人造雷电_物理知识

7．人造雷电

雷电是大气中的放电现象，多形成在积雨云中，积雨云随着温度和气流的变化会不停地运动，运动中摩擦生电，就形成了带电荷的云层，某些云层带有正电荷，另一些云层带有负电荷。另外，由于静电感应常使云层下面的建筑物、树木等带有异性电荷。随着电荷的积累，雷云的电压逐渐升高，当带有不同电荷的雷云与大地凸出物相互接近到一定程度时，其间的电场超过25～30千伏/厘米，将发生激烈的放电，同时出现强烈的闪光。由于放电时温度高达2000℃，空气受热急剧膨胀，随之发生爆炸的轰鸣声，这就是闪电与雷鸣。

电闪雷鸣是一种自然现象

那么，如何在试验中模拟自然界中的闪电呢？今天我们就一起来试试！

Tools　材料和工具

●一个电容器

●一个密闭容器

Process　游戏步骤

（1）把一个电容器置于密闭的容器中，在较热的环境中向容器内通入少量的水蒸气和负电荷，测量电容器的电容量。

（2）然后把密闭容器置于较冷的环境中，让水蒸气凝结，再来测量，你会发现此时电容器的电容量会明显增加。

（3）如果制作一个大型的类似装置，就可以模拟人造雷电。

Physics　物理原理

其实雷电是水蒸气相变成雨时的附产物。我们在讨论摩擦生电时，谈到丝绸、皮毛等天然物质能与自然有很好的交流，能把摩擦所携带的电荷传到周围的大气之中，可见大气之中总是蕴含着大量的电荷（主要是负电荷），大气中的电荷总是蕴藏在水蒸气之中。

因为在大气中，相对于氮气、氧气，水蒸气的分子较大；相对于二氧化碳，水蒸气的核外电子数少，又是围绕着三核心（两个氢和一个氧）进行着空间立体运转，因而水蒸气三核心的外电子不饱满，空气中的游离电子易受到水蒸气核心的吸引，成了水蒸气核外电子的加入组成部分。每个水蒸气分子都加入了额外的电子，于是，水蒸气成了大气中负电荷的载体，也可以认为水蒸气是大气中的微型电容。

下雨前，水蒸气遇到低温，水蒸气的价和电子速率降低，由空间立体运转进入到扭曲运转，水蒸气凝华，分子相互吸引、相聚，形成由气体到液体的相变，这时水蒸气中的加入成分——多出的电子就没有了藏身之地，水蒸气聚合成云，多出的电子形成了云层中游离的电荷，多出的电荷没有了去处、被驱赶，形成了非常规电磁波——形成了云层里的电压。

云层是大量水蒸气相变成小水滴的集合，因而附近也就聚集了大量的电荷，能形成很高的电压。云层之间、云层与大地之间电位差巨大，冲开一条路，就是壮观的闪电现象。电荷在大气中穿行，引起空气剧烈地震动，形成了隆隆的雷声。

想一想

1．雷电有哪些危害？要如何避免雷害？

2．假如你和朋友去野外游玩，议一议：雷雨天气下如何保护同伴和自己的安全？

3．雷电对生产生活有哪些影响？怎样在避免雷害的同时利用雷电？请你查一查资料并和小组同学讨论。

超级链接

知道了雷电就是自然界中的放电现象，就要尽量避免雷电带来的危害。人们发明了避雷针。带正电（缺少电子）的云层靠近地面，那么避雷针就会把大地的电子释放给云层，让它中和（不再缺少电子）；带负电的云层（大量多余电子）靠近地面，避雷针就会把它多余的电子，吸收回地面，让它不再有多余电子。避雷针是和大地相连接的，直接连接云层和大地，所以，能避免让建筑物经过电流，造成危害。

现代避雷针是美国科学家富兰克林发明的。富兰克林认为闪电是一种放电现象。为了证明这一点，他在1752年7月的一个雷雨天，冒着被雷击的危险，将一个系着长长金属导线的风筝放飞进雷雨云中，在金属线末端拴了一串银钥匙。当雷电发生时，富兰克林手接近钥匙，钥匙上迸出一串电火花。手上还有麻木感。幸亏这次传下来的闪电比较弱，富兰克林没有受伤。

注意：这个试验是很危险的，千万不要擅自尝试。1753年，俄国着名电学家利赫曼为了验证富兰克林的实验，不幸被雷电击死，这是做雷电实验的第一个牺牲者。

在成功地进行了捕捉雷电的风筝实验之后，富兰克林在研究闪电与人工摩擦产生的电的一致性时，他就从两者的类比中作出过这样的推测：既然人工产生的电能被尖端吸收，那么闪电也能被尖端吸收。他由此设计了风筝实验，而风筝实验的成功反过来又证实了他的推测。他由此设想，若能在高物上安置一种尖端装置，就有可能把雷电引入地下。富兰克林把这种避雷装置：把一根数米长的细铁棒固定在高大建筑物的顶端，在铁棒与建筑物之间用绝缘体隔开。然后用一根导线与铁棒底端连接。再将导线引入地下。富兰克林把这种避雷装置称为避雷针。经过试用，果然能起到避雷的作用。避雷针的发明是早期电学研究中的第一个有重大应用价值的技术成果。