帶電呢？事實(shí)告訴我們，隨著時(shí)間的推移帶電現(xiàn)象也隨之消失，這是什么原因呢？教科書上提到的摩擦起電現(xiàn)象，即絕緣體相互摩擦后，絕緣體出現(xiàn)帶電現(xiàn)象，在這種情況下，是否需要兩件物體再接觸一下才能使絕緣體呈現(xiàn)帶電中性呢？事實(shí)并非如此，這些懸于空間的帶電物體，不管帶電性質(zhì)如何，只要與大地接觸一下，帶電現(xiàn)象就立即消失。因此這種現(xiàn)象告訴我們，在自然界中，A給B的電荷，A不必從B收回，B多余的電荷也不一定向A輸出，這與金屬環(huán)路電流理論是不相同的。同時(shí)可以推定，自然空間（包括大地在內(nèi)）各種物體電荷的擁有量的絕對(duì)值是不相等的，就是說(shuō)自然界擁有巨大的自由電荷量。

自然界之所以擁有大量的自由電荷，從電勢(shì)形成概念而言，有電磁效應(yīng)、化學(xué)效應(yīng)、摩擦起電及射線等諸方面原因，現(xiàn)代科學(xué)可以做到測(cè)量人腦電流的運(yùn)動(dòng)來(lái)判斷腦的活動(dòng)。自然界的自由電荷的成因，用能量守恒定律來(lái)規(guī)范，可以這樣說(shuō)：凡有物質(zhì)運(yùn)動(dòng)的地方（包括宇宙射線），就會(huì)產(chǎn)生電子運(yùn)動(dòng)并形成自由電荷，這是一種能轉(zhuǎn)換成另一種能的變換過(guò)程，所以自然界物質(zhì)的運(yùn)動(dòng)是自然界產(chǎn)生自由電荷的根源。

所謂自然界，包括天空與大地這樣廣闊的空間，這個(gè)空間不存在電荷的中性，就大地而言，我們稱之為零電位，但大地本身因物質(zhì)的運(yùn)動(dòng)其電位并非為零，它擁有大量的自由電荷，我們可以做一個(gè)簡(jiǎn)單的小實(shí)驗(yàn)：用一副耳機(jī)，或者一只毫伏表，兩根同金屬性質(zhì)的金屬棒，在一定距離內(nèi)分別將金屬棒插入地下，棒與棒之間用耳機(jī)可以聽到地電荷的噪音，如果接上毫伏表發(fā)現(xiàn)有電壓指示，而這種指示不因放電時(shí)間的加長(zhǎng)而消失，單線傳輸?shù)碾娫捑€路，電話的耳機(jī)里的噪音也連續(xù)不斷，這些都說(shuō)明大地自由電荷的存在。當(dāng)然用上述方法無(wú)法測(cè)量天空自由電荷，但是我們用長(zhǎng)波和中波收音機(jī)收聽電臺(tái)時(shí)，噪音干擾也連續(xù)不斷，以此證明，天空中有不斷的放電現(xiàn)象，說(shuō)明天空中存在豐富的自由電荷，同時(shí)又能形成一定強(qiáng)度的電場(chǎng)放電。

這里反復(fù)地論證自然界存在自由電荷，其目的是要解釋雷電產(chǎn)生的根源，因?yàn)榻炭茣系沫h(huán)路理論不能對(duì)雷電成因進(jìn)行解釋。

1.2雷電場(chǎng)的產(chǎn)生

雷電的能量是巨大的，在人類活動(dòng)中，任何單一的電站所發(fā)出的電能不可能產(chǎn)生一次雷電所釋放的能量，那么這樣大的能量積聚是怎樣形成的呢？

上面說(shuō)過(guò)，由于物質(zhì)的運(yùn)動(dòng)自然界產(chǎn)生巨大的自由電荷，當(dāng)然這些自由電荷是產(chǎn)生雷電的根源。從電子學(xué)中得知，要形成一個(gè)強(qiáng)大的電場(chǎng)，一定是其中一方是同性質(zhì)電荷的積累，但是在天空中空氣是絕緣的，同性質(zhì)的電荷又相斥，它們不可能積聚在一起，不可能形成能量的集中，天空中的物質(zhì)受氣流、宇宙射線的影響而產(chǎn)生自由電荷，且不斷增加，在大氣層的擠壓下向太空高層運(yùn)動(dòng)，形成一個(gè)電離層，這個(gè)電離層是含單性電荷的電子層，其電場(chǎng)的能量是不可估量的。

當(dāng)大氣層中出現(xiàn)潮濕的空氣，在上升階段又遇冷空氣結(jié)成水狀云塊時(shí)，由于云塊可看成是一個(gè)整體的導(dǎo)體，在電離層電場(chǎng)力的作用下，云層中的電子推向面向地的一端，雖然云塊正負(fù)電荷的絕對(duì)值相等，但實(shí)際上形成了一個(gè)靜電場(chǎng)，在晴天，云塊遠(yuǎn)距地面而且云塊與大地間潮濕空氣較稀，它們之間介質(zhì)絕緣程度較高，不易發(fā)生擊穿放電現(xiàn)象，但是在雨天，特別是熱雨季節(jié)，由于云層下降，空氣潮濕，在此條件下帶電云塊擊穿空氣向大地放電而形成雷電。

雷電不單純是空間對(duì)地放電，往往在空間也會(huì)形成雷電。這是因?yàn)閹щ娫茐K在空間的位置較高，當(dāng)?shù)孛娴某睗窨諝饧彼偕仙龝r(shí)，它與帶電云塊形成的電場(chǎng)在空間放電，形成高空雷電。

上面說(shuō)過(guò)，云塊受電離層電場(chǎng)力的作用產(chǎn)生靜電現(xiàn)象，這些云塊向地放電以后，其本身產(chǎn)生電離即云塊的正負(fù)電量的絕對(duì)值不相等，形成帶電現(xiàn)象，帶電云塊隨著氣流運(yùn)動(dòng)與另一云塊形成電場(chǎng)，當(dāng)它們逐漸接近時(shí)產(chǎn)生放電現(xiàn)象是形成空中雷的原因，當(dāng)我們觀察雷電在空間放電時(shí)，往往是一次接一次有連續(xù)不斷的感覺(jué)。

1.3雷電過(guò)程

雷電過(guò)程也是靜電理論中闡明的電場(chǎng)中介質(zhì)擊穿過(guò)程。上面說(shuō)過(guò)雷電的成因，雷電是帶電云塊在運(yùn)動(dòng)過(guò)程中放電的現(xiàn)象，其放電位置不是固定的，但有一定固定的條件。比如電場(chǎng)中介質(zhì)的厚度、絕緣系數(shù)、氣體溫度和地表導(dǎo)電系數(shù)都影響雷擊地點(diǎn)。我們常說(shuō)的多雷區(qū)應(yīng)該說(shuō)該地區(qū)具備上述諸因素中的幾種。但是有人認(rèn)為雷電是在本位置產(chǎn)生的，這是一種誤解。道理很簡(jiǎn)單：因?yàn)樵诒镜貐^(qū)又有什么力量積聚這么大的能量呢？應(yīng)該是帶電云塊在運(yùn)動(dòng)過(guò)程中放電形成雷電，當(dāng)然在帶電云塊的作用下，在什么地方放電與地面的前述條件有關(guān)，以地貌而言相對(duì)高度越高應(yīng)該說(shuō)越易遭雷擊，這里指的是高建筑物、高山及地表凸出處，但也不一定就在這些地方出現(xiàn)雷擊，因?yàn)樵陔妶?chǎng)中介質(zhì)參數(shù)不單純是指厚度，還取決于絕緣系數(shù)即環(huán)境的溫度和氣體的溫度。我們發(fā)現(xiàn)，往往雷擊點(diǎn)不在山頂而在平川，這是因?yàn)槟抢锏某睗窨諝夂蜌鉁厥闺妶?chǎng)介質(zhì)的絕緣低于高山而遭雷擊。另外，地表的導(dǎo)電也有影響，良好的導(dǎo)電地質(zhì)比難以導(dǎo)電的地質(zhì)所產(chǎn)生的雷電場(chǎng)就大得多，所以易導(dǎo)電的地質(zhì)易于引雷。

雷電場(chǎng)是一個(gè)巨大的靜電場(chǎng)，是人類不可建造的。巨大的電場(chǎng)面積和所積聚的巨大能量是不可估量而又不可測(cè)量的，人們往往在雷電以后，從被雷擊的物體破壞的程度估計(jì)它的大小。對(duì)于雷電流用數(shù)以億安計(jì)的詞來(lái)形容是不過(guò)份的，雷電場(chǎng)在放電過(guò)程中與靜電場(chǎng)放電有相似的地方，但也有差別，人為形成的靜電場(chǎng)其儲(chǔ)能是極為有限的，所以它在放電過(guò)程中放電電流是從最大值逐步減弱，而雷電場(chǎng)就不同，由于儲(chǔ)能巨大，在放電時(shí)因通過(guò)空間的阻力開始階段不可能使電場(chǎng)減弱，而是在放電時(shí)空氣加熱以后放電電流達(dá)到最大值，再隨著電場(chǎng)的減弱放電電流隨之下降。所以雷擊過(guò)程中雷電流是從小到大再減弱，就電的性質(zhì)而言，由于它是一個(gè)靜電場(chǎng)的放電，電流的方向是不變的，所形成的是一個(gè)幅度巨大的脈動(dòng)直流電流。

所以雷電流的主要分量是直流分量，但脈動(dòng)部分和雷電流與空氣及地接觸時(shí)產(chǎn)生的熱騷動(dòng)形成的諧波和高次諧波的電磁能量也相當(dāng)大，所以雷電過(guò)程中的交流分量也不可小看，雷擊過(guò)程中，從低頻直至米波段這樣寬的頻譜均受不同程度的干擾，從諧波理論得知，低頻段所受干擾較為嚴(yán)重。

如果我們將地面的物體置于某一位置，雷電對(duì)這一物體產(chǎn)生的干擾可分為感應(yīng)干擾和直接干擾。某一物體不在雷電場(chǎng)內(nèi)，但由于雷電在放電過(guò)程，它所產(chǎn)生的強(qiáng)大電磁波使這一物體受電磁波的沖擊，這樣的雷我們稱“感應(yīng)雷”，當(dāng)某一物體置于雷電場(chǎng)內(nèi)，而且物體又作為雷電流的導(dǎo)電體，巨大的電流通過(guò)該物體使物體遭到嚴(yán)重破壞，這種直接置于雷電場(chǎng)受到雷電的沖擊，我們稱這種雷為“直接雷”。以現(xiàn)代微電子來(lái)說(shuō)，不管感應(yīng)雷還是直接雷對(duì)微電子器件都會(huì)造成永久性的破壞。