常州市视耀电子有限公司
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摘 要：本文根据地球具有磁场和云体在地球磁场中运动的事实，提出产生雷电的云体电场是由于云体携带电荷在地球磁场中运动时，受洛仑兹力的作用，使正负电荷发生两极分离而形成的，并非传统所说的是由于云和云以及云与地面相互摩擦的结果。同时作者在文中还阐述了自己对云体电场放电的条件和特点、雷电的防护及现行的防雷接地与等电位连接等方面不同于传统的观点和想法。并详细介绍了作者设计的一种过电压保护接地装置。 ABSTRACE: On the basis of movement of the cloudy body, the cloudy body electric field is put forward in the article. Under the action of LORENTZ’s force, the cloudy body with charge is moving in the earth magnetic field, the two poles of positive and negative charge are separated, the cloudy body electric field is formed. At the same time, condition and characteristic of charging of the cloudy body electric field will be expatiated. With regard to lightning protection and connection of equal electrical potential, new viewpoint will be brought forward. An earthing device of overtension protection will be introduced. 关键词：地球磁场、洛仑兹力、云体电场、防雷接地、等电位、反击电压、接触电势、跨步电势 KEY WORD: EARTH MAGNETIC FIELD, LORENTZ’S FORCE, CLOUDY BODY ELECTRIC FIELD, LIGHTNING PROTECTION AND EARTHING, EQUAL ELECTRICAL POTENTIAL, COUNTERATTACK VOLTAGE, CONTACT POTENTIAL, STEP POTENTIAL. 1. 云体电场的形成 雷电是云体电场的一种放电现象。那么一个具有百万伏特级电势和能释放出万安级电流的云体电场究竟又是如何形成的呢？它是否真的像一直以来人们依据摩擦生电的原理认为的那样，也是由于云和云以及云和地面的摩擦生电所形成的呢？笔者经过反复的研究分析及长期对雷电现象和云体的观察后认为：实际情况可能并非如此。 摩擦生电的实质是在两种相互摩擦的物质之间发生了电荷的转移，其机理是：这两种物质分子的原子具有不同的原子序数和核外电子层数以及不同的最外层电子数，不同序数的原子其原子核对核外电子的引力不同，引力大的容易得到电荷而带正电，引力小的则容易失去电荷而带负电。否则如果摩擦是在同种物质的两个物体之间进行的，那么就不可能发生电荷的转移，它们的摩擦除了磨损和发热以为，是不可能生电的。而云体主要是由空气、尘埃和水蒸气混合而成的，同一云体内和不同云体之间它们的物质属性是基本相同的，它们失去电荷和得到电荷的能力也是基本相等的，所以云体之间通过摩擦能够发生的电荷转移是非常有限的；其次，虽然云层的体积和面积比较大，但其密度和它们相互之间的接触压力都非常小，其摩擦作用自然也是很小的；再者，云体的运动是由气流带动的，受气流和地形的影响，云体的运动是一种不断起伏、翻滚和涡旋的紊乱运动，紊乱的碰撞摩擦不可能形成和维持一个整体的方向不变的云体电场。 笔者认为，云体电场能够达到如此高的强度和具有如此强大的能量，绝不可能是一下子就可以形成的，它必须有一个形成的过程，必须要经过一个长时间的不断累积。而要实现这个累积的过程，在云体的运动中就必须满足两个条件。其一：始终能够保持一个方向不变的云体电场存在；其二：始终有一个能够改变云体内正负电荷运动方向，迫使正负电荷向云体电场的两极分离，从而使云体电场得以不断地累积增强的作用力存在。那么这个云体电场就只有和只能是云体在地球磁场中运动所形成的云体电场，这个作用力也只有和只能是云体携带的电荷在地球磁场中运动时，由地球磁场所产生的洛仑兹力。而对于云体在运动中所发生的局部紊乱摩擦而言，要达到这两个条件是永远不可能的。 地球是一个具有磁场的球体，地球的北极就是其磁场的N极，地球的南极就是其磁场的S极。宇宙空间是一个电荷的海洋，否则电磁波就无法在空中传播。漂浮在地球表面上空的云体必然会携带有大量的自由电荷，它们受气流和地球自转的作用而沿地表上空运动（如图1）。当云体的运动方向与地球磁场方向不平行时，云体在运动的过程中就将不断地切割地球磁场，相当于电荷在磁场中作切割磁力线的运动。在洛仑兹力的作用下，云体携带的正负电荷分别向与磁场方向和云体运动方向垂直的上下两极分离，形成一个其方向与磁场方向和云体运动方向垂直的云体电场（如图2）。
因为地球磁场的方向是不变的，所以只要云体的总运动方向保持不变，这个云体电场的方向也就会保持不变，这样，随着云体沿着同一方向不断地向前运动，在地球磁场的作用下，洛仑兹力就会使云体携带的正电荷不断地向云体电场的正极方向分离，负电荷不断地向云体电场的负极方向分离，从而使云体电场得以不断地累积增强。 云体电场的累积增强也不是无限的，当云体电场对电荷的作用力与地球磁场对电荷的作用力──洛仑兹力相等时，云体携带的正负电荷的分离──云体电场的累积也就停止了。云体电场所能达到的最大强度与地球磁场的强度、云体的运动速度、累积的时间以及云体内的电荷浓度和云体的厚度成正比。 如果云体是由西向东运动（如图2），在地球磁场所产生的洛仑兹力的作用下，云体所携带的正电荷就会向云体的下部分离，负电荷则向上分离，在云体的上下端之间产生一个上负下正的云体电场。如果云体是贴近地面移动的，其被分离到下部的正电荷就会被转移到地表上，分离到上部的负电荷就依附在云体上，从而在地表与云体之间形成一个云体带负极性的电场，这就是我们在地面所测到的由西向东运动的云体电场表现为负极性的原因。如果云体是由东向西运动的，情况则会相反。如果云体是远离地面运动的，其下部的电荷就不会被转移到地表上，云体电场就会保持在其上下两端之间。 2. 云体电场的放电 在云体电场形成以后，当满足使其放电的条件时，云体电场就会发生放电。不仅同一云体的上下两个端面之间会发生放电，由于上下相邻靠近的两层云体一般是在相同的气流作用下作同向运动，位于上方的云体其下端的电场极性与位于下方的云体其上端的电场极性正好相反，又由于整块云体表面形状的凹凸不平的，当上下相邻的两个不同云体之间凸凸相对，且两个云体之间的电势差值达到足以击穿该两个电势端之间的间隙时，尖端效应引起电场畸变诱发上行和下行先导，这样上下相邻靠近的两个不同的云体之间也会发生放电，这两种情形的云体电场放电就是常说的“云间雷”。云间雷一般离地面较高，除了对航空器存在危险和对地面通讯有影响外，对地面人员和设施的安全无影响。当带电云体靠近地面，其电场足以击穿云体与地面之间的空气间隙和具备诱发上行和下行先导条件时，云体电场即对地面放电，这也就是通常所说的“落地雷”。落地雷直接危害地面人员和设施的安全。在云体电场的放电中，“云间雷”所占的比例远远大于“落地雷”所占的比例。为了防止和减少雷击的危害，通过引导诱发“云间雷”来消除或者削弱云体电场，从而减少“落地雷”的发生，应作为防雷的一种首选思路。 笔者通过观察还发现，云体电场的放电很多是发生在云体运动速度较慢甚至是静止时，那么为什么云体电场在慢速移动甚至是静止时发生放电的几率要高于其在快速运动时发生放电的几率呢？笔者分析认为这种现象是因为云体电场在前面的运动中虽然已经形成了足够的强度，但是由于云体电场在运动时其电场力与洛仑兹力是相反的，当云体的运动速度较快时，云体电荷所受到的洛仑兹力较大，正负电荷被迫向上下两极分离，云体电场两极之间的距离也被拉得较远，所以也就不容易发生放电；而当云体的运动速度变慢甚至是静止时，云体电荷所受到的洛仑兹力必然相应的同时变小甚至为零，而此时云体电场的电场力却没有变化，在这个电场力的作用下，云体电场两极的正负电荷会互相吸引而靠近，当彼此之间的间隙和间隙内的介电条件不足以隔离维持这个电场时，电场两极的电势就会击穿这个间隙，发生放电。另外云体在山峰和山脊上发生放电的几率并不一定比在山沟、低洼和平地上发生放电的几率高，在不同的地方，比如珠穆朗玛峰上的雷击概率不一定比湛江的雷洲半岛要高，在同一个地域内，山头的雷电概率也不一定比山脚的高，我们许多工程处在峡谷深山照样遭到雷击，这说明单纯地理位置的高低不是决定云体电场放电的主要因素。 3. 云体电场一次放电的范围和多次放电的原因 云体只是电荷的载体，但其整体并不是电荷的良导体，所以云体电场每次放电时释放电荷的云体范围是有限的，一次放电并不能将一大块云体电场的能量〔即云体所携带的电荷〕全部释放完。云体电场放电点一定范围内的电荷被释放以后，云体电场其它区域内的电荷并不会迅速填补到刚放电的区域内，其它区域内仍然保持较强的电场强度，所以放电点就会移到云体电场的其它区域上，这就是一块云体在一个时段内会在不同点发生多次放电的缘故。 4. 雷电的防护 自从富兰克林发现打雷实际上就是云体电场放电，并且发明了避（引）雷针以来，人们在雷电的防护方面已经想了很多的办法。尤其是在研究被雷打到了以后怎么办这一方面可以说是到了掘地三尺的地步，防雷从设计到施工和相关产品的生产制造都变得越来越复杂。尽管我们为了防雷花钱费力不少，但还是防不胜防。笔者在这里要提出一个换位思考的问题，我们能不能部分摆脱这种被动等着挨打的防雷思路，来一个不是等着它打到我了怎么办，而是在它还没有开始打我之前我如何去把它打掉呢？人们虽然也有对这方面的研究，但其程度远远不如前者，并且到今天也还未见有更多的成果被实际应用，在我国，这方面的工作更是欠缺。 要从被动等着挨打转变为主动出击，首先要建立雷电自动探测（预警）系统，开展雷电实时预警工作，主要是探测近地的云体电场，预警可能落地的雷，为实时有效有的放矢的采取针对性防雷措施提供准确的信息资料。 在通过直观和仪器探测到强烈的近地云体电场后，如何采取措施将其扼杀在摇篮里，也就是将雷消除在落地前，人们也已有过一些尝试，比如说“中和消雷”就是其中一种典型的代表。不过笔者认为这一理论虽然讲得通，但面对具有庞大的面积和体积并具有百万伏特级电势和能够产生万安级电流的云体电场，如何征集到足够数量的电荷“志愿兵”去应战，这个问题解决起来只怕不是所想象的那么一回事，就凭有限面积的接地网从地里能抓出多少个电荷“敢死队”来去与强大的云体电场作自杀性的抵消，恐怕是有点杯水车薪。 笔者认为有两种思路可以考虑，一种是把雷消灭在空中，也就是诱发“云间雷”，比如说发射类似人工降雨一样的炮弹向云体电场内散发大量引导电场放电的物质，或通过遥控飞行器拖带诱发装置在云体电场内反复穿梭来引导云体电场放电。另一种是把雷引落在无设施和人员的安全区，它与通常的独立避（引）雷针不同之处是：它是根据地形、地理以及云体的流向和路径，将引雷针设置在带电云体到达保护区前的必经之路上的专设安全区，在这里可以将引雷针成阵列设置，并且可以在引雷针上设置电磁波发生器和安装放射源来加强引雷作用。这种方法也可以称为“加强法拦截式”引雷。
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