雷电形成与防雷机理(1)
摘要 本文对雷电的形成及防雷机理进行论述，分析富兰克林避雷针存在的问题，并对防雷技术和“消雷”技术的探讨中，提出从古人的自然消雷系统及地磁场、空间电场及大气空间场去研究和完善防雷技术。
关键词 雷云、引雷、消雷、探讨
1.概述
雷电这一自然现象，瞬变万千。古人以阴阳平衡之理论来认识这一自然现象，其理论与之千年的实践，与现代实证性科学相比，有着相当的科学内涵。随着人类社会的进步，科学技术的发展，人们对雷电这一自然现象有了新的认识，其理论和防雷实践都在不断的完善。自从240年前富兰克林避雷针问世，其顺应雷云放电规律，创造优先放电条件，使防雷实用技术进入一个崭新的阶段。在几百年的应用中，均取得了良好的效果，但随着科学技术的进步，富兰克林避雷针在实际应用中，因其自身仍存在不完善和难以解决的诸多问题。针对其存在的问题，国内外的防雷专家进行了大量的研究工作，研制诸多种防雷装置去完善富兰克林避雷针的不足，就其实用性和可靠性，仍需在今后的实践中去完善。因此国内外部分防雷专家从“消雷”这一课题入手去研究防雷技术，并进行了一定的工程实验，取得大量的技术数据，也为该项技术的研究起到一定的推动作用，但至今其仍是一种研究中的技术，仍有待在今后工作中从理论和实践中去研究和探索，以创新和发展防雷技术。
2.雷电形成
在讨论雷电形成之前，首先讨论雷云的产生。当太阳把地面晒得很热时，地面水份部分转化为蒸汽，同时地面空气受热变轻而上升，上升汽流中的水蒸汽在上空遇冷凝成小水滴。此外，当水平移动的冷暖气流相遇时，冷气团下降，暖气团上升，水汽在高空中凝成水滴，形成宽度达几公里的锋面积云。这种积云易形成较大范围的雷害，当云中悬浮的水滴很多时便成为乌云。乌云的起电机理有三种理论，各能解释一定的现象。其三种理论分别为，水滴破裂效应，水滴冻冰效应，吸收电荷效应。笔者认为前两种解释有其一定的局限性，而从火花放电发展机理去解释，乌云起电机理采用吸收电荷效应理论来阐述更容易理解。由于宇宙射线或地面大气层的放射使气体分子游离，在大气中存在着两种离子，由于大气空间场的作用，使云层上部积聚正电荷，下部积聚负电荷，在空间场的作用下云层分离从而带电。
雷云中电荷的分布是不均匀的，而是形成许多堆积中心。因而不论是在云中或是在云对地之间，电场强度是不一致的，当云中电荷密集处的电场强度达到25-30kv/cm时，就会由云向地开始先导放电（对于高层建筑，雷电先导可由地面向上发出，称为上行雷），当先导通道的顶端接近地面时，可诱发迎面先导（通常起自地面的突出部分），当先导与迎面先导会合时，即形成了从云到地面的强烈电离通道，这时即出现极大的电流，这就是雷电的主放电阶段，此时雷呜和电闪都伴随着出现。主放电存在的时间极短，约50-100/us，主放电过程是逆着先导通道发展的，速度约为光速的1/21～1/2,主放电的电流可达数十万安，是全部雷电电流中最主要部分。主放电到达云端时就结束了，然后云中的残余电荷经过主放电通道流下来称为余光阶段，由于云中电阻较大，余光阶段对应的电流不大（约数百安），持续时间却较长（0.03-0.15s）。由于云中可能同时存在几个电荷中心，所以第一个电荷中心的上述放电完成之后，可能引起第二个、第三个中心向第一通道放电。因此雷电往往是多重性的，每次放电相隔600us-800us，放电的数目平均为2-3次。
3.防雷机理
国内外防雷专家致力于防雷研究，在传统的富兰克林避雷针，、避雷带和法拉第笼的基础上，由澳大利亚E·F公司研制的system3000动力球型避雷针和放射性避雷针，以及法国依丽达（HFLITA）公司的Pular高脉冲避雷针，都以其不同的结构，不同的材质而达到共同的目的。其防雷机理均为，当避雷针的上空出现雷云时，它们就处在大气空间场中，由于针电极尺寸，远小于场板极间隙长度，所以带电云团与针极间是一个极不均匀的空间电场。在放电间隙电场很不均匀的情况下，若负电荷雷云而感生正针极,在雷云负极板与地正针极空间电场中，从正针极发出初始电子在电场力的作用下，在其运动中发出碰撞电离形成初始电子崩，集中于崩头的电子成为负空间电荷区，而留在崩尾的正离子成正空间电荷区，崩中部则为正负离子混合区，因正负离子浓度高，是进行复合的极好条件，在复合过程中发生光子辐射，光致电离而产生二次电子，二次电子作用在崩头，崩尾发生更强烈的碰撞电离，形成二次电子崩，汇入初崩扩大离子区，其后崩发速度远比初崩快，可达光速。电子崩的长度可能小于放电间隙长度。电极正电荷附近的放电之所以仅靠气体光游离来维持，是因为场强区把阴极与气体游离区隔开的缘故，当电极是负电荷时，二次电子的产生即可以来自阴极的光效应，也可以来自气体的光游离。
故放电发生在高场强的狭窄区域里，它以再生电子崩的形式出现。避雷针就是利用自身的高度，使雷云电场发生畸变，其电场强度增加到极限值，于是开始电离，并向下梯级式放电，称为下行先导放电，而避雷针在强电场作用下产生尖端放电，形成向上先导，并朝向向下先导发展，两者会合形成雷电通路，并伴随之开始的主放电阶段。