1、壓敏電阻選用的基本知識什么是壓敏電阻器及其分類與參數(shù)? 壓敏電阻器簡稱VSR，是一種對電壓敏感的非線性過電壓保護半導體元件。它在電路中用文字符號“RV”或“R”表示，圖1-21是其電路圖形符號。 （一）壓敏電阻器的種類壓敏電阻器可以按結(jié)構(gòu)、制造過程、使用材料和伏安特性分類。1按結(jié)構(gòu)分類 壓敏電阻器按其結(jié)構(gòu)可分為結(jié)型壓敏電阻器、體型壓敏電阻器、單顆粒層壓敏電阻器和薄膜壓敏電阻器等。結(jié)型壓敏電阻器是因為電阻體與金屬電極之間的特殊接觸，才具有了非線性特性，而體型壓敏電阻器的非線性是由電阻體本身的半導體性質(zhì)決定的。2按使用材料分類 壓敏電阻器按其使用材料的不同可分為氧化鋅壓敏電阻器、碳化硅壓敏電阻器、

2、金屬氧化物壓敏電阻器、鍺（硅）壓敏電阻器、鈦酸鋇壓敏電阻器等多種。3按其伏安特性分類 壓敏電阻器按其伏安特性可分為對稱型壓敏電阻器（無極性）和非對稱型壓敏電阻器（有極性）。（二）壓敏電阻器的結(jié)構(gòu)特性與作用1壓敏電阻器的結(jié)構(gòu)特性 壓敏電阻器與普通電阻器不同，它是根據(jù)半導體材料的非線性特性制成的。圖1-22是壓敏電阻器外形，其內(nèi)部結(jié)構(gòu)如圖1-23所示。普通電阻器遵守歐姆定律，而壓敏電阻器的電壓與電流則呈特殊的非線性關(guān)系。當壓敏電阻器兩端所加電壓低于標稱額定電壓值時，壓敏電阻器的電阻值接近無窮大，內(nèi)部幾乎無電流流過。當壓敏電阻器兩端電壓略高于標稱額定電壓時，壓敏電阻器將迅速擊穿導通，并由高阻狀態(tài)變?yōu)?/p>

3、低阻狀態(tài)，工作電流也急劇增大。當其兩端電壓低于標稱額定電壓時，壓敏電阻器又能恢復(fù)為高阻狀態(tài)。當壓敏電阻器兩端電壓超過其最大限制電壓時，壓敏電阻器將完全擊穿損壞，無法再自行恢復(fù)。2壓敏電阻器的作用與應(yīng)用 壓敏電阻器廣泛地應(yīng)用在家用電器及其它電子產(chǎn)品中，起過電壓保護、防雷、抑制浪涌電流、吸收尖峰脈沖、限幅、高壓滅弧、消噪、保護半導體元器件等作用。圖1-24是壓敏電阻器的典型應(yīng)用電路。（三）壓敏電阻器的主要參數(shù)壓敏電阻器的主要參數(shù)有標稱電壓、電壓比、最大控制電壓、殘壓比、通流容量、漏電流、電壓溫度系數(shù)、電流溫度系數(shù)、電壓非線性系數(shù)、絕緣電阻、靜態(tài)電容等。1壓敏電壓： MYG05K規(guī)定通過的電流為0.

4、1mA，MYG07K、MYG10K、MYG14K、MYG20K標稱電壓是指通過1mA直流電流時，壓敏電阻器兩端的電壓值。2最大允許電壓（最大限制電壓）：此電壓分交流和直流兩種情況，如為交流，則指的是該壓敏電阻所允許加的交流電壓的有效值，以ACrms表示，所以在該交流電壓有效值作用下應(yīng)該選用具有該最大允許電壓的壓敏電阻，實際上V1mA與ACrms間彼此是相互關(guān)聯(lián)的，知道了前者也就知道了后者，不過ACrms對使用者更直接，使用者可根據(jù)電路工作電壓，可以直接按ACrms來選取合適的壓敏電阻。在交流回路中，應(yīng)當有：min(U1mA) (2.22.5)Uac，式中Uac為回路中的交流工作電壓的有效值。上

5、述取值原則主要是為了保證壓敏電阻在電源電路中應(yīng)用時，有適當?shù)陌踩６?。對直流而言在直流回路中，?yīng)當有：min(U1mA) (1.62)Udc，式中Udc為回路中的直流額定工作電壓。在交流回路中，應(yīng)當有：min(U1mA) (2.22.5)Uac，式中Uac為回路中的交流工作電壓的有效值。上述取值原則主要是為了保證壓敏電阻在電源電路中應(yīng)用時，有適當?shù)陌踩６?。在信號回路中時，應(yīng)當有：min(U1mA)(1.21.5)Umax，式中Umax為信號回路的峰值電壓。壓敏電阻的通流容量應(yīng)根據(jù)防雷電路的設(shè)計指標來定。一般而言，壓敏電阻的通流容量要大于等于防雷電路設(shè)計的通流容量。3通流容量： 通流容量也稱通

6、流量，是指在規(guī)定的條件（以規(guī)定的時間間隔和次數(shù)，施加標準的沖擊電流）下，允許通過壓敏電阻器上的最大脈沖（峰值）電流值。一般過壓是一個或一系列的脈沖波。實驗壓敏電阻所用的沖擊波有兩種，一種是為8/20s波，即通常所說的波頭為8s波尾時間為20s的脈沖波，另外一種為2ms的方波，如下圖所示： 4最大限制電壓： 最大限制電壓是指壓敏電阻器兩端所能承受的最高電壓值，它表示在規(guī)定的沖擊電流Ip通過壓敏電阻時次兩端所產(chǎn)生的電壓此電壓又稱為殘壓，所以選用的壓敏電阻的殘壓一定要小于被保護物的耐壓水平Vo,否則便達不到可靠的保護目的，通常沖擊電流Ip值較大，例如2.5A或者10A，因而壓敏電阻對應(yīng)的最大限制電壓

7、Vc相當大，例如MYG7K471其Vc=775(Ip=10A時)。5最大能量(能量耐量)： 壓敏電阻所吸收的能量通常按下式計算W=kIVT(J)其中I流過壓敏電阻的峰值 V在電流I流過壓敏電阻時壓敏電阻兩端的電壓 T電流持續(xù)時間 k電流I的波形系數(shù)對： 2ms的方波 k=1 8/20s波 k=1.4 10/1000s k=1.4 壓敏電阻對2ms方波，吸收能量可達330J每平方厘米；對8/20s波，電流密度可達2000A每立方厘米，這表明他的通流能力及能量耐量都是很大的 一般來說壓敏電阻的片徑越大，它的能量耐量越大，耐沖擊電流也越大，選用壓敏電阻時還應(yīng)當考慮經(jīng)常遇到能量較小、但出現(xiàn)頻率次數(shù)較高

8、的過電壓，如幾十秒、一兩分鐘出現(xiàn)一次或多次的過電壓，這時就應(yīng)該考慮壓敏電阻所能吸收的平均功率。6電壓比： 電壓比是指壓敏電阻器的電流為1mA時產(chǎn)生的電壓值與壓敏電阻器的電流為0.1mA時產(chǎn)生的電壓值之比。7額定功率： 在規(guī)定的環(huán)境溫度下所能消耗的最大功率。8最大峰值電流 一次：以8/20s標準波形的電流作一次沖擊的最大電流值，此時壓敏電壓變化率仍在10%以內(nèi)。2次：以8/20s標準波形的電流作兩次沖擊的最大電流值，兩次沖擊時間間隔為5分鐘，此時壓敏電壓變化率仍在10%以內(nèi)。9殘壓比： 流過壓敏電阻器的電流為某一值時，在它兩端所產(chǎn)生的電壓稱為這一電流值為殘壓。殘壓比則的殘壓與標稱電壓之比。10漏

9、電流： 漏電流又稱等待電流，是指壓敏電阻器在規(guī)定的溫度和最大直流電壓下，流過壓敏電阻器的電流。11電壓溫度系數(shù)： 電壓溫度系數(shù)是指在規(guī)定的溫度范圍（溫度為2070）內(nèi)，壓敏電阻器標稱電壓的變化率，即在通過壓敏電阻器的電流保持恒定時，溫度改變1時壓敏電阻兩端的相對變化。12電流溫度系數(shù)： 電流溫度系數(shù)是指在壓敏電阻器的兩端電壓保持恒定時，溫度改變1時，流過壓敏電阻器電流的相對變化。 13電壓非線性系數(shù)： 電壓非線性系數(shù)是指壓敏電阻器在給定的外加電壓作用下，其靜態(tài)電阻值與動態(tài)電阻值之比。14絕緣電阻： 絕緣電阻是指壓敏電阻器的引出線（引腳）與電阻體絕緣表面之間的電阻值。15靜態(tài)電容： 靜態(tài)電容是指

10、壓敏電阻器本身固有的電容容量。壓敏電阻標稱參數(shù) nUn(7U/( 壓敏電阻用字母“MY”表示，如加J為家用，后面的字母W、G、P、L、H、Z、B、C、N、K分別用于穩(wěn)壓、過壓保護、高頻電路、防雷、滅弧、消噪、補償、消磁、高能或高可靠等方面。壓敏電阻雖然能吸收很大的浪涌電能量，但不能承受毫安級以上的持續(xù)電流，在用作過壓保護時必須考慮到這一點。壓敏電阻的選用，一般選擇標稱壓敏電壓V1mA和通流容量兩個參數(shù)。 W7kLC| Fp _WtTGma4 1、所謂壓敏電壓，即擊穿電壓或閾值電壓。指在規(guī)定電流下的電壓值，大多數(shù)情況下用1mA直流電流通入壓敏電阻器時測得的電壓值，其產(chǎn)品的壓敏電壓范圍可以從109

11、000V不等?？筛鶕?jù)具體需要正確選用。一般V1mA=1.5Vp=2.2VAC，式中，Vp為電路額定電壓的峰值。VAC為額定交流電壓的有效值。ZnO壓敏電阻的電壓值選擇是至關(guān)重要的，它關(guān)系到保護效果與使用壽命。如一臺用電器的額定電源電壓為220V，則壓敏電阻電壓值V1mA=1.5Vp=1.51.414220V=476V，V1mA=2.2VAC=2.2220V=484V，因此壓敏電阻的擊穿電壓可選在470480V之間。 hDnOs_ kqLf ?Wim 2、所謂通流容量，即最大脈沖電流的峰值是環(huán)境溫度為25情況下，對于規(guī)定的沖擊電流波形和規(guī)定的沖擊電流次數(shù)而言，壓敏電壓的變化不超過 10時的最大脈

12、沖電流值。為了延長器件的使用壽命，ZnO壓敏電阻所吸收的浪涌電流幅值應(yīng)小于手冊中給出的產(chǎn)品最大通流量。然而從保護效果出發(fā)，要求所選用的通流量大一些好。在許多情況下，實際發(fā)生的通流量是很難精確計算的，則選用220KA的產(chǎn)品。如手頭產(chǎn)品的通流量不能滿足使用要求時，可將幾只單個的壓敏電阻并聯(lián)使用，并聯(lián)后的壓敏電不變，其通流量為各單只壓敏電阻數(shù)值之和。要求并聯(lián)的壓敏電阻伏安特性盡量相同，否則易引起分流不均勻而損壞壓敏電阻。 ow7% P 9 xaGPb4Ne 1.2 研制開發(fā) * ck) 70年代末到80年代，基礎(chǔ)理論研究取得了重大進展。據(jù)不完全統(tǒng)計，截止到1998年，公開發(fā)表的論文和專利說明書等累計

13、達700多篇，其中有關(guān)基礎(chǔ)研究的約占一半。在基礎(chǔ)研究的推動下，8090年代，壓敏陶瓷的材料開發(fā)速度大大加快，目前已取得的成果有： cGg$Eqh& (1) 氧化鋅壓敏陶瓷的電壓梯度已從最初的150V/mm擴散到（20250）V/mm幾十個系列，從集成電路到高壓、超高壓輸電系統(tǒng)都可以使用； 04,=TLC5 r (2) 開發(fā)出大尺寸元件，直徑達120mm,2ms方波，沖擊電流達到1200A，能量容量平均可達300J/cm3左右； |V!7MRD (3) 汽車用（85120）工作溫度下的高能元件； PQIS0$+ (4) 視在介電常數(shù)小于500的高頻元件； s/nr/Hh (5) 壓敏電容雙功能電

14、磁兼容（EMC）元件； CE5j 5wA (6) 毫秒級三角波、能量密度750J/cm3以上的低壓高能元件； =5pC1wNtS (7) 老化特性好、電容量大、陡波響應(yīng)快的無鉍（Bi）系氧化鋅壓敏元件； bd_49S; (8) 化學共沉淀法和熱噴霧分解法壓敏電阻復(fù)合粉體制備技術(shù)； zJjY (9) 壓敏電阻的微波燒結(jié)技術(shù)； .92uuD (10) 無勢壘氧化鋅大功率線性電阻。 UCqs ! h PuT K# -(0k 3$9eU 2 壓敏電阻器的應(yīng)用原理 B5_2.0）。這兩種配方的性能差別造成了許多應(yīng)用上的“死區(qū)”，例如：在10kV電壓等級的輸配電系統(tǒng)中已經(jīng)廣泛采用了真空開關(guān)，由于它動作速度

15、快、拉弧小，會在操作瞬間造成極高過壓和浪涌能量，如果選用高壓型壓敏電阻加以保護（如氧化鋅避雷器），雖然它電壓梯度高、成本較低，但能量容量小，容易損壞；如果選用高能型壓敏電阻，雖然它能量容量大，壽命較長，但電壓梯度低，成本太高，是前者的513倍。在中小功率變頻電源中，過壓保護的對象是功率半導體器件，它對壓敏電阻的大電流特性和能量容量的要求都很嚴格，而且要同時做到元件的小型化。高能型壓敏電阻在能量容量上可以滿足要求，但大電流性能不夠理想，小直徑元件的殘壓比較高，往往達不到限壓要求；高壓型壓敏電阻的大電流特性較好，易于小型化，但能量容量不夠，達不到吸能要求。目前中小功率變頻電源在國內(nèi)外發(fā)展非常迅速，

16、國內(nèi)銷售量已近100億元/年，但壓敏電阻在這一領(lǐng)域的應(yīng)用幾乎還是空白。 壓敏電阻的失效模式主要是短路，當通過的過電流太大時，也可能造成閥片被炸裂而開路。壓敏電阻使用壽命較短，多次沖擊后性能會下降。因此由壓敏電阻構(gòu)成的防雷器長時間使用后存在維護及更換的問題。 解決上述問題的有效方法是提高高壓型壓敏電阻的能量密度，或提高高能型壓敏電阻的電壓梯度和非線性系數(shù)（降低殘壓比），即開發(fā)高壓高能型壓敏電阻。5 應(yīng)用納米材料改性壓敏電阻氧化鋅壓敏陶瓷屬體型壓敏材料，電壓、電流特性對稱，壓敏電壓和通流能力可以控制，具有很高的非線性系數(shù)，成為當今壓敏材料中的一個重要分支。為了解決高壓型壓敏電阻與高能型壓敏電阻應(yīng)用

17、上的“死區(qū)”，提出添加納米材料進行壓敏電阻改性實驗研究，制得高壓高能型壓敏電阻，將能大幅度提高電壓梯度、非線性系數(shù)和能量密度。到目前為止，在亞微米級前驅(qū)粉體基礎(chǔ)上進行的各種傳統(tǒng)改性研究（粉體制備方法的改進、配方和燒結(jié)工藝調(diào)整等），均無法解決高壓高能問題，實現(xiàn)高壓高能壓敏電阻是公認的難題。壓敏行業(yè)的專家普遍認為：發(fā)展多學科交*研究，利用新技術(shù)、新材料對壓敏電阻進行改性是解決問題的關(guān)鍵。在各種新技術(shù)、新材料的應(yīng)用方面，納米材料已得到廣泛重視，也正在形成一種新的發(fā)展趨勢。目前國內(nèi)外有相當一批學者正在著手這方面的研究，初步研究結(jié)果已經(jīng)顯示出采用納米材料是實現(xiàn)高壓高能的有效途徑。在國外由前南斯拉夫塞爾維

18、亞科學院Milosevic1994年使用高能球磨法，制成平均粒徑100nm以下的復(fù)合ZnO壓敏電阻粉末，經(jīng)高溫燒結(jié)而成的壓敏電阻，非線性系數(shù)達到45，燒成密度達到理論密度的99，而且漏電流比較小。由此可見，納米材料可以大幅度提高電壓梯度、非線性系數(shù)（即降低殘壓比，改善大電流特性）和能量密度，對實現(xiàn)壓敏電阻和高壓高能具有重要意義。但是，當前文獻報道所涉及的研究方法僅限于全部使用納米材料，這種方法工藝復(fù)雜、成本高，不便于生產(chǎn)應(yīng)用。而在采用納米添加法領(lǐng)域內(nèi)（使用少量或微量的納米粉與亞微米粉相結(jié)合的方法），對壓敏電阻進行改性研究，這種方法的優(yōu)點在于：納米添加法具有選擇性，可根據(jù)不同的應(yīng)用需要，有目的地

19、進行單組份納米添加實驗，尋求改性效果最佳的納米材料和添加比例，因而原料成本不會大幅度增加。制備方法簡單，基本上改變壓敏電阻的現(xiàn)有生產(chǎn)方法，研究成果便于直接應(yīng)用到生產(chǎn)實際中去。6 結(jié) 論綜上所述，壓敏電阻器應(yīng)用趨向為：有引線的壓敏電阻器近兩年來仍有一定幅度的增長，目前為總需求的5560；由于手持式電子產(chǎn)品的廣泛使用，片式無引線壓敏電阻器市場增長率將不斷提高，將逐步超過有引線的壓敏電阻器產(chǎn)量，成為今后的主流產(chǎn)品。在研究和產(chǎn)品開發(fā)方面，采用納米添加改性壓敏電阻，研究開發(fā)一種全新概念的氧化鋅壓敏電阻，實現(xiàn)壓敏電阻的高壓高能化，將具有很好的市場前景和實際應(yīng)用價值。一、壓敏電阻的安全性問題：壓敏電阻起火燃

20、燒的表觀現(xiàn)象，大體上可分為老化失效和暫態(tài)過電壓破壞兩種類型在以往的應(yīng)用中，跨接在電源線上的壓敏電阻器出現(xiàn)過起火燃燒，危機臨近其它元器件的事故。對此，制造者和使用者共同進行了大量研究和分析工作，采取了相應(yīng)的對策，極大地降低了這類事故的概率，但尚未杜絕，因此，壓敏電阻的使用安全性仍是個值得重視、需要繼續(xù)研究解決的課題。壓敏電阻起火燃燒的表觀現(xiàn)象，大體上可分為老化失效和暫態(tài)過電壓破壞兩種類型。老化失效，這是指電阻體的低阻線性化逐步加劇，漏電流惡性增加且集中流入薄弱點，薄弱點材料融化，形成1k左右的短路孔后，電源繼續(xù)推動一個較大的電流灌入短路點，形成高熱而起火。這種事故通?？梢酝ㄟ^一個與壓敏電阻串聯(lián)的

21、熱熔接點來避免。熱熔接點應(yīng)與電阻體有良好的熱耦合，當最大沖擊電流流過時不會斷開，但當溫度超過電阻體上限工作溫度時即斷開。研究結(jié)果表明， 若壓敏電阻存在著制造缺陷，易發(fā)生早期失效， 強度不大的電沖擊的多次作用，也會加速老化過程，使老化失效提早出現(xiàn)。暫態(tài)過電壓破壞，這是指較強的暫態(tài)過電壓使電阻體穿孔，導致更大的電流而高熱起火。整個過程在較短時間內(nèi)發(fā)生，以至電阻體上設(shè)置的熱熔接點來不及熔斷。在三相電源保護中，N-PE線之間的壓敏電阻器燒壞起火的事故概率較高，多數(shù)是屬于這一種情況。相應(yīng)的對策集中在壓敏電阻損壞后不起火。一些壓敏電阻的應(yīng)用技術(shù)資料中，推薦與壓敏電阻串聯(lián)電流熔絲（保險絲）進行保護。二、壓敏

22、電阻的連接線問題將壓敏電阻接入電路的連接線要足夠粗，推薦的連接線的尺寸注：接地線為5.5 mm2以上連接線要盡可能短，且走直線，因為沖擊電流會在連接線電感上產(chǎn)生附加電壓，使被保護設(shè)備兩端的限制電壓升高。壓敏電阻通流量600A(6002500)A(25004000)A(400020K)A導線截面積 0.3 mm2 0.5 mm2 0.8 mm2 2 mm2例如：若壓敏電阻MY兩端各有3 cm長的接線，它的電感量L大體為18 nH，若有10 KA的8/20沖擊電流流入壓敏電阻，把電流的升速看作10KA / 8s，則引線電感上的附加電壓UL1、UL2大體為UL1= UL2=L(di/dt)=1810

23、-9( 10103 / 810-6 )=22.5 V這就使限制電壓增高了45V。三、壓敏電阻的串聯(lián)和配對壓敏電阻可以很簡單地串聯(lián)使用。將兩只電阻體直徑相同（通流量相同）的壓敏電阻串聯(lián)后，漆壓敏電壓、持續(xù)工作電壓和限制電壓相加，而通流量指標不變。例如在高壓電力避雷器中，要求持續(xù)工作電壓高達數(shù)千伏，數(shù)萬伏，就是將多個ZnO壓敏電阻閥片迭和起來（串聯(lián)）而得到的。壓敏電阻可以并聯(lián)，目的是獲得更大的通流量，或者在沖擊電流峰值一定的條件下減小電阻體中的電流密度，以降低限制電壓。當要求獲得極大的通流量 例如8/20，（50200）KA ，且壓敏電壓又比較低（例如低于200V）時，電阻體的直徑 / 厚度比太大

24、，在制造技術(shù)上有困難，且隨著電阻體直徑的加大，電阻體的微觀均勻性變差，因此通流量不可能隨電阻體面積成比例地增大。這時用較小直徑的電阻片并聯(lián)可能是個更合理的方法。由于高非線性，壓敏電阻片的并聯(lián)需要特別小心謹慎，只有經(jīng)過仔細配對，參數(shù)相同的電阻片相并聯(lián)，才能保證電流在各電阻片之間均勻分配。針對這種需求，本公司專門為用戶提供配對的電阻片。此外，縱向連結(jié)的幾個壓敏電阻器，使用經(jīng)過配對的參數(shù)一致的壓敏電阻器后，當沖擊侵入時，出現(xiàn)在橫向的電壓差可以很小。在這種情況下，配對也是有意義的。四、壓敏電阻與氣體放電器件的串聯(lián)和并聯(lián)壓敏電阻可以與氣體放電管、空氣隙、微放電間隙等氣體放電器件相串聯(lián)（圖10.5a），這

25、個串聯(lián)組合的正常工作要滿足兩個基本條件：、系統(tǒng)電壓上限值應(yīng)低于氣體放電器件G的直流擊穿電壓；、G點火后在系統(tǒng)電壓上限值下，壓敏電阻MY中的電流應(yīng)小于G的電弧維持電流，以保證G的熄弧。這種串聯(lián)組合具有電容量小，工作頻率高；漏電流極小安全性好；以及不存在壓敏電阻MY在系統(tǒng)電壓下老化的問題，因而可靠性高等優(yōu)點，但同時也有氣體放電器件相應(yīng)慢所引起的讓通電壓問題。壓敏電阻也可與氣體放電管并聯(lián)，以降低氣體放電管的沖擊點火電壓。雷電與防雷誤區(qū) 隨著電子技術(shù)的發(fā)展，電子器件已進入大規(guī)模集成電路時代。電子設(shè)備的功能得以改善，運行的可靠性不斷提高，然而防雷的能力卻大大地降低了?，F(xiàn)在，每年遭到雷擊而造成的損失數(shù)以億

26、元計，所以研究保護微電子設(shè)備免遭雷電危害已成為一個重要課題。雖然近兩個世紀出現(xiàn)了很多的防雷方法和派生出很多防雷器件，但由于對雷電的了解不全面或?qū)ζ骷阅艿钠姡貌坏筋A(yù)期的效果。由于不得其法，浪費了大量資財。本文闡述雷電的成因并指出當前防雷誤區(qū)，力圖打破似乎凍結(jié)的防雷方法的規(guī)范，以求防雷研究的進展。1 雷電的形成1.1 自然界的自由電荷 在電子學中，當人們研究電的現(xiàn)象時發(fā)現(xiàn)構(gòu)成物質(zhì)的微單元的原子中，圍繞原子核高速旋轉(zhuǎn)的外層電子易受外界條件的影響而逸出，使原子缺少電子或者自由電子單獨存在而對外部形成電場的帶電現(xiàn)象。 金屬導體和絕緣體的內(nèi)部結(jié)構(gòu)區(qū)別在于：金屬導體中的自由電子內(nèi)部引力較弱，而絕緣

27、體內(nèi)部引力較強。所以在金屬導體環(huán)路中，如加上一種使自由電子逸出的力量（這個力量我們叫電壓），由于環(huán)路中電壓的存在，金屬中的電子產(chǎn)生位移式的流動，不過金屬內(nèi)的正負電荷量的絕對值是相等的，一旦去掉加在環(huán)路中的電壓，環(huán)路立即處于中性，沒有電子的流動，不再產(chǎn)生電場。 對非環(huán)路的金屬，比如兩塊相互平行的金屬板，它們之間以空氣為介質(zhì)，如在這兩塊板上加上電壓，金屬導體中的電子按同性相斥，異性相吸規(guī)律，使電子向一面流動，產(chǎn)生電場，這種現(xiàn)象稱為靜電現(xiàn)象。這時對某一塊金屬來說，它們電荷的正負電量的絕對值就不相等了，這時如去掉加在其上的電壓，它不像環(huán)路那樣呈現(xiàn)電中性，卻仍保持帶電性質(zhì)，仍然有電場的存在，但是隨著時間

28、的推移，這個電場會自然消失。正統(tǒng)的理論解釋為A片金屬的電子通過介質(zhì)層逐步釋放給B片金屬的結(jié)果，這是以環(huán)路電流理論為依據(jù)的論點。但是，如果將兩塊已充了電的金屬塊瞬間拉開到不可能從A向B釋放電子的距離，兩塊金屬會不會永久性地帶電呢？事實告訴我們，隨著時間的推移帶電現(xiàn)象也隨之消失，這是什么原因呢？教科書上提到的摩擦起電現(xiàn)象，即絕緣體相互摩擦后，絕緣體出現(xiàn)帶電現(xiàn)象，在這種情況下，是否需要兩件物體再接觸一下才能使絕緣體呈現(xiàn)帶電中性呢？事實并非如此，這些懸于空間的帶電物體，不管帶電性質(zhì)如何，只要與大地接觸一下，帶電現(xiàn)象就立即消失。因此這種現(xiàn)象告訴我們，在自然界中，A給B的電荷，A不必從B收回，B多余的電荷

29、也不一定向A輸出，這與金屬環(huán)路電流理論是不相同的。同時可以推定，自然空間（包括大地在內(nèi)）各種物體電荷的擁有量的絕對值是不相等的，就是說自然界擁有巨大的自由電荷量。 自然界之所以擁有大量的自由電荷，從電勢形成概念而言，有電磁效應(yīng)、化學效應(yīng)、摩擦起電及射線等諸方面原因，現(xiàn)代科學可以做到測量人腦電流的運動來判斷腦的活動。自然界的自由電荷的成因，用能量守恒定律來規(guī)范，可以這樣說：凡有物質(zhì)運動的地方（包括宇宙射線），就會產(chǎn)生電子運動并形成自由電荷，這是一種能轉(zhuǎn)換成另一種能的變換過程，所以自然界物質(zhì)的運動是自然界產(chǎn)生自由電荷的根源。 所謂自然界，包括天空與大地這樣廣闊的空間，這個空間不存在電荷的中性，就大

30、地而言，我們稱之為零電位，但大地本身因物質(zhì)的運動其電位并非為零，它擁有大量的自由電荷，我們可以做一個簡單的小實驗：用一副耳機，或者一只毫伏表，兩根同金屬性質(zhì)的金屬棒，在一定距離內(nèi)分別將金屬棒插入地下，棒與棒之間用耳機可以聽到地電荷的噪音，如果接上毫伏表發(fā)現(xiàn)有電壓指示，而這種指示不因放電時間的加長而消失，單線傳輸?shù)碾娫捑€路，電話的耳機里的噪音也連續(xù)不斷，這些都說明大地自由電荷的存在。當然用上述方法無法測量天空自由電荷，但是我們用長波和中波收音機收聽電臺時，噪音干擾也連續(xù)不斷，以此證明，天空中有不斷的放電現(xiàn)象，說明天空中存在豐富的自由電荷，同時又能形成一定強度的電場放電。 這里反復(fù)地論證自然界存在

31、自由電荷，其目的是要解釋雷電產(chǎn)生的根源，因為教科書上的環(huán)路理論不能對雷電成因進行解釋。1.2 雷電場的產(chǎn)生 雷電的能量是巨大的，在人類活動中，任何單一的電站所發(fā)出的電能不可能產(chǎn)生一次雷電所釋放的能量，那么這樣大的能量積聚是怎樣形成的呢？ 上面說過，由于物質(zhì)的運動自然界產(chǎn)生巨大的自由電荷，當然這些自由電荷是產(chǎn)生雷電的根源。從電子學中得知，要形成一個強大的電場，一定是其中一方是同性質(zhì)電荷的積累，但是在天空中空氣是絕緣的，同性質(zhì)的電荷又相斥，它們不可能積聚在一起，不可能形成能量的集中，天空中的物質(zhì)受氣流、宇宙射線的影響而產(chǎn)生自由電荷，且不斷增加，在大氣層的擠壓下向太空高層運動，形成一個電離層，這個電

32、離層是含單性電荷的電子層，其電場的能量是不可估量的。 當大氣層中出現(xiàn)潮濕的空氣，在上升階段又遇冷空氣結(jié)成水狀云塊時，由于云塊可看成是一個整體的導體，在電離層電場力的作用下，云層中的電子推向面向地的一端，雖然云塊正負電荷的絕對值相等，但實際上形成了一個靜電場，在晴天，云塊遠距地面而且云塊與大地間潮濕空氣較稀，它們之間介質(zhì)絕緣程度較高，不易發(fā)生擊穿放電現(xiàn)象，但是在雨天，特別是熱雨季節(jié)，由于云層下降，空氣潮濕，在此條件下帶電云塊擊穿空氣向大地放電而形成雷電。 雷電不單純是空間對地放電，往往在空間也會形成雷電。這是因為帶電云塊在空間的位置較高，當?shù)孛娴某睗窨諝饧彼偕仙龝r，它與帶電云塊形成的電場在空間放

33、電，形成高空雷電。 上面說過，云塊受電離層電場力的作用產(chǎn)生靜電現(xiàn)象，這些云塊向地放電以后，其本身產(chǎn)生電離即云塊的正負電量的絕對值不相等，形成帶電現(xiàn)象，帶電云塊隨著氣流運動與另一云塊形成電場，當它們逐漸接近時產(chǎn)生放電現(xiàn)象是形成空中雷的原因，當我們觀察雷電在空間放電時，往往是一次接一次有連續(xù)不斷的感覺。1.3 雷電過程 雷電過程也是靜電理論中闡明的電場中介質(zhì)擊穿過程。上面說過雷電的成因，雷電是帶電云塊在運動過程中放電的現(xiàn)象，其放電位置不是固定的，但有一定固定的條件。比如電場中介質(zhì)的厚度、絕緣系數(shù)、氣體溫度和地表導電系數(shù)都影響雷擊地點。我們常說的多雷區(qū)應(yīng)該說該地區(qū)具備上述諸因素中的幾種。但是有人認為

34、雷電是在本位置產(chǎn)生的，這是一種誤解。道理很簡單：因為在本地區(qū)又有什么力量積聚這么大的能量呢？應(yīng)該是帶電云塊在運動過程中放電形成雷電，當然在帶電云塊的作用下，在什么地方放電與地面的前述條件有關(guān)，以地貌而言相對高度越高應(yīng)該說越易遭雷擊，這里指的是高建筑物、高山及地表凸出處，但也不一定就在這些地方出現(xiàn)雷擊，因為在電場中介質(zhì)參數(shù)不單純是指厚度，還取決于絕緣系數(shù)即環(huán)境的溫度和氣體的溫度。我們發(fā)現(xiàn)，往往雷擊點不在山頂而在平川，這是因為那里的潮濕空氣和氣溫使電場介質(zhì)的絕緣低于高山而遭雷擊。另外，地表的導電也有影響，良好的導電地質(zhì)比難以導電的地質(zhì)所產(chǎn)生的雷電場就大得多，所以易導電的地質(zhì)易于引雷。 雷電場是一個

35、巨大的靜電場，是人類不可建造的。巨大的電場面積和所積聚的巨大能量是不可估量而又不可測量的，人們往往在雷電以后，從被雷擊的物體破壞的程度估計它的大小。對于雷電流用數(shù)以億安計的詞來形容是不過份的，雷電場在放電過程中與靜電場放電有相似的地方，但也有差別，人為形成的靜電場其儲能是極為有限的，所以它在放電過程中放電電流是從最大值逐步減弱，而雷電場就不同，由于儲能巨大，在放電時因通過空間的阻力開始階段不可能使電場減弱，而是在放電時空氣加熱以后放電電流達到最大值，再隨著電場的減弱放電電流隨之下降。所以雷擊過程中雷電流是從小到大再減弱，就電的性質(zhì)而言，由于它是一個靜電場的放電，電流的方向是不變的，所形成的是一

36、個幅度巨大的脈動直流電流。 所以雷電流的主要分量是直流分量，但脈動部分和雷電流與空氣及地接觸時產(chǎn)生的熱騷動形成的諧波和高次諧波的電磁能量也相當大，所以雷電過程中的交流分量也不可小看，雷擊過程中，從低頻直至米波段這樣寬的頻譜均受不同程度的干擾，從諧波理論得知，低頻段所受干擾較為嚴重。 如果我們將地面的物體置于某一位置，雷電對這一物體產(chǎn)生的干擾可分為感應(yīng)干擾和直接干擾。某一物體不在雷電場內(nèi)，但由于雷電在放電過程，它所產(chǎn)生的強大電磁波使這一物體受電磁波的沖擊，這樣的雷我們稱“感應(yīng)雷”，當某一物體置于雷電場內(nèi)，而且物體又作為雷電流的導電體，巨大的電流通過該物體使物體遭到嚴重破壞，這種直接置于雷電場受到

37、雷電的沖擊，我們稱這種雷為“直接雷”。以現(xiàn)代微電子來說，不管感應(yīng)雷還是直接雷對微電子器件都會造成永久性的破壞。2 防雷的誤區(qū)2.1 避雷針與避雷器 19世紀后葉，人們發(fā)現(xiàn)金屬導體尖端放電現(xiàn)象。避雷針是典型的利用尖端放電原理做成的防雷裝置，在被保護物體上架設(shè)一根金屬針，并將它與地相通。它是怎樣避雷的呢？解釋是這樣：當避雷針置于空中對地這個雷電場時，由于避雷針與大地有良好的接觸，此時電場能量通過避雷針放電，雷電場消失，使它不發(fā)生大電流的放電，從而起到消雷的作用。但是這種解釋也有不清楚的地方，即位于強大的雷電場下的避雷針，能否按人們的意愿慢慢地放電使雷電場消失呢？從電學原理也說不通。因為強大的雷電場

38、就像炸藥缺少引信一樣，避雷針所指的空間就像引信，由于避雷針的引導會一觸即發(fā)。因為其高度和良好的接地條件要優(yōu)于其它位置，同時尖端形成的電場又大于其它地方，所以強大的雷電場以避雷針為中心放電區(qū)，如果說避雷針本身不具有電抗，接地電阻又達到零值，數(shù)以億安計的雷電流可以順利通過它，不會形成熱效應(yīng)和雷電位，便可達到避雷目的。但避雷針本身和引線存在著電抗，接地電阻不可能為零，所以雷擊過程中，它沒有避雷能力，只起到雷擊位置的引導作用。人們認識到這一點，但對避雷針有所偏愛或者說對雷電成因不理解，他們將雷電解釋為是本位置產(chǎn)生的，就是說講不清楚的原因，在避雷針設(shè)置的地方和相對的空間形成電場，由于避雷針逐步放電而使這

39、一電場建立不起來，所以避雷針起到消雷的作用。事實上從20世紀以來人們對避雷針的避雷作用公開地提出了質(zhì)疑，因為避雷針成為引雷針的事件屢見不鮮。 然而避雷針在下述情況能發(fā)揮一定作用，當帶電云塊的電量很小，而且又遠離地面與大地形成不太強的電場時，避雷針對其電場逐步放電達到消除這個電場的目的。地面有些物體與大地是絕緣的，比如木質(zhì)結(jié)構(gòu)的古建筑物，在感應(yīng)雷和直接雷的作用下，可能會帶上靜電，由于靜電的存在可能引起火災(zāi)，如果在這些物體上架設(shè)避雷針，就可使建筑物與大地形成等電位，避免這些物體在雷電場作用下帶靜電。 但是，現(xiàn)代的建筑物幾乎都是鋼筋水泥結(jié)構(gòu)的，它與大地已形成了等電位，顯然架設(shè)避雷針是多余的。但是現(xiàn)在

40、的建筑物仍沿襲老規(guī)矩架設(shè)避雷針，其原因很明顯，主要是責任和規(guī)范問題。說句實話，不設(shè)避雷針誰能保證該建筑物不受雷擊？安裝了避雷針而遭雷擊是老天爺?shù)氖?，責任不在人?幾乎在出現(xiàn)避雷針的同時，在輸電線上人們利用尖端放電現(xiàn)象發(fā)明了尖端放電避雷器，兩個尖端所形成的電場在一定間距內(nèi)放電，這個間距的大小可以設(shè)定在一定電壓下放電，于是將它安裝在輸電線上，使雷電的超壓值通過此放電器引導入地達到避雷的目的。20世紀初葉，輸電線上普遍安裝了形似羊角的羊角避雷器，但是由于羊角避雷器在泄放雷電過程中，空氣被加熱引起電弧不斷，雖然有引導電弧上升的形態(tài)，但雷電過后，電路不能正常供電。于是在尖端放電的基礎(chǔ)上加了對電壓敏感的電

41、阻元件，此元件在超過額定電壓時呈現(xiàn)的電阻小，反之阻值增大，對過壓引起的電流起到開關(guān)作用，這種避雷器稱“閥型避雷器”。按壓敏原理又派生出氣敏和氧化鋅器件。 不管羊角型、閥型、氣敏和壓敏避雷器，它們的結(jié)構(gòu)企圖達到一個目的：使輸電線上的過壓值，通過這些器件，箝位在人為的整定值上，從而使用戶設(shè)備的端電壓不超過額定電壓，確保用戶設(shè)備的安全。2.2 避雷器件用在不同電路中的反應(yīng) 現(xiàn)在形形色色的避雷器，如果單純地就其本身結(jié)構(gòu)來判斷是否有防雷作用是不全面的，還要看這些器件用在什么電路。下面介紹幾種電路在雷電過程中的反應(yīng)： （1）高壓輸電線雷電勢的分布與過渡 高壓輸電線是三相三線制，線對地是絕緣的。不管輸電線受

42、感應(yīng)雷或直接雷影響，在三線中的雷電勢的電位和相位均是相同的，線與線之間的電位差等于零。所以當雷擊高壓輸電線時，主要危及輸電線及其在線路上運行的變壓器的對地絕緣。在三線的輸電線中，由于各種原因三線對地絕緣系數(shù)不盡相同，特別是高壓側(cè)的避雷器絕緣性能更難求得一致，所以在雷擊過程中會出現(xiàn)一線首先向地放電現(xiàn)象。由于一線放電，該線雷電位迅速下降，此時另外二線的雷電位就高于放電線，線與線之間就出現(xiàn)了雷電位差，這個電壓通過變壓器高壓側(cè)繞組，低壓側(cè)（即變壓器副邊）就由于電磁感應(yīng)出現(xiàn)雷電壓，這個電壓很高時就危及用戶設(shè)備的安全。 （2）低壓輸電線雷電勢的分布與過渡 低壓為三相四線制，零線與大地相連，雷電發(fā)生在低壓電線時，由于零線本身存在著電抗，接地電阻不可能達到零值，四線上的雷電都向地放電，此時的低壓輸電線首先是零電位急劇上升，當然相線由于零電位上升而相應(yīng)上升，而且每相向零線放電時，都是通過用戶設(shè)備進行的，由于各自的負載不同，相應(yīng)的雷電位也不盡相同，這樣又出現(xiàn)了相對零線間和相間的雷電流。所以當雷擊低壓線時，對用戶設(shè)備造成破壞的一是對地絕緣，二是超壓過載，往往由于零線電位升高而破壞用戶絕緣的故障最明顯。 （3）小電流電路 所謂小電流電路系指電源功率容量小、電源內(nèi)阻高的電路網(wǎng)絡(luò)，這種電路我們常見的如電話外線及電子線路本身。 上面說過，目前的防雷器