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    電氣漫談 | 科學防雷的起源與發展
    發布日期:
    2022-08-09

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    本杰明·富蘭克林在雷電(Lightning閃電)方面的工作為他贏得了全世界的聲譽和尊重。

    ? ? ?我們知道,雷電放電由帶電的雷云引起,在特定的大氣條件下,形成云間或對地的火花放電,

    空氣急劇膨脹振動發生轟鳴。對地放電的雷云大多數帶負電,形成的雷電流也為負極性,

    ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ??? ? ? ? ? 負極性雷電流占90%左右。

    ? ? ?200年前,第一次雷電探索并不是家喻戶曉的富蘭克林風箏實驗,而是不為人知的崗亭實驗。


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    1

    崗亭實驗

    1752年5月10日,在法國國王路易十五的倡導下,托馬斯·弗朗索瓦·狄阿里巴在巴黎附近的馬利花園做了一次公開的科學實驗。當天,正好有雷雨云經過,在一個干燥的崗亭內豎起一根長長的鐵桿,鐵桿與大地絕緣,站在地面的人用絲綢接觸鐵桿而出現電火花 (見圖1)。實驗證實了雷雨云有電氣化的特性,表明閃電的本質是一種放電,實驗證實了雷雨云有電氣化的特性,這就是著名的崗亭實驗。

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    圖1 崗亭試驗

    注:圖中的“崗亭實驗”于1752年發生在法國的馬利花園,實驗是基于本杰明·富蘭克林的建議,用于驗證雷雨云是否帶電。圖中出現了一段絲綢繩和瓶子(萊頓瓶),以及13m長并與大地絕緣的鐵桿。人站在地上用絲綢接觸鐵桿而獲得電火花,或者能為萊頓瓶充電。

    崗亭實驗是根據本杰明·富蘭克林的論文《電的實驗與觀察》中的描述進行的實驗,是人類歷史上第一次對雷電的科學探索。這個結論在十八世紀中期一度聳人聽聞,然而,很快得到歐洲其他相關實驗證實。



    2

    防雷應用

    不久以后,1752年6月,富蘭克林在風箏上掛一串鑰匙成功地進行了另一個實驗,就是所謂的風箏試驗。風箏試驗的過程被寫入一封信中,傳播開來,但并沒有其他目擊者。富蘭克林在注意到雷電放電和電火花之間的顯著相似之后,發明了避雷針,此后,利用避雷針(即接閃桿)保護建筑物開始應用起來,見圖2。1753年,富蘭克林發明了一種防雷方法:將一個長鐵桿固定在房屋上,鐵桿一端安裝在潮濕的地面上1m處,另一端在建筑的最高部位上方1.8~2.4m。在桿的上部0.3m鍍了黃銅,端部磨得尖銳。如果房子很長,可能兩端各設一個長鐵桿,屋脊上再設一根連接電線。這樣能保證房子不被雷擊,閃電會通過金屬進入地面而不會造成傷害。類似地,在船的桅桿頂部設一根尖的鐵桿,用一根鐵絲繞著帆布引到周圍的水里,也能避免雷擊。

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    圖2 一座十八世紀的房子,帶有富蘭克林1762年設計的避雷針

    富蘭克林認為,一個高的導體能為閃電提供接閃機會,而接地的導體會為閃電電流流入地面提供一個安全的路徑,見圖3。

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    圖3 費城的獨立大廳

    (修復過程中,在塔樓西北角的內墻上發現原始接地導體)



    3

    討論


    01

    富蘭克林在防雷方面的貢獻具有開創性,他認為,高的絕緣棒可以用來確定雷云是否帶電,而接地可以防止閃電造成傷害。

    02

    富蘭克林通過觀察和研究認為,“雷雨云最常見的是負極性,有時也有正極性”。所有的放電都從正到負,他得出結論,雷擊大部分情況是雷云到大地,而不是大地到雷云。但是,無論電流的方向如何,雷擊的影響幾乎相同。這比現代的研究成果早了170年。

    03

    富蘭克林的防雷系統有三個關鍵因素:金屬棒、屋頂水平導線(現在稱為接閃桿和接閃帶)、垂直引下導線(即引下線)與大地(接地體)連接。富蘭克林認為閃電擊中高的金屬棒可以提供保護,接地能提高放電效果。富蘭克林還建議,接地棒要涂漆,以減少銹蝕。這些研究比現在的防雷標準早200多年。

    04

    富蘭克林還提出了一些實際經驗,如,雷雨時應避免在孤立的樹下躲雨,而蹲在開闊的田野相對安全;雷雨期間,人在戶外衣服變濕也會提供一條雷電傳導路徑。



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