现代雷电灾害与物理学研究方法

1、现代雷电灾害与物理学研究方法1现代雷电灾害雷电灾害自古就有，但随着现代科学技术的迅猛发展，雷电呈现出许多新情况，它所造成的灾害范围及损失程度与当今高科技的发展普及同步要分析清楚雷电灾害以便更好地防雷减灾，不论是从大自然中雷电发生发展的原因分析，还是从高科技受灾的情况分析都离不开物理学雷电灾害种类很多，我们不妨先归纳一下雷灾的不同表现形式，以期对它有一个总体的概念11雷击人身伤亡据我国气象部门和劳动部统计估算，每年雷击伤亡人数超过1万多人，其中死亡3000多人1992年6月21日下午5点半，北京小姑娘左婷浑身被雨淋湿，急忙往家跑，当它推自家铁门时，一下子被雷电击倒，造成心跳慢，脑缺氧，脑水肿，经

2、全力抢救，6小时后才脱离危险12雷击起火我国森林火灾每年平均约5万次，兴安岭地区森林火灾30%起因于雷击1989年8月12日9时55分，我国青岛市黄岛油库因雷击起火，大火持续104小时，14名消防官兵和5名油库职工丧生，78人受伤，直接和间接经济损失近亿元13雷击建筑物随着现代建筑材料性能和建筑技术的提高，一些超高建筑物拨地而起，这些建筑物的出现将雷击吸引到自身美国纽约市的帝国大厦，高381米，建成几十年来平均每年遭雷击23次;莫斯科电视增高537米，建成后雷击频繁，平均每年32次;芝加哥的市场大厦，每年大约受到35次雷击我国中央电视台发射塔落成不久，即被拍摄到一张闪电击中它的照片。4雷击电力

3、供电设备及线路雷击事故是电力供应部门最重要的灾害之一，雷电可击断高压线和输电线路，击坏微波路及微波设备据浙江省电力工业局文件公布:1993年浙江全省发生的96次线路事故中，由雷电引起的事故79起，占总数的823%1995年8月5日14时15分，一场雷击造成台湾北部20年来最大的停电事故，仅停电补偿费就在1000万台币以上。5雷击弱电设备及通讯设备随着人类向信息社会的迈进，一座座智能大厦的建设，雷电引起的空间电磁脉冲所造成的危害也越来越严重，它可以使移动通讯中断，气象预报监测系统失控，使银行计算机联网的自动存取款设备误动作。1991年5月邮电部北京地区微波通讯网因雷击停止通讯达十小时以上;199

4、2年6月20日20时05分中国气象中心大楼落雷，虽然有避雷针保护，建筑物完好，但大型计算机及小型计算机网络中断，6条北京同步线路和1条国际同步线路被击断，计算机工作中断46小时，使中央气象台第二天的天气预报成为空白1994年夏，湖南省人民银行的微机毁于雷击而造成停业，促使中国银行急于寻求防雷之术6雷击航空航天设施代表高科技尖端的航天火箭及导弹、飞机等设施造价昂贵，它们发射或航行的成功与失败标志着一个国家的总体科技水平，而它们活动空间又是雷电滋生、形成和发展的场所一个制造精良的火箭或飞机往往因为一个闪电毁于一旦1987年3月26日下午4时22分，美国国家航天局的大力神半人马座火箭从发射基地升空约

5、l分钟后突然失控，中断了与地面的通讯联系，事后得知是被云中雷电火花击毁控制设备所致，损失高达17亿美元1996年2月6日一架满载乘客的波音757客机在多米尼加北部因雷击失事，机上176名乘客与13名机组人员无一生还由于雷电这种自然现象比较复杂，随机因素多，许多现象难以观测和引入到实验室内研究也因为目前还没有专门的学科或部门对防雷进行系统综合的研究，更因为高科技发展速度太快，涉及范围太大，雷电对它们造成的危害的研究远远赶不上科技的发展，至使雷电所造成的危害呈逐年快速上涨的趋势据广东省某地区报道，因雷电所引发的事故占总事故的百分比在6至7年内上涨了2至5倍尽管雷灾现象种种，但雷电形成的原因，雷电成

6、灾的各种效应几乎全为物理学中所讲述的基本原理因此研究雷灾的规律，提出预防雷灾的基本规范和综合防雷的措施就成为我们物理专业科研工作的重要任务2雷灾形成的物理机制空中气流因摩擦而带电形成带电雷云，由于静电感应作用此雷云下方的大地可集聚大量异号电荷，当雷云与大地间的电场强度达到一定值时(1-10kV/cm)，对地的下行先导放电(先导是一种高速运动的热游离的放电通道)便开始发展，先导的前端是许多流柱放电(流柱是一系列的再生电子崩形成的游离电位波)构成的强烈游离区先导放电依靠前端的流柱放电维持其通道的导电性，诸多流柱形成半球状以数倍于喷气飞机的速度向下延伸，并由宇宙射线、空中离子等随机因素决定的路径逼近

7、地面，最先触及接地的地方即为主放电的雷击地点。对被击物而言，这个雷称为直击雷因流柱放电主要幅射紫外线，故难以用肉眼观察到。直击雷使人伤亡的原因是由于闪电的强大脉冲电流所致，它破坏了人的心脏的收缩与舒张的规律，使心室不规则颤动，导致粹死它也导致人的肌肉强烈收缩，使呼吸停止，缺氧造成死亡它还造成人的神经的破坏，或由于人体本身电阻产生的热效应造成人体水份迅速蒸发而使人体烧灼留痕或烧焦致死感应雷击也会造成人的伤亡前文中提到的北京小姑娘左婷，手推自家铁门时被电击是由于雷雨中，雷云下方的地面物，特别是铁门受静电感应积累了大量的静电荷，对附近地面产生很高的电压，当浑身淋湿的小姑娘手模铁门时，即发生电击在当今

8、许多人家安载了铁防盗门的情况下，更要注意雷雨时感应雷击的防护强大雷电流的焦耳-楞次热效应是雷击火灾事故的直接原因，闪电电流产生的焦耳-愣次热，导致物体内部水份的剧烈蒸发，产生气体，气体突然膨胀造成爆炸起火闪电产生的瞬间高温也可使导线熔断，较小体职的金属熔化，导致大规模集成电路的接口和模块损坏，这是微电子设备毁坏的重要原因雷电流产生的电动力效应使输电线路，微波线路被击断，这个原因为我们大学物理课上分析过的两根长直导线所通电流同向时相吸，所通电流反向时相斥，弯为直角时产生拉断导线的力。同时，强大的雷电流沿输电线路传输，经过电阻时形成高压，可对低电位的物体形成高压反击，发生闪络放电雷电产生的电磁场，

9、是无孔不入的在三维空间中传递的一种强烈的瞬变电磁场它严重干扰无线电通讯和各种设备的正常工作，是无线电噪音的主要来源雷电的这种电磁脉冲虽然是与生俱来的，但科学技术水平不高时，没有精密灵敏的设备被它损坏。20世纪80年代以来，由于微电子技术的发展，并广泛地应用到现代通讯、计算机技术、医疗卫生、自动化生产、航空、航天、办公、居民生活等各个方面，雷电电磁脉冲随之成为毁坏这些能耗极小、灵敏度高、体积很小的电子器件的元凶，这就形成了现代雷灾的极重要的方面前文提到的火箭飞机失事、大批计算机损毁、通讯中断气象停报、银行停业的原因均在于此由于雷电电磁场迅变的时间极短，所感生的电压可以很高，以致产生电火花，引起火

10、灾提到黄岛油库大火的原因是由于闪电的脉冲电磁场在钢筋水泥旧油罐的金属问隙中产生了火花，点着了罐中的油蒸汽而引起的。3物理学方法与综合防雷问题物理学是一门综合性很强的学科，它所函概的知识包括了自然界雷电生成、发展的各种效应，如高电压大电流效应、光幅射放应、声效应、电动力效应、冲击波效应、静电感应效应、热效应和机械效应由此对现代防雷提出屏蔽、接地、均压、分流等一系列措施。笔者作为物理专业人员有幸被邀参加了国内多次重大防雷科技活动与电力、通讯、气象、雷达、电子、计算机、建筑、地质等各行业专家在一起研究综合防雷问题笔者之-在近期还主持了两项与高科技和国家重点工程建设密切相关的项目鉴定一项是1997年8

11、月在西昌卫星发射中心现场由中科院空间所研制的“高空带电雷云探测系统，为我国火箭卫星的发射避开雷电场，发射成功提供了科学技术上的保证;另一项是1997年11月为三峡工程库区，雷灾严重的移民新城制定的综合防雷方案的论证鉴定取得了成功，在社会上形成很大影响物理学也是一门实践性很强的学科，它的定律、定理、结论都建筑在实践的总结归纳和实验验证的基础之上有时一个在理论解释、逻辑推导上争论不休的问题，通过-个物理实验则给以强有力的证明如近年来对一种影响很大的消雷器原理及性能的争论，持续了一年多，直到1997年8月，有一位专家得到了该消雷器的两段针体，设计并进行了消雷器针体通流能力的一次实验，测出该针体在单位

12、电阻能量比我国防雷规范的要求或一个中型雷实际的通流能量差103107的数量级时就被烧毁，此实验对争论的问题给予了充分的说明，它胜过打不完的笔墨官司在课堂上表演雷电原理时，数十年一贯制地用两个金属平行极分别接到高压静电发生器上，一个金属板代表大地，另一个金属板代表雷云，当起电到一定高压时，两板间放电，产生电火花，发出哗哗啪啪的放电声，表演完成后结论得出很少有教师将这些经典的理论及实验再向外延伸，再进一步分析此演示实验与实际雷电发生时的差异，这个差异至少有以下四点:第一，模拟物的性能不同金属板是一个导体极上电荷可以自由移动，而自然界中的雷云不是导体，它在不同云层间的异号电荷不能中和，同云层中的电荷

13、也不能自由流动第二，模拟的尺度不同实验中的空气间隙小，气体差异小，干扰因素少，高压选最近路径放电而在大自然的空间中，宇宙射线、各种离子、含不同成份的大气条件使雷电放电路径随机性强，放电通道往往有多个分叉。一些闪电可以绕过避雷针击在建筑物的半腰或周围低矮的一些物体上。第三，电量的数量级不同课堂上讲铜线的电阻一般可以忽略不计，大地是导体，地电位为零而实际中，当雷电脉冲大电流(可达100KA的数量级)，通过铜导线时，尽管铜导线上的电阻很小，但仍可产生1000V或10000V的高电压，完全可能对其他物体产生闪络放电，击坏周围的人或物当如此大的脉冲电流通过接地电阻导人地下时，也可在接地点附近产生跨步电压

14、，将人与牲畜击毙当接地电阻偏大时，这个情况就更为严重笔者在三峡移民区所看到的一些新建楼为花岗岩基底，电阻率高，接地电阻可达到30欧，这只有靠在接地金属周围填充降阻剂或采用更大的接地网等措施来解决第四，涉及知识范围不同课堂上的演示只看到现象和听到声音，讲授也就到此为止，很少与直接未看到的高压放电产生的瞬变电磁场的作用联系起来，没给学生留下-点联想和悬念由此造成不少搞电的行家想不到精密仪器设备、计算机等防雷电电磁场危害的问题，以至我们的高等学府、高精尖项目的研究部门在受到雷电灾害时，还茫然不知所措以上分析告诉我们，在大学物理讲授中，不能只注意讲抽象，而不注意讲实际，只注意讲普遍性而不注意讲特殊性，

15、这样讲了半天，仍不能让学生了解事物的情况正如获国家教委奖的21世纪教材改革示范本新概念物理学的作者赵凯华教授在定性与半定量物理学中引用的费因曼的故事所说的:费因曼在与其他物理同行研究问题等别人推算时，心中早已有了特殊的物理实验，他也就了解了这件事的物理实质费因曼说:“没有物理实例我就不懂，也不能和任何人讨论问题4防雷技术的新发展江泽民同志在1996年初发表了关于防灾减究的重要讲话，我国也正在组织力量积极参与国际减灾十年的计划和活动国家自然科学基金从1998年起专门增设“减轻自然灾害，领域，给予支恃主要灾种的成因机理、成灾规律，与抗灾对策等方面的基础和应用基础的研究虽然人类所掌握的减灾防灾和抗灾的能力已大为提高，但城市化和技术的高度发展使自然灾害发生造成的经济损失加重，并蕴发技术灾害，所以当今世界上减轻自然灾害和减轻“自然一技术灾害均是科技减灾的目标最近一些名牌大学又增设了减灾课程，加强了对学生素质的培养减少雷电灾害，这不仅是我国高科技中的难题，也是世界性的难题美国正试用飞机在积雨中大量播撒融化银晶体或金属箔丝促使云中放电，消除云中强电场还试用尾部拖有铜丝发射