雷电的基本知识

雷电的基本知识第1页，共59页，2023年，2月20日，星期四§1.1概述1.1.1中国古代对雷电的认识

1、东汉哲学家王充（27~97年）

2、北宋科学家沈括（1031~1095）

3、明代科学家方以智（1611~1671）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。

第2页，共59页，2023年，2月20日，星期四王充在《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。”第3页，共59页，2023年，2月20日，星期四1、16世纪近代科学先驱英国弗兰西斯.培根（1561~1626）法国勒内.笛卡儿（1596~1650）意大利伽利略（1564~1642）

1)、把科学实验提到了很重要的地位。

2)、正确的科学思想和科学方法，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。1.1.2欧美雷电科学建立第4页，共59页，2023年，2月20日，星期四3、美国科学家富兰克林（1706~1790），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。”

第5页，共59页，2023年，2月20日，星期四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。第6页，共59页，2023年，2月20日，星期四4、英国科学家开尔文（1824~1907）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。1.1.320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）第7页，共59页，2023年，2月20日，星期四2、闪电的研究：（1）利用移动照相法发现，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。第8页，共59页，2023年，2月20日，星期四1.2.1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5.4105

C，空中指向地球表面的大气电场。1.1.421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。第9页，共59页，2023年，2月20日，星期四2、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、大气电场分布情况第10页，共59页，2023年，2月20日，星期四

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。第11页，共59页，2023年，2月20日，星期四（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。第12页，共59页，2023年，2月20日，星期四1.2.3大气电平衡1、地球表面负电荷维持恒定值—5.4105C（1）大气电流使负电荷要减少；（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。第13页，共59页，2023年，2月20日，星期四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。第14页，共59页，2023年，2月20日，星期四§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。第15页，共59页，2023年，2月20日，星期四3、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第16页，共59页，2023年，2月20日，星期四（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第17页，共59页，2023年，2月20日，星期四4、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。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。第18页，共59页，2023年，2月20日，星期四1.3.2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）。高度（km）108642+4C-20C+24C-300

C-80

C-1.50

C最高集中区为正电荷中间集中区为负电荷最低集中区为正电荷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。第19页，共59页，2023年，2月20日，星期四2、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、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。第20页，共59页，2023年，2月20日，星期四2、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：第21页，共59页，2023年，2月20日，星期四云中冷水滴与雹粒接触时，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~-100

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：第22页，共59页，2023年，2月20日，星期四（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。第23页，共59页，2023年，2月20日，星期四线状闪电第24页，共59页，2023年，2月20日，星期四第25页，共59页，2023年，2月20日，星期四云内闪电第26页，共59页，2023年，2月20日，星期四联珠状闪电球状闪电第27页，共59页，2023年，2月20日，星期四第28页，共59页，2023年，2月20日，星期四1.4.2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。第29页，共59页，2023年，2月20日，星期四（2）扩展的结果使积雨云下端与大地之间的电场强度增大，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。第30页，共59页，2023年，2月20日，星期四（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20ms。几个参数：每级通道变化范围约3~200m平均速度约1.5

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cm/s间隙时间约30~125us每一级的推进速度约5

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cm/s通道直径约1~10m每一级的击穿方向是不确定的折线第31页，共59页，2023年，2月20日，星期四几个参数：回击电流可达10kA。回击速度约2

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~2

1010

cm/s回击通道直径约0.1~0.23cm回击通道温度可达100000C（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10~20m）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60us梯级先导第32页，共59页，2023年，2月20日，星期四1.4.3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

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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。直窜先导直窜先导第33页，共59页，2023年，2月20日，星期四2、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）。第34页，共59页，2023年，2月20日，星期四闪电的长度—短的2～3公里，长的20公里。下行负雷上行正雷下行正雷上行负雷ri--------++++++++++r--iii--++-----ri++++++++++++++++++++++++++++ri-------+++----------------1b型2b型3b型4b型i--------++++++++++r--iii--++-----i++++++++++++++++++++++++++++i------++-----------------1a型2a型3a型4a型第35页，共59页，2023年，2月20日，星期四2、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1/3~1/2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。放电时，用电流波进行分析（现代防雷规范的理论基础）。1、电流源模型第36页，共59页，2023年，2月20日，星期四2、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。第37页，共59页，2023年，2月20日，星期四讨论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1~1000Hz频段，静电场分量为主。1~100KHz频段，感应电场分量为主。1~100MHz频段，辐射电场分量为主。（3）当f>1000Hz，S约50Km，辐射电场分量为主。第38页，共59页，2023年，2月20日，星期四（4）50Km

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（100Hz~100MHz），但能量主要集中在3~30KHz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。先导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。第39页，共59页，2023年，2月20日，星期四1.5.3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（uo=ioZo）；（4）导电通道仅是分布有电荷线密度的金属导体，电流LCv1=io=v，v波速，且。1、传输线模型：第40页，共59页，2023年，2月20日，星期四

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ZZo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。第41页，共59页，2023年，2月20日，星期四§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。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。第42页，共59页，2023年，2月20日，星期四地名平均全年日期最早初日(日/月)最晚终日(日/月)海口104.31/130/12上海32.214/210/10重庆40.114/21/12拉萨75.49/33/11武汉26.711/120/12北京36.730/33/11呼和浩特29.520/324/10哈尔滨28.920/410/10中国各主要城市雷暴天数第43页，共59页，2023年，2月20日，星期四4、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：1~2us达到10~20KA的峰值100~1000us下降到峰值的一半第44页，共59页，2023年，2月20日，星期四（2）非脉冲放电：放电电流100A左右，持续时间10~100ms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。第45页，共59页，2023年，2月20日，星期四（2）波头：指雷电的脉冲电流上升到幅值的时间（图中t1）。一般在1~5us，国际标准规定为1.2us。（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t2）。一般在20~100us，我国标准规定为50us。单极性雷电流脉冲波形可计为t1/t2，例1.2/50us。（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）第46页，共59页，2023年，2月20日，星期四1.6.3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。第47页，共59页，2023年，2月20日，星期四3、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。第48页，共59页，2023年，2月20日，星期四§1.7雷电放电形式及危害1.7.1直接雷击1、直接雷指雷云直接通过人体、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。第49页，共59页，2023年，2月20日，星期四①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。②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①由安培定律两根平行导线单位长度的相互作用力i2i1d如雷电流i1、i2=100KA，d=50cm，则F=408（kg/m）。此力可能造成导线折断。第50页，共59页，2023年，2月20日，星期四1.7.2感应雷击1、静电感应：指云中放电使云中电荷突然消失，导致地面物体静电感应的电荷产生很高的电压，引起放电，但比直接雷电流小，相应破坏程度小于直接雷。2、电磁感应：指直接雷击电流在闪电通道周围空间产生磁场，使附近金属导体上激发感应电动势或感应电流，致使某些用电设备电击而毁坏。②一根弯曲的导线（或金属结构）在成角处受力最大，雷电流在成角处的电动冲力可能造成导线折断。此力与角度有关，锐角受力大，钝角受力小。所以引下线采用钝角的拐弯。ii第51页，共59页，2023年，2月20日，星期四3、感应雷击简析（1）静电感应模型将地面上的金属物与雷云之间用等效电容C表征，金属物与大地之间的电阻用R表示，Q为累积的电荷，雷电闪击瞬间的感应电压雷电闪击瞬间以后，电容放电,电阻两端电压衰减感应电压统计数据：高压架空线达300~400KV，一般低压架空线达100KV，电信线路达40~60KV。感应电压可造成设备击穿，或放电产生火花引起事故。第52页，共59页，2023年，2月20日，星期四（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金属环与导线所在平面的夹角为，则乘以cos。