避雷針是一種能夠躲避雷擊的常見(jiàn)裝置。那么大家對(duì)于避雷針了解嗎?知道是誰(shuí)發(fā)明的嗎?知道當(dāng)中的發(fā)明歷史嗎?下面跟隨學(xué)習(xí)啦小編一起來(lái)看看吧。

　　避雷針的發(fā)明者以及發(fā)明歷史

　　科學(xué)家富蘭克林

　　現(xiàn)代避雷針是美國(guó)科學(xué)家富蘭克林發(fā)明的。富蘭克林認(rèn)為閃電是一種放電現(xiàn)象。為了證明這一點(diǎn)，他在1752年7月的一個(gè)雷雨天，冒著被雷擊的危險(xiǎn)，把一個(gè)系著長(zhǎng)長(zhǎng)金屬導(dǎo)線(xiàn)的風(fēng)箏放飛進(jìn)雷雨云中，在金屬線(xiàn)末端拴了一串銀鑰匙。當(dāng)雷電發(fā)生時(shí)，富蘭克林手接近鑰匙，鑰匙上迸出一串電火花。手上還有麻木感。幸虧這次傳下來(lái)的閃電比較弱，富蘭克林沒(méi)有受傷。

　　注意：這個(gè)試驗(yàn)是很危險(xiǎn)的，千萬(wàn)不要擅自嘗試。1753年，俄國(guó)著名電學(xué)家利赫曼為了驗(yàn)證富蘭克林的實(shí)驗(yàn)，不幸被雷電擊死，這是做雷電實(shí)驗(yàn)的第一個(gè)犧牲者。

　　在成功地進(jìn)行了捕捉雷電的風(fēng)箏實(shí)驗(yàn)之后，富蘭克林在研究閃電與人工摩擦產(chǎn)生的電的一致性時(shí)，他就從兩者的類(lèi)比中作出過(guò)這樣的推測(cè)：既然人工產(chǎn)生的電能被尖端吸收，那么閃電也能被尖端吸收。他由此設(shè)計(jì)了風(fēng)箏實(shí)驗(yàn)，而風(fēng)箏實(shí)驗(yàn)的成功反過(guò)來(lái)又證實(shí)了他的推測(cè)。他由此設(shè)想，若能在高物上安置一種尖端裝置，就有可能把雷電引入地下。富蘭克林把這種避雷裝置：把一根數(shù)米長(zhǎng)的細(xì)鐵棒固定在高大建筑物的頂端，在鐵棒與建筑物之間用絕緣體隔開(kāi)。然后用一根導(dǎo)線(xiàn)與鐵棒底端連接。再把導(dǎo)線(xiàn)引入地下。富蘭克林把這種避雷裝置稱(chēng)為避雷針。經(jīng)過(guò)試用，果然能起避雷的作用。避雷針的發(fā)明是早期電學(xué)研究中的第一個(gè)有重大應(yīng)用價(jià)值的技術(shù)成果。

　　北美傳播

　　而避雷針在最初發(fā)明與推廣應(yīng)用時(shí)，教會(huì)曾把它視為不祥之物，說(shuō)是裝上了富蘭克林的這種東西，不但不能避雷，反而會(huì)引起上帝的震怒而遭到雷擊，但是，在費(fèi)城等地，拒絕安置避雷針的一些高大教堂在大雷雨中相繼遭受雷擊。而比教堂更高的建筑物由于已裝上避雷針，在大雷雨中卻安然無(wú)恙。

　　由于避雷針已在費(fèi)城等地初顯神威，它立即傳到北美各地，隨后又傳入歐洲后來(lái)才進(jìn)入亞洲。

　　傳入法國(guó)

　　避雷針傳入法國(guó)后，法國(guó)皇家科學(xué)院院長(zhǎng)諾雷等人開(kāi)始反對(duì)使用避雷針，后來(lái)又認(rèn)為圓頭避雷針比富蘭克林的尖頭避雷針好。但法國(guó)人仍然選用富蘭克林的尖頭避雷針。據(jù)說(shuō)當(dāng)時(shí)的法國(guó)人把富蘭克林看作是蘇格拉底的化身。富蘭克林成了人們崇拜的偶像。他的肖像被人們珍藏在枕頭下面，而仿照避雷針式樣的尖頂帽成了1778年巴黎最摩登的帽子。

　　傳入英國(guó)

　　避雷針傳入英國(guó)后，英國(guó)人也曾廣泛采用了富蘭克林的尖頭避雷針。但美國(guó)獨(dú)立戰(zhàn)爭(zhēng)爆發(fā)后，富蘭克林的尖頭避雷針在英國(guó)人眼中似乎成了快要誕生的美國(guó)的象征。據(jù)說(shuō)英國(guó)當(dāng)時(shí)的國(guó)王喬治二世出于反對(duì)美國(guó)革命的盛怒，曾下令把英國(guó)全部后家建筑物上的避雷針的尖頭統(tǒng)統(tǒng)換成圓頭，以示與作為美國(guó)象征的尖頭避雷針勢(shì)不兩立，這真是避雷針應(yīng)用史上一件有趣的事情。

　　避雷針的基本原理

　　避雷針的防雷作用是它能把閃電從保護(hù)物上方引向自己并安全地通過(guò)自己泄入大地，因此，其引雷性能和泄流性能是至關(guān)重要的。避雷針的引雷性能已有實(shí)驗(yàn)和理論分析如下：

　　一個(gè)豎立在平地的避雷針其引雷空域。其中簡(jiǎn)化包絡(luò)線(xiàn)是一條拋物線(xiàn)，此線(xiàn)即為在正、負(fù)雷雨云下該避雷針的50%擊針擊地平均分界線(xiàn)。圖中小圈為空中各點(diǎn)實(shí)驗(yàn)放電統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)，表示模擬實(shí)驗(yàn)下行先導(dǎo)的針尖位置，黑圈表示百分之百擊針，白圈表示百分之百擊地，黑白各半表示50%擊針及擊地。

　　雷擊避雷針和地的放電強(qiáng)度與雷電極的極性有關(guān)：當(dāng)雷的極性為正時(shí)，雷對(duì)避雷針的放電強(qiáng)度高于雷對(duì)地;當(dāng)雷的極性為負(fù)時(shí)，雷對(duì)避雷針的放電強(qiáng)度略低于雷對(duì)地。所以在同樣電壓下雷電極對(duì)針的放電距離R與雷電極對(duì)地的放電距離H是不同的。根據(jù)長(zhǎng)間隙放電的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)大致有：

　　雷電極為負(fù)、地為正時(shí)，k=R/H=1.1

　　雷電極為正、地為負(fù)時(shí)，k=R/H=0.8～0.9，

　　為雷擊針地分界面的理論分析圖，據(jù)此可以求出雷擊避雷針和地的理論分界線(xiàn)。

　　圖中L為避雷針尖，其高度為h，P為雷電極頭部，其對(duì)地高度為H，E為雷電極正下方的投影點(diǎn)，L、P之間的距離為R。當(dāng)P點(diǎn)維持k等于某一常數(shù)在圖面上運(yùn)動(dòng)時(shí)，其運(yùn)動(dòng)軌跡就是雷擊避雷針和地的理論分界線(xiàn)。分界線(xiàn)以y軸為中心旋轉(zhuǎn)就是立體的分界面。分界面內(nèi)為雷擊避雷針的空域，分界面以外為雷擊大地的空域，分界面附近引下的雷擊地面為散擊區(qū)。

　　分界線(xiàn)有3種：k=0.9情況下其分界線(xiàn)為一橢圓;k=1.1情況下其分界線(xiàn)為一雙曲線(xiàn);k=1情況下其分界線(xiàn)為一拋物線(xiàn)，后者為一般分析避雷針接閃性能的理論基礎(chǔ)，它是正負(fù)雷擊情況的平均數(shù)。分析結(jié)果與實(shí)驗(yàn)結(jié)果是相一致的。

　　結(jié)合避雷針的引雷空域再分析避雷針的保護(hù)范圍問(wèn)題，取k=1的情況可得避雷針的保護(hù)作用。

　　O1 L為避雷針，K為其高度的中點(diǎn);MO2為被保護(hù)物，N為其高度的中點(diǎn)。假設(shè)雷擊距離為hr，雷電先導(dǎo)端頭位于P，PK(實(shí)線(xiàn))為避雷針的引雷分界線(xiàn)，PN(虛線(xiàn))為被保護(hù)物的引雷分界線(xiàn)，它的上部空域都在避雷針的引雷分界線(xiàn)以?xún)?nèi)。因此，距地面高度大于hr的雷擊會(huì)被引向避雷針，被保護(hù)物MO2會(huì)免于雷擊，這種現(xiàn)象稱(chēng)為截?fù)粜?yīng);但當(dāng)雷電先導(dǎo)從低于hr的右側(cè)襲來(lái)時(shí)，避雷針會(huì)起不到保護(hù)作用，這稱(chēng)為對(duì)被保護(hù)物的側(cè)擊。所以以P點(diǎn)為圓心，以hr為半徑作圓，此圓從避雷針頂點(diǎn)L經(jīng)M地面O3點(diǎn)，它以下的部分就是雷擊距離為hr時(shí)避雷針的保護(hù)范圍。這一分析結(jié)果與按電氣幾何理論(EGM)滾球法推出的結(jié)果是一致的。

　　EGM理論認(rèn)為，雷電先導(dǎo)首先進(jìn)入哪一物體的雷擊距離就對(duì)那一物體放電，雷擊距離是雷電流的函數(shù)：

　　hr=10I0.65 (1)

　　式中　hr為雷擊距離，m;I為雷電流幅值，kA。

　　美國(guó)R.H.Lee建議以10 kA作為一般建筑物的臨界電流Ic，小于這個(gè)雷電流幅值時(shí)不會(huì)造成雷擊事故，其對(duì)應(yīng)的臨界雷擊半徑hrc為45 m。這一觀(guān)點(diǎn)把被保護(hù)物的耐雷水平與避雷針的保護(hù)率聯(lián)系起來(lái)。我國(guó)防雷標(biāo)準(zhǔn)GB50057-94《建筑物防雷設(shè)計(jì)規(guī)范》規(guī)定三類(lèi)防雷建筑物的避雷針保護(hù)范圍按hrc為60 m畫(huà)定。運(yùn)行經(jīng)驗(yàn)表明這一規(guī)定符合我國(guó)通用建筑物的防雷要求。

　　一些學(xué)者對(duì)EGM理論又做了修正，稱(chēng)為先導(dǎo)傳播模型理論(LPM)。該理論認(rèn)為確定雷擊點(diǎn)除了考慮雷擊距離外尚需考慮迎面先導(dǎo)和下行先導(dǎo)的相對(duì)運(yùn)動(dòng)。一定幾何形狀和高度的地物能否被一定雷電流幅值的雷電擊中，可用吸引半徑Ra來(lái)表述。Ra不僅是雷電流的函數(shù)，也是地物高度的函數(shù)，并和地物的幾何形狀有關(guān)。因?yàn)椴煌螤詈透叨鹊牡匚铮谕焕纂娏鞯南滦邢葘?dǎo)作用下感應(yīng)的電場(chǎng)強(qiáng)度不同。

　　Ra(I，h)=2.83I0.63h0.40 (2)

　　式中　Ra為吸引半徑，m;I為雷電流幅值，kA;h為針狀物高度，m。

　　分析結(jié)果指出：當(dāng)臨界半徑hrc大于避雷針高度h時(shí)，EGM所得保護(hù)半徑比LPM要小，但不顯著;當(dāng)臨界半徑hrc小于針高h(yuǎn)時(shí)，EGM所得保護(hù)半徑比LPM要小許多，某些情況下甚致小50%左右;當(dāng)針高h(yuǎn)>hrc時(shí)，EGM認(rèn)為高出臨界半徑的針體部分沒(méi)有保護(hù)范圍，而LPM理論則認(rèn)為保護(hù)半徑隨針體高度的增加而增加。

　　根據(jù)對(duì)塔形建筑物吸引雷擊次數(shù)隨其高度增加而變化的觀(guān)測(cè)以及長(zhǎng)間隙放電棒對(duì)棒的實(shí)驗(yàn)結(jié)果都證明，避雷針的引雷能力隨其高度的增加而增強(qiáng)，但增加的速度是變緩的。這對(duì)LPM的結(jié)論給予了支持，可見(jiàn)EGM滾球法未考慮吸引能力隨高度變化是其保護(hù)范圍偏小的原因。從理論角度看，滾球法是一種偏于保守、偏于嚴(yán)格的方法，它能對(duì)避雷針的保護(hù)區(qū)給出直觀(guān)的物理圖象。

　　考慮迎面先導(dǎo)和下行先導(dǎo)的相對(duì)運(yùn)動(dòng)可得出避雷針的引雷空域。

　　hr=vzhT+vxiaT (3)式中　hr為雷擊距離，即雷擊半徑，m;vzh為地物或避雷針上迎面先導(dǎo)的發(fā)展速度，m/s;vxia為地閃下行先導(dǎo)的發(fā)展速度，m/s;T為大氣間隙的放電時(shí)延，s。可得到LPM理論的一切結(jié)論。

　　避雷針的上部有一段可能自身遭受側(cè)向雷擊的空間，稱(chēng)為對(duì)針桿側(cè)擊區(qū);高架避雷針的引雷能力強(qiáng)，當(dāng)側(cè)方襲來(lái)的下行雷電先導(dǎo)被避雷針引近而未能在針端接閃時(shí)，會(huì)出現(xiàn)閃電擊中避雷針附近地面的情況，使得高架避雷針附近的地面落雷密度較該處平均落雷密度大，該地面稱(chēng)為散擊區(qū)。高聳的建筑物和高架避雷針附近地面出現(xiàn)散擊區(qū)，遠(yuǎn)離避雷針的地方雷擊率不受避雷針的影響，稱(chēng)為正常區(qū)。避雷針周?chē)臻g側(cè)擊區(qū)、地面的保護(hù)區(qū)、地面的散擊區(qū)和正常區(qū)。

　　按我國(guó)統(tǒng)計(jì)的雷電流幅值最大約為300 kA，其對(duì)應(yīng)的雷擊高度為408 m。取雷擊定位高度為400m，可得出不同高度避雷針的保護(hù)區(qū)和散擊區(qū)的地表半徑見(jiàn)表1。我國(guó)舊式民房一般高度在10 m以下，避雷帶和避雷網(wǎng)的高度與房高相同，安裝的短針?lè)览灼涓叨葹?～2 m，它們引起的散擊現(xiàn)象不明顯;高聳建筑物和高架避雷針引雷招致雷擊率增高和存在散擊區(qū)。我國(guó)防雷學(xué)者歷來(lái)不主張用高架避雷針保護(hù)建筑物，主張用屋頂短針和避雷帶防雷就是考慮了既能發(fā)揮它的引雷作用，又避免增加散雷區(qū)。

　　避雷針的主要作用

　　常規(guī)防雷電可分為防直擊雷電、防感應(yīng)雷電和綜合性防雷電。防直擊雷電的避雷裝置一般由三部分組成，即接閃器、引下線(xiàn)和接地體;接閃器又分為避雷針、避雷線(xiàn)、避雷帶、避雷網(wǎng)。以避雷針作為接閃器的防雷電原理是：避雷針通過(guò)導(dǎo)線(xiàn)接入地下，與地面形成等電位差，利用自身的高度，使電場(chǎng)強(qiáng)度增加到極限值的雷電云電場(chǎng)發(fā)生畸變，開(kāi)始電離并下行先導(dǎo)放電;避雷針在強(qiáng)電場(chǎng)作用下產(chǎn)生尖端放電，形成向上先導(dǎo)放電;兩者會(huì)合形成雷電通路，隨之瀉入大地，達(dá)到避雷效果。實(shí)際上，避雷針是引雷針，可把周?chē)睦纂娨齺?lái)并提前放電，把雷電電流通過(guò)自身的接地導(dǎo)體傳向地面，避免保護(hù)對(duì)象直接遭雷擊。
與發(fā)明有關(guān)的相關(guān)