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?qū)Φ氐幕鸹ǚ烹姡?/span>

空氣急劇膨脹振動(dòng)發(fā)生轟鳴。對(duì)地放電的雷云大多數(shù)帶負(fù)電,形成的雷電流也為負(fù)極性,

? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ??? ? ? ? ? 負(fù)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曉的富蘭克林風(fēng)箏實(shí)驗(yàn),而是不為人知的崗?fù)?shí)驗(yàn)。


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1

崗?fù)?shí)驗(yàn)

1752年5月10日,在法國國王路易十五的倡導(dǎo)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的科學(xué)實(shí)驗(yàn)。當(dāng)天,正好有雷雨云經(jīng)過,在一個(gè)干燥的崗?fù)?nèi)豎起一根長長的鐵桿,鐵桿與大地絕緣,站在地面的人用絲綢接觸鐵桿而出現(xiàn)電火花 (見圖1)。實(shí)驗(yàn)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(yàn)證實(shí)了雷雨云有電氣化的特性,這就是著名的崗?fù)?shí)驗(yàn)。

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圖1 崗?fù)ぴ囼?yàn)

注:圖中的“崗?fù)?shí)驗(yàn)”于1752年發(fā)生在法國的馬利花園,實(shí)驗(yàn)是基于本杰明·富蘭克林的建議,用于驗(yàn)證雷雨云是否帶電。圖中出現(xiàn)了一段絲綢繩和瓶子(萊頓瓶),以及13m長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?fù)?shí)驗(yàn)是根據(jù)本杰明·富蘭克林的論文《電的實(shí)驗(yàn)與觀察》中的描述進(jìn)行的實(shí)驗(yàn),是人類歷史上第一次對(duì)雷電的科學(xué)探索。這個(gè)結(jié)論在十八世紀(jì)中期一度聳人聽聞,然而,很快得到歐洲其他相關(guān)實(shí)驗(yàn)證實(shí)。



2

防雷應(yīng)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(yàn),就是所謂的風(fēng)箏試驗(yàn)。風(fēng)箏試驗(yàn)的過程被寫入一封信中,傳播開來,但并沒有其他目擊者。富蘭克林在注意到雷電放電和電火花之間的顯著相似之后,發(fā)明了避雷針,此后,利用避雷針(即接閃桿)保護(hù)建筑物開始應(yīng)用起來,見圖2。1753年,富蘭克林發(fā)明了一種防雷方法:將一個(gè)長鐵桿固定在房屋上,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,可能兩端各設(shè)一個(gè)長鐵桿,屋脊上再設(shè)一根連接電線。這樣能保證房子不被雷擊,閃電會(huì)通過金屬進(jìn)入地面而不會(huì)造成傷害。類似地,在船的桅桿頂部設(shè)一根尖的鐵桿,用一根鐵絲繞著帆布引到周圍的水里,也能避免雷擊。

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圖2 一座十八世紀(jì)的房子,帶有富蘭克林1762年設(shè)計(jì)的避雷針

富蘭克林認(rèn)為,一個(gè)高的導(dǎo)體能為閃電提供接閃機(jī)會(huì),而接地的導(dǎo)體會(huì)為閃電電流流入地面提供一個(gè)安全的路徑,見圖3。

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圖3 費(fèi)城的獨(dú)立大廳

(修復(fù)過程中,在塔樓西北角的內(nèi)墻上發(fā)現(xiàn)原始接地導(dǎo)體)



3

討論


01

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

02

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

03

富蘭克林的防雷系統(tǒng)有三個(gè)關(guān)鍵因素:金屬棒、屋頂水平導(dǎo)線(現(xiàn)在稱為接閃桿和接閃帶)、垂直引下導(dǎo)線(即引下線)與大地(接地體)連接。富蘭克林認(rèn)為閃電擊中高的金屬棒可以提供保護(hù),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(xiàn)在的防雷標(biāo)準(zhǔn)早200多年。

04

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



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