雷电的基本知识.ppt

1、研究的基本问题 雷电的形成及种类 雷电的益处，如何利用雷电 雷电的危害 雷电的防御及救治措施,雷电中的物理知识 -知雷电用雷电防雷电,雷电的形成,雷电是人们熟知的一种自然现象，雷鸣闪电，可怕而又宏伟壮观。过去，人们解释不了这种现象，把雷电当神来崇拜，大家熟悉的西游记中就有雷公、电母等神话形象,令人敬畏。一些生命起源学说认为，是雷电孕育了地球现在的繁荣和文明。,中国古代对雷电的认识 1、东汉哲学家王充（2797年） 2、北宋科学家沈括（10311095） 3、明代科学家方以智（16111671）,对雷电现象作了忠实客观记述，反对以鬼神来说明雷电及其灾害。在这一千多年历史中，对雷电的认识没有什么大

2、的变化。早于欧美逾千年以上，而研究并明了其本质却又晚于欧美百余年。这一现象在其他自然科学领域也存在。中国本是文明古国，而近百年来累遭列强侵略，科学技术落后甚多，思索其原因是非常必要的。,王充在论衡中对雷电就作过如下描述:“雷者火也。以人中雷而死，即询其身，中火则须发烧憔。中身则皮肤灼嘻，临其尸上闻火气，一验也。道术之家，以为雷烧石色赤，投于井中，石憔井寒，激声大鸣，若雷之状，二验也。人伤于寒，寒气入腹，腹中素暖，温寒分争，激气雷鸣，三验也。当雷之时，电光时见，大若火之摧，四验也。当雷之击，时或播人室屋及地草木，五验也。夫论雷之为火有五验，言雷为天怒无一效。 沈括著塔梦溪笔谈描述更详:“内侍李舜

3、举家曾为雷暴所震。其堂之西屋，雷火自窗间出，赫然出槽。人以为堂屋已焚，皆出避之。及雷止，其舍宛然，墙壁窗纸皆黔。有一木格，其中杂贮诸器，其漆器银扣者，银悉熔流在地，漆器皆不焦灼。有一宝刀，极坚钢，就刀室中熔为汁，而室亦俨然。人必谓火当先焚草木，然后流金石.今乃金石皆拣而草木无一毁者，非人情所测也。佛书言，龙火得水而炽，人火得水而灭夕，此理信然。” 方以智进一步概括之:“雷火所及，金石销熔而漆器不坏。”,1、16世纪 近代科学先驱英国弗兰西斯.培根（15611626） 法国勒内.笛卡儿（15961650） 意大利伽利略（15641642）1)、把科学实验提到了很重要的地位。 2)、正确的科学思想

4、和科学方法，对当时及后人产生重大作用。 2、18世纪 英国伦敦皇家学会馆长的豪克斯比，1706年用玻璃棒摩擦起电，发现静电放电产生的闪光与闪电很相似。 英国华尔1907年用琥珀摩擦起电，发现放电不仅产生闪光，而且产生类似雷鸣的响应。把实验室中的电和自然界的闪电联系起来，即科学猜想。,欧美雷电科学建立,3、美国科学家富兰克林（17061790），以科学的理性思维探索了雷电的本质。将云中的闪电引到地面来作实验鉴定。是雷电科学发展史上关键的一步。解决了雷的定性认识。,1751年富兰克林著作电的实验与观察，指出：“关于尖端的功能的知识，可以为人们利用来保护房屋、教堂、船等避免闪电袭击，其方法是在这些物

5、体的最高顶上固定一支更高的镀金的磨尖铁棒，在其下端接一导线挂在建筑物外通到地下，对于船则是通到水中。”,这张图形象地表明本杰明富兰克林著名的闪电实验，他于1752年发现闪电带电。 富兰克林把一个金属钥匙绑住风筝线端，在雷雨天把风筝放到天上去。很幸运他没有被电击。 避雷针防雷法，亦称富兰克林法。这是一种最古老、最传统的防雷方法。,雷电是一种大气中放电现象，产生于积雨云中。积雨云是一种在强烈垂直对流过程中形成的云，由于地面吸收太阳的辐射热量大于空气层，因此白天地面升温较多，特别是夏季。近地面的大气温度也跟着升高，气体随着温度的升高体积增大，开始上升，同时密度减小，压强也随着降低，就会和上方的空气层

6、发生对流。热气流在上升过程中膨胀降压，同时与高空低温空气进行热交换，于是上升气流携带的大量水蒸气凝结成细小水滴，就形成了云，并随着高度上升进一步冷却成冰晶。在大气电场以及温差起电效应、破碎起电效应等各种机制同时作用下，进行着水滴中电荷分离的复杂过程，形成带电荷的雷云。,雷云在运动中产生分层电荷。当此雷云在天空移动时，它拖着一个相反极性电荷的阴影在地表移动，我们称其为地电荷。当地电荷到达构筑物，雷云电荷吸引地电荷上升到构筑物最顶端，然后再跨越结构水平散布。使地面和雷云间形成强大的电场。使两种电荷保持分离的是中间空气的绝缘。当云中某处积聚的电荷密度很大，激发的电场强度达到 25-30KV/cm 时

7、，从云分支向下进行步进式放电，称为下行先导放电。这个先导逐渐接近地面，达到一定距离时，地面物体在强电场作用下产生尖端放电，向上迎着步进先导发射电子流，成为上行先导放电。,当上行先导与下行先导接通时，此离子化通道变为主雷击通道。主放电会有很大的雷电流（一般为几十千安至几百千安），并伴随强烈的闪光和雷声。这种雷云对大地的放电，常被称为直击雷。这种雷击破坏力极大，产生电效应、热效应和机械力，会造成极大的危害。 美国国家气象局的内泽特赖德尔认为：每当暴风雨来临，雨点即能获得额外的电子。电子是带负电的，这些电子会追寻地面上的正电荷。额外的电子流出云层后又碰撞到了别的电子，使别的电子也变成游离电子，因而产

8、生了传导性轨迹。传导的轨迹会在空气中散布着的不规则形状的带电离子群中间跳跃着迂回延伸，而一般不会是直线。于是在到达地面与正电荷接触之前，闪电的轨迹总是蜿蜒曲折的。,雷电的种类,（1）直击雷 直击雷是云层与地面凸出物之间的放电形成的。直击雷可在瞬间击伤击毙人畜。巨大的雷电流流入地下，令在雷击点及其连接的金属部分产生极高的对地电压，可能直接导致接触电压或跨步电压的触电事故。 直击雷有两种： 1.云地雷。带电积云团与地面突起物因带电性质不同，而在两者间形成的高强电场击穿空气时，通过突起物直接对大地的放电现象。 2.云间雷。两个带电积云团因带电性质不同，而在两者间形成的高强电场击穿空气时，两云团间的直

9、接放电现象。,（2）球形雷 球形雷又称滚地雷，是雷电放电时形成的散发着红光、橙光、白光或其它颜色的火球。从电学角度考虑，球形雷应当是一团处在特殊状态下的高温带电气体。 气象专家介绍，突发雷雨天气时，带电云层离地面很近，地面又有一些突出物体产生感应电荷，两者之间形成放电，因此形成了滚地雷。滚地雷容易对地面上的人员和物品造成电击伤害。,（3）雷电感应，也称感应雷 雷电感应分为静电感应和电磁感应两种。 静电感应是由于雷云接近地面，在地面凸出物顶部感应出大量异性电荷所致。雷云与其他部位放电后，凸出物顶部的电荷失去束缚，以雷电波形式，沿突出物极快地传播。 电磁感应是由于雷击后，巨大雷电流在周围空间产生迅

10、速变化的强大磁场所致。这种磁场能在附近的金属导体上感应出很高的电压，造成对人体的二次放电，从而损坏电气设备。,（4）雷电侵入波 雷电冲击波是由于雷击而在架空线路上或空中金属管道上产生的冲击电压沿线或管道迅速传播的雷电波。其传播速度为3108m/s。雷电可毁坏电气设备的绝缘，使高压窜入低压，造成严重的触电事故。例如，雷雨天，室内电气设备突然爆炸起火或损坏，人在屋内使用电器或打电话时突然遭电击身亡都属于这类事故。,雷电的益处,（1）雷电可以制造零成本的优质氮肥。 雷电离不开闪电，闪电的温度一般在3万以上，是太阳表面温度的5倍。闪电还造成高压，在高温、高压下空气分子会发生电离，待它们重新结合时，其中

11、的氮和氧就会化合成亚硝酸盐和硝酸盐分子，并溶解在雨水中落到地面，成为天然的氮肥。全球每年因雷电制造的氮肥有4亿吨。倘若全部落到陆地上，等于给每一亩地施了2公斤氮素，相当于10公斤硫酸铵。可谓雷电一场氮肥万吨。,（2）雷电可以促进作物生长。 发生雷电时，空地之间的电场强度可达到每厘米万伏以上。受强大的电位差影响，植物的光合作用和呼吸作用增强，所以，雷雨后一两天内植物的生长及新陈代谢特别给力。据测试，用闪电刺激作物，发现豌豆早分枝，开花期提早15天，玉米抽穗提早7天，白菜增产15%至20%。若作物在生长期内遇上几场雷雨，其成熟期可早7天。更有趣的是，雷雨后的晴天，阳光穿透云层的能力特别强，阳光中的

12、红光较多，而植物对这种红光特别敏感，从而有利于农作物的生长发育。,（3）雷电可以疏松土壤。 地动山摇的响雷是一种巨大的声波，它可以震松土壤，促进土壤中有机肥料的分解而便于农作物吸收，所以历来就有“春雷一响，万物复苏”之说，春雷可以震醒万物，也可以使空气中部分细菌和有害生物在轰鸣和振荡中丧生，在闪电时产生的高温中死亡。因此，雷电过后的空气特别清新，在一定程度上减少了部分流行病的发生。,（4）雷电可以制造臭氧。 臭氧层是地球一切生物的保护伞，它能吸收大部分危害生命的紫外线，使生物免受伤害。空气中含少量的臭氧，能起到灭菌消毒作用。会促使空气中的部分氧气发生反应，生成具有杀菌及漂白作用的臭氧。伴随着雷

13、雨云中强烈的上升气流，可将滞留在对流层下面的污浊空气携带到空中，有助于净化空气。垂钓爱好者有谚云：“宁钓雷雨后，不钓雷雨前。”原因是雷雨后天清气爽，水中溶氧增多，鱼儿食欲大增，此时下钩，可收到事半功倍奇效。,（5）雷电能治病。 每场雷雨过后，空气中的气体分子在雷电场的作用下，会分离出带负电的负氧离子。研究人员测试表明，雷雨过后，每立方厘米空气中的负氧离子可达万余个，而晴天里的闹市区，负氧离子仅几十个。实验表明，被称做“空气的维生素”的负氧离子，对人体健康很有利。医疗专家模拟雷雨的神奇作用，将负氧离子引入病房，结果发现，当室内空气中的负氧离子与正离子的比例调控在比之时，对气喘、烧伤、溃疡以及其他

14、外伤的治疗有促进作用；可使居室内细菌、病毒减少；同时，对过敏性鼻炎、神经性皮炎、关节疼痛等病症均有一定的疗效。钓鱼的朋友有一条渔谚云：宁钓雷雨后，不钓雷雨前。也是基于这个道理。此外，雷鸣电闪时，强烈的光化学作用，还会促使空气中的一部分氧气发生反应，生成具有漂白和杀菌作用的臭氧。伴随着雷电的上升气流，可将停滞于对流层下面的污染大气携带到公里以上的平流层底部。,（6）雷电能预示未来天气。 谚云：“春雷十日寒”和“雷打惊蛰前，49日不开天”。意即春天打雷后，天要变冷，或者出现连阴雨天气。原因是春天发生打雷的雷雨云，大多是来自北方的冷空气与南上的暖湿空气发生交互活动形成的。春雷动就表示有冷空气南下，所

15、以当地天气会变冷些，并有可能涌现出乍暖还寒的天气。,（7）雷电具有巨大能量。 根据高频感应加热的原理，利用雷电产生的高温，可使岩石内的水分受热膨胀，从而破碎岩石，达到多快好省爆破岩石目的。 （8）雷电还可帮助人们找矿。 雷电偏爱袭击那些极易导电的物体，这一特点为地质勘探人员探求矿床提供了重要线索。,（1）雷电高压效应的破坏作用。 在雷电放电时，能产生高达数万伏甚至数十万伏的冲击电压，它可能毁坏发电机、电力变压器等电气设备的绝缘，烧断电线和劈裂电杆，造成大规模停电，绝缘损坏还可能引起短路，导致可燃物、易燃物着火和爆炸等。,雷电的危害,（2）雷电热效应的破坏作用。 当几十至上千安的强大雷电流通过导

16、体时，在极短的时间内将转换成大量的热能，雷击点的发热量约为5001000J，这一能量可熔化50200立方毫米的钢棒，如果雷击在易燃物上更容易引起火灾和爆炸。由于雷电的热效应，还将使雷电通道中木材纤维缝隙和其它结构中间的缝隙里的空气剧烈膨胀，同时使水分及其它物质分解为气体，在被雷击物体内部出现强大的机械压力，使被击物遭受严重破坏或造成爆炸,（3）雷电的静电感应 当金属物处于雷云和大地电场中时，金属物上会感应出大量的电荷，雷云放电后，云与大地间的电场虽消失，但金属上感应积聚的电荷却来不急立即逸散，因而，产生高达几万伏的对地电压，称为静电感应电压，可以击穿数十厘米的空气间隙，发生火花放电，带来火灾。

17、,（4）雷电的电磁感应 雷电具有很高的电压和很大的电流，同时又是在极短的时间发生的，因此在它周围的空间里将产生强大的交变电磁场，使电磁场中的导体感应出较大的电动势，并且还会在构成闭合回路的金属物也产生感应电流，这时如回路上有的地方接触电阻过大，就会局部发热或发生火花放电导致火灾。,（5）雷电波侵入。 雷击在架空线路、金属管道上会产生冲击电压，使雷电波沿线路和管道迅速传播，若侵入建筑内可造成配电装置和电气线路绝缘层击穿产生短路或使建筑物内的易燃可燃物品燃烧或爆炸。 （6）雷电的机械效应 雷电时被雷击物体会直接发生爆炸、倒塌、扭曲、崩溃、撕裂、瘫痪，造成财产损失和人员伤亡。,（7）雷电的电磁辐射。

18、 雷电时产生的电磁辐射会使通讯、广播、电视及电脑的网络的信号中断，也会使遥控遥测及警戒、监测系统失灵，还会对人体健康造成多种伤害。（8）防雷装置上的高电压对建筑物的反击作用。 当防雷装置接受雷击时，在接闪器和引下线接地体上都具有很高的电压，如果防雷装置与建筑物内外的电气设备、电气线路或其它金属管道的相隔距离很近，它们之间就会产生放电，可能引起电气设备绝缘破坏，金属管道烧穿，这种现象称为反击。,（1）应该留在室内，并关好门窗；在室外工作的人应躲入建筑物内。 （3）切勿接触天线、水管、铁丝网、金属门窗、建筑物外墙，远离电线等带电设备或其它类似金属装置。 （4）切勿游泳或从事其它水上运动，不宜进行室

19、外球类运动，离开水面以及其它空旷场地，寻找地方躲避。 （5）切勿站立于山顶、楼顶上或其它接近导电性高的物体。 （6）切勿处理开口容器盛载的易燃物品。,雷电的防御,（7）在旷野无法躲入有防雷设施的建筑物内时，应远离树木和桅杆。 （8）在空旷场地不宜打伞，不宜把羽毛球、高尔夫球棍等扛在肩上。 （9）留在室内，关好门窗；在野外无法躲入有防雷设施的建筑物内时，要将手表、眼镜等金属物品摘掉，千万不要在离电源、大树和电杆较近的地方避雨；尽量降低身体的高度，以减少直接雷击的危险；双脚要尽量靠近，与地面接触越小愈好，以减少“跨步电压”；野外最好的防护场所是洞穴、沟渠、峡谷或高大树丛下面的林间空地。 （10）不

20、宜使用无防雷措施或防雷措施不足的电视、音响等电器，不要靠近打开的门窗、金属管道，要拔掉电器用具插头，关上电器和天然气开关。切忌使用电吹风、电动剃须刀等。不宜使用水龙头。,（11）切勿接触天线、水管、铁丝网、金属门窗、建筑物外墙等带电设备或其它类似金属装置，不要收晒衣绳或铁丝上的衣服。不要从事栅栏、电话或输电线、管道或建筑钢材等安装工作。切勿处理开口容器盛载的易燃物品。 （12）不要或减少使用电话和手提电话，不宜停留在铁栅栏、金属晒衣绳、架空金属体以及铁轨附近，切勿站立于山顶、楼顶上或接近导电性高的物体。不宜进入和靠近无防雷设施的建筑物、车库、车棚、临时棚屋、岗亭等低矮建筑。 （13）切勿游泳或

21、从事其它水上运动或活动，不宜停留在游泳池、湖泊、海滨、水田等地和小船上。不宜进行室外球类运动，在空旷场地不宜打伞，不宜把锄头、铁锹、羽毛球拍、钓鱼杆、高尔夫球杆等扛在肩上。 （14）当感觉到身体有电荷时，如头发竖起，或者皮肤有显著颤动感时，要明白自己可能就要受到电击，应立刻倒在地上，等雷电过后，呼叫别人救护。 （15）不宜骑马、骑自行车、驾驶摩托车和敝蓬拖拉机，汽车往往是极好的避雷设施，因有屏蔽作用，及时被闪电击中汽车，也不会伤人。,雷击对人体可造成巨大的伤害，强大的雷电流使人或动物的心脏、大脑麻痹而死亡，甚至能把身体烧焦。此外，雷电流还能将局部皮肤组织烧坏，出现有灰白色的肿块和线条，称为“电

22、的烙印”。强大的雷声还可致耳膜受伤。但是，不论何时何地发生雷电事故，只要按科学的方法分秒必争地进行抢救，都能尽量减少死亡。,雷击后的救治措施,（1）急救方法。 第一步：脱离险境。迅速将病人转移到能避开雷电的安全地方。 第二步：对症治疗。根据击伤程度迅速作对症救治，同时向急救中心或医院等有关部门呼救。 （2）对症救治方法。 1.如果患者未失去知觉，神志清醒，曾一度昏迷，心慌，四肢发麻，全身无力，应该就地休息12小时，并作严密观察。 2.如果已失去知觉，但呼吸和心跳正常，应抬至空气清新的地方，解开衣服，用毛巾蘸冷水摩擦全身，使之发热，并迅速请医生前来诊治。 3.如果患者无知觉，抽筋，呼吸困难，逐渐

23、衰弱，但心脏还跳动，可采用口对口人工呼吸。 4.如果患者已无知觉，抽筋，心脏停止跳动，仅有呼吸，可采用人工胸外心脏挤压法。,5.如果患者呼吸、脉搏、心跳都停止，应口对口人工呼吸和人工胸外心脏挤压两种方法同时进行。人的生命主要是依靠两个重要的生理作用：由心脏跳动所造成的血液循环和由呼吸造成的氧气和废气的交换过程。人被雷电击伤后呈“假死”现象就是中断了这两个过程引起的。因此，做人工呼吸时，必须一直做，直到伤者嘴唇稍有开合，眼皮稍有活动或喉头有吞东西动作时，即应注意被雷击者是否要开始自动呼吸。如已开始自动呼吸，即不应再继续施行人工呼吸。停顿数秒钟后，患者如仍不能自动呼吸，应即继续施行人工呼吸。实践证

24、明：对雷电“假死”者越迅速耐心地做人工呼吸，救活的机会就越多，有些伤者经过人工呼吸六小时才复活。抢救过来后，不能马上站立起来，应抬到床上休息，恢复正常后，方让其行走，只有在医生到来前被雷击者出现僵硬、尸斑时才能停止抢救。,4、英国科学家开尔文（18241907）设想，用气球带仪器到高空去测量不同高度的电场，开创了定量研究闪电的工作。,20世纪大气电学的发展,1、大气导电的研究 发现大气中存在带有正电或负电的粒子。,研究大气中带电粒子的来源、分布和运动规律，成为雷电科学中非常重要的部分。研究得出,（1）地层存在放射性元素 （2）宇宙射线 （3）太阳的紫外线（电离层）,2、闪电的研究： （1）利用

25、移动照相法发现，一次闪电是由多次放电组成，在多雷的南非拍得一批闪电照片（至今仍被人们作为经典的实验证据），显示出闪电的结构特性。 （2）提出关于闪电先导理论 3、关于雷雨云起电的机制和云中电荷分布的研究： （1）冰的光电效应 （2）水滴破碎的带电 （3）雪花之间碰撞起电 （4）毛细管静电计测量闪电时电场的垂直变化,20世纪50年代后，这与二次世界大战有密切关系。雷达技术、航空、航天的发展，使大气电场测量有了很大发展，雷电科学的发展进入一个新时期。,1.2.1大气电场 1、地球 ：带电球体模型 大气电场,1.2 大气电平衡,（2）实际：负电荷分布不是均匀的。,（1）理想：带负电荷5.4 10 5

26、 C ，空中指向地球表面的大气电场。,1.1.4 21世纪雷电科学的展望,1、用场的理论和非线性理论研究雷电。,2、进行有关雷电的各种实验。,3、改进雷电监测手段。,2、空气中的带电离子,（1）电离源 地壳中放射性物质，大气中的气态放射性物质，宇宙射线。 （2）电离和复合达到动态平衡，大气总是带正电。 （3）正、负电荷构成大气电场的两个极性端。,（1）随高度增加而减小（图1.2） （2）世界各地地面晴天大气场的平均结果（表1.1）,3、大气电场分布情况,1、大气的等效模型 由四层物理性能不同的部分构成。电离层（暖层）， 中间层，平流层，对流层。 对流层为大气最低层，约十几公里高度以下，在电离源

27、的作用下，产生悬浮的正、负空气离子。,1.2.2 大气中的电流,2、带电离子平均速度,系数k为离子迁移率（与离子大小，大气密度有关），E为大气电场。,（4）位移电流 jd ：大气电场发生变化时形成。,3、 体电荷密度,与不同地区，大气高度，时间差别很大，地表面的气体电荷密度平均值大约,4、大气电流,（1）传导电流 ： 指空气中带电正、负离子在大气电场作用下定向迁移运动。,（2）晴天大气对流电流 ：指对流层中气团携带 电荷一起移动。,（3）晴天大气扩散电流 ：大气电荷因湍流和扩散而形成。,1.2.3大气电平衡 1、地球表面负电荷维持恒定值 5.4 10 5 C （1）大气电流使负电荷要减少； （

28、2）降雨电流使负电荷要减少； （3）尖端放电使负电荷增加； （4）雷暴活动使负电荷增加。（这是地球表面负电荷维持恒定值的必不可少的条件） 动态平衡，维持恒定值 。,一般表达式,一般情况下，贴近地面的传导电流、对流电流、扩散电流的数量级相近，其电流密度数量级约为,地球表面晴天的传导电流密度约为,根据地球表面积，则传导电流约为1500A。,晴天大气电流是大气电的消耗者，闪电电流是大气电的制造者。,1.3 雷（雨）云,1.3.1 雷（雨）云的形成,1、常见云的分类：卷云、卷层云、卷积云、高层云、高积云、层积云、雨层云、积云、积雨云共9种（见教材表1.2）。,2、雷（雨）云：指产生闪电的云，即积雨云。

29、,3、积雨云的形成（见教材图1.4）,形成雷（雨）云的三个条件：,（3）大气对流。,（2）太阳照射，水蒸气上升凝结成小水滴；,（1）空气中必须含有充分的水蒸气；,积云阶段,秃积雨云阶段,鬃积雨云阶段,（a）积云阶段：由一个或多个云塔表征,（c）消散阶段：由下沉气流和不断削弱的对流性降雨表征,（b）成熟阶段：由同时存在的上升气流和下沉气流以及降雨共同表征,4、气团雷暴,由若干个云胞（雷暴单位）组成，整个雷暴生命期可长达几小时。,雷暴单位就是有明显边界的大云团，且生命期约一小时（积云阶段小于15分钟，成熟阶段小于30分钟，消散阶段约30分钟）。,5、锋面雷暴,锋：指冷气团和热（暖）气团的过渡区域。

30、,暖锋雷暴：指由暖气团冲击冷气团形成。,冷锋雷暴：指由冷气团冲击暖气团形成。,6、地形雷暴,暖空气经过山坡或山地的迎面风被迫抬升而造成的雷暴。,1.3.2 雷（雨）云的电结构,1、雷（雨）云的分成三个电荷集中区（公认的典型电结构模型）。,由于负电荷中心离地面近，正负电荷中心离地面远，地面观测云多数带负电。,2、雷（雨）云中电荷分布结构受地理位置影响,（1）电荷分布状况不相同；,（2）集中区高度不相同；,（3）温度分布不相同；,（4）云体尺寸大小不相同。,3、对流云中大气电学量的常见值（见教材表1.3）,（见教材图1.6）,1.3.2 雷（雨）云的起电机制,1、感应起电学说：,水滴（也可能是冰晶

31、、雹粒）在垂直大气电场中感应电荷，下端为正、上端为负 ，与大气中上升的负离子的电荷中和，使水滴带负电，形成雷（雨）云起电后的电荷分布。,2、温差起电学说：,冰块中同时存在氢离子（ H + ）和氢氧根离子（ OH ），由于冰块两端温度不同，会产生发生离子扩散现象。氢离子质量轻，扩散快，冷端呈现带正电。在对流气流和重力的作用下，形成雷（雨）云起电后的电荷分布。,由于大气电场的感应极化， 大水滴下降时，受到气流作用发生破碎形成许多小水滴和几个较大水滴。小水滴带负电，较大水滴带正电。由于云中的电荷增多，大气电场又增大，如此循环，形成雷（雨）云起电后的电荷分布。,3、破碎起电学说：,云中冷水滴与雹粒接触

32、时，过冷水滴有了凝结核，发生相变，迅速变成冰。释放的潜热又使冰的外壳破裂成冰屑，冰屑带正电随气流上升，较大的水滴带负电留在原地或约下降，形成雷（雨）云起电后的电荷分布。,雷（雨）云中部温度在 0 -10 0 C ，是过冷水滴最多的区域，所以中部负电荷较多。,1.4 闪电,1.4.1闪电及分类,1、闪电：指雷（雨）云中不同部分之间聚集的电荷形成的电场（可达几百万伏/米），把云内或云外的大气层击穿，产生的强火花放电。,4、冻结起电学说：,（3）云地闪电：带电的云层对大地之间的击穿放电。,2、按闪电方式分类,（1）云内闪电：带电云层内部击穿放电。,（2）云际闪电：一部分带电的云层与另一部分带异种电荷

33、的云层之间的击穿放电。,3、按闪电形状分类,（1）线状闪电：常发生在云地之间。,（2）带状闪电：线状闪电的特殊情形。,（3）片状闪电：发生在云际之间的线状闪电的特殊情形。,（4）联珠闪电：强线状闪电中偶尔出现的一种特殊现象。,（5）球状闪电：具有强烈的电磁效应和穿透金属能力，形如火球，也称球闪或滚地雷。,线状闪电,云内闪电,联珠状闪电,球状闪电,1.4.2 云地闪（简称地闪）的结构,1、地闪应具备的特殊条件,（1）大地作为导体，感应的正电荷可以自由流动。,（2）积雨云中带电粒子之间仍是绝缘的空气。,（3）足够大的电场使绝缘的空气击穿，形成导电通道。,（2）扩展的结果使积雨云下端与大地之间的电场

34、强度增大，致使云下端某些特殊地点的空气先击穿，形成向下发展的流光，即形成一段（级）导电通道，在导电通道前端会累集大量负电荷。,2、地闪的全过程,（1）积雨云中层的负电荷区与下层正电荷区之间的的强电场产生局部区域击穿，负电荷区扩展到积雨云下部，形成流光。,（3）累积的结果，又使下面空气被击穿，这样不断重复上述过程，导电通道逐步向下发展，即形成梯级先导。此过程时间约20 ms 。,几个参数： 每级通道变化范围约3 200 m 平均速度约 1.5 10 7 cm/s 间隙时间约 30 125 us 每一级的推进速度约 5 10 9 cm/s 通道直径约 1 10 m 每一级的击穿方向是不确定的折线,

35、几个参数：,回击电流可达 10 kA。,回击速度约 2 10 9 2 10 10 cm/s,回击通道直径约0.1 0.23 cm,回击通道温度可达 10000 0C,（4）经过多次击穿，当梯级先导的通道前端达到离地面很近（约1020m）的距离时，向下扩展的趋势直接受地面物的影响，此时发生电击穿，会形成由地面物冲出一段明亮无比的光柱（闪电），沿着导电通道冲向积雨云完成一次回击放电（称主放电）。同时温度陡升，空气骤胀，骤缩形成爆炸波，即雷声。,回击时间约60 us,1.4.3 地闪的类型,1、按有无回击分类 （1） a 类：无回击的闪电 （2） b 类：有回击的闪电,（5）由梯级先导到回击完地闪的

36、第一次放电闪击，约过几十毫秒还会出现第二次放电闪击。此过程，先导是沿旧导电通道，称“直窜先导”或“箭式先导”。平均速度约 2 10 8 cm/s 。,根据积雨云电荷量的多少，可能会有多次回击，直到积雨云中的电荷消耗尽为止。,2、按大地输送出的有无正负电荷分类 （1） 1a型：云闪（负电荷先导）。 （2） 1b型：下行负雷（负电荷先导，大地回击正 电荷），常见。 （3）2a型：由地面物正电荷向上扩展形成带正电的向上先导与云中放电。 （4）2b型：在2a 的基础上出现云中负电荷向地面物回击（称上行负雷）。 （5）3a型：云闪（正电荷先导）。 （6）3b型：积雨中正电荷向下先导，大地回击为负电荷（下

37、行正雷）。 （7）4a型：由地面物的负电荷向上扩展，形成带负电荷的向上先导，与云中放电。 （8）4b型：在4a 的基础上，出现云中正电荷向地面物回击（上行正雷） 。,闪电的长度短的23公里，长的20公里。,2、电压源模型 将雷云等效成一个充了电的电容器 ，放电时，大气雷电通道电阻为其内阻（消雷学派的基本观点）。,1.5 雷电放电的计算模型,1.5.1 雷电放电的不同理论（计算模型）,（2）放电时，以 1/31/2光速沿主放电通道向上发展（称电流波）；,1.5.2 行进电流源模型,1、模型假设：,（1）电流源位于先导通道与地面被击物向上发出的回击头部相遇处；,将雷云等效成一个内阻无限大的电流源。

38、放电时，用电流波进行分析（现代防雷规范的理论基础）。,1、电流源模型,2、地面任一处电场强度、磁场强度的表达式,（3）闪电通道长度就是雷云到地面的高度（假定垂直）。,（4）闪电放电所产生的信号可等效成许多不同尺度的电偶极子辐射体形成。,C为光速，Mt 为t 时刻闪电通道辐射体的电流矩。,讨论Et 式中：,第一项表示静电场分量，与S的三次方成反比；,第二项表示感应电场分量，与S的二次方成反比；,第三项表示辐射电场分量，与S成反比。,（1）电场各分量与 S 的关系,（2）电场各分量与频率的关系,1 1000 Hz频段，静电场分量为主。,1 100 KHz频段，感应电场分量为主。,1 100 MHz

39、频段，辐射电场分量为主。,（3）当f 1000Hz，S 约 50 Km，辐射电场分量为主。,（4） 50 Km 远处云地闪电所形成的地面电场随时间变化图,（5）雷电的频谱很宽（100 Hz 100MHz），但能量主要集中在 3 30 KHz范围，即在此段金属物体都会被感应出强大的感应脉冲电流。,回击,回击产生脉冲,脉冲变化太快连成一片，回击后明显减弱。,1.5.3 彼得逊等值电路模型,（1）导电通道等效成电感、电容等均匀分布参数的无限长金属传输线，特征阻抗为Zo ； （2）大地为无限大，且电阻为0的导体，但接地部分阻抗为Z； （3）梯级先导相当与自天空向地面的前行波用uo 或 io 表示（ u

40、o = io Zo）；（4）导电通道仅是分布有电荷线密度的金属导体，电流,1、传输线模型：,2、等值电路模型,（1）电压源模型,（2）电流源模型,主放电前相当与开路，由传输线理论可得出开路电压 u = 2uo ，主放电时的等值电路模型,雷击电流,以上计算仅是一种近似分析方法，可以说明接地电阻对雷击电流的影响，当Z Zo时，雷击电流i = 2io ，对防雷设计有一定价值，但不能作为雷电科学的基础理论。,1.6 雷电单位基本参数,1.6.1雷暴日和雷暴小时 用来表征不同地区雷电活动的频繁程度。,1、雷暴日 指一年中有雷电放电的平均天数。不足15天为少雷区；超过40天为多雷区，大于90天为强雷区。,

41、2、雷暴与地球表面纬度的关系,纬度愈低雷暴天数愈多。赤道地带100 150天，热带75 100天，中纬度地带50 80天，两极地区仅有几天。,3、我国雷暴日分布,长江以北15 40天，以南40天以上；西北15天以下，海南及雷州半岛高达100 133天。,中国各主要城市雷暴天数,4、雷暴小时,以一小时内出现一次以上的雷击为统计单位，表征不同地区每个雷暴日雷电活动持续时间的差别。,1.6.2 地面落雷密度,1、定义：每年每平方公里受雷击的次数。,2、经验公式,Ta表示平均雷暴日数。,1.6.3 雷电流的极性和波形,1、雷电放电形式,（1）脉冲放电：1 2 us达到10 20KA的峰值,100 10

42、00us下降到峰值的一半,（2）非脉冲放电：放电电流100A左右，,持续时间10 100 ms,脉冲放电是雷电放电的主要形式，雷电流是非周期单极性脉冲波，其极性多为负极性。,2、雷电流的极性和波形,3、雷电流的特征参数,（1）幅值：指雷电的脉冲电流达到的最高值。其值不同地方差异很大。我国雷电流幅值大小的经验计算公式,P为出现雷电流大小幅值的概率。,（2）波头：指雷电的脉冲电流上升到幅值的时间（图中t 1）。一般在 1 5 us，国际标准规定为1.2 us 。,（3）波长：指雷电的脉冲电流持续到波形曲线衰减到半幅值所需要的时间,（图中t 2）。一般在 20 100 us，我国标准规定为50 us

43、 。,单极性雷电流脉冲波形可计为t1/t2 ，例 1.2/50 us 。,（4）陡度：雷电流随时间上升的变化率。用幅值和波头来表示雷电流的平均陡度。,例 a = Im / 1.2 （KA/us）,1.6.3 雷电流的等效（值）波形,1、标准冲击波：用双指数式表征雷电流,io为某一固定电流值， 和为两个常数。波形计为 Tm / Tk,2、等值斜角（或三角）波：,陡度,分析雷电流所引起的波过程比较方便。,3、等值余弦波：,雷电流的最大陡度出现在波头中间,其中,在给定雷电流的幅值和最大陡度的条件下，可得出等值波的角频率和波头时间。,1.7 雷电放电形式及危害,1.7.1 直接雷击 1 、直接雷 指雷

44、云直接通过人体、建筑物或设备等对地所产生的电击现象。产生的高温可达到某些物体的燃点或熔点，强大的冲击波可使建筑物或设备毁坏。,2 、直接雷危害简析,（1）雷电流的热效应,产生热量,R为雷电流通道电阻,温升,m为雷电流通道中物体的质量， c为比热容。, 如果雷电流通过金属体的截面不够大，温升可达到熔点，将金属体熔化。,由于瞬间产生大热量，致使物体内部的水分大量变成蒸汽，并形式膨胀产生爆炸，产生冲击波。,（2）雷电产生的次声波,雷雨云迅速放电而突然收缩会产生0.1 10Hz的次声波，对人、畜有伤害作用。,（3）雷电流的电动力效应,由安培定律两根平行导线单位长度的相互作用力,如雷电流 i1、i2 = 100KA， d = 50cm，则F = 408 （kg/m）。,此力可能造成导线折断。,（2）电磁感应模型,将引下线等效为一直导线，假定与一个有气隙（开口）的正方形金属环处于同一平面，金属环开口最大感应电动势,当