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电气漫谈 | 科学防雷的起源与发展
发布日期:
2022-08-09

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本杰明·富兰克林在雷电(Lightning闪电)方面的工作为他赢得了全世界的声誉和尊重。

     我们知道,雷电放电由带电的雷云引起,在特定的大气条件下,形成云间或对地的火花放电,

空气急剧膨胀振动发生轰鸣。对地放电的雷云大多数带负电,形成的雷电流也为负极性,

                                  负极性雷电流占90%左右。

     200年前,第一次雷电探索并不是家喻户晓的富兰克林风筝实验,而是不为人知的岗亭实验。


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1

岗亭实验

1752年5月10日,在法国国王路易十五的倡导下,托马斯·弗朗索瓦·狄阿里巴在巴黎附近的马利花园做了一次公开的科学实验。当天,正好有雷雨云经过,在一个干燥的岗亭内竖起一根长长的铁杆,铁杆与大地绝缘,站在地面的人用丝绸接触铁杆而出现电火花 (见图1)。实验证实了雷雨云有电气化的特性,表明闪电的本质是一种放电,实验证实了雷雨云有电气化的特性,这就是著名的岗亭实验。

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图1 岗亭试验

注:图中的“岗亭实验”于1752年发生在法国的马利花园,实验是基于本杰明·富兰克林的建议,用于验证雷雨云是否带电。图中出现了一段丝绸绳和瓶子(莱顿瓶),以及13m长并与大地绝缘的铁杆。人站在地上用丝绸接触铁杆而获得电火花,或者能为莱顿瓶充电。

岗亭实验是根据本杰明·富兰克林的论文《电的实验与观察》中的描述进行的实验,是人类历史上第一次对雷电的科学探索。这个结论在十八世纪中期一度耸人听闻,然而,很快得到欧洲其他相关实验证实。



2

防雷应用

不久以后,1752年6月,富兰克林在风筝上挂一串钥匙成功地进行了另一个实验,就是所谓的风筝试验。风筝试验的过程被写入一封信中,传播开来,但并没有其他目击者。富兰克林在注意到雷电放电和电火花之间的显著相似之后,发明了避雷针,此后,利用避雷针(即接闪杆)保护建筑物开始应用起来,见图2。1753年,富兰克林发明了一种防雷方法:将一个长铁杆固定在房屋上,铁杆一端安装在潮湿的地面上1m处,另一端在建筑的最高部位上方1.8~2.4m。在杆的上部0.3m镀了黄铜,端部磨得尖锐。如果房子很长,可能两端各设一个长铁杆,屋脊上再设一根连接电线。这样能保证房子不被雷击,闪电会通过金属进入地面而不会造成伤害。类似地,在船的桅杆顶部设一根尖的铁杆,用一根铁丝绕着帆布引到周围的水里,也能避免雷击。

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图2 一座十八世纪的房子,带有富兰克林1762年设计的避雷针

富兰克林认为,一个高的导体能为闪电提供接闪机会,而接地的导体会为闪电电流流入地面提供一个安全的路径,见图3。

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图3 费城的独立大厅

(修复过程中,在塔楼西北角的内墙上发现原始接地导体)



3

讨论


01

富兰克林在防雷方面的贡献具有开创性,他认为,高的绝缘棒可以用来确定雷云是否带电,而接地可以防止闪电造成伤害。

02

富兰克林通过观察和研究认为,“雷雨云最常见的是负极性,有时也有正极性”。所有的放电都从正到负,他得出结论,雷击大部分情况是雷云到大地,而不是大地到雷云。但是,无论电流的方向如何,雷击的影响几乎相同。这比现代的研究成果早了170年。

03

富兰克林的防雷系统有三个关键因素:金属棒、屋顶水平导线(现在称为接闪杆和接闪带)、垂直引下导线(即引下线)与大地(接地体)连接。富兰克林认为闪电击中高的金属棒可以提供保护,接地能提高放电效果。富兰克林还建议,接地棒要涂漆,以减少锈蚀。这些研究比现在的防雷标准早200多年。

04

富兰克林还提出了一些实际经验,如,雷雨时应避免在孤立的树下躲雨,而蹲在开阔的田野相对安全;雷雨期间,人在户外衣服变湿也会提供一条雷电传导路径。



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