摘要 本文對(duì)雷電的形成及防雷機(jī)理進(jìn)行論述，分析富蘭克林避雷針存在的問(wèn)題，并對(duì)防雷技術(shù)和“消雷”技術(shù)的探討中，提出從古人的自然消雷系統(tǒng)及地磁場(chǎng)、空間電場(chǎng)及大氣空間場(chǎng)去研究和完善防雷技術(shù)。
關(guān)鍵詞 雷云、引雷、消雷、探討
1.概述
雷電這一自然現(xiàn)象，瞬變?nèi)f千。古人以陰陽(yáng)平衡之理論來(lái)認(rèn)識(shí)這一自然現(xiàn)象，其理論與之千年的實(shí)踐，與現(xiàn)代實(shí)證性科學(xué)相比，有著相當(dāng)?shù)目茖W(xué)內(nèi)涵。隨著人類社會(huì)的進(jìn)步，科學(xué)技術(shù)的發(fā)展，人們對(duì)雷電這一自然現(xiàn)象有了新的認(rèn)識(shí)，其理論和防雷實(shí)踐都在不斷的完善。自從240年前富蘭克林避雷針問(wèn)世，其順應(yīng)雷云放電規(guī)律，創(chuàng)造優(yōu)先放電條件，使防雷實(shí)用技術(shù)進(jìn)入一個(gè)嶄新的階段。在幾百年的應(yīng)用中，均取得了良好的效果，但隨著科學(xué)技術(shù)的進(jìn)步，富蘭克林避雷針在實(shí)際應(yīng)用中，因其自身仍存在不完善和難以解決的諸多問(wèn)題。針對(duì)其存在的問(wèn)題，國(guó)內(nèi)外的防雷專家進(jìn)行了大量的研究工作，研制諸多種防雷裝置去完善富蘭克林避雷針的不足，就其實(shí)用性和可靠性，仍需在今后的實(shí)踐中去完善。因此國(guó)內(nèi)外部分防雷專家從“消雷”這一課題入手去研究防雷技術(shù)，并進(jìn)行了一定的工程實(shí)驗(yàn)，取得大量的技術(shù)數(shù)據(jù)，也為該項(xiàng)技術(shù)的研究起到一定的推動(dòng)作用，但至今其仍是一種研究中的技術(shù)，仍有待在今后工作中從理論和實(shí)踐中去研究和探索，以創(chuàng)新和發(fā)展防雷技術(shù)。
2.雷電形成
在討論雷電形成之前，首先討論雷云的產(chǎn)生。當(dāng)太陽(yáng)把地面曬得很熱時(shí)，地面水份部分轉(zhuǎn)化為蒸汽，同時(shí)地面空氣受熱變輕而上升，上升汽流中的水蒸汽在上空遇冷凝成小水滴。此外，當(dāng)水平移動(dòng)的冷暖氣流相遇時(shí)，冷氣團(tuán)下降，暖氣團(tuán)上升，水汽在高空中凝成水滴，形成寬度達(dá)幾公里的鋒面積云。這種積云易形成較大范圍的雷害，當(dāng)云中懸浮的水滴很多時(shí)便成為烏云。烏云的起電機(jī)理有三種理論，各能解釋一定的現(xiàn)象。其三種理論分別為，水滴破裂效應(yīng)，水滴凍冰效應(yīng)，吸收電荷效應(yīng)。筆者認(rèn)為前兩種解釋有其一定的局限性，而從火花放電發(fā)展機(jī)理去解釋，烏云起電機(jī)理采用吸收電荷效應(yīng)理論來(lái)闡述更容易理解。由于宇宙射線或地面大氣層的放射使氣體分子游離，在大氣中存在著兩種離子，由于大氣空間場(chǎng)的作用，使云層上部積聚正電荷，下部積聚負(fù)電荷，在空間場(chǎng)的作用下云層分離從而帶電。
雷云中電荷的分布是不均勻的，而是形成許多堆積中心。因而不論是在云中或是在云對(duì)地之間，電場(chǎng)強(qiáng)度是不一致的，當(dāng)云中電荷密集處的電場(chǎng)強(qiáng)度達(dá)到25-30kv/cm時(shí)，就會(huì)由云向地開(kāi)始先導(dǎo)放電（對(duì)于高層建筑，雷電先導(dǎo)可由地面向上發(fā)出，稱為上行雷），當(dāng)先導(dǎo)通道的頂端接近地面時(shí)，可誘發(fā)迎面先導(dǎo)（通常起自地面的突出部分），當(dāng)先導(dǎo)與迎面先導(dǎo)會(huì)合時(shí)，即形成了從云到地面的強(qiáng)烈電離通道，這時(shí)即出現(xiàn)極大的電流，這就是雷電的主放電階段，此時(shí)雷嗚和電閃都伴隨著出現(xiàn)。主放電存在的時(shí)間極短，約50-100/us，主放電過(guò)程是逆著先導(dǎo)通道發(fā)展的，速度約為光速的1/21～1/2,主放電的電流可達(dá)數(shù)十萬(wàn)安，是全部雷電電流中最主要部分。主放電到達(dá)云端時(shí)就結(jié)束了，然后云中的殘余電荷經(jīng)過(guò)主放電通道流下來(lái)稱為余光階段，由于云中電阻較大，余光階段對(duì)應(yīng)的電流不大（約數(shù)百安），持續(xù)時(shí)間卻較長(zhǎng)（0.03-0.15s）。由于云中可能同時(shí)存在幾個(gè)電荷中心，所以第一個(gè)電荷中心的上述放電完成之后，可能引起第二個(gè)、第三個(gè)中心向第一通道放電。因此雷電往往是多重性的，每次放電相隔600us-800us，放電的數(shù)目平均為2-3次。
3.防雷機(jī)理
國(guó)內(nèi)外防雷專家致力于防雷研究，在傳統(tǒng)的富蘭克林避雷針，、避雷帶和法拉第籠的基礎(chǔ)上，由澳大利亞E·F公司研制的system3000動(dòng)力球型避雷針和放射性避雷針，以及法國(guó)依麗達(dá)（HFLITA）公司的Pular高脈沖避雷針，都以其不同的結(jié)構(gòu)，不同的材質(zhì)而達(dá)到共同的目的。其防雷機(jī)理均為，當(dāng)避雷針的上空出現(xiàn)雷云時(shí)，它們就處在大氣空間場(chǎng)中，由于針電極尺寸，遠(yuǎn)小于場(chǎng)板極間隙長(zhǎng)度，所以帶電云團(tuán)與針極間是一個(gè)極不均勻的空間電場(chǎng)。在放電間隙電場(chǎng)很不均勻的情況下，若負(fù)電荷雷云而感生正針極,在雷云負(fù)極板與地正針極空間電場(chǎng)中，從正針極發(fā)出初始電子在電場(chǎng)力的作用下，在其運(yùn)動(dòng)中發(fā)出碰撞電離形成初始電子崩，集中于崩頭的電子成為負(fù)空間電荷區(qū)，而留在崩尾的正離子成正空間電荷區(qū)，崩中部則為正負(fù)離子混合區(qū)，因正負(fù)離子濃度高，是進(jìn)行復(fù)合的極好條件，在復(fù)合過(guò)程中發(fā)生光子輻射，光致電離而產(chǎn)生二次電子，二次電子作用在崩頭，崩尾發(fā)生更強(qiáng)烈的碰撞電離，形成二次電子崩，匯入初崩擴(kuò)大離子區(qū)，其后崩發(fā)速度遠(yuǎn)比初崩快，可達(dá)光速。電子崩的長(zhǎng)度可能小于放電間隙長(zhǎng)度。電極正電荷附近的放電之所以僅靠氣體光游離來(lái)維持，是因?yàn)閳?chǎng)強(qiáng)區(qū)把陰極與氣體游離區(qū)隔開(kāi)的緣故，當(dāng)電極是負(fù)電荷時(shí)，二次電子的產(chǎn)生即可以來(lái)自陰極的光效應(yīng)，也可以來(lái)自氣體的光游離。
故放電發(fā)生在高場(chǎng)強(qiáng)的狹窄區(qū)域里，它以再生電子崩的形式出現(xiàn)。避雷針就是利用自身的高度，使雷云電場(chǎng)發(fā)生畸變，其電場(chǎng)強(qiáng)度增加到極限值，于是開(kāi)始電離，并向下梯級(jí)式放電，稱為下行先導(dǎo)放電，而避雷針在強(qiáng)電場(chǎng)作用下產(chǎn)生尖端放電，形成向上先導(dǎo)，并朝向向下先導(dǎo)發(fā)展，兩者會(huì)合形成雷電通路，并伴隨之開(kāi)始的主放電階段。
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