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                鈍頭避雷針

                時間:2018年12月24日   作者:歐姆雷盾    閱讀:2929次

                 自富蘭克林發明避雷針以來針端形狀一直是尖的。雖然18世紀70年代曾有過爭議,但由于缺乏量化研究,當時實驗證明也還是尖的好。不過到了20世紀90年代,由于對空氣中尖端放電的物理機理有了較豐富的理性認識,可以進行量化計算了,于是美國學者重新審議了這個問題。

                   在雷云帶負電的情況下,空氣中存在的自由電子會因尖端物體的強電場吸引向尖端加速運動,碰撞中性分子,釋放出更多的自由電子,發生雪崩現象,并在其后留下一個正離子的電荷柱。當環境電場足夠強時,雪崩持續發生,其后的正離子電荷柱(即正先導)在該電場作用下,向上傳播并與下行負先導連接瞬間形成回擊。雖然在常壓下,產生電子雪崩的電場強度超過了6000V/m,但正先導大約在440V/m環境中即可持續傳播了。避雷針必須在其頂端-定范圍內產生這種電場才能吸引下行先導。此外,當下行先導接近避雷針時,它所產生的電場增強率還必須使正離子電荷柱的累積伸長超過它在電場作用下遷移而被清除的速率。由此分析可以發現鈍頭避雷針比尖頭避借針更能滿足這些條件。
                   如果將避雷針等效為接地的垂直細長半橢圓球體,則可以對其頂端電場增強因子隨距離的交化進行計算。計算表明:曲率半徑遠小于橢圓球體半長軸高度的尖端,其電場隨離開頂端的距離而迅速減小,當距高等于一個曲率半徑時,電場已減弱為頂端的1/3;而鈍頭頂端,其電場隨距高的減弱則要小得多,當距離超過6mm時,10mm半徑的橢圓球頂端附近的電場增強要遠遠大于0.1mm半徑的橢圓球頂端的。計算還表明,曲率半徑小于0.5mm的橢圓球頂端,在距離超過0.25mm時,電場將小到不可能產生電子雪崩的程度。計算最后表明,當下行負先導逼近時,鈍頭橢圓球頂端因電子雪崩發生而形皮的累積正電荷柱內,正離子因遷移和相互排斥而被清除的時間要遠大于尖的橢圓球頂端。
                   基于上述分析和計算,美國學者對不同尖端形狀的避雷針進行了連續七年(從1994年到2000年)的野外現場實驗。采用的尖端避雷針,直徑為12.7mm,上部被加工成逐漸變細的尖端,頭部成45度角,曲率半徑約為0.1mm;鈍頭避雷針。直徑為9.5-51mm,頂部加工成半球形并拋光:另外還用了ESE避雷針。所有避雷針長度為305mm,均安裝在6.1m高,直徑44mm的金屬圓管上,并良好接地。結果鈍頭避雷針被雷電擊中12次(大多數為19mm直徑的),而尖頭避雷針和ESE避雷針一次也沒有被雷擊,由此可見,純頭避雷針更能吸引雷電,保護效果也更好。
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