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避雷针原理
日期：2005-12-29 18:08 点击：125
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【实验目的】
尖端放电原理的应用.
【实验原理】
带电导体的外表面是等势面，曲率半径小的地方电荷密度大。由于导体尖端的曲率半径极小，因而电荷密度极大，而导体表面外侧邻域内的电场与导体的电荷密度成正比，所以尖端邻域有极强的电场。当电场强到使空气击穿时，就产生了尖端放电，导体上的电荷就不再更多的积累，而是导体上的电荷会不断流失。若在建筑物上安装这种导体尖端，则在雷雨季节可使建筑物上不致积累过多的电荷而遭雷击，装在建筑物顶上防止雷击的导体尖端就是避雷针。
【实验操作与现象】
1.将绝缘支架上的两个金属圆板与静电高压电源输出端的两极相接。在下板上放一个上部呈球状的铜块,调节板距,使球顶距上板1厘米左右。2.开启高压电源,当极板间电压超过10千伏时,铜球与上板间形成火花放电。
3.放电后,极板间电压消失,复又被加高压电。上述过程重复出现,在球与上板之间形成断续火花放电,可听到噼啪声，并看到跳跃的火花。
4.用带绝缘柄的电工钳将一个顶端呈圆锥状的铜块放在圆板上(为了比较,这个铜块与前述铜块等高)。上述火花放电现象立即停止,但可听到丝丝的电晕放电声。 这是由于第二个铜块的尖端附近形成的强电场,使空气分子电离,致使极板经常处于连续的电晕放电状态, 即所谓尖端放电现象。尖端放电的结果,使极板间的电压不能达到火花放电的数值,因此火花放电停止。避雷针就是利用尖端放电来避免强烈火花放电的原理制成的。
提前放电避雷针的工作原理
提前放电避雷针的工作原理就是产生一个比普通避雷针更加快的上行先导。 此描述基于负极性下行放电的情况下，此类放电形式最具有普遍性。
避雷针的历史
雷电是地球上最常见的一种自然现象。整个地球表面平均每秒钟有100多次闪电。闪电的中心温度可以高达17000～25000℃，并在1‰到1/10秒之内释放出几百万至上亿焦耳的能量……一次长距离的闪电要经历50次左右的转折才落到地面上，在空中留下了一条蜿蜒曲折的轨迹。闪电时电流的颠值可以达一万安培，给地球带来5库仑电量。闪电的形状有树枝状、条状、片状、串珠状和球状。其中以罕见的球状闪电最引起科学家们的兴趣。19世纪有人做过1000多次闪电观测纪录。颜色各种各样，最常见的是红、橙、黄三种。移动速度比较慢，存在的时间在1到5秒之间。火球在消失的时候会发生猛烈的爆炸，具有很大的破坏力。1989年8月15日我国青岛黄岛油库就由于球状闪电的袭击引起储油罐大爆炸。美国科学家在北美大草原陨石观测网观测了12万张闪电照片后认为球状闪电是从普通闪电的末端分离出来的，球状闪电是“被激发的亚稳定态分子和等离子体的凝结块”。
避雷针的发明迄今已有240多年的历史了，由于它的保护使万千幢高楼大厦摆脱了雷电的威胁，为人类的文明和繁荣作出了贡献。后来英王乔治三世命令英国使用顶部为球状的避雷针，法国人则把避雷针的头部制成圆锥形。而美国则一直坚持使用富氏尖头避雷针。据《纽约时报》报道，今天美国使用的新型避雷针外形像鸡毛掸子，顶端引出2000条细细的导线，导线呈辐射状，它可以驱散聚集在建筑物周围的静电荷，有很强的避免形成闪电的能力。我国解广润教授发明的半导器消雷器也是一种新型的避雷装置。
我们聪明的祖先远在西方之前就发明了避雷装置，并在实践中应用。据《后汉书》记载，一次当时的重要宫殿未央宫和柏梁台遭雷电袭击发生火灾不久，就有一位名叫“勇之”的方士向汉武帝建议，在宫殿的屋脊上安装“鸱鱼”来防止灾难。此后两千年来，我国古建筑的屋脊上大多安装了这一类金属瓦饰，有的是龙、有的是飞鱼和雄鸡。尽管没有引导线与地面连接，但大雨淋湿的屋檐和墙壁，自然起到了接地的作用。由于这类瓦饰高于建筑物之上，即使是猛烈的落地雷，也通常只是击毁了瓦饰而保全了建筑物主体。
大约在三国时期，工匠们已经意识到接地的重要，他们在建造远远高于一般建筑的古塔时，顶部安装了钢铁制造的“葫芦串”，自然着眼于避雷的目的。而且还把它与涂了金属粉末容易导电的塔心柱连接起来，柱的下端又设置了贮藏金属的龙窟，组成了一套十分完整的避雷装置。如江苏省高淳县的保圣寺塔始建于公元229年的三国时期，塔高31.5米，远远高于周围的建筑群，由于塔顶安装了4米高的铁制古刹，由覆钵、相轮和宝葫芦等部分组成，至今历经千年风雨而从未遭雷击。明代，由金属杆、接地线组成的完整的避雷装置也出现了。1688年西方传教士马卡连来华，在《中国札记》上写道：“中国有些建筑物的屋顶上有一种叫做龙的装饰物，它头部仰向天空，张着嘴。这些怪物向上伸出的舌头是根尖端的金属芯子，另一端和埋在地下的金属相接，能让雷电跑到地面去而不伤害建筑物。”就按这位西方人的记载来算，也要比富兰克林早了70余年！
避雷针的构造特点
常规避雷装置及其发展
1750年，富兰克林提出以针尖放出电荷缓慢中和雷云中的电荷的避雷针用来防雷。后来的实践证明，它不能“避雷”，而是将雷引向自身来保护其周围的设备。随后俄国罗蒙诺索夫在重复了富兰克林的著名风筝试验（他的朋友利赫曼和他一起试验，因被引下的直击闪电击中而牺牲）之后，于1753年发表的论文（关于因电力而产生的大气现象的发言）中也对此作了重要论证。一个鲜为人知的重要事实是，富兰克林发表避雷针理论之后不久，法国一位工程师即按其理论建立一个避雷针，并且很快发生一次接闪。这是人类首次主动设法改变雷闪途径，也是直击雷可以防护的证明。这位法国工程师作为一个正直的科学家，当即高兴地报告了富兰克林避雷针的引雷成功。
避雷针的实际应用，必须解决的是它的保护范围问题。这是在试验室和实际应用中多年逐步定量化的，而且其精确性已基本满足了工程设计的需要。正是各国高压输电和电力系统的发展推动了这一科研工作的前进。
1925-1926年，Peek第一个在实验室内利用冲击电压发生器造成“人工雷”对避雷针模型放电，研究保护范围—保护系数与雷云高度对针高之比（H/h）的关系,并研究了雷云极性对保护系数的影响。1930-1934年，各国开始广泛利用避雷针保护发电厂和变电所。当时230KV电网已经出现多年，287KV超高压电网正在建设中。如美国煤气和电力公司(AGE)1934年开始用避雷针、避雷线保护变电所,避雷线的保护范围是这样确定的:当架构强度足够时,每保护水平距离0.45m,避雷线悬挂高度要抬高0.3m;架构强度受限制时，每保护水平距离0.6m，要抬高0.3m。这分别相当于保护角56°和64°。这与日本60年代末的防雷规范60°相近。到60年代初（1963年Davis）、70年代初美、英等国对保护输电线路的避雷线的保护范围陆续提出击距理论，即考虑雷电流辐值的大小来选定保护范围。我国高电压工作者（朱木美教授指导王小瑜同志）在职1962~1964年研究输电线路防雷时也提出了类似方法。至于用来保护发电厂和变电所，我国50年代因担心避雷线断线会波及全厂和全变电所而只采用避雷针。到70年代中期，才明确避雷线可用于发电厂和变电所的保护。
避雷针的发明者——富兰克林
1749年，波尔多科学院悬赏征求这样一个问题的答案：“在电和雷之间有什么类似之处？”一个叫巴巴雷特的医生在论文中宣称：电跟雷是一回事。他的论文因此而中奖。
在美国的费城，有一位叫富兰克林的科学家，有一天他做了一个轰动世界的实验。
他用丝绸做了一个大风筝，在风筝的顶端绑了一根尖细的铁丝，铁丝连着放风筝的线，线的另一端系上绸带，在绸带和线之间挂了一把钥匙。当外面下起大雨，雷电交加的时候，富兰克林放起了风筝。突然一个闪电打到了风筝上，电通过铁丝一直传到了钥匙上，这时，富兰克林有了一个想法：既然电能沿着风筝的线慢慢走下来，那能不能在高楼上给电搭一个梯子，让电乖乖地走下来呢？这样，建筑物就不会被高楼击坏了。
他先在自己家做实验：在屋顶的烟囱上安装了一根三米长的尖顶细铁棒，在细铁棒的下端绑上金属线，沿着楼梯把金属线引导楼底的水泵上。将经过房间的那段金属丝分成两段，各挂一个小铃，当雷电从细铁棒进入，两股线受力，小铃就会摇晃发出响声。
一天，暴风雨来了，在雷声、雨声的“伴奏”下，守侯在小铃旁的富兰克林听到一个小铃发出清脆悦耳的声音，他高兴地笑了。富兰克林把那根细铁棒称做“避雷针”。
避雷针的发明引起了教会的反对，他们认为：装在屋顶的尖杆指向天空是对上帝的不敬，是要受到上帝惩罚的。然而，有一次在一场雷雨后，教堂着火了，而装有避雷针的房屋却平安无事，于是避雷针很快就被人们接受了。现在，高楼上都装了避雷针。
在进行风筝实验之后的当年，富兰克林就发明了避雷针。其办法是：在建筑物的最高处立上一根2米至3米高的金属杆，用金属线使它和地面相连接，等到雷雨天气，雷电驯服地沿着金属线流向地下，建筑物就不会遭雷电了。
富兰克林为了推广避雷针的使用，专门写了《怎样使房屋等免遭雷电的袭击》的文章。文章发表后，美国的各个城市马上就开始安装避雷针。但这却遭到教士们的反对，他们说雷电是上帝的震怒。避雷针在法国也受到了强烈反对。圣奥梅尔的居民对当地安装了避雷装置的人提出控告，他们害怕惩罚这种亵渎行为。
避雷针是早期电学研究中的第一项具有重大应用价值的技术成果，它不仅使人类免受“雷公”肆虐之苦，而且也使雷电和上帝脱离了关系。
芝华塔尼欧的少年
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避雷针原理
在雷雨天气，我们有时会—看到一些些参天大树被雷电击倒，而周围的一些高塔、高楼等高层建筑却安然无恙．这是什么原因呢?
这些参天大树由于受到带大量电荷的云层的感应，也带上大量电荷，积累的电荷过多时，树就被击倒．
在同样倩况下，高层建筑安然无恙恐怕要归功于避雷针了．在许多高塔上都有于个金属做的、状如绣花针、针头向上直立的东西，这就是避雷针．
那么，这状如绣花针、貌不惊人的东西为什么会有这么大的作用，能“避雷”呢?
其实，避雷针应叫“引雷针”才合适．
在雷雨天气，高楼上空出现带电云层时，迅雷针和高楼顶部都被感应上大量电荷，由于避雷针针头是尖的，而静电感应时，导体尖端总是聚集了最多的电荷．这样，避雷针就聚集了大部分电荷．避雷针又与这些带电云层形成了一个电容器，由于它较尖，即这个电容器的两极板正对面积很小，电容也就很小，也就是说它所能容纳的电荷很少．而它又聚集了大部分电荷，所以，当云层上电荷较多时，避雷针与云层之间的空气就很容易被击穿，成为导体．这样，带电云层与避雷针形成通路，而避雷针又是接地的．避雷针就可以把云层上的电荷导人大地，使其不对高层建筑构成危险，保证了它的安全．
北有云溪 -
在雷雨天气，高楼上空出现带电云层时，迅雷针和高楼
顶部都被感应上大量电荷，由于避雷针针头是尖的，而静电感应时，导体尖端总是聚集了最多的电荷。这样，避雷针就聚集了大部分电荷。避雷针又与这些带电云层形成了一个电容器，由于它较尖，即这个电容器的两极板正对面积很小，电容也就很小，也就是说它所能容纳的电荷很少。而它又聚集了大部分电荷，所以，当云层上电荷较多时，避雷针与云层之间的空气就很容易被击穿，成为导体。这样，带电云层与避雷针形成通路，而避雷针又是接地的。避雷针就可以把云层上的电荷导人大地，使其不对高层建筑构成危险，保证了它的安全。
臭打游戏的长毛
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避雷针的原理是金属导电啊，用金属把高空中的电导入地下，用来保护建筑物的安全
北境漫步 -
利用尖端放电原理。避雷针是尖的，电子在尖端聚集，与云层发生放电，将空气击穿，使空气导电，从而将电引入地下。
CPS小天才 -
避雷针实际上是引雷针，一个天线连接地面
如果有雷在避雷针附近
正好接触在上面
从而传到地上
瑞瑞爱吃桃 -
避雷针的原理是经过经过避雷针引入地面
陶小凡 -
避雷针的放电原理是电磁感应。消雷器是尖端放电原理。
安徽路人假 -
接地，使形成电流通路，电流回归大地
西柚不是西游 -
尖端放电