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避雷针

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钝头避雷针

人气:678发表时间:2018-06-11

   自富兰克林发明避雷针以来针端形状一直是尖的。虽然18世纪70年代曾有过争议,但由于缺乏量化研究,当时实验证明也还是尖的好。不过到了20世纪90年代,由于对空气中尖端放电的物理机理有了较丰富的理性认识,可以进行量化计算了,于是美国学者重新审议了这个问题。


   在雷云带负电的情况下,空气中存在的自由电子会因尖端物体的强电场吸引向尖端加速运动,碰撞中性分子,释放出更多的自由电子,发生雪崩现象,并在其后留下一个正离子的电荷柱。当环境电场足够强时,雪崩持续发生,其后的正离子电荷柱(即正先导)在该电场作用下,向上传播并与下行负先导连接瞬间形成回击。虽然在常压下,产生电子雪崩的电场强度超过了6000V/m,但正先导大约在440V/m环境中即可持续传播了。避雷针必须在其顶端-定范围内产生这种电场才能吸引下行先导。此外,当下行先导接近避雷针时,它所产生的电场增强率还必须使正离子电荷柱的累积伸长超过它在电场作用下迁移而被清除的速率。由此分析可以发现钝头避雷针比尖头避借针更能满足这些条件。


   如果将避雷针等效为接地的垂直细长半椭圆球体,则可以对其顶端电场增强因子随距离的交化进行计算。计算表明:曲率半径远小于椭圆球体半长轴高度的尖端,其电场随离开顶端的距离而迅速减小,当距高等于一个曲率半径时,电场已减弱为顶端的1/3;而钝头顶端,其电场随距高的减弱则要小得多,当距离超过6mm时,10mm半径的椭圆球顶端附近的电场增强要远远大于0.1mm半径的椭圆球顶端的。计算还表明,曲率半径小于0.5mm的椭圆球顶端,在距离超过0.25mm时,电场将小到不可能产生电子雪崩的程度。计算最后表明,当下行负先导逼近时,钝头椭圆球顶端因电子雪崩发生而形皮的累积正电荷柱内,正离子因迁移和相互排斥而被清除的时间要远大于尖的椭圆球顶端。


   基于上述分析和计算,美国学者对不同尖端形状的避雷针进行了连续七年(从1994年到2000年)的野外现场实验。采用的尖端避雷针,直径为12.7mm,上部被加工成逐渐变细的尖端,头部成45度角,曲率半径约为0.1mm;钝头避雷针。直径为9.5-51mm,顶部加工成半球形并抛光:另外还用了ESE避雷针。所有避雷针长度为305mm,均安装在6.1m高,直径44mm的金属圆管上,并良好接地。结果钝头避雷针被雷电击中12次(大多数为19mm直径的),而尖头避雷针和ESE避雷针一次也没有被雷击,由此可见,纯头避雷针更能吸引雷电,保护效果也更好。