電氣漫談 | 科學(xué)防雷的起源與發(fā)展
發(fā)布日期:
2022-08-09

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本杰明·富蘭克林在雷電(Lightning閃電)方面的工作為他贏(yíng)得了全世界的聲譽(yù)和尊重。

? ? ?我們知道,雷電放電由帶電的雷云引起,在特定的大氣條件下,形成云間或對地的火花放電,

空氣急劇膨脹振動(dòng)發(fā)生轟鳴。對地放電的雷云大多數帶負電,形成的雷電流也為負極性,

? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ??? ? ? ? ? 負極性雷電流占90%左右。

? ? ?200年前,第一次雷電探索并不是家喻戶(hù)曉的富蘭克林風(fēng)箏實(shí)驗,而是不為人知的崗亭實(shí)驗。


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1

崗亭實(shí)驗

1752年5月10日,在法國國王路易十五的倡導下,托馬斯·弗朗索瓦·狄阿里巴在巴黎附近的馬利花園做了一次公開(kāi)的科學(xué)實(shí)驗。當天,正好有雷雨云經(jīng)過(guò),在一個(gè)干燥的崗亭內豎起一根長(cháng)長(cháng)的鐵桿,鐵桿與大地絕緣,站在地面的人用絲綢接觸鐵桿而出現電火花 (見(jiàn)圖1)。實(shí)驗證實(shí)了雷雨云有電氣化的特性,表明閃電的本質(zhì)是一種放電,實(shí)驗證實(shí)了雷雨云有電氣化的特性,這就是著(zhù)名的崗亭實(shí)驗。

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圖1 崗亭試驗

注:圖中的“崗亭實(shí)驗”于1752年發(fā)生在法國的馬利花園,實(shí)驗是基于本杰明·富蘭克林的建議,用于驗證雷雨云是否帶電。圖中出現了一段絲綢繩和瓶子(萊頓瓶),以及13m長(cháng)并與大地絕緣的鐵桿。人站在地上用絲綢接觸鐵桿而獲得電火花,或者能為萊頓瓶充電。

崗亭實(shí)驗是根據本杰明·富蘭克林的論文《電的實(shí)驗與觀(guān)察》中的描述進(jìn)行的實(shí)驗,是人類(lèi)歷史上第一次對雷電的科學(xué)探索。這個(gè)結論在十八世紀中期一度聳人聽(tīng)聞,然而,很快得到歐洲其他相關(guān)實(shí)驗證實(shí)。



2

防雷應用

不久以后,1752年6月,富蘭克林在風(fēng)箏上掛一串鑰匙成功地進(jìn)行了另一個(gè)實(shí)驗,就是所謂的風(fēng)箏試驗。風(fēng)箏試驗的過(guò)程被寫(xiě)入一封信中,傳播開(kāi)來(lái),但并沒(méi)有其他目擊者。富蘭克林在注意到雷電放電和電火花之間的顯著(zhù)相似之后,發(fā)明了避雷針,此后,利用避雷針(即接閃桿)保護建筑物開(kāi)始應用起來(lái),見(jiàn)圖2。1753年,富蘭克林發(fā)明了一種防雷方法:將一個(gè)長(cháng)鐵桿固定在房屋上,鐵桿一端安裝在潮濕的地面上1m處,另一端在建筑的最高部位上方1.8~2.4m。在桿的上部0.3m鍍了黃銅,端部磨得尖銳。如果房子很長(cháng),可能兩端各設一個(gè)長(cháng)鐵桿,屋脊上再設一根連接電線(xiàn)。這樣能保證房子不被雷擊,閃電會(huì )通過(guò)金屬進(jìn)入地面而不會(huì )造成傷害。類(lèi)似地,在船的桅桿頂部設一根尖的鐵桿,用一根鐵絲繞著(zhù)帆布引到周?chē)乃?,也能避免雷擊?/span>

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圖2 一座十八世紀的房子,帶有富蘭克林1762年設計的避雷針

富蘭克林認為,一個(gè)高的導體能為閃電提供接閃機會(huì ),而接地的導體會(huì )為閃電電流流入地面提供一個(gè)安全的路徑,見(jiàn)圖3。

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圖3 費城的獨立大廳

(修復過(guò)程中,在塔樓西北角的內墻上發(fā)現原始接地導體)



3

討論


01

富蘭克林在防雷方面的貢獻具有開(kāi)創(chuàng )性,他認為,高的絕緣棒可以用來(lái)確定雷云是否帶電,而接地可以防止閃電造成傷害。

02

富蘭克林通過(guò)觀(guān)察和研究認為,“雷雨云最常見(jiàn)的是負極性,有時(shí)也有正極性”。所有的放電都從正到負,他得出結論,雷擊大部分情況是雷云到大地,而不是大地到雷云。但是,無(wú)論電流的方向如何,雷擊的影響幾乎相同。這比現代的研究成果早了170年。

03

富蘭克林的防雷系統有三個(gè)關(guān)鍵因素:金屬棒、屋頂水平導線(xiàn)(現在稱(chēng)為接閃桿和接閃帶)、垂直引下導線(xiàn)(即引下線(xiàn))與大地(接地體)連接。富蘭克林認為閃電擊中高的金屬棒可以提供保護,接地能提高放電效果。富蘭克林還建議,接地棒要涂漆,以減少銹蝕。這些研究比現在的防雷標準早200多年。

04

富蘭克林還提出了一些實(shí)際經(jīng)驗,如,雷雨時(shí)應避免在孤立的樹(shù)下躲雨,而蹲在開(kāi)闊的田野相對安全;雷雨期間,人在戶(hù)外衣服變濕也會(huì )提供一條雷電傳導路徑。



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