雷电先导过程.doc

雷电的先导过程梯级先导：（1）闪电的初始击穿：如图中a、b，通常在含云大气开始击穿的初期，在积雨云的下部有一负电荷中心与其底部的正电荷中心附近局部地区的大气电场达到104v/m左右时，则该云雾大气会初始击穿，负电荷向下中和掉正电荷，这时从云下部到云底部全部为负电荷区。（2）梯级先导过程：随大气电场进一步加强，进入起始击穿的后期这时电子与空气分子发生碰撞，产生轻度的电离，而形成负电荷向下发展的流光，表现为一条暗淡的光柱像梯级一样逐渐伸向地面，这称之为梯式先导（c）。在每一梯级的顶端发出较亮的光。梯式先导在大气体电荷随机分布的大气中蜿蜒曲折地进行，并产生许多向下发展的分枝。梯式先导的平均传播速度为3.0105m/s左右，其变化范围1.0105m/s至2.6106m/s左右，梯式先导由若干个单级先导组成，而单个梯级的传播速度则快得多，一般为5107m/s左右，单个梯级的长度平均为50m左右，其变化范围为30120m左右。梯式先导通道的直径较大，变化范围为110m左右。（3）电离通道：梯式先导向下发展的过程是一电离过程，在电离过程中生成成对的正、负离子，其正离子被由云中内下输送的负电荷不断中和，从而形成一充满负电荷(对负地闪)为主的通道，称为电离通道或闪电通道，简称为通道。闪电通道由主通道、失光和分叉通道组成。在闪电放电过程中主通道起重要作用。（4）迎面先导：当具有负电位的梯式先导到达地面附近，离地约550m时，可形成很强的地面大气电场，使地面的正电荷向上运动，并产生从地面向上发展的正流光，这就是迎面先导。迎面先导大多发生于地面凸起物处。（雷电学原理 p151）梯级先导形成机制：云底少量正电荷区，诱导云中负电荷向下运动，在梯级先导形成之前有一看不见的引路先导，由于负流光形成的梯级先导为高度电离，因此，在梯级先导顶端有与云中负电荷中心相同的电位，也就是在梯级先导顶端前形成很强的电场，当电场达到6104v/cm时，在梯级先导前端产生电子崩，形成热电离，并以大约107cm/s的速度向下发展，这就是引路先导。当引路先导向下传播时，由于引路先导的电场随距离减弱，又因梯级先导顶端聚集了大量正电荷，使梯式先导通道的顶端处的电场大为减弱，局部甚至出现反向电场，这时引路先导便停止发展，而梯级先导局部电子会退缩回梯式先导的正电荷区，产生强烈的复合，形成很强的光电离，这时出现由辉光向弧光条件突变。梯级先导负流光便以大约109cm/s的高速沿引路先导形成的通道向前发展，从而完成一次梯级过程。此时先导顶端又具有云中负电荷的电位，并在先导顶端重新形成大于6104vcm的强电场，于是复又形成引导先导，并向前发展一有限距离。随之导致梯级先导再向前伸展一梯级，直至到地面附近。先导与大地间形成的强电场，将导致从地面发展向上正流光(即迎面先导)与梯式先导会合，从而使梯式先导通道与大地相接。梯式先导部分中止于大气，形成梯式先导分枝。在梯式先导主通道和分枝中贮存了大量负电荷。（雷电学原理 p241）先导从电子崩转化为电弧状态时包括下面物理过程：（1）先导顶端的电离，即产生新电子和正离子；（2)于负阵面后的正电荷通道，使电子向后收缩；(3)新产生的电子附着在气体分子上，形成负离子；（4）负阵面后的收缩空间中，电子和正离子复合；（5）电子和离子向外径扩散，（6)电子、离子和中性气体分子间的能量传递；(7)电子导电至电弧导电的转化。负先导过程的相关解释：现在讨论负棒正板间隙的情况。当很高的电压加在间隙上时，在副棒级前方宽广的空间中，立即发展大量散射的负流注。负流注中的电子向远离棒极的方向运动，直到离棒极较远处（该处的场强已减弱到不足使电子产生撞击电离的程度，在该处电离已停止），电子逐渐被气体分子俘获，形成大量的负离子。原来的流注区中则留下大量的正空间电荷。这些正空间电荷大大加强了棒极附近原来就很强的电场，使该区域内产生十分强烈的电离。高场强和大电流密度使棒极附近气体加热到很高的温度，产生热电离，造成具有高电导和低轴向场强的负先导通道，这就把棒极的电位传到通道前端。但前方空间中大量的负空间电荷（因为负离子向阳极的迁移较慢的）在通道前端形成相当强的反向电场（称电场屏蔽），使该处的合成场强减弱通道的发展因而停滞下来。在这通道发展停滞的一小段时间内，通道头部前方的场强重新又增强起来，促使在此空间发展大量新的负流注。接着大致上重复第一阶段的过程，使先导通道又向前推进一段。在长间隙中，这种过程可能重复多次，使负先导的前伸具有分级的特性，先导电流也就具有分段出现高峰的波形。（高电压技术 p34）先导通道的直径根据实测和推算，雷电先导通道高温高电导部分本身的直径约为毫米级，其轴向场强一般不超过100v/cm，但其外围游离区(电晕套)的半径却相当大，可由高斯定理估出。取先导中间一段，其两端影响可忽略不计。即使取较小的先导电荷线密度d=1c/km（相应于较小的雷电流），电晕套外缘的场强e30kv/cm，则先导外围电离区的半径为：=