避雷针的原理

避雷针的发明是人类在电学研究为生产和生活服务的第一个实例。下面我们通过做一个小实验来了解避雷针的工作原理。器材是塑料唱片一张、木柄铁锤一把。

实验过程是：先用绒布摩擦唱片，使唱片带大量电荷。当带电的唱片（代表带电云）从置放在地面上的铁锤（代表建筑物）上方经过，唱片会被铁锤吸引并发出放电火花。如果在锤子上竖起一根针，放电现象就不会发生了。这是因为当带负电荷的唱片置放在铁锤的上方时，由于静电感应的缘故，铁锤上聚集起相当数量的正电荷。带着异种电荷的唱片和铁锤靠近时，就会产生剧烈的放电，迸发出火花来。当铁锤上竖起尖针时，锤上聚集的正电荷可以通过针的尖端放电，跑到空中去与唱片上带的负电荷中和，减弱了电场强度，从而避免了剧烈的放电发生。

雷电是地球上最常见的一种自然现象。整个地球表面平均每秒钟有 100 多次闪电。闪电的中心温度可以高达 17000～25000℃，并在 1‰到 1/10 秒之内释放出几百万至上亿焦耳的能量⋯⋯一次长距离的闪电要经历 50 次左右的转折才落到地面上，在空中留下了一条蜿蜒曲折的轨迹。闪电时电流的颠值可以达一万安培，给地球带来 5 库仑电量。闪电的形状有树枝状、条状、片状、串珠状和球状。其中以罕见的球状闪电最引起科学家们的兴趣。19 世纪有人做过 1000 多次闪电观测纪录，然后报道：“这种火球直径大多在 10～ 20 厘米，但也有小于 1 厘米，大至 10 米的。颜色各种各样，最常见的是红、橙、黄三种。它沿着弯折的路径飘忽不定。移动速度比较慢，存在的时间在 1 到 5 秒之间。火球在消失的时候会发生猛烈的爆炸，具有很大的破坏力。

1989 年 8 月 15 日我国青岛黄岛油库就由于球状闪电的袭击引起储油罐大爆炸。近年来科学家对球状闪电的成因，提出了许多猜想和假设。美国科学家在北美大草原陨石观测网观测了 12 万张闪电照片后认为球状闪电是从普通闪电的末端分离出来的，球状闪电是“被激发的亚稳定态分子和等离子体的凝结块”。

避雷针的发明迄今已有 240 多年的历史了，由于它的保护使万千幢高楼大厦摆脱了雷电的威胁，为人类的文明和繁荣作出了贡献。然而富兰克林发明的尖端避雷针并非尽善尽美，它的效果不太理想，并不能绝对预防闪电袭击。开始大家把这种失败归之于接地不好，或顶端不尖。后来英王乔治三世命令英国使用顶部为球状的避雷针，法国人则把避雷针的头部制成圆锥形。而美国则一直坚持使用富氏尖头避雷针，在 1977 年 7 月 13 日晚，美国纽约

市遭到雷击，5 条负载 34 万 5 千伏的电缆全部被闪电切断，整个西北地区停

电达 26 小时，这一重大事故引起了美国科学家对避雷装置换代更新的重视。据《纽约时报》报道，今天美国使用的新型避雷针外形像鸡毛掸子，它的中心是一根管子，顶端引出 2000 条细细的导线，导线呈辐射状，它可以驱散聚集在建筑物周围的静电荷，有很强的避免形成闪电的能力。我国解广润教授发明的半导器消雷器也是一种新型的避雷装置。当建筑物上空笼罩着带电云层时，消雷器会发出 1 米高的电晕火花，直冲云层与天空里的电中和。万一雷击发生，消雷器上的开关装置则可将巨大的电流挡住，从而保护了建筑物。

我们聪明的祖先远在西方之前就发明了避雷装置，并在实践中应用。据

《后汉书》记载，一次当时的重要宫殿未央宫和柏梁台遭雷电袭击发生火灾

不久，就有一位名叫“勇之”的方士向汉武帝建议，在宫殿的屋脊上安装“鸱鱼”来防止灾难。此后两千年来，我国古建筑的屋脊上大多安装了这一类金属瓦饰，有的是龙、有的是飞鱼和雄鸡。虽然它们形状各异，却都有尖状物指向天空。尽管没有引导线与地面连接，但大雨淋湿的屋檐和墙壁，自然起到了接地的作用。由于这类瓦饰高于建筑物之上，即使是猛烈的落地雷，也通常只是击毁了瓦饰而保全了建筑物主体。

大约在三国时期，工匠们已经意识到接地的重要，他们在建造远远高于一般建筑的古塔时，顶部安装了钢铁制造的“葫芦串”，自然着眼于避雷的目的。而且还把它与涂了金属粉末容易导电的塔心柱连接起来，柱的下端又设置了贮藏金属的龙窟，组成了一套十分完整的避雷装置。如江苏省高淳县的保圣寺塔始建于公元 229 年的三国时期，塔高 31.5 米，远远高于周围的建

筑群，由于塔顶安装了 4 米高的铁制古刹，由覆钵、相轮和宝葫芦等部分组成，至今历经千年风雨而从未遭雷击。明代，由金属杆、接地线组成的完整的避雷装置也出现了。1688 年西方传教士马卡连来华，在《中国札记》上写道：“中国有些建筑物的屋顶上有一种叫做龙的装饰物，它头部仰向天空， 张着嘴。这些怪物向上伸出的舌头是根尖端的金属芯子，另一端和埋在地下的金属相接，能让雷电跑到地面去而不伤害建筑物。”就按这位西方人的记载来算，也要比富兰克林早了 70 余年！