尖端放电
发现:1752年7月在费城一次雷雨天气中,富兰克林把风筝放入空中,冒着极大的生命危险,把“天电”引入了莱顿瓶,成功地证实了闪电的特性。1753年他在充分研究了“天电”特性并进行大量实验的基础上发现了尖端放电现象,从而发明了避雷针。这是人类在征服大自然的道路上迈出的具有重大意义的一步
强电场作用下,物体尖锐部分发生的一种放电现象。属于一种电晕放电。物体曲率大处,电力线密集,电势梯度大,致使其附近部分气体被击穿而发生放电。如果物体尖端在暗处或放电特别强烈,这时往往可以看到它周围有浅蓝色的光晕。古代的水手们曾将这种光晕虔诚地称为爱尔摩火(Saint,Elmo's Fire),意即水手们的守护圣徒圣爱尔摩的灵光。以后沿用为自然尖端放电的代称。
通常情况下,空气是不导电的,但是如果电场特别强,空气分子中的正负电荷受到方向相反的强电场力,有可能被“撕”开,这个现象叫做空气的电离。由于电离后的空气中有了可以自由移动的电荷,空气就可以导电了,空气电离后产生的负电荷就是负离子,失去原子的电荷带正电,叫做正离子。
(对孤立导体)导体表面有电荷堆积时,电荷密度与导体表面的形状有关。在凹的部位电荷密度接近零,在平缓的部位小,在尖的部位最大。当电荷密度达到一定的量值后,电荷产生的电场会很大,以至于把空气击穿(电离),空气中的与导体带电相反的离子会与导体的电荷中和,出现放电火花,并能听到放电声。
如高压线有轮廓的地方,就会出现尖端放电。由于接到电源上,它一边放电,一边不停的提供放电需要的电荷,这种放电会持续下去。
避雷针是另外一个好的例子。高大建筑物上安装避雷针,当带电云层靠近建筑物时,建筑物会感应上与云层相反的电荷,这些电荷会聚集到避雷针的尖端,达到一定的值后便开始放电,这样不停的将建筑物上的电荷中和掉,永远达不到会使建筑物遭到损坏的强烈放电所需要的电荷。雷电的实质是2个带电体间的强烈的放电,在放电的过程中有巨大的能量放出。建筑物的另外一端与大地相连,与云层相同的电荷就流入大地。显然,要是避雷针起作用,必须保证尖端的尖锐和接地通路的良好,一个接地通路损坏的避雷针将使建筑物遭受更大的损失。
尖端电势相对于周围大气电势为正(负)的,称为正(负)尖端,这时与尖端符号相反的离子流入尖端,相同符号的离子远离尖端而形成离子云屏蔽层,它们造成了尖端放电的脉动性质。尖端放电的电流强度I 与很多因素有关,对于地面附近的尖端放电,电流强度为
I=a(U-V2)(υ2+ω2)1/2
式中U是尖端与其周围环境的电势差;ω是风速;υ是离子运动速度,等于离子迁移率和环境电场强度的乘积;a、Vo是与尖端形状、高度、环境电学特征等因子有关的常数。在国际单位制中,a约等于1.4×10-11法/米;Vo约数千伏,常称为起晕电压,在尖端放电电流很大时,Vo可以略去。在雷雨云临近时,树木、青草等自然尖端均要发生尖端放电,从20世纪初以来,曾多次进行过这种测量,其中,具有代表性的为1970年开始在尼日利亚进行为时两年的测量(对树木、青草和不同高度的金属尖端做同时的对比观测),其统计结果说明,在一块面积为50平方公里的雷雨云下,能维持0.6安左右的尖端放电电流(见全球大气电平衡)。
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