雷電的產(chǎn)生原因及其預(yù)防與應(yīng)用[學(xué)術(shù)參考]

1、雷電的產(chǎn)生原因及其預(yù)防與應(yīng)用 每年夏季，天氣多變，早上晴空萬里，下午卻烏云密布，響起陣陣?yán)茁?。而我們所研究的就是這夏季雨天最常出現(xiàn)的一種自然現(xiàn)象雷電。我們把雷電分成了以下幾個(gè)問題進(jìn)行探討：一、雷電的產(chǎn)生原因：1、簡(jiǎn)述原因： 雷電是發(fā)生在大氣層中大氣或云塊在氣流作用下產(chǎn)生異性電荷的積累使某處空氣被擊穿，電荷中和產(chǎn)生強(qiáng)烈的聲、光、電并發(fā)的一種物理現(xiàn)象，通常是指帶電的云層對(duì)大地之間、云層與云層之間、云層內(nèi)部的放電現(xiàn)象。這個(gè)放電的過程會(huì)產(chǎn)生強(qiáng)烈的閃電和巨大的聲響，即人們常說的“電閃雷鳴”。2、簡(jiǎn)述原因的分析 我們?cè)诔踔性?jīng)學(xué)過關(guān)于雷電產(chǎn)生原因的基礎(chǔ)內(nèi)容：雷電是由于天空與地面的強(qiáng)烈中和反應(yīng)，但對(duì)于實(shí)質(zhì)成

2、因并不了解。 現(xiàn)在我們將結(jié)合高中所學(xué)的知識(shí)以及網(wǎng)站提供的資料，對(duì)雷電的產(chǎn)生原因進(jìn)行更全面的分析與理解： 雷電是一種常見的大氣放電現(xiàn)象。雷電一般產(chǎn)生于對(duì)流發(fā)展旺盛的積雨云中，因此常伴有強(qiáng)烈的陣風(fēng)和暴雨，有時(shí)還伴有冰雹和龍卷。在夏天的午后或傍晚，地面的熱空氣攜帶大量的水汽不斷地上升到高空，形成大范圍的積雨云。積雨云頂部一般較高，積雨云的不同部位聚集著大量的正電荷或負(fù)電荷，可達(dá)20公里，云的上部常有冰晶。冰晶的凇附，水滴的破碎以及空氣對(duì)流等過程，使云中產(chǎn)生電荷。 云中電荷的分布較復(fù)雜，但總體而言，云的上部以正電荷為主，下部以負(fù)電荷為主從而形成雷雨云。而地面因受到近地面雷雨云的靜電感應(yīng)，也會(huì)帶上與云底

3、相反符號(hào)的電荷，兩者相當(dāng)于一個(gè)巨大的電容器。一般情況下，我們把地面看成零電勢(shì)面，積雨云與地面的高度差比較大，根據(jù)公式：U=Ed，積雨云與地面間的電場(chǎng)強(qiáng)度與距離都很大，所以它們間的電勢(shì)差很大，即電壓很大。 閃電的電壓很高，約為1億至10億伏特。閃電的平均電流是3萬安培，最大電流可達(dá)30萬安培。一個(gè)中等強(qiáng)度雷暴的功率可達(dá)一千萬瓦，相當(dāng)于一座小型核電站的輸出功率。當(dāng)云層里的電荷越積越多，使電場(chǎng)強(qiáng)度達(dá)到一定強(qiáng)度時(shí)，就會(huì)把空氣擊穿，打開一條狹窄的通道強(qiáng)行放電。當(dāng)云層放電時(shí)，由于云中的電流很強(qiáng)，通道上的空氣瞬間被燒得灼熱，溫度高達(dá)6000-20000，所以發(fā)出耀眼的強(qiáng)光，這就是閃電。而閃道上的高溫會(huì)使空氣

4、急劇膨脹，同時(shí)也會(huì)使水滴汽化膨脹，從而產(chǎn)生沖擊波，這種強(qiáng)烈的沖擊波活動(dòng)形成了雷聲。二、雷電的分類： 我們根據(jù)生活常識(shí)和結(jié)合有關(guān)資料，發(fā)現(xiàn)雷的種類主要有四種：直擊雷、球雷、感應(yīng)雷和雷電侵入波。 1）直擊雷：是雷電與地面、樹木、鐵塔或其它建筑物等直接放電形成的。這雷擊的能量很大，雷擊后一般會(huì)留下燒焦、坑洞，突出部分削掉等痕跡。 2）球雷：是一種紫色或灰紫色的滾動(dòng)雷，它能沿地面滾動(dòng)或空中飄動(dòng)，能從門窗、煙囪等孔洞縫隙竄入室內(nèi)，遇到人體或物體容易發(fā)生爆炸。 3）感應(yīng)雷：是指感應(yīng)過壓。雷擊于電線或電氣設(shè)備附近時(shí)，由于靜電和電磁感應(yīng)將在電線或電氣設(shè)備上形成過電壓。沒聽到雷聲，并不意味著沒有雷擊。 4）雷電

5、侵入波：是雷電發(fā)生時(shí)，雷電流經(jīng)架空電線或空中金屬管道等金屬體產(chǎn)生沖擊電壓，沖擊電壓又隨金屬體的走向而迅速擴(kuò)散，以致造成危害。三、雷電的危害： 自然界每年都有幾百萬次閃電。雷電災(zāi)害是“聯(lián)合國(guó)國(guó)際減災(zāi)十年”公布的最嚴(yán)重的十種自然災(zāi)害之一。最新統(tǒng)計(jì)資料表明，雷電造成的損失已經(jīng)上升到自然災(zāi)害的第三位。全球每年因雷擊造成人員傷亡、財(cái)產(chǎn)損失不計(jì)其數(shù)。據(jù)不完全統(tǒng)計(jì)，我國(guó)每年因雷擊以及雷擊負(fù)效應(yīng)造成的人員傷亡達(dá)30004000人，財(cái)產(chǎn)損失在50億元到100億元人民幣。 1、雷擊造成的危害主要有五種：（1）直擊雷 直擊雷是雷擊危害最主要的一種形式，我們?cè)谇懊娴睦纂姷姆诸愔幸呀?jīng)介紹過了。由于直擊雷是帶電的云層對(duì)大

6、地上的某一點(diǎn)發(fā)生猛烈的放電現(xiàn)象，所以它的破壞力十分巨大，若不能迅速將其瀉放入大地，將導(dǎo)致放電通道內(nèi)的物體、建筑物、設(shè)施、人畜遭受嚴(yán)重的破壞或損害火災(zāi)、建筑物損壞、電子電氣系統(tǒng)摧毀，甚至危及人畜的生命安全。（2）雷電波侵入雷電不直接放電在建筑和設(shè)備本身，而是對(duì)布放在建筑物外部的線纜放電。線纜上的雷電波或過電壓幾乎以光速沿著電纜線路擴(kuò)散，侵入并危及室內(nèi)電子設(shè)備和自動(dòng)化控制等各個(gè)系統(tǒng)。因此，往往在聽到雷聲之前，我們的電子設(shè)備、控制系統(tǒng)等可能已經(jīng)損壞。（3）感應(yīng)過電壓雷擊在設(shè)備設(shè)施或線路的附近發(fā)生，或閃電不直接對(duì)地放電，只在云層與云層之間發(fā)生放電現(xiàn)象。閃電釋放電荷，并在電源和數(shù)據(jù)傳輸線路及金屬管道金屬

7、支架上感應(yīng)生成過電壓。雷擊放電于具有避雷設(shè)施的建筑物時(shí)，雷電波沿著建筑物頂部接閃器（避雷帶、避雷線、避雷網(wǎng)或避雷針）、引下線泄放到大地的過程中，會(huì)在引下線周圍形成強(qiáng)大的瞬變磁場(chǎng)，輕則造成電子設(shè)備受到干擾，數(shù)據(jù)丟失，產(chǎn)生誤動(dòng)作或暫時(shí)癱瘓；嚴(yán)重時(shí)可引起元器件擊穿及電路板燒毀，使整個(gè)系統(tǒng)陷于癱瘓。（4）系統(tǒng)內(nèi)部操作過電壓因斷路器的操作、電力重負(fù)荷以及感性負(fù)荷的投入和切除、系統(tǒng)短路故障等系統(tǒng)內(nèi)部狀態(tài)的變化而使系統(tǒng)參數(shù)發(fā)生改變，引起的電力系統(tǒng)內(nèi)部電磁能量轉(zhuǎn)化，從而產(chǎn)生內(nèi)部過電壓，即操作過電壓。操作過電壓的幅值雖小，但發(fā)生的概率卻遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于雷電感應(yīng)過電壓。實(shí)驗(yàn)證明，無論是感應(yīng)過電壓還是內(nèi)部操作過電壓，均為暫

8、態(tài)過電壓（或稱瞬時(shí)過電壓），最終以電氣浪涌的方式危及電子設(shè)備，包括破壞印刷電路印制線、元件和絕緣過早老化壽命縮短、破壞數(shù)據(jù)庫或使軟件誤操作，使一些控制元件失控。（5）地電位反擊如果雷電直接擊中具有避雷裝置的建筑物或設(shè)施，接地網(wǎng)的地電位會(huì)在數(shù)微秒之內(nèi)被抬高數(shù)萬或數(shù)十萬伏。高度破壞性的雷電流將從各種裝置的接地部分，流向供電系統(tǒng)或各種網(wǎng)絡(luò)信號(hào)系統(tǒng)，或者擊穿大地絕緣而流向另一設(shè)施的供電系統(tǒng)或各種網(wǎng)絡(luò)信號(hào)系統(tǒng)，從而反擊破壞或損害電子設(shè)備。同時(shí)，在未實(shí)行等電位連接的導(dǎo)線回路中，可能誘發(fā)高電位而產(chǎn)生火花放電的危險(xiǎn)。2、按其破壞因素又可歸納為三類。（1）電性質(zhì)破壞： 雷電產(chǎn)生高達(dá)數(shù)萬伏甚至數(shù)十萬伏的沖擊電壓，

9、可毀壞發(fā)電機(jī)、變壓器、斷路器、絕緣子等電氣設(shè)備的絕緣，燒斷電線或劈裂電桿，造成大規(guī)模停電；絕緣損壞會(huì)引起短路，導(dǎo)致火災(zāi)或爆炸事故；二次放電（反擊）的火花也可能引起火災(zāi)或爆炸；絕緣的損壞，如高壓竄入低壓，可造成嚴(yán)重觸電事故；巨大的雷電流流入地下，會(huì)在雷擊點(diǎn)及其連接的金屬部分產(chǎn)生極高的對(duì)地電壓，可直接導(dǎo)致接觸電壓或跨步電壓的觸電事故。（2）熱性質(zhì)破壞： 當(dāng)幾十至上千安的強(qiáng)大電流通過導(dǎo)體時(shí)，在極短的時(shí)間內(nèi)將轉(zhuǎn)換成大量熱能。雷擊點(diǎn)的發(fā)熱能量約為5002000J，這一能量可熔化50200立方厘米的鋼。故在雷電通道中產(chǎn)生的高溫往往會(huì)釀成火災(zāi)。（3）機(jī)械性質(zhì)破壞： 由于雷電的熱效應(yīng)，能使雷電通道中木材纖維縫

10、隙和其他結(jié)構(gòu)縫隙中的空氣劇烈膨脹，同時(shí)使水分及其他物質(zhì)分解為氣體，因而在被雷擊物體內(nèi)部出現(xiàn)很大的壓力，致使被擊物遭受嚴(yán)重破壞或造成爆炸。四、如何防御雷電災(zāi)害 經(jīng)過我們的研究，結(jié)合網(wǎng)上查找的資料，總結(jié)出預(yù)防雷電總的原則：一是人體的位置盡量降低，以減少直接雷擊的危險(xiǎn)；二是人體與地面的接觸部分如雙腳要盡量靠近，與地面接觸越小愈好，以減少“跨步電壓”。 1、如在野外，應(yīng)立即尋找蔽護(hù)所。以裝有避雷針的、鋼架的或鋼盤混凝土建筑物，作為避雷場(chǎng)所，具有完整金屬車廂的車輛也可以利用。 2、沒有掩蔽所時(shí)，要遠(yuǎn)離高壓輸電線。高壓輸電線均為裸線且電壓均在萬伏以上，如果離高壓線的距離小于18米時(shí)，容易造成極嚴(yán)重的觸電事

11、故。 3、千萬不要靠近空曠地帶或山頂上的孤樹，這里最易受到雷擊；高樹林子的邊緣，電線、旗桿的周圍和干草堆、帳篷等無避雷設(shè)備的高大物體附近，鐵軌、長(zhǎng)金屬欄桿和其他龐大的金屬物體近旁，山頂、制高點(diǎn)等場(chǎng)所也不能停留。這些地方最容易遭遇雷電襲擊。 4、雷電期間，如正在駕車，應(yīng)留在車內(nèi)。車殼是金屬的，因屏蔽作用，就算閃電擊中汽車，也不會(huì)傷人，因此，車廂是躲避雷擊的理想地方。但是雷電期間最好不要騎馬、騎自行車、騎摩托車和開敞篷拖拉機(jī)；不要攜帶金屬物體在露天行走，不要使用手機(jī)；不要靠近避雷設(shè)備的任何部分；盡量不要使用設(shè)有外接天線的收音機(jī)和電視機(jī)，不要接打電話。 5、如果你在江、河、湖泊或游泳池中游泳時(shí)，遇上

12、雷雨則要趕快上岸離開。因?yàn)樗嬉自饫讚?，況且在水中若受到雷擊傷害，還增加溺水的危險(xiǎn)。另外，盡可能不要呆在沒有避雷設(shè)備的船只上，特別是高桅桿的木帆船。 6、如果在空曠的野外無處躲避，應(yīng)該盡量尋找低凹地(如土坑)藏身，或者采用盡量降低重心和減少人體與地面的接觸面積，立即下蹲，雙腳并攏，手放膝上，身向前屈，千萬不要躺在地上、壕溝或土坑里，如能披上雨衣，防雷效果就更好。在野外的人群，無論是運(yùn)動(dòng)的，還是靜止的，都應(yīng)拉開幾米的距離，不要擠在一起，也可躲在較大的山洞里。 7、注意當(dāng)你感到皮膚刺痛或頭發(fā)豎起，是雷電將至的先兆，要立即倒在地上。受到雷擊的人可能被燒傷或嚴(yán)重休克，但身上并不帶電，可以安全地加以處理

13、。 8、如有強(qiáng)雷鳴閃電時(shí)你正巧在家里，建議無特殊需要，不要冒險(xiǎn)外出。但也應(yīng)注意以下幾點(diǎn)： 不宜在建筑物朝天平面(天面)上活動(dòng)。因?yàn)楫?dāng)朝天平面發(fā)生直接雷擊時(shí)，強(qiáng)大的雷電流可導(dǎo)致人員傷亡。 不宜使用淋浴器。因?yàn)樗芘c防雷接地相連，雷電流可通過水流傳導(dǎo)而致人傷亡。 緊閉門窗，防止側(cè)擊雷和球雷侵入。五、雷電的利用： 雷電中所蘊(yùn)涵的能量很多，全世界一天的雷電放電的能量可以足夠人類用一年。如果能好好的將雷電利用起來，將使人類對(duì)與其他能源的依賴大大減少。但是以現(xiàn)在的技術(shù)條件來說，人類對(duì)于雷電的應(yīng)用仍處于設(shè)想階段。結(jié)合網(wǎng)上的資料與我們的分析，對(duì)于利用雷電，我們有以下設(shè)想： 1、雷電是一種無污染的能源，它一次放

14、電能達(dá)1至10億焦耳。中國(guó)成語中就有“雷霆萬鈞”之力一詞（霆：劈雷，鈞：古代的重量單位，合當(dāng)時(shí)30斤）。利用這種巨大的沖擊力，可以夯實(shí)松軟的基地，從而為建筑工程節(jié)省大量的能源。根據(jù)高頻感應(yīng)加熱原理，利用雷電產(chǎn)生的高溫，可使巖石內(nèi)的水分膨脹，達(dá)到破碎巖石，開采礦石之目的。 2、雷電能治?。好繄?chǎng)雷雨過后，空氣中的氣體分子在雷電場(chǎng)的作用下，會(huì)分離出帶負(fù)電的負(fù)氧離子。研究人員測(cè)試表明，雷雨過后，每立方厘米空氣中的負(fù)氧離子可達(dá)1萬余個(gè)，而晴天里的鬧市區(qū)，負(fù)氧離子僅幾十個(gè)。實(shí)驗(yàn)表明，被稱做“空氣的維生素”的負(fù)氧離子，對(duì)人體健康很有利。醫(yī)療專家模擬雷雨的神奇作用，將負(fù)氧離子引入病房，結(jié)果發(fā)現(xiàn)，當(dāng)室內(nèi)空氣中的負(fù)氧離子與正離子的比例調(diào)控在9比1之時(shí)，對(duì)氣喘、燒傷、潰瘍以及其他外傷的治療有促進(jìn)作用；可使居室內(nèi)細(xì)菌、病毒減少；同時(shí)，對(duì)過敏性鼻炎、神經(jīng)性皮炎、關(guān)節(jié)疼痛等病癥均有一定的療效。釣魚的朋友有一條漁諺云：寧釣雷雨后，不釣雷雨前。也是基于這個(gè)道理。此外，雷鳴電閃時(shí)，強(qiáng)烈的光化學(xué)作用，還會(huì)促使空氣中的一部分氧氣發(fā)生反應(yīng)，生成具有漂白和殺菌作用的臭氧。伴隨著雷電的上升氣流，可將停滯于對(duì)流層下面的污染大氣攜帶到10公里以上的平流層