避雷针的原理是什么？
日期:2005-12-29 18:08点击:125。
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实验目的
尖端放电原理的应用。
实验原理
带电导体的外表面为等电位面，曲率半径小的地方电荷密度高。由于导体尖端的曲率半径极小，电荷密度极高，而导体表面外邻域的电场与导体的电荷密度成正比，所以尖端邻域存在强电场。当电场强到足以使空气击穿时，就会发生尖端放电，导体上的电荷不会越积越多，而是不断流失。如果在建筑物上安装这种导体尖端，可以防止建筑物积累过多电荷，在雷雨季节被雷击。安装在建筑物顶部防止雷击的导体尖端就是避雷针。
实验操作和现象
1.将绝缘支架上的两块金属圆板与静电高压电源输出端的两极相连。在下板上放置一个上部为球形的铜块，调整板间距，使球的顶部距离上板约1 cm。2.打开高压电源。当板间电压超过10 kV时，铜球和上板之间形成火花放电。
3.放电后板间电压消失，再加高压。重复上述过程，球与上盘之间形成间歇性火花放电，可听到爆裂声，看到跳跃的火花。
4.用带绝缘柄的电工钳在圆板上放一个顶部为锥形的铜块(作为对比，这个铜块与上面的铜块高度相同)。上述火花放电现象立即停止，但能听到丝丝的电晕放电声。这是由于第二铜块尖端附近的强电场使空气分子电离，使极板经常处于持续的电晕放电状态，称为尖端放电现象。作为尖端放电的结果，板之间的电压不能达到火花放电的值，因此火花放电停止。避雷针是利用尖端放电原理制成的，以避免强烈的火花放电。
预放电避雷针的工作原理
预放电避雷针的工作原理是比普通避雷针更快地产生一个向上的先导。这个描述是基于负向下放电的情况，这是最普遍的。
避雷针的历史
闪电是地球上最常见的自然现象。整个地球表面平均每秒钟有超过100次闪电。闪电的中心温度可高达17000 ~ 25000℃，在1/10秒内，释放出几百万到几亿焦耳的能量...一个长距离的闪电要经过50圈左右才落到地面，在空中留下一条弯弯曲曲的轨迹。当闪电来袭时，电流可跃升至10000安培，为地球带来5库仑的电力。闪电的形状有树枝状、条状、片状、珠状和球状。其中，罕见的球形闪电最吸引科学家的兴趣。19世纪，有人做了1000多次闪电观测记录。有各种各样的颜色，最常见的是红色，橙色和黄三。移动速度比较慢，现有时间在1到5秒之间。火球消失后会剧烈爆炸，破坏力极大。8月1989，15，中国青岛黄岛油库，受球形雷电袭击，储油罐发生爆炸。美国科学家在北美草原陨石观测网观测到654.38+0.2万张闪电照片，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“被激发的亚稳态分子和等离子体的凝聚体”。
避雷针的发明已有240多年的历史。因为它的保护，成千上万的高层建筑摆脱了雷电的威胁，为人类的文明和繁荣做出了贡献。后来，英王乔治三世下令英国使用顶部为球形的避雷针，法国人将避雷针的头部做成圆锥形。而美国却一直坚持使用傅立叶尖避雷针。据《纽约时报》报道，如今美国使用的新型避雷针看起来像一个鸡毛掸子，从顶部伸出2000根细导线。电线呈放射状，可以分散建筑物周围聚集的静电荷，具有很强的防雷能力。我国谢广润教授发明的半导体避雷器也是一种新型防雷装置。
我们聪明的祖先早在西方之前就发明了避雷装置，并付诸实践。据《后汉书》记载，当时一座重要的宫殿未央宫和白凉台遭到雷击，很快起火。一位名叫“永志”的炼金术士向汉武帝建议，在宫殿的屋顶上安装一条“鲨鱼”，以防止灾难的发生。在接下来的两千多年里，这种金属瓦饰多被安装在中国古代建筑的屋顶上，包括龙、飞鱼、公鸡等。虽然没有导线接地，但是被暴雨打湿的屋檐和墙壁自然起到了接地的作用。因为这种瓦比建筑高，所以即使是猛烈的雷劈，一般也只是破坏了瓦，保全了建筑主体。
大约在三国时期，工匠们已经意识到了接地的重要性。他们在建造远高于普通建筑的古塔时，在顶部安装了一个由钢铁制成的“葫芦串”，自然着眼于防雷的目的。而且与涂有金属粉末的塔心柱相连，易于导电，柱的下端设置了存放金属的龙穴，构成了非常完整的防雷装置。比如江苏省高淳县的宝胜寺塔，建于公元229年三国时期，高度为31.5米，远高于周围的建筑。因为4米高的铁殿安装在塔顶，由盖碗、相轮、宝葫芦组成，历经千年风雨，从未遭雷击。到了明代，还出现了由金属杆和接地线组成的完整的防雷装置。1688年，西方传教士马卡连来到中国，在《中国手记》中写道:“中国一些建筑的屋顶上有一种装饰物叫龙，头向天空倾斜，嘴张开。这些怪物的舌头是一个尖锐的金属芯，另一端与埋在地下的金属相连，可以让闪电跑到地面，而不会损坏建筑物。”按照这个西方人的记载，比富兰克林早70多年！
避雷针的结构特点
常规防雷装置及其发展
1750年，富兰克林提出了防雷避雷针，通过针尖释放电荷，慢慢中和雷雨云中的电荷。后来的实践证明，它不能“闪电”，而是把闪电引向自己，以保护周围的设备。后来，俄国的罗蒙诺索夫在重复了富兰克林著名的风筝实验(他的朋友李奇曼用他做实验，被直击雷打死)之后，也在他1753年发表的论文(关于电引起的大气现象的演讲)中提出了一个重要的论点。一个重要的鲜为人知的事实是，富兰克林发表避雷针理论后不久，一位法国工程师根据他的理论造了一根避雷针，很快就发生了雷击。这是人类第一次主动尝试改变雷电的方式，也是直击雷可以防护的证明。这位法国工程师作为一位正直的科学家，立即报告了富兰克林避雷针的成功。
避雷针的实际应用必须解决其保护范围的问题。这在多年的实验室和实际应用中已逐步量化，其精度已基本满足工程设计的需要。正是各国高压输电和电力系统的发展推动了这项科研工作的进展。
1925-1926年，Peek在实验室首次使用冲击电压发生器引起“人工闪电”放电避雷针模型。研究了保护范围-保护系数与雷云高度与针高之比(H/h)的关系，以及雷云极性对保护系数的影响。1930-1934年，各国开始广泛使用避雷针保护发电厂和变电站。当时230KV电网已经出现多年，287KV超高压电网正在建设中。比如美国燃气电气公司(AGE)在1934开始用避雷针和避雷线保护变电站。避雷线的保护范围确定如下:当结构强度足够时，避雷线的悬挂高度应每0.45米的保护水平距离提高0.3米；当结构强度有限时，每0.6m的保护水平距离应提高0.3m..这分别对应于56°和64°的保护角。这已经接近日本60年代末60的防雷标准。60年代初(1963戴维斯)，70年代初，美、英等国提出了击距理论，即考虑雷电流幅值的大小来选择保护范围。我国高压工作者(朱木梅教授、王小语同志指导)在1962~1964研究输电线路防雷时也提出了类似的方法。关于电厂和变电站的保护，上世纪50年代，我国只使用避雷针，怕避雷针断线影响整个电厂和变电站。直到20世纪70年代中期，人们才清楚避雷线可以用来保护发电厂和变电站。
富兰克林，避雷针的发明者