2023学年完整公开课版雷电常识

雷电常识1、了解雷电的发展史1.1、中国古代对雷电的认识我国古代对电的认识，是从雷电及摩擦起电现象开始的。早在3000多年前的殷商时期，甲骨文中就有了“雷”及“电”的形声字。西周初期，在青铜器上就已经出现加雨字偏旁的“電”字。1.1、中国古代对雷电的认识在细致观察的同时，人们也在探讨雷电的成因。《淮南子·坠形训》认为，“阴阳相薄为雷，激扬为电”，即雷电是阴阳两气对立的产物。王充也持类似看法。明代刘基（1311～1375）说得更为明确：“雷者，天气之郁而激而发也。阳气困于阴，必迫，迫极而迸，迸而声为雷，光为电”。可见，当时已有人认识到雷电是同一自然现象的不同表现。1.1、中国古代对雷电的认识避雷针是尖端放电的具体应用，我国古代地采用各种措施防雷。古塔的尖顶多涂金属膜或鎏金，高大建筑物的瓦饰制成动物（吻兽）形状且冲天装设，都起到了避雷作用。如武当山主峰峰顶矗立着一座金殿，至今已有500多年历史，虽高耸于峰巅却从没有受过雷击。1.2、欧美雷电科学的建立16世纪，现代科学先驱英国的弗兰西斯-培根、法国的勒内·笛卡儿、意大利的伽利略等人在反对宗教封建神学和经验哲学的斗争的潮流中倡导和宣传了正确的科学思想和可选方法，对当时和后人产生了极大影响，把科学实验提到了很重要的地位。在这个基础上建立理性思维，怀疑一切教条和无根据的论断。很多学者进行了试验和观察，在18世纪中叶对电的本性建立了科学认识，在这个基础上很快把雷电的神学面纱揭穿，从而初步建立了雷电科学。1.2、欧美雷电科学的建立

只有在电学有了一定的发展之后，方有了对闪电科学认识的条件。第一个把实验室中的电与自然界的闪电发生联系的人是曾任英国伦敦皇家学会馆长的豪克斯比(Hauksbee)。1706年他用玻璃棒摩擦带电，研究它的发光，看到静电产生的闪光和闪电相似，而发生了联想，这种猜测已接触到物理学的本质，可以认为是对闪电进入了科学认识之门，这还仍不能认为是对闪电有了科学认识，因为他没有建立在科学实验的论证上。1.2、欧美雷电科学的建立第一个达到这一步的是美国杰出科学家富兰克林（Franklin1706-1790）,他先是在实验室内进行一系列电学实验，论证了实验室内静电放电现象与天空闪电的种种类似性，以科学的理性思维探索闪电的本质。富兰克林之卓越贡献和成就在于他又迈出了决定性的一步，那就是把云中的闪电引到地面上来做实验检定，从科学实验上来证明自己的理性判断。他所设计的著名的风筝实验，许多科学家重复他的实验，一起来认识这个科学判断，闪电就是静电产生的火花放电。1.3、接闪杆（避雷针）的发明现代避雷针是美国科学家富兰克林发明的。富兰克林认为闪电是一种放电现象。为了证明这一点，他在1752年7月的一个雷雨天，冒着被雷击的危险，将一个系着长长金属导线的风筝放飞进雷雨云中，在金属线末端拴了一串铜钥匙。当雷电发生时，富兰克林手接近钥匙，钥匙上迸出一串电火花。手上还有麻木感。幸亏这次传下来的闪电比较弱，富兰克林没有受伤。1.3、接闪杆的发明在成功地进行了捕捉雷电的风筝实验之后，富兰克林在研究闪电与人工摩擦产生的电的一致性时，他就从两者的类比中作出过这样的推测：既然人工产生的电能被尖端吸收，那么闪电也能被尖端吸收。他由此设计了风筝实验，而风筝实验的成功反过来又证实了他的推测。1.4、现代雷电科学的发展

富兰克林对闪电的认识只是解决雷电的定性问题，要跨入定量的认识，必须解决实验仪器和方法，整整100多年来，人们对雷电的认识没有明显的进展。英国开尔文男爵（1824-1907）是第一位对大气电学作出重要贡献的学者，开创了定量研究闪电物理的工作，他对实验研究和理论探索做出了关键性贡献。他建议用气球携带仪器探测高空不同高度的电场，要考虑大气的导电性，要研究雨的起电机理，要用照相记录作为研究的一种方法。1.4、现代雷电科学的发展

从20世纪初开始，大气科学开始有了长足发展，沃尔特（Walter）等一些科学家终于用移动照相机实现了开尔文的设想，拍出了一批闪电照片，显示了闪电的过程及其特征，其数据还一直沿用至今，这是一个重大突破。人们认识了闪电是由梯式先导开始的闪电全过程包括有多次闪击放电。二次世界大战期间发展起来的无线电遥控技术、飞机的改造，为大气探测创造了条件。用飞机穿入雷雨云中和用地面无线电遥测，是人们对雷雨云的电结构、闪电发展物理过程和雷电的起电机制的认识大大进了一步，这为人们研究雷电防护提供了科学基础。

2．雷电的形成和分类2.1、了解雷电的形成：2.1.1雷云形成的物理过程当地面含水蒸气的空气受到炽热的地面烘烤受热而上升，或者较温暖的潮湿空气与冷空气相遇而被抬高都会产生向上的气流。这些含大量水蒸气的空气上升时温度逐渐下降形成雨滴、冰雹（称为水成物），这些水成物受大气电场、重力、对流以及温差、碰撞感应、破碎等起电效应的同时作用，正负电荷分别在云的不同部位积聚，就形成了积雨云，即雷雨云。2.1.1雷云形成的物理过程

积雨云的特征：积雨云就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远大于空气层，所以白天地面温度升高较多，夏季这种升温更为明显，所以近地面的大气的温度由于热传导和热辐射也跟着升高，气体温度升高必然膨胀，密度减小，压强也随着降低，根据力学原理它就要上升，上方的空气层密度相对说来就较大，就要下沉。2.1.1雷云形成的物理过程

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，于是上升气团中的水汽凝结而出现雾滴，就形成了云。在强对流过程中，云中的雾滴进一步降温，变成过冷水滴、冰晶或雪花，并随高度逐渐增多。在冻结高度（-10℃），由于过冷水大量冻结而释放潜热，使云顶突然向上发展，达到对流层顶附近后向水平方向铺展，形成云砧，是积雨云的显著特征。2.1.2雷云的结构（含正极性闪击、负极性闪击）根据雷雨云电荷分布模型，宏观上分为三个电荷集中区。云中最高的集中区是正电荷，中间区为负电荷，最低区为正电荷。云层带正电荷区对地放电称为正极性闪电，云层带负电荷对地放电称为负极性闪电。正极性闪电时正电荷由云到地，为正值，负极性闪电时负电荷由云到地，故为负值。雷雨下部虽带正电，但电荷量较少，所以，雷雨云绝大部分整体对地还是显示为负电荷区2.1.2雷云的结构（含正极性闪击、负极性闪击）

2.1.3雷云起电机制关于积雨云电荷的产生原因有很多学说，我们这里介绍几个公认比较成熟的学说：A．感应起电：大量科学研究表明，地球本身就是一个电容器，通常稳定地带50万库仑的负电荷，而地球上空有一个带正电的电离层，这样形成了一个已经充电的电容器，它们之间的电压大约为300千伏，上正下负。2.1.3雷云起电机制A．感应起电：积雨云中的云粒子（雾滴和冰晶）在大气电场中感生电荷，上负下正。云粒子下降过程中一方面吸引上升气流中的大气负离子，使云粒子下端的正电荷中和，另一方面，上升气流中的中性粒子与云粒子下部碰撞，一部分被捕获增大云粒子，另一部分被弹开也带走了正电荷，使云粒子整体显现负电性。上升气流中的大气正离子和带正电荷的粒子相对云粒子来说体积小，整体呈上升趋势。造成云体上正下负的电荷分布特性。另有极少量带正电粒子在云体本身电场作用下保持在云体底部。2.1.3雷云起电机制B．

温差起电：实验表明冰具有热电效应，冰晶中总存在带正电的氢离子H+和带负电的氢氧根离子OH-，离子浓度随温度升高而增大，冰晶两端温度有差异时，热端离子浓度高，冷端低，发生扩散现象，两种离子都会从热端向冷端运动，氢离子质量小，速度快，先到达冷端从而导致冷端带正电，建立起静电场，形成冷正热负的电偶极子，这就是冰的热电现象的微观。2.1.3雷云起电机制B．

温差起电：积雨云的温差起电的两种方式：⑴冰晶、雹粒相互碰撞摩擦若有温差时就会发生热电效应，引起离子迁移，当两者分开时，都带上了电，在重力和气流作用下相互分离，这就出现了积雨云中正、负电荷的分布区。⑵过冷液滴与冰晶或雹粒接触，过冷却水有了凝结核而发生相变，迅速变为固体，同时放出潜热，他使冰块内部温度升高膨胀、导致外部破裂成碎屑，又由于潜热温差出现热电效应，冰核带上了负电荷，轻小的碎屑带上正电荷被上升气流携带积聚在云体上部，造成云体上正下负的电荷分布特性。2.1.3雷云起电机制C对流起电：云的对流运动反抗着电场施加的力，输送把云底以下低层大气净正离子电荷带到云内直至云的上部，并在云的上部积聚形成正电荷中心，在这正的中心形成的电场作用下，形成向上的传导电流，云顶以上还有电离层的负离子向下移动到云顶，因此，云顶以上带负离子，他们随着对流云体四周围下沉气流沿着云体侧面下降到云体下部，在云的下部形成负电荷中心，使地面产生尖端放电，形成大量正离子，这些正离子又随对流上升气流到云体上部，进一步加强了云上部的正电荷中心，同时又吸引上方电离层的负离子。2.1.3雷云起电机制2.1.3雷云起电机制

D.

破碎起电：云内大水滴下降时受到气流的作用变得不稳定，变形破碎，生成许多小水滴和几个较大水滴。破碎时小水滴带负电，较大水滴带正电，小水滴相对较轻，容易被上升气流携带到云体上方，小水滴质量轻被上升气流带到云层上部，大水滴质量重则留在下层或降落到地面，这样便形成了带电荷云层的分离过程。当带电荷云层逐步积累到足够的电荷量时，便产生闪电现象，形成雷电。（实验证明：水滴分裂时，确实大水珠带正电荷，小水珠带负电荷这一理论；分裂水滴所需气流的速度为3-8m/s,这正是雷云中上升气流的速度）形成上负下正的带电云体。2.1.3雷云起电机制E.水滴冻结起电：水滴在冻结过程中会产生电荷，冰晶带正电荷，水滴带负电荷，当上升气流把冰晶上的水分带走时，就会导致电荷分离，而使雷雨云带电。2.2熟悉雷电的分类（形状分类、空间位置分类）

2.2.1闪电的部位按空间分类分为：云内闪、云际闪和云地闪。2.2.2闪电的形状

按形状分类分为：线状闪电、片状闪电、带状闪电、联珠状闪电和球形闪电等。2.2熟悉闪电的分类（形状分类、空间位置分类）2.2.3闪电的声音

闪电通路中的空气突然剧烈增热，使它的温度高达15000—20000℃，因而造成空气急剧膨胀，通道附近的气压可增至一百个大气压以上。紧接着，又发生迅速冷却，空气很快收缩，压力减低。这一骤胀骤缩都发生在千分之几秒的短暂时间内，所以在闪电爆发的一刹那间，会产生冲击波。冲击波以5000米/秒的速度向四面八方传播，在传播过程中，它的能量很快衰减，而波长则逐渐增长。在闪电发生后0.1—0.3秒，冲击波就演变成声波，这就是我们听见的雷声。2.2.4地闪地闪是指云内荷电中心和大地之间的放电过程，亦指与大地和地物接触发生的闪电。正地闪：闪电电流为正（向下）的称正地闪；通常云底荷正电荷，地面为负电荷。负地闪：闪电电流为负（向上）的称负地闪；通常云底荷负电荷，地面为正电荷。正地闪明显少于负地闪。地闪的分类和特征：分八类：1a负云闪、1b下行负雷、2a向上正先导-连续负放电、2b向上正先导-多闪击负放电、3a正云闪、3b向下正闪、4a向上负先导（山地）、4b上行正雷。4.雷电的危害

4.1直击雷的危害4.1.1雷电流的热效应雷击点注入电流达数十到数百千安培，其热效应可在雷击点局部范围内产生可达6000-10000℃，它可以使金属、输电线路融化，树木草堆被引燃等。式中：Q—热量，Ji—雷击点电流

R—雷击通道电阻雷击点温升的计算：△T=Q/mc式中：△T—温升，Km—通过雷电流物体的质量

C—通过雷电流物体的比热容，J/kg·K4.1.2雷电流的电动力（机械力）效应

由物理学可知，在载电流的导体周围空间存在磁场，在磁场里的载流导体受到电磁力的作用。两条载流导体相互间有作用力存在，我们把这种作用力叫做电动力。雷击的时候，由于电动力的作用有可能使导线被折断炸裂。一条导线或金属构件的弯曲部分有电流通过的时候拐弯部分将受到电动力作用，它们之间的夹角越小，受到的电动力越大。所以，应当将接闪带、引下线等在拐弯的夹角弯成直角或钝角。4.1.3雷电流的内压力和冲击波效应及危害⑴内压力效应及危害由于瞬间雷电流很大，通过时间又很短，如果雷电击中树木或建筑物构件上，被击中的物体将产生大量的热量，又来不及散发以致物体内部的水分大量变成蒸汽，并迅速膨胀，产生巨大的压力而爆炸，造成破坏。4.1.3雷电流的内压力和冲击波效应及危害⑵雷电流的冲击波效应及危害由于雷电通道中空气受热急剧膨胀，并以超声速度向四周扩散，其外围附近的空气被强烈压缩形成“激波”。“激波”到达的地方，空气密度、压力和温度都会突然增加。“激波”过后，该区域内空气压力下降，直到低于大气压力。这种“激波”在空气中传播，会使附近的建筑物受到破坏，人、牲畜受到伤害，这种冲击波的作用就如同炸药在爆炸时对附近的建筑物、人和牲畜的损害一样。4.2雷击电磁脉冲的危害

4.2.1雷电的静电感应

当金属物处于雷云和大地电场中时，使金属物上感应出与雷云符号相反的电荷。静电感应高电压，在高压架空线路可达300-400KV，一般低压架空线路可达100KV。电讯线路可达40-60KV，建筑物也可以产生相当高的有危险的电压。雷云主放电时，先导通道中的电荷迅速中和。其它导体上的感应电荷由于失去了电场的约束得到释放，4.2.1雷电的静电感应如没有被中和或不就近泄入地中就会产生很高的电位，这种由静电感应产生的过电压对接地不