雷电的基本知识.ppt
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1、研究的基本问题研究的基本问题u雷电的形成及种类雷电的形成及种类u雷电的益处,如何利用雷电雷电的益处,如何利用雷电u雷电的危害雷电的危害u雷电的防御及救治措施雷电的防御及救治措施 雷电中的物理知识雷电中的物理知识-知雷电用雷电防雷电知雷电用雷电防雷电雷电的形成雷电的形成n n雷电是人们熟知的一种自然现象,雷鸣雷电是人们熟知的一种自然现象,雷鸣闪电,可怕而又宏伟壮观。过去,人们闪电,可怕而又宏伟壮观。过去,人们解释不了这种现象,把雷电当神来崇拜,解释不了这种现象,把雷电当神来崇拜,大家熟悉的大家熟悉的西游记西游记中就有雷公、电中就有雷公、电母等神话形象母等神话形象,令人敬畏。一些生命起源令人敬畏。
2、一些生命起源学说认为,是雷电孕育了地球现在的繁学说认为,是雷电孕育了地球现在的繁荣和文明。荣和文明。中国古代对雷电的认识中国古代对雷电的认识1、东汉哲学家王充(、东汉哲学家王充(2797年)年)2、北宋科学家沈括(、北宋科学家沈括(10311095)3、明代科学家方以智(、明代科学家方以智(16111671)对雷电现象作了忠实客观记述,反对以鬼神对雷电现象作了忠实客观记述,反对以鬼神来说明雷电及其灾害。在这一千多年历史中,对来说明雷电及其灾害。在这一千多年历史中,对雷电的认识没有什么大的变化。早于欧美逾千年雷电的认识没有什么大的变化。早于欧美逾千年以上,而研究并明了其以上,而研究并明了其本质却
3、又晚于欧美百余年。本质却又晚于欧美百余年。这一现象在其他自然科学领域也存在。中国本是这一现象在其他自然科学领域也存在。中国本是文明古国,而近百年来累遭列强侵略,科学技术文明古国,而近百年来累遭列强侵略,科学技术落后甚多,思索其原因是非常必要的。落后甚多,思索其原因是非常必要的。王王充充在在论论衡衡中中对对雷雷电电就就作作过过如如下下描描述述:“雷雷者者火火也也。以以人人中中雷雷而而死死,即即询询其其身身,中中火火则则须须发发烧烧憔憔。中中身身则则皮皮肤肤灼灼嘻嘻,临临其其尸尸上上闻闻火火气气,一一验验也也。道道术术之之家家,以以为为雷雷烧烧石石色色赤赤,投投于于井井中中,石石憔憔井井寒寒,激激
4、声声大大鸣鸣,若若雷雷之之状状,二二验验也也。人人伤伤于于寒寒,寒寒气气入入腹腹,腹腹中中素素暖暖,温温寒寒分分争争,激激气气雷雷鸣鸣,三三验验也也。当当雷雷之之时时,电电光光时时见见,大大若若火火之之摧摧,四四验验也也。当当雷雷之之击击,时时或或播播人人室室屋屋及及地地草草木木,五五验验也也。夫夫论论雷雷之之为为火火有有五五验验,言言雷雷为为天天怒怒无无一一效。效。沈沈括括著著塔塔梦梦溪溪笔笔谈谈描描述述更更详详:“内内侍侍李李舜舜举举家家曾曾为为雷雷暴暴所所震震。其其堂堂之之西西屋屋,雷雷火火自自窗窗间间出出,赫赫然然出出槽槽。人人以以为为堂堂屋屋已已焚焚,皆皆出出避避之之。及及雷雷止止,
5、其其舍舍宛宛然然,墙墙壁壁窗窗纸纸皆皆黔黔。有有一一木木格格,其其中中杂杂贮贮诸诸器器,其其漆漆器器银银扣扣者者,银银悉悉熔熔流流在在地地,漆漆器器皆皆不不焦焦灼灼。有有一一宝宝刀刀,极极坚坚钢钢,就就刀刀室室中中熔熔为为汁汁,而而室室亦亦俨俨然然。人人必必谓谓火火当当先先焚焚草草木木,然然后后流流金金石石.今今乃乃金金石石皆皆拣拣而而草草木木无无一一毁毁者者,非非人人情情所所测测也也。佛佛书书言言,龙龙火火得得水水而而炽炽,人人火火得得水水而而灭灭夕夕,此此理理信然。信然。”方方以以智智进进一一步步概概括括之之:“雷雷火火所所及及,金金石石销销熔熔而而漆漆器器不不坏坏。”1 1、1616世纪
6、世纪世纪世纪近代科学先驱英国弗兰西斯近代科学先驱英国弗兰西斯近代科学先驱英国弗兰西斯近代科学先驱英国弗兰西斯.培根(培根(培根(培根(1561162615611626)法国勒内法国勒内法国勒内法国勒内.笛卡儿(笛卡儿(笛卡儿(笛卡儿(1596165015961650)意大利伽利略(意大利伽利略(意大利伽利略(意大利伽利略(1564164215641642)1)1)、把科学实验提到了很重要的地位。、把科学实验提到了很重要的地位。、把科学实验提到了很重要的地位。、把科学实验提到了很重要的地位。2)2)、正确的科学思想和科学方法,对当时及后人产生重、正确的科学思想和科学方法,对当时及后人产生重、正确
7、的科学思想和科学方法,对当时及后人产生重、正确的科学思想和科学方法,对当时及后人产生重大作用。大作用。大作用。大作用。2 2、1818世纪世纪世纪世纪英国伦敦皇家学会馆长的豪克斯比,英国伦敦皇家学会馆长的豪克斯比,英国伦敦皇家学会馆长的豪克斯比,英国伦敦皇家学会馆长的豪克斯比,17061706年用玻璃年用玻璃年用玻璃年用玻璃棒摩擦起电,发现静电放电产生的闪光与闪电很相似。棒摩擦起电,发现静电放电产生的闪光与闪电很相似。棒摩擦起电,发现静电放电产生的闪光与闪电很相似。棒摩擦起电,发现静电放电产生的闪光与闪电很相似。英国华尔英国华尔英国华尔英国华尔19071907年用琥珀摩擦起电,发现放电不仅产年
8、用琥珀摩擦起电,发现放电不仅产年用琥珀摩擦起电,发现放电不仅产年用琥珀摩擦起电,发现放电不仅产生闪光,而且产生类似雷鸣的响应。把实验室中的电和生闪光,而且产生类似雷鸣的响应。把实验室中的电和生闪光,而且产生类似雷鸣的响应。把实验室中的电和生闪光,而且产生类似雷鸣的响应。把实验室中的电和自然界的闪电联系起来,即科学猜想。自然界的闪电联系起来,即科学猜想。自然界的闪电联系起来,即科学猜想。自然界的闪电联系起来,即科学猜想。欧美雷电科学建立欧美雷电科学建立3 3、美国科学家富兰克林(、美国科学家富兰克林(、美国科学家富兰克林(、美国科学家富兰克林(1 170617907061790),以科学),以科
9、学),以科学),以科学的理性思维探索了雷电的本质。将云中的闪电的理性思维探索了雷电的本质。将云中的闪电的理性思维探索了雷电的本质。将云中的闪电的理性思维探索了雷电的本质。将云中的闪电引到地面来作实验鉴定。是雷电科学发展史上引到地面来作实验鉴定。是雷电科学发展史上引到地面来作实验鉴定。是雷电科学发展史上引到地面来作实验鉴定。是雷电科学发展史上关键的一步。解决了雷的定性认识。关键的一步。解决了雷的定性认识。关键的一步。解决了雷的定性认识。关键的一步。解决了雷的定性认识。1751年富兰克林著作电的实验与观察,指出:“关于尖端的功能的知识,可以为人们利用来保护房屋、教堂、船等避免闪电袭击,其方法是在这
10、些物体的最高顶上固定一支更高的镀金的磨尖铁棒,在其下端接一导线挂在建筑物外通到地下,对于船则是通到水中。”这张图形象地表明本杰明富兰克林著名的闪电实验,他于1752年发现闪电带电。富兰克林把一个金属钥匙绑住风筝线端,在雷雨天把风筝放到天上去。很幸运他没有被电击。避雷针防雷法,亦称富兰克林法。这是一种最古老、最传统的防雷方法。n n雷电是一种大气中放电现象,产生于积雨云中。雷电是一种大气中放电现象,产生于积雨云中。雷电是一种大气中放电现象,产生于积雨云中。雷电是一种大气中放电现象,产生于积雨云中。积雨云是一种在强烈垂直对流过程中形成的云,积雨云是一种在强烈垂直对流过程中形成的云,积雨云是一种在强
11、烈垂直对流过程中形成的云,积雨云是一种在强烈垂直对流过程中形成的云,由于地面吸收太阳的辐射热量大于空气层,因由于地面吸收太阳的辐射热量大于空气层,因由于地面吸收太阳的辐射热量大于空气层,因由于地面吸收太阳的辐射热量大于空气层,因此白天地面升温较多,特别是夏季。近地面的此白天地面升温较多,特别是夏季。近地面的此白天地面升温较多,特别是夏季。近地面的此白天地面升温较多,特别是夏季。近地面的大气温度也跟着升高,气体随着温度的升高体大气温度也跟着升高,气体随着温度的升高体大气温度也跟着升高,气体随着温度的升高体大气温度也跟着升高,气体随着温度的升高体积增大,开始上升,同时密度减小,压强也随积增大,开始
12、上升,同时密度减小,压强也随积增大,开始上升,同时密度减小,压强也随积增大,开始上升,同时密度减小,压强也随着降低,就会和上方的空气层发生对流。热气着降低,就会和上方的空气层发生对流。热气着降低,就会和上方的空气层发生对流。热气着降低,就会和上方的空气层发生对流。热气流在上升过程中膨胀降压,同时与高空低温空流在上升过程中膨胀降压,同时与高空低温空流在上升过程中膨胀降压,同时与高空低温空流在上升过程中膨胀降压,同时与高空低温空气进行热交换,于是上升气流携带的大量水蒸气进行热交换,于是上升气流携带的大量水蒸气进行热交换,于是上升气流携带的大量水蒸气进行热交换,于是上升气流携带的大量水蒸气凝结成细小
13、水滴,就形成了云,并随着高度气凝结成细小水滴,就形成了云,并随着高度气凝结成细小水滴,就形成了云,并随着高度气凝结成细小水滴,就形成了云,并随着高度上升进一步冷却成冰晶。在大气电场以及温差上升进一步冷却成冰晶。在大气电场以及温差上升进一步冷却成冰晶。在大气电场以及温差上升进一步冷却成冰晶。在大气电场以及温差起电效应、破碎起电效应等各种机制同时作用起电效应、破碎起电效应等各种机制同时作用起电效应、破碎起电效应等各种机制同时作用起电效应、破碎起电效应等各种机制同时作用下,进行着水滴中电荷分离的复杂过程,形成下,进行着水滴中电荷分离的复杂过程,形成下,进行着水滴中电荷分离的复杂过程,形成下,进行着水
14、滴中电荷分离的复杂过程,形成带电荷的雷云。带电荷的雷云。带电荷的雷云。带电荷的雷云。n n雷云在运动中产生分层电荷。当此雷云在天空雷云在运动中产生分层电荷。当此雷云在天空雷云在运动中产生分层电荷。当此雷云在天空雷云在运动中产生分层电荷。当此雷云在天空移动时,它拖着一个相反极性电荷的阴影在地移动时,它拖着一个相反极性电荷的阴影在地移动时,它拖着一个相反极性电荷的阴影在地移动时,它拖着一个相反极性电荷的阴影在地表移动,我们称其为地电荷。当地电荷到达构表移动,我们称其为地电荷。当地电荷到达构表移动,我们称其为地电荷。当地电荷到达构表移动,我们称其为地电荷。当地电荷到达构筑物,筑物,筑物,筑物,雷云电
15、荷吸引地电荷上升到构筑物最顶雷云电荷吸引地电荷上升到构筑物最顶雷云电荷吸引地电荷上升到构筑物最顶雷云电荷吸引地电荷上升到构筑物最顶端,然后再跨越结构水平散布。使地面和雷云端,然后再跨越结构水平散布。使地面和雷云端,然后再跨越结构水平散布。使地面和雷云端,然后再跨越结构水平散布。使地面和雷云间形成强大的电场。使两种电荷保持分离的是间形成强大的电场。使两种电荷保持分离的是间形成强大的电场。使两种电荷保持分离的是间形成强大的电场。使两种电荷保持分离的是中间空气的绝缘。当云中某处积聚的电荷密度中间空气的绝缘。当云中某处积聚的电荷密度中间空气的绝缘。当云中某处积聚的电荷密度中间空气的绝缘。当云中某处积聚
16、的电荷密度很大,激发的电场强度达到很大,激发的电场强度达到很大,激发的电场强度达到很大,激发的电场强度达到 25-30KV/cm25-30KV/cm时,时,时,时,从云分支向下进行步进式放电,称为下行先导从云分支向下进行步进式放电,称为下行先导从云分支向下进行步进式放电,称为下行先导从云分支向下进行步进式放电,称为下行先导放电。这个先导逐渐接近地面,达到一定距离放电。这个先导逐渐接近地面,达到一定距离放电。这个先导逐渐接近地面,达到一定距离放电。这个先导逐渐接近地面,达到一定距离时,地面物体在强电场作用下产生尖端放电,时,地面物体在强电场作用下产生尖端放电,时,地面物体在强电场作用下产生尖端放
17、电,时,地面物体在强电场作用下产生尖端放电,向上迎着步进先导发射电子流,成为上行先导向上迎着步进先导发射电子流,成为上行先导向上迎着步进先导发射电子流,成为上行先导向上迎着步进先导发射电子流,成为上行先导放电。放电。放电。放电。n n当上行先导与下行先导接通时,此离子化通道当上行先导与下行先导接通时,此离子化通道当上行先导与下行先导接通时,此离子化通道当上行先导与下行先导接通时,此离子化通道变为主雷击通道。主放电会有很大的雷电流变为主雷击通道。主放电会有很大的雷电流变为主雷击通道。主放电会有很大的雷电流变为主雷击通道。主放电会有很大的雷电流(一般为几十千安至几百千安),并伴随强烈(一般为几十千
18、安至几百千安),并伴随强烈(一般为几十千安至几百千安),并伴随强烈(一般为几十千安至几百千安),并伴随强烈的闪光和雷声。这种雷云对大地的放电,常被的闪光和雷声。这种雷云对大地的放电,常被的闪光和雷声。这种雷云对大地的放电,常被的闪光和雷声。这种雷云对大地的放电,常被称为直击雷。这种雷击破坏力极大,产生电效称为直击雷。这种雷击破坏力极大,产生电效称为直击雷。这种雷击破坏力极大,产生电效称为直击雷。这种雷击破坏力极大,产生电效应、热效应和机械力,会造成极大的危害。应、热效应和机械力,会造成极大的危害。应、热效应和机械力,会造成极大的危害。应、热效应和机械力,会造成极大的危害。n n美国国家气象局的
19、内泽特美国国家气象局的内泽特美国国家气象局的内泽特美国国家气象局的内泽特 赖德尔认为:每当暴赖德尔认为:每当暴赖德尔认为:每当暴赖德尔认为:每当暴风雨来临,雨点即能获得额外的电子。电子是风雨来临,雨点即能获得额外的电子。电子是风雨来临,雨点即能获得额外的电子。电子是风雨来临,雨点即能获得额外的电子。电子是带负电的,这些电子会追寻地面上的正电荷。带负电的,这些电子会追寻地面上的正电荷。带负电的,这些电子会追寻地面上的正电荷。带负电的,这些电子会追寻地面上的正电荷。额外的电子流出云层后又碰撞到了别的电子,额外的电子流出云层后又碰撞到了别的电子,额外的电子流出云层后又碰撞到了别的电子,额外的电子流出
20、云层后又碰撞到了别的电子,使别的电子也变成游离电子,因而产生了传导使别的电子也变成游离电子,因而产生了传导使别的电子也变成游离电子,因而产生了传导使别的电子也变成游离电子,因而产生了传导性轨迹。传导的轨迹会在空气中散布着的不规性轨迹。传导的轨迹会在空气中散布着的不规性轨迹。传导的轨迹会在空气中散布着的不规性轨迹。传导的轨迹会在空气中散布着的不规则形状的带电离子群中间跳跃着迂回延伸,而则形状的带电离子群中间跳跃着迂回延伸,而则形状的带电离子群中间跳跃着迂回延伸,而则形状的带电离子群中间跳跃着迂回延伸,而一般不会是直线。于是在到达地面与正电荷接一般不会是直线。于是在到达地面与正电荷接一般不会是直线
21、。于是在到达地面与正电荷接一般不会是直线。于是在到达地面与正电荷接触之前,闪电的轨迹总是蜿蜒曲折的。触之前,闪电的轨迹总是蜿蜒曲折的。触之前,闪电的轨迹总是蜿蜒曲折的。触之前,闪电的轨迹总是蜿蜒曲折的。雷电的种类雷电的种类n n(1 1)直击雷)直击雷n n直击雷是云层与地面凸出物之间的放电形成的。直击雷是云层与地面凸出物之间的放电形成的。直击雷可在瞬间击伤击毙人畜。巨大的雷电流直击雷可在瞬间击伤击毙人畜。巨大的雷电流流入地下,令在雷击点及其连接的金属部分产流入地下,令在雷击点及其连接的金属部分产生极高的对地电压,可能直接导致接触电压或生极高的对地电压,可能直接导致接触电压或跨步电压的触电事故
22、。跨步电压的触电事故。n n直击雷有两种:直击雷有两种:n n1.1.云地雷。带电积云团与地面突起物因带电性云地雷。带电积云团与地面突起物因带电性质不同,而在两者间形成的高强电场击穿空气质不同,而在两者间形成的高强电场击穿空气时,通过突起物直接对大地的放电现象。时,通过突起物直接对大地的放电现象。n n2.2.云间雷。两个带电积云团因带电性质不同,云间雷。两个带电积云团因带电性质不同,而在两者间形成的高强电场击穿空气时,两云而在两者间形成的高强电场击穿空气时,两云团间的直接放电现象。团间的直接放电现象。n n(2 2)球形雷)球形雷n n 球形雷又称滚地雷,是雷电放电时形成的散球形雷又称滚地雷
23、,是雷电放电时形成的散发着红光、橙光、白光或其它颜色的火球。从发着红光、橙光、白光或其它颜色的火球。从电学角度考虑,球形雷应当是一团处在特殊状电学角度考虑,球形雷应当是一团处在特殊状态下的高温带电气体。态下的高温带电气体。n n气象专家介绍,突发雷雨天气时,带电云层离气象专家介绍,突发雷雨天气时,带电云层离地面很近,地面又有一些突出物体产生感应电地面很近,地面又有一些突出物体产生感应电荷,两者之间形成放电,因此形成了滚地雷。荷,两者之间形成放电,因此形成了滚地雷。滚地雷容易对地面上的人员和物品造成电击伤滚地雷容易对地面上的人员和物品造成电击伤害。害。n n(3 3)雷电感应,也称感应雷)雷电感
24、应,也称感应雷n n雷电感应分为静电感应和电磁感应两种。雷电感应分为静电感应和电磁感应两种。n n静电感应是由于雷云接近地面,在地面凸出物静电感应是由于雷云接近地面,在地面凸出物顶部感应出大量异性电荷所致。雷云与其他部顶部感应出大量异性电荷所致。雷云与其他部位放电后,凸出物顶部的电荷失去束缚,以雷位放电后,凸出物顶部的电荷失去束缚,以雷电波形式,沿突出物极快地传播。电波形式,沿突出物极快地传播。n n电磁感应是由于雷击后,巨大雷电流在周围空电磁感应是由于雷击后,巨大雷电流在周围空间产生迅速变化的强大磁场所致。这种磁场能间产生迅速变化的强大磁场所致。这种磁场能在附近的金属导体上感应出很高的电压,
25、造成在附近的金属导体上感应出很高的电压,造成对人体的二次放电,从而损坏电气设备。对人体的二次放电,从而损坏电气设备。n n(4)雷电侵入波n n雷电冲击波是由于雷击而在架空线路上或空中金属管道上产生的冲击电压沿线或管道迅速传播的雷电波。其传播速度为3108m/s。雷电可毁坏电气设备的绝缘,使高压窜入低压,造成严重的触电事故。例如,雷雨天,室内电气设备突然爆炸起火或损坏,人在屋内使用电器或打电话时突然遭电击身亡都属于这类事故。雷电的益处雷电的益处n n(1 1)雷电可以制造零成本的优质氮肥。)雷电可以制造零成本的优质氮肥。n n雷电离不开闪电,闪电的温度一般在雷电离不开闪电,闪电的温度一般在3
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