最近宜昌进入夏季多雨期,不少人被野夜晚的雷声和闪电吓得住,其实这种感觉不光我们有体会,古代很多人也有同样的情感。宋·陆游在他的日记也写:
《七月十九日大风雨雷电》
雷车动地电火明,急雨遂作盆盎倾。
强 弩夹射马陵道,屋瓦大震昆阳城。
岂独鱼虾空际落,真成盖屐舍中行。
明朝雨止寻幽梦,尚听飞涛溅瀑声。
雷电是如何形成的呢?在中国民俗里,总把遭雷劈当做一种不孝的一种惩罚,真的是那样的么?
笔者尝试尽量简单语言来解释给大家听,有一个大家都熟知的现象。家冬天脱衣服时候会看见火花,原理跟雷电一样。雷电是伴有闪电和雷鸣的一种雄伟壮观的放电现象。为什么常伴有强烈的阵风和暴雨,有时还伴有冰雹和龙卷风。主要是夏天积雨云原因,它的上部常有冰晶。冰晶的凇附,水滴的破碎以及空气对流过程中跟空气发生摩擦,而使云中产生电荷。云中电荷的分布较复杂。通常云的上部以正电荷为主,下部以负电荷为主。因此,云的上、下部之间形成一个电位差。当电位差达到一定程度后,就会产生放电,这就是我们常见的闪电现象。
大家读初中时候,老师已经给大家讲过,闪电的的平均电流是3万安培,最大电流可达30万安培。闪电的电压很高,约为1亿至10亿伏特。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。放电过程中,由于闪电通道中温度骤增,使空气体积急剧膨胀二剧烈震荡,从而产生冲击波,导致强烈的雷鸣。
带有电荷的雷云与地面的突起物接近时,根据电荷均分原理,电荷定向移动移动发生激烈的放电。在雷电放电地点会出现强烈的闪光和爆炸的轰鸣声。这就是人们见到和听到的闪电雷鸣。
大家都知道,对人造成危险主要是电流。雷电对人产生电流有两种方式,直接把人当做导体形成直接电流直接雷,还有一种就是雷电产生时会形成巨大电磁场,由于人是导体,会产生感应电流形成感应雷。所以雷电对人体的伤害主要包括两个类型:
直击雷:当人遭到雷击的一瞬间,强大的电流会迅速通过人体,严重者可导致心跳停止、肺功能衰竭、脑组织缺氧而死亡。另外,雷击产生的高温弧光也会形成人体不同程度的皮肤灼伤和碳化。人体遭雷电击伤,会形成树枝状的雷击纹理,致使皮肤剥脱和出血,也可造成耳鼓和内脏破裂等等。另外,据不完全统计,在每年的雷雨季节中,世界上所发生的雷击高达1700次左右,全世界每年大概有数千人遭受雷击。在比较平坦的地形上,30米左右高的建筑物平均每年就会被击中一次;每座数十米及以上的高层建筑物,如广播或电视塔,每年会被击中20次左右,每次雷击所产生的高电压达6亿伏左右。如果没有避雷设备,这些建筑物早就被毁掉了。从云层到地面的闪电雷击,它也包含了在50毫秒左右间隔之内的发生次数,也就是4次左右的独立雷击次数。第一次的雷击峰值电流大约在2万安培左右,而后续雷击的电流峰值则会减半,最后一次雷击很可能产生大约140安培左右的持续电流,其持续的时间可长达数十毫秒左右。
感应雷:是在雷电感应过程中产生的强大瞬间电磁场,这种强大的感应磁场,可在地面金属网络中产生感应电荷。包括有线、无线通讯网络,电力输电网络和其他金属材料制成的线路系统。高强度的感应电荷会在这些金属网络中形成强大的瞬间高压电场,从而形成对用电设备的高压弧光放电,最终会导致电气设备烧毁。尤其对电子等弱电设备的破坏最为严重,如,家用电器的电视机、电脑、通信设备、办公设备等等。每年,被感应雷电击毁的用电设备事故达千万件以上。这种高压感应电也会对人身造成伤害。
说到雷,还有一个伟大政治家富兰克林,他是历史上第一个对静电研究的人,也是第一个把雷电当研究对象的人,并且发现了针尖避雷针。
富兰克林用莱顿瓶做的第一个重要实验是发现了正电和负电以及电荷守恒定律。他第一提出摩擦之所以起电,只能使电荷从一个物体转移到另一个物体,“电不因摩擦而生,只是从摩擦者转移到了玻璃棒,摩擦者失去的电与玻璃棒获得的电严格相同”也就是大家初中老师给你讲得摩擦起电的原因。
作为物理教师我最佩服是,他证明了雷电与摩擦电本质是一致的,从而彻底破除了人们对雷电的迷信。作为现在保护措施完备今天,我们依然人们都有一种恐惧的心里。由于雷电的破坏性大说“雷电”是“上帝之火”,富兰克林却不相信这种说法,一直在思考着雷电的电与摩擦电本质上是否一样,有什么区别。有一天为加大容量,将几只莱顿瓶并联起来作实验,当实验正在进行肘,他的夫人丽达进来观看,一不小心碰例了莱顿瓶,突然闪过一团电火,随着一声轰响,丽达被电击倒在地,不省人事,经抢救脱险,在家整整躺了一个星期。
这起事故给富兰克林留下了特别深刻的印象尤其是那伴随着轰鸣声的电火,使他联想起暴风雨中的雷电不也是电光闪闪,轰声隆隆吗?因此他觉得很有必要将雷电捉下来研究。于是在1752年7月一个雷雨天作了著名的费城实验,企图把天电捉下来看看。富兰克林用绸子作了一个大风筝,风答顶上安上一根尖细的铁丝,用来捉电,并用麻绳与这铁丝联起来,麻绳的末端拴了一根铜钥匙,钥匙塞在莱顿瓶中间。他和他的儿子一起将风筝放到天空中,这时一阵雷电打下来,富兰克林顿时感到一阵电麻,于是他起紧用丝绸手帕把手里的麻绳包起来,继续捉天电当他用另一只手去靠近系在麻绳上的铜钥匙,蓝白色的火花向他手上击来,这时麻绳上松散的毛毛头向四周竖立起来,天电终于捉下来了。富兰克林用这种方法使莱顿瓶充电,发现这种天电同样可以点燃酒精灯,也可以做用摩擦过的玻璃棒所做的其他许多电的实验,从而证明天电与地电的一致性。
弄清了雷电的本质后,富兰克林就提出了用避雷针来保护建筑物的建议,1754年首先在普兰梯兹城安装了避雷针。有人问他,你怎么想到尖端能削弱雷电?他回答:从各个方面看到雷电酷似静电放电如它们的颜色、扭扭曲曲的放电路径、声音、危害性等,把这两者统一起来是合情合理的,因此提出用一个矗立的尖端去吸引雷电的主张。现在已经完全有了他所说的避雷针。
那么雷电为什么不能直接利用呢?主要原因是放电过程中,释放出巨大功率的能量,放电时间短促,只有毫秒级,况且频率宽,从几K到几百M都有,同时电流陡度高,瞬间增加很大又瞬间减小。每次雷电性质参数都不同暂时还不能被人类直接利用,不过人类如果解决两个关键问题,第一电能快速存储,这也是电动汽车关键技术。第二就是大能量储存问题。笔者是一个太阳能技术铁杆粉丝,现在太阳能发电技术有两种,及时上网技术和电瓶存储技术。电瓶存储技术目前由于厂家技术保护,笔者的家庭太阳能发电主要问题就是没有大容量储存。
雷电虽然电压高,电流大,对人危险性大。但是雷电对自然作用不可忽视。雷电对大自然空气中的细菌有杀灭作用,还可以合成植物易吸收的氮肥,利于植物生长。
我们在生活中还是注意防雷,减少雷电对人的危害:
下雨防雷很重要,
避雷设施要牢靠。
远离金属空旷地,
手机电视关闭掉。