1、雷電的基本知識(shí)第1頁(yè)，共59頁(yè)，2022年，5月20日，14點(diǎn)39分，星期四1.1 概述1.1.1 中國(guó)古代對(duì)雷電的認(rèn)識(shí) 1、東漢哲學(xué)家王充（2797年） 2、北宋科學(xué)家沈括（10311095） 3、明代科學(xué)家方以智（16111671） 對(duì)雷電現(xiàn)象作了忠實(shí)客觀記述，反對(duì)以鬼神來說明雷電及其災(zāi)害。在這一千多年歷史中，對(duì)雷電的認(rèn)識(shí)沒有什么大的變化。早于歐美逾千年以上，而研究并明了其本質(zhì)卻又晚于歐美百余年。這一現(xiàn)象在其他自然科學(xué)領(lǐng)域也存在。中國(guó)本是文明古國(guó)，而近百年來累遭列強(qiáng)侵略，科學(xué)技術(shù)落后甚多，思索其原因是非常必要的。 第2頁(yè)，共59頁(yè)，2022年，5月20日，14點(diǎn)39分，星期四 王充在論衡中

2、對(duì)雷電就作過如下描述:“雷者火也。以人中雷而死，即詢其身，中火則須發(fā)燒憔。中身則皮膚灼嘻，臨其尸上聞火氣，一驗(yàn)也。道術(shù)之家，以為雷燒石色赤，投于井中，石憔井寒，激聲大鳴，若雷之狀，二驗(yàn)也。人傷于寒，寒氣入腹，腹中素暖，溫寒分爭(zhēng)，激氣雷鳴，三驗(yàn)也。當(dāng)雷之時(shí)，電光時(shí)見，大若火之摧，四驗(yàn)也。當(dāng)雷之擊，時(shí)或播人室屋及地草木，五驗(yàn)也。夫論雷之為火有五驗(yàn)，言雷為天怒無(wú)一效。 沈括著塔夢(mèng)溪筆談描述更詳:“內(nèi)侍李舜舉家曾為雷暴所震。其堂之西屋，雷火自窗間出，赫然出槽。人以為堂屋已焚，皆出避之。及雷止，其舍宛然，墻壁窗紙皆黔。有一木格，其中雜貯諸器，其漆器銀扣者，銀悉熔流在地，漆器皆不焦灼。有一寶刀，極堅(jiān)鋼，就

3、刀室中熔為汁，而室亦儼然。人必謂火當(dāng)先焚草木，然后流金石.今乃金石皆揀而草木無(wú)一毀者，非人情所測(cè)也。佛書言，龍火得水而熾，人火得水而滅夕，此理信然?！?方以智進(jìn)一步概括之:“雷火所及，金石銷熔而漆器不壞?！钡?頁(yè)，共59頁(yè)，2022年，5月20日，14點(diǎn)39分，星期四1、16世紀(jì) 近代科學(xué)先驅(qū)英國(guó)弗蘭西斯.培根（15611626） 法國(guó)勒內(nèi).笛卡兒（15961650） 意大利伽利略（15641642）1)、把科學(xué)實(shí)驗(yàn)提到了很重要的地位。 2)、正確的科學(xué)思想和科學(xué)方法，對(duì)當(dāng)時(shí)及后人產(chǎn)生重大作用。2、18世紀(jì) 英國(guó)倫敦皇家學(xué)會(huì)館長(zhǎng)的豪克斯比，1706年用玻璃棒摩擦起電，發(fā)現(xiàn)靜電放電產(chǎn)生的閃光與閃

4、電很相似。 英國(guó)華爾1907年用琥珀摩擦起電，發(fā)現(xiàn)放電不僅產(chǎn)生閃光，而且產(chǎn)生類似雷鳴的響應(yīng)。把實(shí)驗(yàn)室中的電和自然界的閃電聯(lián)系起來，即科學(xué)猜想。1.1.2 歐美雷電科學(xué)建立第4頁(yè)，共59頁(yè)，2022年，5月20日，14點(diǎn)39分，星期四3、美國(guó)科學(xué)家富蘭克林（17061790），以科學(xué)的理性思維探索了雷電的本質(zhì)。將云中的閃電引到地面來作實(shí)驗(yàn)鑒定。是雷電科學(xué)發(fā)展史上關(guān)鍵的一步。解決了雷的定性認(rèn)識(shí)。 1751年富蘭克林著作電的實(shí)驗(yàn)與觀察，指出：“關(guān)于尖端的功能的知識(shí)，可以為人們利用來保護(hù)房屋、教堂、船等避免閃電襲擊，其方法是在這些物體的最高頂上固定一支更高的鍍金的磨尖鐵棒，在其下端接一導(dǎo)線掛在建筑物外

5、通到地下，對(duì)于船則是通到水中。” 第5頁(yè)，共59頁(yè)，2022年，5月20日，14點(diǎn)39分，星期四這張圖形象地表明本杰明富蘭克林著名的閃電實(shí)驗(yàn)，他于1752年發(fā)現(xiàn)閃電帶電。 富蘭克林把一個(gè)金屬鑰匙綁住風(fēng)箏線端，在雷雨天把風(fēng)箏放到天上去。很幸運(yùn)他沒有被電擊。 避雷針防雷法，亦稱富蘭克林法。這是一種最古老、最傳統(tǒng)的防雷方法。第6頁(yè)，共59頁(yè)，2022年，5月20日，14點(diǎn)39分，星期四4、英國(guó)科學(xué)家開爾文（18241907）設(shè)想，用氣球帶儀器到高空去測(cè)量不同高度的電場(chǎng)，開創(chuàng)了定量研究閃電的工作。1.1.3 20世紀(jì)大氣電學(xué)的發(fā)展1、大氣導(dǎo)電的研究 發(fā)現(xiàn)大氣中存在帶有正電或負(fù)電的粒子。 研究大氣中帶電

6、粒子的來源、分布和運(yùn)動(dòng)規(guī)律，成為雷電科學(xué)中非常重要的部分。研究得出 （1）地層存在放射性元素 （2）宇宙射線 （3）太陽(yáng)的紫外線（電離層）第7頁(yè)，共59頁(yè)，2022年，5月20日，14點(diǎn)39分，星期四2、閃電的研究： （1）利用移動(dòng)照相法發(fā)現(xiàn)，一次閃電是由多次放電組成，在多雷的南非拍得一批閃電照片（至今仍被人們作為經(jīng)典的實(shí)驗(yàn)證據(jù)），顯示出閃電的結(jié)構(gòu)特性。 （2）提出關(guān)于閃電先導(dǎo)理論 3、關(guān)于雷雨云起電的機(jī)制和云中電荷分布的研究： （1）冰的光電效應(yīng) （2）水滴破碎的帶電 （3）雪花之間碰撞起電 （4）毛細(xì)管靜電計(jì)測(cè)量閃電時(shí)電場(chǎng)的垂直變化 20世紀(jì)50年代后，這與二次世界大戰(zhàn)有密切關(guān)系。雷達(dá)技術(shù)

7、、航空、航天的發(fā)展，使大氣電場(chǎng)測(cè)量有了很大發(fā)展，雷電科學(xué)的發(fā)展進(jìn)入一個(gè)新時(shí)期。第8頁(yè)，共59頁(yè)，2022年，5月20日，14點(diǎn)39分，星期四 1.2.1大氣電場(chǎng) 1、地球 ：帶電球體模型 大氣電場(chǎng)1.2 大氣電平衡（2）實(shí)際：負(fù)電荷分布不是均勻的。（1）理想：帶負(fù)電荷5.4 10 5 C ，空中指向地球表面的大氣電場(chǎng)。1.1.4 21世紀(jì)雷電科學(xué)的展望1、用場(chǎng)的理論和非線性理論研究雷電。2、進(jìn)行有關(guān)雷電的各種實(shí)驗(yàn)。3、改進(jìn)雷電監(jiān)測(cè)手段。第9頁(yè)，共59頁(yè)，2022年，5月20日，14點(diǎn)39分，星期四2、空氣中的帶電離子（1）電離源 地殼中放射性物質(zhì)，大氣中的氣態(tài)放射性物質(zhì)，宇宙射線。（2）電離和

8、復(fù)合達(dá)到動(dòng)態(tài)平衡，大氣總是帶正電。（3）正、負(fù)電荷構(gòu)成大氣電場(chǎng)的兩個(gè)極性端。（1）隨高度增加而減?。▓D1.2）（2）世界各地地面晴天大氣場(chǎng)的平均結(jié)果（表1.1）3、大氣電場(chǎng)分布情況第10頁(yè)，共59頁(yè)，2022年，5月20日，14點(diǎn)39分，星期四 1、大氣的等效模型 由四層物理性能不同的部分構(gòu)成。電離層（暖層）， 中間層，平流層，對(duì)流層。 對(duì)流層為大氣最低層，約十幾公里高度以下，在電離源的作用下，產(chǎn)生懸浮的正、負(fù)空氣離子。1.2.2 大氣中的電流2、帶電離子平均速度 系數(shù)k為離子遷移率（與離子大小，大氣密度有關(guān)），E為大氣電場(chǎng)。第11頁(yè)，共59頁(yè)，2022年，5月20日，14點(diǎn)39分，星期四（4

9、）位移電流 jd ：大氣電場(chǎng)發(fā)生變化時(shí)形成。3、 體電荷密度 與不同地區(qū)，大氣高度，時(shí)間差別很大，地表面的氣體電荷密度平均值大約4、大氣電流（1）傳導(dǎo)電流 ： 指空氣中帶電正、負(fù)離子在大氣電場(chǎng)作用下定向遷移運(yùn)動(dòng)。（2）晴天大氣對(duì)流電流 ：指對(duì)流層中氣團(tuán)攜帶 電荷一起移動(dòng)。（3）晴天大氣擴(kuò)散電流 ：大氣電荷因湍流和擴(kuò)散而形成。第12頁(yè)，共59頁(yè)，2022年，5月20日，14點(diǎn)39分，星期四大氣電平衡1、地球表面負(fù)電荷維持恒定值 5.4 10 5 C（1）大氣電流使負(fù)電荷要減少；（2）降雨電流使負(fù)電荷要減少；（3）尖端放電使負(fù)電荷增加；（4）雷暴活動(dòng)使負(fù)電荷增加。（這是地球表面負(fù)電荷維持恒定值的必

10、不可少的條件） 動(dòng)態(tài)平衡，維持恒定值 。一般表達(dá)式 一般情況下，貼近地面的傳導(dǎo)電流、對(duì)流電流、擴(kuò)散電流的數(shù)量級(jí)相近，其電流密度數(shù)量級(jí)約為 地球表面晴天的傳導(dǎo)電流密度約為 根據(jù)地球表面積，則傳導(dǎo)電流約為1500A。第13頁(yè)，共59頁(yè)，2022年，5月20日，14點(diǎn)39分，星期四 晴天大氣電流是大氣電的消耗者，閃電電流是大氣電的制造者。第14頁(yè)，共59頁(yè)，2022年，5月20日，14點(diǎn)39分，星期四1.3 雷（雨）云1.3.1 雷（雨）云的形成 1、常見云的分類：卷云、卷層云、卷積云、高層云、高積云、層積云、雨層云、積云、積雨云共9種（見教材表1.2）。2、雷（雨）云：指產(chǎn)生閃電的云，即積雨云。第

11、15頁(yè)，共59頁(yè)，2022年，5月20日，14點(diǎn)39分，星期四3、積雨云的形成（見教材圖1.4） 形成雷（雨）云的三個(gè)條件：（3）大氣對(duì)流。（2）太陽(yáng)照射，水蒸氣上升凝結(jié)成小水滴；（1）空氣中必須含有充分的水蒸氣；積云階段禿積雨云階段鬃積雨云階段第16頁(yè)，共59頁(yè)，2022年，5月20日，14點(diǎn)39分，星期四（a）積云階段：由一個(gè)或多個(gè)云塔表征（c）消散階段：由下沉氣流和不斷削弱的對(duì)流性降雨表征（b）成熟階段：由同時(shí)存在的上升氣流和下沉氣流以及降雨共同表征第17頁(yè)，共59頁(yè)，2022年，5月20日，14點(diǎn)39分，星期四4、氣團(tuán)雷暴 由若干個(gè)云胞（雷暴單位）組成，整個(gè)雷暴生命期可長(zhǎng)達(dá)幾小時(shí)。 雷

12、暴單位就是有明顯邊界的大云團(tuán)，且生命期約一小時(shí)（積云階段小于15分鐘，成熟階段小于30分鐘，消散階段約30分鐘）。5、鋒面雷暴鋒：指冷氣團(tuán)和熱（暖）氣團(tuán)的過渡區(qū)域。暖鋒雷暴：指由暖氣團(tuán)沖擊冷氣團(tuán)形成。冷鋒雷暴：指由冷氣團(tuán)沖擊暖氣團(tuán)形成。6、地形雷暴 暖空氣經(jīng)過山坡或山地的迎面風(fēng)被迫抬升而造成的雷暴。第18頁(yè)，共59頁(yè)，2022年，5月20日，14點(diǎn)39分，星期四1.3.2 雷（雨）云的電結(jié)構(gòu) 1、雷（雨）云的分成三個(gè)電荷集中區(qū)（公認(rèn)的典型電結(jié)構(gòu)模型）。高度（km）108642+4C-20C+24C-30 0 C-8 0 C-1.5 0 C最高集中區(qū)為正電荷中間集中區(qū)為負(fù)電荷最低集中區(qū)為正電荷

13、由于負(fù)電荷中心離地面近，正負(fù)電荷中心離地面遠(yuǎn)，地面觀測(cè)云多數(shù)帶負(fù)電。第19頁(yè)，共59頁(yè)，2022年，5月20日，14點(diǎn)39分，星期四2、雷（雨）云中電荷分布結(jié)構(gòu)受地理位置影響（1）電荷分布狀況不相同；（2）集中區(qū)高度不相同；（3）溫度分布不相同；（4）云體尺寸大小不相同。3、對(duì)流云中大氣電學(xué)量的常見值（見教材表1.3）（見教材圖1.6）1.3.2 雷（雨）云的起電機(jī)制 1、感應(yīng)起電學(xué)說： 水滴（也可能是冰晶、雹粒）在垂直大氣電場(chǎng)中感應(yīng)電荷，下端為正、上端為負(fù) ，與大氣中上升的負(fù)離子的電荷中和，使水滴帶負(fù)電，形成雷（雨）云起電后的電荷分布。第20頁(yè)，共59頁(yè)，2022年，5月20日，14點(diǎn)39分

14、，星期四2、溫差起電學(xué)說： 冰塊中同時(shí)存在氫離子（ H + ）和氫氧根離子（ OH ），由于冰塊兩端溫度不同，會(huì)產(chǎn)生發(fā)生離子擴(kuò)散現(xiàn)象。氫離子質(zhì)量輕，擴(kuò)散快，冷端呈現(xiàn)帶正電。在對(duì)流氣流和重力的作用下，形成雷（雨）云起電后的電荷分布。 由于大氣電場(chǎng)的感應(yīng)極化， 大水滴下降時(shí)，受到氣流作用發(fā)生破碎形成許多小水滴和幾個(gè)較大水滴。小水滴帶負(fù)電，較大水滴帶正電。由于云中的電荷增多，大氣電場(chǎng)又增大，如此循環(huán)，形成雷（雨）云起電后的電荷分布。3、破碎起電學(xué)說：第21頁(yè)，共59頁(yè)，2022年，5月20日，14點(diǎn)39分，星期四 云中冷水滴與雹粒接觸時(shí)，過冷水滴有了凝結(jié)核，發(fā)生相變，迅速變成冰。釋放的潛熱又使冰的外

15、殼破裂成冰屑，冰屑帶正電隨氣流上升，較大的水滴帶負(fù)電留在原地或約下降，形成雷（雨）云起電后的電荷分布。 雷（雨）云中部溫度在 0 -10 0 C ，是過冷水滴最多的區(qū)域，所以中部負(fù)電荷較多。1.4 閃電1.4.1閃電及分類 1、閃電：指雷（雨）云中不同部分之間聚集的電荷形成的電場(chǎng)（可達(dá)幾百萬(wàn)伏/米），把云內(nèi)或云外的大氣層擊穿，產(chǎn)生的強(qiáng)火花放電。4、凍結(jié)起電學(xué)說：第22頁(yè)，共59頁(yè)，2022年，5月20日，14點(diǎn)39分，星期四 （3）云地閃電：帶電的云層對(duì)大地之間的擊穿放電。2、按閃電方式分類（1）云內(nèi)閃電：帶電云層內(nèi)部擊穿放電。 （2）云際閃電：一部分帶電的云層與另一部分帶異種電荷的云層之間的

16、擊穿放電。3、按閃電形狀分類（1）線狀閃電：常發(fā)生在云地之間。（2）帶狀閃電：線狀閃電的特殊情形。 （3）片狀閃電：發(fā)生在云際之間的線狀閃電的特殊情形。 （4）聯(lián)珠閃電：強(qiáng)線狀閃電中偶爾出現(xiàn)的一種特殊現(xiàn)象。 （5）球狀閃電：具有強(qiáng)烈的電磁效應(yīng)和穿透金屬能力，形如火球，也稱球閃或滾地雷。第23頁(yè)，共59頁(yè)，2022年，5月20日，14點(diǎn)39分，星期四線狀閃電第24頁(yè)，共59頁(yè)，2022年，5月20日，14點(diǎn)39分，星期四第25頁(yè)，共59頁(yè)，2022年，5月20日，14點(diǎn)39分，星期四云內(nèi)閃電第26頁(yè)，共59頁(yè)，2022年，5月20日，14點(diǎn)39分，星期四聯(lián)珠狀閃電球狀閃電第27頁(yè)，共59頁(yè)，20

17、22年，5月20日，14點(diǎn)39分，星期四第28頁(yè)，共59頁(yè)，2022年，5月20日，14點(diǎn)39分，星期四1.4.2 云地閃（簡(jiǎn)稱地閃）的結(jié)構(gòu)1、地閃應(yīng)具備的特殊條件（1）大地作為導(dǎo)體，感應(yīng)的正電荷可以自由流動(dòng)。（2）積雨云中帶電粒子之間仍是絕緣的空氣。（3）足夠大的電場(chǎng)使絕緣的空氣擊穿，形成導(dǎo)電通道。第29頁(yè)，共59頁(yè)，2022年，5月20日，14點(diǎn)39分，星期四（2）擴(kuò)展的結(jié)果使積雨云下端與大地之間的電場(chǎng)強(qiáng)度增大，致使云下端某些特殊地點(diǎn)的空氣先擊穿，形成向下發(fā)展的流光，即形成一段（級(jí)）導(dǎo)電通道，在導(dǎo)電通道前端會(huì)累集大量負(fù)電荷。2、地閃的全過程（1）積雨云中層的負(fù)電荷區(qū)與下層正電荷區(qū)之間的的強(qiáng)

18、電場(chǎng)產(chǎn)生局部區(qū)域擊穿，負(fù)電荷區(qū)擴(kuò)展到積雨云下部，形成流光。第30頁(yè)，共59頁(yè)，2022年，5月20日，14點(diǎn)39分，星期四（3）累積的結(jié)果，又使下面空氣被擊穿，這樣不斷重復(fù)上述過程，導(dǎo)電通道逐步向下發(fā)展，即形成梯級(jí)先導(dǎo)。此過程時(shí)間約20 ms 。幾個(gè)參數(shù)：每級(jí)通道變化范圍約3 200 m平均速度約 1.5 10 7 cm/s間隙時(shí)間約 30 125 us每一級(jí)的推進(jìn)速度約 5 10 9 cm/s通道直徑約 1 10 m每一級(jí)的擊穿方向是不確定的折線第31頁(yè)，共59頁(yè)，2022年，5月20日，14點(diǎn)39分，星期四幾個(gè)參數(shù)：回?fù)綦娏骺蛇_(dá) 10 kA。回?fù)羲俣燃s 2 10 9 2 10 10 cm/

19、s回?fù)敉ǖ乐睆郊s0.1 0.23 cm回?fù)敉ǖ罍囟瓤蛇_(dá) 10000 0C （4）經(jīng)過多次擊穿，當(dāng)梯級(jí)先導(dǎo)的通道前端達(dá)到離地面很近（約1020m）的距離時(shí)，向下擴(kuò)展的趨勢(shì)直接受地面物的影響，此時(shí)發(fā)生電擊穿，會(huì)形成由地面物沖出一段明亮無(wú)比的光柱（閃電），沿著導(dǎo)電通道沖向積雨云完成一次回?fù)舴烹姡ǚQ主放電）。同時(shí)溫度陡升，空氣驟脹，驟縮形成爆炸波，即雷聲?；?fù)魰r(shí)間約60 us梯級(jí)先導(dǎo)第32頁(yè)，共59頁(yè)，2022年，5月20日，14點(diǎn)39分，星期四1.4.3 地閃的類型1、按有無(wú)回?fù)舴诸悾?） a 類：無(wú)回?fù)舻拈W電（2） b 類：有回?fù)舻拈W電 （5）由梯級(jí)先導(dǎo)到回?fù)敉甑亻W的第一次放電閃擊，約過幾十毫秒還

20、會(huì)出現(xiàn)第二次放電閃擊。此過程，先導(dǎo)是沿舊導(dǎo)電通道，稱“直竄先導(dǎo)”或“箭式先導(dǎo)”。平均速度約 2 10 8 cm/s 。 根據(jù)積雨云電荷量的多少，可能會(huì)有多次回?fù)?，直到積雨云中的電荷消耗盡為止。直竄先導(dǎo)直竄先導(dǎo)第33頁(yè)，共59頁(yè)，2022年，5月20日，14點(diǎn)39分，星期四 2、按大地輸送出的有無(wú)正負(fù)電荷分類 （1） 1a型：云閃（負(fù)電荷先導(dǎo)）。 （2） 1b型：下行負(fù)雷（負(fù)電荷先導(dǎo)，大地回?fù)粽?電荷），常見。 （3）2a型：由地面物正電荷向上擴(kuò)展形成帶正電的向上先導(dǎo)與云中放電。 （4）2b型：在2a 的基礎(chǔ)上出現(xiàn)云中負(fù)電荷向地面物回?fù)簦ǚQ上行負(fù)雷）。 （5）3a型：云閃（正電荷先導(dǎo)）。 （6）

21、3b型：積雨中正電荷向下先導(dǎo)，大地回?fù)魹樨?fù)電荷（下行正雷）。 （7）4a型：由地面物的負(fù)電荷向上擴(kuò)展，形成帶負(fù)電荷的向上先導(dǎo)，與云中放電。 （8）4b型：在4a 的基礎(chǔ)上，出現(xiàn)云中正電荷向地面物回?fù)簦ㄉ闲姓祝?。第34頁(yè)，共59頁(yè)，2022年，5月20日，14點(diǎn)39分，星期四閃電的長(zhǎng)度短的23公里，長(zhǎng)的20公里。下行負(fù)雷上行正雷下行正雷上行負(fù)雷ri- - -+r - -iii-+- - - - -ri+ +ri- - - - -+- - - - - - - - -1b型2b型3b型4b型i- - -+r - -iii-+- - - - -i+ +i- - - - -+- - - - - -

22、- - -1a 型2a 型3a 型4a 型第35頁(yè)，共59頁(yè)，2022年，5月20日，14點(diǎn)39分，星期四 2、電壓源模型 將雷云等效成一個(gè)充了電的電容器 ，放電時(shí)，大氣雷電通道電阻為其內(nèi)阻（消雷學(xué)派的基本觀點(diǎn)）。1.5 雷電放電的計(jì)算模型1.5.1 雷電放電的不同理論（計(jì)算模型）（2）放電時(shí)，以 1/31/2光速沿主放電通道向上發(fā)展（稱電流波）；1.5.2 行進(jìn)電流源模型1、模型假設(shè)：（1）電流源位于先導(dǎo)通道與地面被擊物向上發(fā)出的回?fù)纛^部相遇處； 將雷云等效成一個(gè)內(nèi)阻無(wú)限大的電流源。放電時(shí)，用電流波進(jìn)行分析（現(xiàn)代防雷規(guī)范的理論基礎(chǔ)）。 1、電流源模型第36頁(yè)，共59頁(yè)，2022年，5月20日

23、，14點(diǎn)39分，星期四2、地面任一處電場(chǎng)強(qiáng)度、磁場(chǎng)強(qiáng)度的表達(dá)式 （3）閃電通道長(zhǎng)度就是雷云到地面的高度（假定垂直）。 （4）閃電放電所產(chǎn)生的信號(hào)可等效成許多不同尺度的電偶極子輻射體形成。C為光速，Mt 為t 時(shí)刻閃電通道輻射體的電流矩。第37頁(yè)，共59頁(yè)，2022年，5月20日，14點(diǎn)39分，星期四討論Et 式中：第一項(xiàng)表示靜電場(chǎng)分量，與S的三次方成反比；第二項(xiàng)表示感應(yīng)電場(chǎng)分量，與S的二次方成反比；第三項(xiàng)表示輻射電場(chǎng)分量，與S成反比。（1）電場(chǎng)各分量與 S 的關(guān)系（2）電場(chǎng)各分量與頻率的關(guān)系1 1000 Hz頻段，靜電場(chǎng)分量為主。1 100 KHz頻段，感應(yīng)電場(chǎng)分量為主。1 100 MHz頻段

24、，輻射電場(chǎng)分量為主。（3）當(dāng)f 1000Hz，S 約 50 Km，輻射電場(chǎng)分量為主。第38頁(yè)，共59頁(yè)，2022年，5月20日，14點(diǎn)39分，星期四（4） 50 Km 遠(yuǎn)處云地閃電所形成的地面電場(chǎng)隨時(shí)間變化圖 （5）雷電的頻譜很寬（100 Hz 100MHz），但能量主要集中在 3 30 KHz范圍，即在此段金屬物體都會(huì)被感應(yīng)出強(qiáng)大的感應(yīng)脈沖電流。先導(dǎo)回?fù)艋負(fù)舢a(chǎn)生脈沖脈沖變化太快連成一片，回?fù)艉竺黠@減弱。第39頁(yè)，共59頁(yè)，2022年，5月20日，14點(diǎn)39分，星期四1.5.3 彼得遜等值電路模型 （1）導(dǎo)電通道等效成電感、電容等均勻分布參數(shù)的無(wú)限長(zhǎng)金屬傳輸線，特征阻抗為Zo ；（2）大地為無(wú)

25、限大，且電阻為0的導(dǎo)體，但接地部分阻抗為Z；（3）梯級(jí)先導(dǎo)相當(dāng)與自天空向地面的前行波用uo 或 io 表示（ uo = io Zo）；（4）導(dǎo)電通道僅是分布有電荷線密度的金屬導(dǎo)體，電流LCv1=io= v， v 波速，且 。1、傳輸線模型：第40頁(yè)，共59頁(yè)，2022年，5月20日，14點(diǎn)39分，星期四 2、等值電路模型（1）電壓源模型（2）電流源模型 主放電前相當(dāng)與開路，由傳輸線理論可得出開路電壓 u = 2uo ，主放電時(shí)的等值電路模型雷擊電流 以上計(jì)算僅是一種近似分析方法，可以說明接地電阻對(duì)雷擊電流的影響，當(dāng)Z Zo時(shí)，雷擊電流i = 2io ，對(duì)防雷設(shè)計(jì)有一定價(jià)值，但不能作為雷電科學(xué)的

26、基礎(chǔ)理論。第41頁(yè)，共59頁(yè)，2022年，5月20日，14點(diǎn)39分，星期四1.6 雷電單位基本參數(shù)1.6.1雷暴日和雷暴小時(shí) 用來表征不同地區(qū)雷電活動(dòng)的頻繁程度。 1、雷暴日 指一年中有雷電放電的平均天數(shù)。不足15天為少雷區(qū)；超過40天為多雷區(qū)，大于90天為強(qiáng)雷區(qū)。2、雷暴與地球表面緯度的關(guān)系 緯度愈低雷暴天數(shù)愈多。赤道地帶100 150天，熱帶75 100天，中緯度地帶50 80天，兩極地區(qū)僅有幾天。3、我國(guó)雷暴日分布 長(zhǎng)江以北15 40天，以南40天以上；西北15天以下，海南及雷州半島高達(dá)100 133天。第42頁(yè)，共59頁(yè)，2022年，5月20日，14點(diǎn)39分，星期四地名平均全年日期最早

27、初日(日/月)最晚終日(日/月)?？?04.31/130/12上海32.214/210/10重慶40.114/21/12拉薩75.49/33/11武漢26.711/120/12北京36.730/33/11呼和浩特29.520/324/10哈爾濱28.920/410/10中國(guó)各主要城市雷暴天數(shù)第43頁(yè)，共59頁(yè)，2022年，5月20日，14點(diǎn)39分，星期四4、雷暴小時(shí) 以一小時(shí)內(nèi)出現(xiàn)一次以上的雷擊為統(tǒng)計(jì)單位，表征不同地區(qū)每個(gè)雷暴日雷電活動(dòng)持續(xù)時(shí)間的差別。1.6.2 地面落雷密度1、定義：每年每平方公里受雷擊的次數(shù)。2、經(jīng)驗(yàn)公式Ta表示平均雷暴日數(shù)。1.6.3 雷電流的極性和波形1、雷電放電形式（

28、1）脈沖放電：1 2 us達(dá)到10 20KA的峰值100 1000us下降到峰值的一半第44頁(yè)，共59頁(yè)，2022年，5月20日，14點(diǎn)39分，星期四（2）非脈沖放電：放電電流100A左右，持續(xù)時(shí)間10 100 ms 脈沖放電是雷電放電的主要形式，雷電流是非周期單極性脈沖波，其極性多為負(fù)極性。2、雷電流的極性和波形3、雷電流的特征參數(shù)（1）幅值：指雷電的脈沖電流達(dá)到的最高值。其值不同地方差異很大。我國(guó)雷電流幅值大小的經(jīng)驗(yàn)計(jì)算公式P為出現(xiàn)雷電流大小幅值的概率。 第45頁(yè)，共59頁(yè)，2022年，5月20日，14點(diǎn)39分，星期四（2）波頭：指雷電的脈沖電流上升到幅值的時(shí)間（圖中t 1）。一般在 1

29、5 us，國(guó)際標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定為1.2 us 。（3）波長(zhǎng)：指雷電的脈沖電流持續(xù)到波形曲線衰減到半幅值所需要的時(shí)間（圖中t 2）。一般在 20 100 us，我國(guó)標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定為50 us 。單極性雷電流脈沖波形可計(jì)為t1/t2 ，例 1.2/50 us 。（4）陡度：雷電流隨時(shí)間上升的變化率。用幅值和波頭來表示雷電流的平均陡度。例 a = Im / 1.2 （KA/us）第46頁(yè)，共59頁(yè)，2022年，5月20日，14點(diǎn)39分，星期四1.6.3 雷電流的等效（值）波形1、標(biāo)準(zhǔn)沖擊波：用雙指數(shù)式表征雷電流io為某一固定電流值， 和為兩個(gè)常數(shù)。波形計(jì)為 Tm / Tk 2、等值斜角（或三角）波：陡度分析雷電流

30、所引起的波過程比較方便。第47頁(yè)，共59頁(yè)，2022年，5月20日，14點(diǎn)39分，星期四3、等值余弦波：雷電流的最大陡度出現(xiàn)在波頭中間其中 在給定雷電流的幅值和最大陡度的條件下，可得出等值波的角頻率和波頭時(shí)間。第48頁(yè)，共59頁(yè)，2022年，5月20日，14點(diǎn)39分，星期四1.7 雷電放電形式及危害1.7.1 直接雷擊 1 、直接雷 指雷云直接通過人體、建筑物或設(shè)備等對(duì)地所產(chǎn)生的電擊現(xiàn)象。產(chǎn)生的高溫可達(dá)到某些物體的燃點(diǎn)或熔點(diǎn)，強(qiáng)大的沖擊波可使建筑物或設(shè)備毀壞。2 、直接雷危害簡(jiǎn)析（1）雷電流的熱效應(yīng)產(chǎn)生熱量R為雷電流通道電阻溫升m為雷電流通道中物體的質(zhì)量， c為比熱容。第49頁(yè)，共59頁(yè)，20

31、22年，5月20日，14點(diǎn)39分，星期四 如果雷電流通過金屬體的截面不夠大，溫升可達(dá)到熔點(diǎn)，將金屬體熔化。 由于瞬間產(chǎn)生大熱量，致使物體內(nèi)部的水分大量變成蒸汽，并形式膨脹產(chǎn)生爆炸，產(chǎn)生沖擊波。（2）雷電產(chǎn)生的次聲波 雷雨云迅速放電而突然收縮會(huì)產(chǎn)生0.1 10Hz的次聲波，對(duì)人、畜有傷害作用。（3）雷電流的電動(dòng)力效應(yīng)由安培定律兩根平行導(dǎo)線單位長(zhǎng)度的相互作用力i2i1d如雷電流 i1、i2 = 100KA，d = 50cm，則F = 408 （kg/m）。此力可能造成導(dǎo)線折斷。第50頁(yè)，共59頁(yè)，2022年，5月20日，14點(diǎn)39分，星期四1.7.2 感應(yīng)雷擊 1、靜電感應(yīng)： 指云中放電使云中電荷

32、突然消失，導(dǎo)致地面物體靜電感應(yīng)的電荷產(chǎn)生很高的電壓，引起放電，但比直接雷電流小，相應(yīng)破壞程度小于直接雷。 2、電磁感應(yīng)： 指直接雷擊電流在閃電通道周圍空間產(chǎn)生磁場(chǎng)，使附近金屬導(dǎo)體上激發(fā)感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)或感應(yīng)電流，致使某些用電設(shè)備電擊而毀壞。一根彎曲的導(dǎo)線（或金屬結(jié)構(gòu)）在成角處受力最大，雷電流在成角處的電動(dòng)沖力可能造成導(dǎo)線折斷。此力與角度有關(guān)，銳角受力大，鈍角受力小。所以引下線采用鈍角的拐彎。ii第51頁(yè)，共59頁(yè)，2022年，5月20日，14點(diǎn)39分，星期四3、感應(yīng)雷擊簡(jiǎn)析（1）靜電感應(yīng)模型 將地面上的金屬物與雷云之間用等效電容C表征，金屬物與大地之間的電阻用R表示，Q為累積的電荷，雷電閃擊瞬間的感應(yīng)電壓 雷電閃擊瞬間以后，電容放電,電阻兩端電壓衰減 感應(yīng)電壓統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)：高壓架空線達(dá)300 400 KV，一般低壓架空線達(dá)100 KV，電信線路達(dá)40 60 KV。 感應(yīng)電壓可造成設(shè)備擊穿，或放電產(chǎn)生火花引起事故。第52頁(yè)，共59頁(yè)，2022年，5月20日，14點(diǎn)39分，星期四（2）電磁感應(yīng)模型 將引下線等效為一直導(dǎo)線，假定與一個(gè)有氣隙（開口）的正方形金屬環(huán)處于同一平面，金屬環(huán)開口最大感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)當(dāng)金屬環(huán)與導(dǎo)線所在