雷电的产生原因及其预防与应用


每年夏季，天气多变，早上晴空万里，下午却乌云密布，响起阵阵雷声。而我们这个学期所研究的就是这夏季雨天最常出现的一种自然现象——雷电。
我们把雷电分成了以下几个问题进行探讨：
一、雷电的产生原因：
1、简述原因：
雷电是发生在大气层中大气或云块在气流作用下产生异性电荷的积累使某处空气被击穿，电荷中和产生强烈的声、光、电并发的一种物理现象，通常是指带电的云层对大地之间、云层与云层之间、云层内部的放电现象。这个放电的过程会产生强烈的闪电和巨大的声响，即人们常说的“电闪雷鸣”。
2、简述原因的分析
我们在初中曾经学过关于雷电产生原因的基础内容：雷电是由于天空与地面的强烈中和反应，但对于实质成因并不了解。
现在我们将结合高中所学的知识以及网站提供的资料，对雷电的产生原因进行更全面的分析与理解：
雷电是一种常见的大气放电现象。雷电一般产生于对流发展旺盛的积雨云中，因此常伴有强烈的阵风和暴雨，有时还伴有冰雹和龙卷。在夏天的午后或傍晚，地面的热空气携带大量的水汽不断地上升到高空，形成大范围的积雨云。积雨云顶部一般较高，积雨云的不同部位聚集着大量的正电荷或负电荷，可达20公里，云的上部常有冰晶。冰晶的凇附，水滴的破碎以及空气对流等过程，使云中产生电荷。
云中电荷的分布较复杂，但总体而言，云的上部以正电荷为主，下部以负电荷为主从而形成雷雨云。而地面因受到近地面雷雨云的静电感应，也会带上与云底相反符号的电荷，两者相当于一个巨大的电容器。一般情况下，我们把地面看成零电势面，积雨云与地面的高度差比较大，根据公式：U=Ed，积雨云与地面间的电场强度与距离都很大，所以它们间的电势差很大，即电压很大。
闪电的电压很高，约为1亿至10亿伏特。闪电的平均电流是3万安培，最大电流可达30万安培。一个中等强度雷暴的功率可达一千万瓦，相当于一座小型核电站的输出功率。当云层里的电荷越积越多，使电场强度达到一定强度时，就会把空气击穿，打开一条狭窄的通道强行放电。当云层放电时，由于云中的电流很强，通道上的空气瞬间被烧得灼热，温度高达6000--20000℃，所以发出耀眼的强光，这就是闪电。而闪道上的高温会使空气急剧膨胀，同时也会使水滴汽化膨胀，从而产生冲击波，这种强烈的冲击波活动形成了雷声。
二、雷电的分类：
我们根据生活常识和结合有关资料，发现雷的种类主要有四种：直击雷、球雷、感应雷和雷电侵入波。
直击雷：是雷电与地面、树木、铁塔或其它建筑物等直接放电形成的。这雷击的能量很大，雷击后一般会留下烧焦、坑洞，突出部分削掉等痕迹。
球雷：是一种紫色或灰紫色的滚动雷，它能沿地面滚动或空中飘动，能从门窗、烟囱等孔洞缝隙窜入室内，遇到人体或物体容易发生爆炸。
感应雷：是指感应过压。雷击于电线或电气设备附近时，由于静电和电磁感应将在电线或电气设备上形成过电压。没听到雷声，并不意味着没有雷击。
雷电侵入波：是雷电发生时，雷电流经架空电线或空中金属管道等金属体产生冲击电压，冲击电压又随金属体的走向而迅速扩散，以致造成危害。
三、雷电的危害：
自然界每年都有几百万次闪电。雷电灾害是“联合国国际减灾十年”公布的最严重的十种自然灾害之一。最新统计资料表明，雷电造成的损失已经上升到自然灾害的第三位。全球每年因雷击造成人员伤亡、财产损失不计其数。据不完全统计，我国每年因雷击以及雷击负效应造成的人员伤亡达3000～4000人，财产损失在50亿元到100亿元人民币。


雷电灾害所涉及的范围几乎遍布各行各业。现代电子技术的高速发展，带来的负效应之一就是其抗雷击浪涌能力的降低。以大规模集成电路为核心组件的测量、监控、保护、通信、计算机网络等先进电子设备广泛运用于电力、航空、国防、通信、广电、金融、交通、石化、医疗以及其它现代生活的各个领域，以大型CMOS集成元件组成的这些电子设备普遍存在着对暂态过电压、过电流耐受能力较弱的缺点，暂态过电压不仅会造成电子设备产生误操作，也会造成更大的直接经济损失和广泛的社会影响。
　　1、雷击造成的危害主要有五种：
（1）直击雷
直击雷是雷击危害最主要的一种形式，我们在前面的雷电的分类中已经介绍过了。由于直击雷是带电的云层对大地上的某一点发生猛烈的放电现象，所以它的破坏力十分巨大，若不能迅速将其泻放入大地，将导致放电通道内的物体、建筑物、设施、人畜遭受严重的破坏或损害——火灾、建筑物损坏、电子电气系统摧毁，甚至危及人畜的生命安全。
（2）雷电波侵入
　　雷电不直接放电在建筑和设备本身，而是对布放在建筑物外部的线缆放电。线缆上的雷电波或过电压几乎以光速沿着电缆线路扩散，侵入并危及室内电子设备和自动化控制等各个系统。因此，往往在听到雷声之前，我们的电子设备、控制系统等可能已经损坏。
　　（3）感应过电压
　　雷击在设备设施或线路的附近发生，或闪电不直接对地放电，只在云层与云层之间发生放电现象。闪电释放电荷，并在电源和数据传输线路及金属管道金属支架上感应生成过电压。
　　雷击放电于具有避雷设施的建筑物时，雷电波沿着建筑物顶部接闪器（避雷带、避雷线、避雷网或避雷针）、引下线泄放到大地的过程中，会在引下线周围形成强大的瞬变磁场，轻则造成电子设备受到干扰，数据丢失，产生误动作或暂时瘫痪；严重时可引起元器件击穿及电路板烧毁，使整个系统陷于瘫痪。
（4）系统内部操作过电压
　　因断路器的操作、电力重负荷以及感性负荷的投入和切除、系统短路故障等系统内部状态的变化而使系统参数发生改变，引起的电力系统内部电磁能量转化，从而产生内部过电压，即操作过电压。
　　操作过电压的幅值虽小，但发生的概率却远远大于雷电感应过电压。实验证明，无论是感应过电压还是内部操作过电压，均为暂态过电压（或称瞬时过电压），最终以电气浪涌的方式危及电子设备，包括破坏印刷电路印制线、元件和绝缘过早老化寿命缩短、破坏数据库或使软件误操作，使一些控制元件失控。
　　（5）地电位反击
　　如果雷电直接击中具有避雷装置的建筑物或设施，接地网的地电位会在数微秒之内被抬高数万或数十万伏。高度破坏性的雷电流将从各种装置的接地部分，流向供电系统或各种网络信号系统，或者击穿大地绝缘而流向另一设施的供电系统或各种网络信号系统，从而反击破坏或损害电子设备。同时，在未实行等电位连接的导线回路中，可能诱发高电位而产生火花放电的危险。
2、按其破坏因素又可归纳为三类。
（1）电性质破坏：
雷电产生高达数万伏甚至数十万伏的冲击电压，可毁坏发电机、变压器、断路器、绝缘子等电气设备的绝缘，烧断电线或劈裂电杆，造成大规模停电；绝缘损坏会引起短路，导致火灾或爆炸事故；二次放电（反击）的火花也可能引起火灾或爆炸；绝缘的损坏，如高压窜入低压，可造成严重触电事故；巨大的雷电流流入地下，会在雷击点及其连接的金属部分产生极高的对地电压，可直接导致接触电压或跨步电压的触电事故。
（2）热性质破坏：
当几十至上千安的强大电流通过导体时，在极短的时间内将转换成大量热能。雷击点的发热能量约为500～2000J，这一能量可熔化50～200立方厘米的钢。故在雷电通道中产生的高温往往会酿成火灾。
（3）机械性质破坏：
由于雷电的热效应，能使雷电通道中木材纤维缝隙和其他结构缝隙中的空气剧烈膨胀，同时使水分及其他物质分解为气体，因而在被雷击物体内部出现很大的压力，致使被击物遭受严重破坏或造成爆炸。


四、如何防御雷电灾害
经过我们的研究，结合网上查找的资料，总结出预防雷电总的原则：一是人体的位置尽量降低，以减少直接雷击的危险；二是人体与地面的接触部分如双脚要尽量靠近，与地面接触越小愈好，以减少“跨步电压”。
　　1、如在野外，应立即寻找蔽护所。以装有避雷针的、钢架的或钢盘混凝土建筑物，作为避雷场所，具有完整金属车厢的车辆也可以利用。
　　2、没有掩蔽所时，要远离高压输电线。高压输电线均为裸线且电压均在万伏以上，如果离高压线的距离小于18米时，容易造成极严重的触电事故。
　　3、千万不要靠近空旷地带或山顶上的孤树，这里最易受到雷击；高树林子的边缘，电线、旗杆的周围和干草堆、帐篷等无避雷设备的高大物体附近，铁轨、长金属栏杆和其他庞大的金属物体近旁，山顶、制高点等场所也不能停留。这些地方最容易遭遇雷电袭击。
　　4、雷电期间，如正在驾车，应留在车内。车壳是金属的，因屏蔽作用，就算闪电击中汽车，也不会伤人，因此，车厢是躲避雷击的理想地方。但是雷电期间最好不要骑马、骑自行车、骑摩托车和开敞篷拖拉机；不要携带金属物体在露天行走，不要使用手机；不要靠近避雷设备的任何部分；尽量不要使用设有外接天线的收音机和电视机，不要接打电话。
　　5、如果你在江、河、湖泊或游泳池中游泳时，遇上雷雨则要赶快上岸离开。因为水面易遭雷击，况且在水中若受到雷击伤害，还增加溺水的危险。另外，尽可能不要呆在没有避雷设备的船只上，特别是高桅杆的木帆船。
　　6、如果在空旷的野外无处躲避，应该尽量寻找低凹地(如土坑)藏身，或者采用尽量降低重心和减少人体与地面的接触面积，立即下蹲，双脚并拢，手放膝上，身向前屈，千万不要躺在地上、壕沟或土坑里，如能披上雨衣，防雷效果就更好。在野外的人群，无论是运动的，还是静止的，都应拉开几米的距离，不要挤在一起，也可躲在较大的山洞里。
　　7、注意当你感到皮肤刺痛或头发竖起，是雷电将至的先兆，要立即倒在地上。受到雷击的人可能被烧伤或严重休克，但身上并不带电，可以安全地加以处理。
8、如有强雷鸣闪电时你正巧在家里，建议无特殊需要，不要冒险外出。但也应注意以下几点：
①不宜在建筑物朝天平面(天面)上活动。因为当朝天平面发生直接雷击时，强大的雷电流可导致人员伤亡。
②不宜使用淋浴器。因为水管与防雷接地相连，雷电流可通过水流传导而致人伤亡。
③紧闭门窗，防止侧击雷和球雷侵入。
五、雷电的利用：
雷电中所蕴涵的能量很多，全世界一天的雷电放电的能量可以足够人类用一年。如果能好好的将雷电利用起来，将使人类对与其他能源的依赖大大减少。
但是以现在的技术条件来说，人类对于雷电的应用仍处于设想阶段。
结合网上的资料与我们的分析，对于利用雷电，我们有以下设想：
1、雷电是一种无污染的能源，它一次放电能达1至10亿焦耳。中国成语中就有“雷霆万钧”之力一词（霆：劈雷，钧：古代的重量单位，合当时30斤）。利用这种巨大的冲击力，可以夯实松软的基地，从而为建筑工程节省大量的能源。根据高频感应加热原理，利用雷电产生的高温，可使岩石内的水分膨胀，达到破碎岩石，开采矿石之目的。
2、雷电能治病：每场雷雨过后，空气中的气体分子在雷电场的作用下，会分离出带负电的负氧离子。研究人员测试表明，雷雨过后，每立方厘米空气中的负氧离子可达1万余个，而晴天里的闹市区，负氧离子仅几十个。实验表明，被称做“空气的维生素”的负氧离子，对人体健康很有利。医疗专家模拟雷雨的神奇作用，将负氧离子引入病房，结果发现，当室内空气中的负氧离子与正离子的比例调控在9比1之时，对气喘、烧伤、溃疡以及其他外伤的治疗有促进作用；可使居室内细菌、病毒减少；同时，对过敏性鼻炎、神经性皮炎、关节疼痛等病症均有一定的疗效。钓鱼的朋友有一条渔谚云：宁钓雷雨后，不钓雷雨前。也是基于这个道理。此外，雷鸣电闪时，强烈的光化学作用，还会促使空气中的一部分氧气发生反应，生成具有漂白和杀菌作用的臭氧。伴随着雷电的上升气流，可将停滞于对流层下面的污染大气携带到10公里以上的平流层底部。
3、它可以制造氮肥：发生雷电时，大气中的闪电通道可达几千米长，温度极高，有大量的氮和氧化合成二氧化氮。生成的二氧化氮溶解于雨水中，变成浓度不高的硝酸，落入土壤中，又和其他物质化合变成硝石。是大自然对人类无偿的恩赐。
4、雷电可预示天气：农谚云：“东闪日头西闪雨”，因中国地处西风带内，云雨大多从西边移动过来影响本地。其他还有“南闪火门开，北闪有雨来”等。
5、雷电找矿：雷电爱打击容易导电的物体，利用这一特点，为地质勘探人员寻找金属矿床提供了线索。
六、总结：
本次研究性学习经过每一个组员的讨论与交流后顺利完成。在本次研究性学习中，我们了解到了雷电的产生原因、分类、危害及其预防与利用等的知识。另外，我们还学习到了如何将我们学的物理理论知识与实际相结合。我们会把这些书上没有或很少涉及的知识转化成自己的知识并好好利用。最后，感谢各网站给我们在资料上的支持还有老师对我们的指点。如果我们有什么内容性错误或不足，请给我们提出意见与建议，我们会继续努力争取在下次做得更好！