日期：2005-12-29 18:08 點擊：125
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實驗目的
尖端放電原理的應用.
實驗原理
帶電導體的外表面是等勢面，曲率半徑小的地方電荷密度大。由於導體尖端的曲率半徑極小，因而電荷密度極大，而導體表面外側鄰域內的電場與導體的電荷密度成正比，所以尖端鄰域有極強的電場。當電場強到使空氣擊穿時，就產生了尖端放電，導體上的電荷就不再更多的積累，而是導體上的電荷會不斷流失。若在建築物上安裝這種導體尖端，則在雷雨季節可使建築物上不致積累過多的電荷而遭雷擊，裝在建築物頂上防止雷擊的導體尖端就是避雷針。
實驗操作與現象
1.將絕緣支架上的兩個金屬圓板與靜電高壓電源輸出端的兩極相接。在下板上放壹個上部呈球狀的銅塊,調節板距,使球頂距上板1厘米左右。2.開啟高壓電源,當極板間電壓超過10千伏時,銅球與上板間形成火花放電。
3.放電後,極板間電壓消失,復又被加高壓電。上述過程重復出現,在球與上板之間形成斷續火花放電,可聽到劈啪聲，並看到跳躍的火花。
4.用帶絕緣柄的電工鉗將壹個頂端呈圓錐狀的銅塊放在圓板上(為了比較,這個銅塊與前述銅塊等高)。上述火花放電現象立即停止,但可聽到絲絲的電暈放電聲。 這是由於第二個銅塊的尖端附近形成的強電場,使空氣分子電離,致使極板經常處於連續的電暈放電狀態, 即所謂尖端放電現象。尖端放電的結果,使極板間的電壓不能達到火花放電的數值,因此火花放電停止。避雷針就是利用尖端放電來避免強烈火花放電的原理制成的。
提前放電避雷針的工作原理
提前放電避雷針的工作原理就是產生壹個比普通避雷針更加快的上行先導。 此描述基於負極性下行放電的情況下，此類放電形式最具有普遍性。
避雷針的歷史
雷電是地球上最常見的壹種自然現象。整個地球表面平均每秒鐘有100多次閃電。閃電的中心溫度可以高達17000～25000℃，並在1‰到1/10秒之內釋放出幾百萬至上億焦耳的能量……壹次長距離的閃電要經歷50次左右的轉折才落到地面上，在空中留下了壹條蜿蜒曲折的軌跡。閃電時電流的顛值可以達壹萬安培，給地球帶來5庫侖電量。閃電的形狀有樹枝狀、條狀、片狀、串珠狀和球狀。其中以罕見的球狀閃電最引起科學家們的興趣。19世紀有人做過1000多次閃電觀測紀錄。顏色各種各樣，最常見的是紅、橙、黃三種。移動速度比較慢，存在的時間在1到5秒之間。火球在消失的時候會發生猛烈的爆炸，具有很大的破壞力。1989年8月15日我國青島黃島油庫就由於球狀閃電的襲擊引起儲油罐大爆炸。美國科學家在北美大草原隕石觀測網觀測了12萬張閃電照片後認為球狀閃電是從普通閃電的末端分離出來的，球狀閃電是“被激發的亞穩定態分子和等離子體的凝結塊”。
避雷針的發明迄今已有240多年的歷史了，由於它的保護使萬千幢高樓大廈擺脫了雷電的威脅，為人類的文明和繁榮作出了貢獻。後來英王喬治三世命令英國使用頂部為球狀的避雷針，法國人則把避雷針的頭部制成圓錐形。而美國則壹直堅持使用富氏尖頭避雷針。據《紐約時報》報道，今天美國使用的新型避雷針外形像雞毛撣子，頂端引出2000條細細的導線，導線呈輻射狀，它可以驅散聚集在建築物周圍的靜電荷，有很強的避免形成閃電的能力。我國解廣潤教授發明的半導器消雷器也是壹種新型的避雷裝置。
我們聰明的祖先遠在西方之前就發明了避雷裝置，並在實踐中應用。據《後漢書》記載，壹次當時的重要宮殿未央宮和柏梁臺遭雷電襲擊發生火災不久，就有壹位名叫“勇之”的方士向漢武帝建議，在宮殿的屋脊上安裝“鴟魚”來防止災難。此後兩千年來，我國古建築的屋脊上大多安裝了這壹類金屬瓦飾，有的是龍、有的是飛魚和雄雞。盡管沒有引導線與地面連接，但大雨淋濕的屋檐和墻壁，自然起到了接地的作用。由於這類瓦飾高於建築物之上，即使是猛烈的落地雷，也通常只是擊毀了瓦飾而保全了建築物主體。
大約在三國時期，工匠們已經意識到接地的重要，他們在建造遠遠高於壹般建築的古塔時，頂部安裝了鋼鐵制造的“葫蘆串”，自然著眼於避雷的目的。而且還把它與塗了金屬粉末容易導電的塔心柱連接起來，柱的下端又設置了貯藏金屬的龍窟，組成了壹套十分完整的避雷裝置。如江蘇省高淳縣的保聖寺塔始建於公元229年的三國時期，塔高31.5米，遠遠高於周圍的建築群，由於塔頂安裝了4米高的鐵制古剎，由覆缽、相輪和寶葫蘆等部分組成，至今歷經千年風雨而從未遭雷擊。明代，由金屬桿、接地線組成的完整的避雷裝置也出現了。1688年西方傳教士馬卡連來華，在《中國劄記》上寫道：“中國有些建築物的屋頂上有壹種叫做龍的裝飾物，它頭部仰向天空，張著嘴。這些怪物向上伸出的舌頭是根尖端的金屬芯子，另壹端和埋在地下的金屬相接，能讓雷電跑到地面去而不傷害建築物。”就按這位西方人的記載來算，也要比富蘭克林早了70余年！
避雷針的構造特點
常規避雷裝置及其發展
1750年，富蘭克林提出以針尖放出電荷緩慢中和雷雲中的電荷的避雷針用來防雷。後來的實踐證明，它不能“避雷”，而是將雷引向自身來保護其周圍的設備。隨後俄國羅蒙諾索夫在重復了富蘭克林的著名風箏試驗（他的朋友利赫曼和他壹起試驗，因被引下的直擊閃電擊中而犧牲）之後，於1753年發表的論文（關於因電力而產生的大氣現象的發言）中也對此作了重要論證。壹個鮮為人知的重要事實是，富蘭克林發表避雷針理論之後不久，法國壹位工程師即按其理論建立壹個避雷針，並且很快發生壹次接閃。這是人類首次主動設法改變雷閃途徑，也是直擊雷可以防護的證明。這位法國工程師作為壹個正直的科學家，當即高興地報告了富蘭克林避雷針的引雷成功。
避雷針的實際應用，必須解決的是它的保護範圍問題。這是在試驗室和實際應用中多年逐步定量化的，而且其精確性已基本滿足了工程設計的需要。正是各國高壓輸電和電力系統的發展推動了這壹科研工作的前進。
1925-1926年，Peek第壹個在實驗室內利用沖擊電壓發生器造成“人工雷”對避雷針模型放電，研究保護範圍—保護系數與雷雲高度對針高之比（H/h）的關系,並研究了雷雲極性對保護系數的影響。1930-1934年，各國開始廣泛利用避雷針保護發電廠和變電所。當時230KV電網已經出現多年，287KV超高壓電網正在建設中。如美國煤氣和電力公司(AGE)1934年開始用避雷針、避雷線保護變電所,避雷線的保護範圍是這樣確定的:當架構強度足夠時,每保護水平距離0.45m,避雷線懸掛高度要擡高0.3m;架構強度受限制時，每保護水平距離0.6m，要擡高0.3m。這分別相當於保護角56°和64°。這與日本60年代末的防雷規範60°相近。到60年代初（1963年Davis）、70年代初美、英等國對保護輸電線路的避雷線的保護範圍陸續提出擊距理論，即考慮雷電流輻值的大小來選定保護範圍。我國高電壓工作者（朱木美教授指導王小瑜同誌）在職1962~1964年研究輸電線路防雷時也提出了類似方法。至於用來保護發電廠和變電所，我國50年代因擔心避雷線斷線會波及全廠和全變電所而只采用避雷針。到70年代中期，才明確避雷線可用於發電廠和變電所的保護。
避雷針的發明者——富蘭克林