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【原创】雷电与防雷(一)

2021-9-26 21:46:46 显示全部楼层
本帖最后由 Awen 于 2021-9-26 21:48 编辑

随着电子技术的发展,电子器件已进入大规模集成电路时代。电子设备的功能得以改善,运行的可靠性不断提高,然而防雷的能力却大大地降低了。现在,每年遭到雷击而造成的损失数以亿元计,所以研究保护微电子设备免遭雷电危害已成为一个重要课题。虽然近两个世纪出现了很多的防雷方法和派生出很多防雷器件,但由于对雷电的了解不全面或对器件性能的偏见,往往得不到预期的效果。由于不得其法,浪费了大量资财。本文阐述雷电的成因,防雷部分后续再讲,其实雷电在现实生活中随处可见,对于电子产品来讲要求更高。
首先讲下雷电的形成;
1.1  自然界的自由电荷
    在电子学中,当人们研究电的现象时发现构成物质的微单元的原子中,围绕原子核高速旋转的外层电子易受外界条件的影响而逸出,使原子缺少电子或者自由电子单独存在而对外部形成电场的带电现象。
    金属导体和绝缘体的内部结构区别在于:金属导体中的自由电子内部引力较弱,而绝缘体内部引力较强。所以在金属导体环路中,如加上一种使自由电子逸出的力量(这个力量我们叫电压),由于环路中电压的存在,金属中的电子产生位移式的流动,不过金属内的正负电荷量的绝对值是相等的,一旦去掉加在环路中的电压,环路立即处于中性,没有电子的流动,不再产生电场。
    对非环路的金属,比如两块相互平行的金属板,它们之间以空气为介质,如在这两块板上加上电压,金属导体中的电子按同性相斥,异性相吸规律,使电子向一面流动,产生电场,这种现象称为静电现象。这时对某一块金属来说,它们电荷的正负电量的绝对值就不相等了,这时如去掉加在其上的电压,它不像环路那样呈现电中性,却仍保持带电性质,仍然有电场的存在,但是随着时间的推移,这个电场会自然消失。正统的理论解释为A片金属的电子通过介质层逐步释放给B片金属的结果,这是以环路电流理论为依据的论点。但是,如果将两块已充了电的金属块瞬间拉开到不可能从A向 B释放电子的距离,两块金属会不会永久性地带电呢?事实告诉我们,随着时间的推移带电现象也随之消失,这是什么原因呢?
教科书上提到的摩擦起电现象,即绝缘体相互摩擦后,绝缘体出现带电现象,在这种情况下,是否需要两件物体再接触一下才能使绝缘体呈现带电中性呢?事实并非如此,这些悬于空间的带电物体,不管带电性质如何,只要与大地接触一下,带电现象就立即消失。因此这种现象告诉我们,在自然界中,A给B 的电荷,A不必从B收回,B多余的电荷也不一定向
A输出,这与金属环路电流理论是不相同的。同时可以推定,自然空间(包括大地在内)各种物体电荷的拥有量的绝对值是不相等的,就是说自然界拥有巨大的自由电荷量。
     自然界之所以拥有大量的自由电荷,从电势形成概念而言,有电磁效应、化学效应、摩擦起电及射线等诸方面原因,现代科学可以做到测量人脑电流的运动来判断脑的活动。自然界的自由电荷的成因,用能量守恒定律来规范,可以这样说:凡有物质运动的地方(包括宇宙射线),就会产生电子运动并形成自由电荷,这是一种能转换成另一种能的变换过程,所以自然界物质的运动是自然界产生自由电荷的根源。
     所谓自然界,包括天空与大地这样广阔的空间,这个空间不存在电荷的中性,就大地而言,我们称之为零电位,但大地本身因物质的运动其电位并非为零,它拥有大量的自由电荷,我们可以做一个简单的小实验:用一副耳机,或者一只毫伏表,两根同金属性质的金属棒,在一定距离内分别将金属棒插入地下,棒与棒之间用耳机可以听到地电荷的噪音,如果接上毫伏表发现有电压指示,而这种指示不因放电时间的加长而消失,单线传输的电话线路,电话的耳机里的噪音也连续不断,这些都说明大地自由电荷的存在。当然用上述方法无法测量天空自由电荷,但是我们用长波和中波收音机收听电台时,噪音干扰也连续不断,以此证明,天空中有不断的放电现象,说明天空中存在丰富的自由电荷,同时又能形成一定强度的电场放电。
    这里反复地论证自然界存在自由电荷,其目的是要解释雷电产生的根源,因为教科书上的环路理论不能对雷电成因进行解释。
1.2  雷电场的产生
     雷电的能量是巨大的,在人类活动中,任何单一的电站所发出的电能不可能产生一次雷电所释放的能量,那么这样大的能量积聚是怎样形成的呢?
    上面说过,由于物质的运动自然界产生巨大的自由电荷,当然这些自由电荷是产生雷电的根源。从电子学中得知,要形成一个强大的电场,一定是其中一方是同性质电荷的积累,但是在天空中空气是绝缘的,同性质的电荷又相斥,它们不可能积聚在一起,不可能形成能量的集中,天空中的物质受气流、宇宙射线的影响而产生自由电荷,且不断增加,在大气层的挤压下向太空高层运动,形成一个电离层,这个电离层是含单性电荷的电子层,其电场的能量是不可估量的。
    当大气层中出现潮湿的空气,在上升阶段又遇冷空气结成水状云块时,由于云块可看成是一个整体的导体,在电离层电场力的作用下,云层中的电子推向面向地的一端,虽然云块正负电荷的绝对值相等,但实际上形成了一个静电场,在晴天,云块远距地面而且云块与大地间潮湿空气较稀,它们之间介质绝缘程度较高,不易发生击穿放电现象,但是在雨天,特别是热雨季节,由于云层下降,空气潮湿,在此条件下带电云块击穿空气向大地放电而形成雷电。
    雷电不单纯是空间对地放电,往往在空间也会形成雷电。这是因为带电云块在空间的位置较高,当地面的潮湿空气急速上升时,它与带电云块形成的电场在空间放电,形成高空雷电。
    上面说过,云块受电离层电场力的作用产生静电现象,这些云块向地放电以后,其本身产生电离即云块的正负电量的绝对值不相等,形成带电现象,带电云块随着气流运动与另一云块形成电场,当它们逐渐接近时产生放电现象是形成空中雷的原因,当我们观察雷电在空间放电时,往往是一次接一次有连续不断的感觉。
1.3  雷电过程
     雷电过程也是静电理论中阐明的电场中介质击穿过程。 上面说过雷电的成因, 雷电是带电云块在运动过程中放电的现象,其放电位置不是固定的,但有一定固定的条件。比如电场中介质的厚度、绝缘系数、气体温度和地表导电系数都影响雷击地点。我们常说的多雷区应该说该地区具备上述诸因素中的几种。但是有人认为雷电是在本位置产生的,这是一种误解。道理很简单:因为在本地区又有什么力量积聚这么大的能量呢?应该是带电云块在运动过程中放电形成雷电,当然在带电云块的作用下,在什么地方放电与地面的前述条件有关,以地貌而言相对高度越高应该说越易遭雷击,这里指的是高建筑物、高山及地表凸出处,但也不一定就在这些地方出现雷击,因为在电场中介质参数不单纯是指厚度,还取决于绝缘系数即环境的温度和气体的温度。我们发现,往往雷击点不在山顶而在平川,这是因为那里的潮湿空气和气温使电场介质的绝缘低于高山而遭雷击。另外,地表的导电也有影响,良好的导电地质比难以导电的地质所产生的雷电场就大得多,所以易导电的地质易于引雷。
    雷电场是一个巨大的静电场,是人类不可建造的。巨大的电场面积和所积聚的巨大能量是不可估量而又不可测量的,人们往往在雷电以后,从被雷击的物体破坏的程度估计它的大小。对于雷电流用数以亿安计的词来形容是不过份的,雷电场在放电过程中与静电场放电有相似的地方,但也有差别,人为形成的静电场其储能是极为有限的,所以它在放电过程放电电流是从最大值逐步减弱,而雷电场就不同,由于储能巨大,在放电时因通过空间的阻力开始阶段不可能使电场减弱,而是在放电时空气加热以后放电电流达到最大值,再随着电场的减弱放电电流随之下降。所以雷击过程中雷电流是从小到大再减弱,就电的性质而言,由于它是一个静电场的放电,电流的方向是不变的,所形成的是一个幅度巨大的脉动直流电流。
    所以雷电流的主要分量是直流分量, 但脉动部分和雷电流与空气及地接触时产生的热骚动形成的谐波和高次谐波的电磁能量也相当大,所以雷电过程中的交流分量也不可小看,雷击过程中,从低频直至米波段这样宽的频谱均受不同程度的干扰,从谐波理论得知,低频段所受干扰较为严重。
    如果我们将地面的物体置于某一位置, 雷电对这一物体产生的干扰可分为感应干扰和直接干扰。 某一物体不在雷电场内,但由于雷电在放电过程,它所产生的强大电磁波使这一物体受电磁波的冲击,这样的雷我们称“感应雷”,当某一物体置于雷电场内,而且物体又作为雷电流的导电体,巨大的电流通过该物体使物体遭到严重破坏,这种直接置于雷电场受到雷电的冲击,我们称这种雷为“直接雷”。以现代微电子来说,不管感应雷还是直接雷对微电子器件都会造成永久性的破坏。
所以在现实生活中,我们对于雷电的防护是到处都有,从房屋建造,到家用电器的防雷电路,都会有涉及,对于设计人员来讲,对于EMS的理解要相当的透彻,不然设计的电路会给终端客户带来困扰,记得印象最深的是印度市场的机型,对于雷击浪涌的要求会比国内的要高很多。
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自做自受 2021-9-27 16:05:26 显示全部楼层
赶紧实现如何用电?看来等不及了哟!
国家电网:最大可能避免出现拉闸限电情况
国家电网微信公号
2021-09-27 15:32

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哈哈,是的,现在这边很多公司都是开二停五  详情 回复 发表于 2021-9-27 21:28

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Awen 2021-9-27 21:28:19 显示全部楼层
自做自受 发表于 2021-9-27 16:05
赶紧实现如何用电?看来等不及了哟!
国家电网:最大可能避免出现拉闸限电情况
国家电网微信公号

哈哈,是的,现在这边很多公司都是开二停五

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雷电能量巨大,网上说目前世界上已有少数国家正在研究利用雷电电能的方法,如美国的加利福利亚州、佛罗里达州以及我国清华大学电机电系等。  详情 回复 发表于 2021-9-27 21:54

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自做自受 2021-9-27 21:54:59 显示全部楼层
Awen 发表于 2021-9-27 21:28
哈哈,是的,现在这边很多公司都是开二停五

雷电能量巨大,网上说目前世界上已有少数国家正在研究利用雷电电能的方法,如美国的加利福利亚州、佛罗里达州以及我国清华大学电机电系等。

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很难呢,估计要是谁能研究出来,应该是人类世纪的进步  详情 回复 发表于 2021-9-28 23:48
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Awen 2021-9-28 23:48:12 显示全部楼层
自做自受 发表于 2021-9-27 21:54
雷电能量巨大,网上说目前世界上已有少数国家正在研究利用雷电电能的方法,如美国的加利福利亚州、佛罗 ...

很难呢,估计要是谁能研究出来,应该是人类世纪的进步

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1752年的夏天,富兰克林作了一次天电传蓄试验。这就是世界闻名的费城电风筝试验。6月的一天,天色昏暗,电闪雷鸣,富兰克林和儿子威廉在牧场上放出了用丝织品做成的风筝,风筝线的末端绑了一把钥匙。这时,他突然发  详情 回复 发表于 2021-9-29 10:44

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自做自受 2021-9-29 10:44:32 显示全部楼层
Awen 发表于 2021-9-28 23:48
很难呢,估计要是谁能研究出来,应该是人类世纪的进步

1752年的夏天,富兰克林作了一次天电传蓄试验。这就是世界闻名的费城电风筝试验。6月的一天,天色昏暗,电闪雷鸣,富兰克林和儿子威廉在牧场上放出了用丝织品做成的风筝,风筝线的末端绑了一把钥匙。这时,他突然发现线的尾端,麻绳纤维相互排斥地耸立起来,他立刻伸手去碰钥匙,受到强烈电震。富兰克林由此得出云中充满了电的结论。
富兰克林为了进一步证实电的性质,立了一个安有金属线的杆子,尾端系两个铜铃。中间吊一个铜球,系在风筝线的尾端。当云飘过时,铜球在铃中摆动。铜球受到电荷引力,碰响了铃。而后,他又将天电存入莱顿瓶内,终于证实自然雷电与摩擦生电相同。
只有神人——神安排的人来实现了,据说是这样的哦!
看看富兰克林,职业:科学家,哲学家,发明家,政治家,外交家,文学家,慈善家
一个人能成为这么多领域的专家,学什么就会什么,不是神人吗?

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神无处不在,科学家的智商是常人不能比的  详情 回复 发表于 2021-10-1 22:12

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Awen 2021-10-1 22:12:41 显示全部楼层
自做自受 发表于 2021-9-29 10:44
1752年的夏天,富兰克林作了一次天电传蓄试验。这就是世界闻名的费城电风筝试验。6月的一天,天色昏暗, ...

神无处不在,科学家的智商是常人不能比的

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神无处不在,人却看不见,所以神秘。 神秘的是为什么有神?有说是太阳系中第十二颗星球尼比鲁星上的人来过地球并变了样地留在了地球上……有故事  详情 回复 发表于 2021-10-2 07:38

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Awen 发表于 2021-10-1 22:12
神无处不在,科学家的智商是常人不能比的

神无处不在,人却看不见,所以神秘。
神秘的是为什么有神?有说是太阳系中第十二颗星球尼比鲁星上的人来过地球并变了样地留在了地球上……有故事

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我现在觉得一切是可以用科学的态度去解释,只是没法给世人大众看得见的证明。只能用科幻小说、电影表达,不在乎读者观众理解不理解,确实也是人的实体硬件一生是看不到事实的,灵魂软件才会经历,所以活到老学到老  详情 回复 发表于 2021-10-6 10:48
有些,是无法用科学的态度去解释  详情 回复 发表于 2021-10-5 23:52
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Awen 2021-10-5 23:52:18 显示全部楼层
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神无处不在,人却看不见,所以神秘。
神秘的是为什么有神?有说是太阳系中第十二颗星球尼比鲁星上的人来 ...

有些,是无法用科学的态度去解释

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我现在觉得一切是可以用科学的态度去解释,只是没法给世人大众看得见的证明。只能用科幻小说、电影表达,不在乎读者观众理解不理解,确实也是人的实体硬件一生是看不到事实的,灵魂软件才会经历,所以活到老学到老  详情 回复 发表于 2021-10-6 10:50

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神无处不在,人却看不见,所以神秘。
神秘的是为什么有神?有说是太阳系中第十二颗星球尼比鲁星上的人来 ...

我现在觉得一切是可以用科学的态度去解释,只是没法给世人大众看得见的证明。只能用科幻小说、电影表达,不在乎读者观众理解不理解,确实也是人的实体硬件一生是看不到事实的,灵魂软件才会经历,所以活到老学到老是对灵魂有益的,比如雷电与防雷的科学知识。

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Awen 发表于 2021-10-5 23:52
有些,是无法用科学的态度去解释

我现在觉得一切是可以用科学的态度去解释,只是没法给世人大众看得见的证明。只能用科幻小说、电影表达,不在乎读者观众理解不理解,确实也是人的实体硬件一生是看不到事实的,灵魂软件才会经历,所以活到老学到老是对灵魂有益的,比如雷电与防雷的科学知识。

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对于人类来讲,无法证明的事情,就认为不存在,这才是关键  详情 回复 发表于 2021-10-6 22:41
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我现在觉得一切是可以用科学的态度去解释,只是没法给世人大众看得见的证明。只能用科幻小说、电影表达 ...

对于人类来讲,无法证明的事情,就认为不存在,这才是关键

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呵呵,是啊,记得上学时,老师就这么说。 如今看来,自己的人生经历至今,当初都是无法证明的事情。最有意思的是在职业生涯中我提出了不少创新计划即可行性报告和商业计划书,所在企业都不敢采纳,其实国外都有了,  详情 回复 发表于 2021-10-7 09:48

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本帖最后由 自做自受 于 2021-10-7 09:56 编辑
Awen 发表于 2021-10-6 22:41
对于人类来讲,无法证明的事情,就认为不存在,这才是关键

呵呵,是啊,记得上学时,老师就这么说。
如今看来,自己的人生经历至今,当初都是无法证明的事情。最有意思的是在职业生涯中我提出了不少创新计划即可行性报告和商业计划书,所在企业都不敢采纳,其实国外都有了,我也只算是引进。几年后国内其他企业陆续都干上了,都得到了新发展形成了社会新状态。同事们给了我一句话:你太超前啦!
可见“无法证明的事情,就认为不存在,这才是关键”,这种意识抑制了创新的萌芽。也难怪,中国企业总是在后面追赶。
感悟,这不是追赶,而是人类分工不同。

今早人民日报新闻:今年的诺贝尔物理学奖,颁给了气候学家?
气候的事情,怎么证明?

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我玩玩文字,强调一下:所以无法看得见实际而非理论证明的,才是难以让人们相信是真的 说大了,真相是永远没人知道的,就说雷电,其真相是什么?知道的越多,人类的进一步就不是“防雷”而是“用雷”为人类造  详情 回复 发表于 2021-10-8 09:19
哈哈,是的,所以无法证明的,才是难以让人们相信是真的  详情 回复 发表于 2021-10-8 08:57

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Awen 2021-10-8 08:57:55 显示全部楼层
自做自受 发表于 2021-10-7 09:48
呵呵,是啊,记得上学时,老师就这么说。
如今看来,自己的人生经历至今,当初都是无法证明的事情。最有意 ...

哈哈,是的,所以无法证明的,才是难以让人们相信是真的

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我玩玩文字,强调一下:所以无法看得见实际而非理论证明的,才是难以让人们相信是真的 说大了,真相是永远没人知道的,就说雷电,其真相是什么?知道的越多,人类的进一步就不是“防雷”而是“用雷”为人类造  详情 回复 发表于 2021-10-8 09:21
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