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闪电的分类与放电过程——防雷器厂家

人气:597发表时间:2018-06-21

    雷云中不同部分之间聚集的不同极性电荷,当积累到一定程度时,就会在云的不同部分之间、不同云团之间以及云团与地面之间产生很强的电场,该电场的强度平均可达几千V/m,甚至高达几万v/m。这么强的电位梯度足以把云内外的大气击穿,而在云与云或云与大地之间产生瞬间强火花放电,这就是闪电。
  关于闪电的类型,若按形状来分有线状闪电、带状闪电、片状闪电、联珠状闪电和球状闪电。

线状闪电是最常见的,也是人们了解最多的。它可以发生在云际,但更多的是发生在云地之间。线状闪电可以击到地面,也可能达不到地面。人们看到的像树枝分叉的线条亮光,其实通常是着干次线状放电的重合,只不过人眼分辨不出来罢了。图1.20(1)就是线状闪电的照片,它与其他闪电不同的地方是线状闪电具有特别大的电流强度,平均可达几十千安,少数甚至可以达到200-400kA。
   如果正巧有大风吹经闪电通道的空间,线状闪电的几次放电通道被吹得分开来,这样人眼看起来,似乎闪电变宽了,这就是带状闪电,如图1.20(2)所示。带状闪电的带宽通常大约在10m,一般比较少见。如果这种闪电击到房屋的话,可能引起大面积的燃烧。
   片状闪电有两种情况,一种是线状闪电被云体挡住了,闪电的光照亮了上部的云,或者反射的光映入人眼,这样闪电就变成了片状的亮光,另一种可能是出现在云上部的一种丛集的或闪烁状的独立放电,它经常是在雷云强度已经减弱的情况,降水趋于停止时才出现的较弱放电现象

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  联珠状闪电看起来好像一条在云幕上滑行的,或穿出云层而投向地面的发光点连线,也好像是一串闪光的珍珠项链,如图1.20(3)所示,出现联珠状闪电的情况极为罕见,它几乎都是在强雷暴中一次线状闪电之后偶尔出现的,关于联珠状闪电的成因有各种不同的说法,其中之一就是认为它是一串球状闪电。


   球状闪电简称球闪,俗称球雷或滚地雷,其外貌如图1.20(4)所示,好像一团火球,直径一般在几厘米到几十厘米 发出红色,黄色或蓝色的火花。并以每秒几米的速度在地面上数米高作水平运动或呈跳跃式运动。球状闪电的生命史不长,一般大约为几秒钟到几分钟,随机性极大。有关它的成因,各种解释均不能完善说明其特性,故迄今为止仍是自然界中的一个“谜”,尚有待人们进一步去调在研究。


  若从空间位置来分类,闪电又可分为云内闪电、云际闪电和云地闪电。一般将云内闪电 和云际闪电合称方云闪,它们与人类的关系不大。不过,随着航空航天事业的发展,以及微电子技术的广泛应用,云闪对于人类的危害也逐渐增多,现在已经引起防雷工作者的关注。至于云地闪电,又简称地闪,俗称落地雷,则与人类的关系极为密切,是防雷研究的主要对象。


  在雷云放电前,云中雾状水滴之间原本是绝缘的。但是,当雷暴天气的大气电场强度增大到10*4V/m 程度时就可以使大气中的电子获得足够的动能来碰撞分子,使之电离,并产生新的电子来参与撞击电离作用,从而出现雪崩似的现象,使空气成为良导电的通道。在这个电离过程中,原子内部的电子在能级上的跃迁还会发光,这些光子的速度远远大于电子的速度,它们加速和扩大了空气的电离过程。这种发光的导电气体称之为“流光”或“汽柱”,它们是闪电通道的先驱,对闪电的形成和发展至关重要。


  云闪般是从正电荷中心区向下方负电荷中心区发出初始流光。当初始流光到达负电荷中心区时,从负电荷中心区发出不发光的负流光,沿着初始流光的通道反方向行进,把两个电荷中心联通,以便完成放电过程。就在联道的这一瞬间,出现持续时间约为1ns的,作有明亮发光的强放电,它把初始流光输送并储存在通道中的电荷全部中和掉,这称之为反冲流光过程。反冲流光的传播速度要比初始流光的传播速度高两个数量级,大约在l0的8次方cm/s左右,峰值电流可达1000A一次强放电所中和的电荷大约在0.5-35C左右。从地面上看到的常是片状闪电。


  至于地内,一般先是云中的负电荷中心区与下层正电荷中心区之间的强电场产生局部区域的流光发展成云闪后,使得负电荷区扩展到雷云的下部。然后云下端与大地之间的电场强度增大,紧邻下端的区域电场强度达到最大,于是总有一些地方的空气被击穿,出现向下发展的流光,继面向下发展形成一段导电的通道。在该通道的前端有大量负电荷,该负电荷尖端下方电场强度最大,因而它又使附近的大气被击穿导电和发光。这样从云的下端伸向下方的导电通道便逐步向下发展。这称之为梯级先导。它向下推进的平均速度为1.5 x10的7次方cm/s。但每一梯级先导的推进速皮要比这大得多,一般为5xl0的8次方cm/s左右,其长度平均为50m, 变化范围在3-200m。


  梯级先导每向下推进一级都要间隔一级时间,以便把电荷输送到前端,形成击穿大气所需要的局部强电场。该间隔时间平均在50μs左右,变化范围30-125pus。梯级先导的通道直径较大,一般在1-10m之间。梯级先导的形状总是一段段的,是方向极不确定的折线,并常带有几条分叉,随机性很大,而绝不是循着大气电场的方向垂直向下的,这反映出造成空气击穿的随机性。其击穿


点和方向总是大气中导电粒子较多的局部区城,也可能是宇宙射线的高能粒子通过附近,为击穿创造了条件。

  梯级先导的通道,除了前端带有大量的负电荷之外,通道里还有导电离子。同时,雷云中的负电荷也被输送到整个通道中,它携带的电流大约为100-200A经过多次放电、消失、再放电、再消失,梯级先导的通道前端已经到达离地面很近(大约30-40m)的距离,这时它的趋向开始受地面物体的影响。通道前端与地面物体之间形成很强的大气电场。由于地面周围的电荷可以因静电感应而


大量集中到离先导前端较近的地方来,这样使之发生电击穿。此时从
地物体冲出一股明亮无比的光性,沿省由梯级先导开辟的、高度电离的通道向上窜,冲向雷云,以完成一次回击放电,如图1.21 (1)所示。

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  回击常称为主放电政主闪击,因为这个放电差不多把雷云输送到整个先导通道中的负电荷都中和完了。主放电的电流最大值可达到10000A左右。由于导电通道是现存的,所以回击的推进速度当然比梯级先导的推进速度快得多,其平均速度大约为5x10的9次方cm/s,变化范围在2x10的9次方-2x10的10次方cm/s。但是回击通道的直径却比梯级先导通道的直径小得多,平均只有几厘米,


变化范围在0.1-2.3cm。它与内电电流的大小有关,而回击通道的温度则可达到10000K数量级。

由于云中带电粒子是被绝缘的空气相互分隔的,不能像地面上电荷那样可以自由流动,因此一次回击不可能将雷云中的电荷完全中和掉。这样当第一次闪击放电后,云中电荷又通过形成导电通道、转移电荷、重新聚集到负电荷中心。然后紧接着从云端又伸出一条较暗的光柱,沿着梯级先导开辟的导电通道直冲下米,中间不再歇息,这称之为“直窜先导”,如图1.21(2)所示。它带着


大约1000A电流以大约1x10的8次方-2.1x10的9次方 (平均为2.6x10的8次方) cm/s的速度冲向地面。由于导电通道是原有的,所以直窜先导的电流和速度都比梯级先导的大。当它到达地面上空一定距离后,再次引发地面窜起的回击,于是出现第二次闪击放电。


两大相继闪击之间在雷云中发生的电过程如图1.22所示。根据雷云的电荷量,可能还有第三次,第四次一-闪击放电,实际观测到的次数最多的达到42次。当然有些地区在某些情况下,闪电只包含了一次闪击放电,这称之为“单闪击地闪”。相对的多次闪击放电则称之为多闪击地闪”, 俗称“多重雷击。多闪击地闪中各个闪击间的间隔时间平均为50ms,变化范围为3ms-380ms一次地闪的特续时间平均为0.2s左右,变化范国为0.01s-2s。后续的各次放电情况基本上与第二次闪击放电相似。第一次闪击放电释放的总值可达几万焦耳。由于每次闪击放电都要消耗雷云中的电荷,所以后续闪击放电的强度越来越弱,最后直至雷云中的电荷完全消耗为止。


 


  主闪击放电通道很小,闪电释放的能量大部分都用于加热通道内的空气柱上,使空气的温度在几微秒内急剧上开到上万摄氏度。温度剧增造成通道内的气压猛增到100个大气压以上,于是空气柱内空气急剧膨张。膨胀后温度又很快下降,压力又随之降低,因而空气又急剧收缩,这样空气的骤胀骤缩便形成冲击波。该波向外传播的速度远大于声波,但很快就衰破下来,转化成声波,这就是伴随闪电的雷声。由于云对雷声的多次反射,从面形成雷声隆隆不断。


  大气中,光的传播速度远远大于声波的传播速度,因此人们总是先看到闪电面后才听到雷声。当闪电很远时,声波可能完全被衰破或折射,这样就只见闪电而不闻雷声。听不到雷声的远处闪电,称之为闪电或远闪,而听得到雷声的闪电,通常则称之为雷暴或近雷暴。