邮发代码:82-418   刊号:ISSN1671-4350   定价:10.00

[去科技馆学科学]雷电的奥秘

魏 飞/中国科学技术馆

2018-10/总第270期

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炎炎夏日,酷暑难耐,连路边的花花草草都低垂着头,等待一场酣畅淋漓的大雨。夏天的脾气,又像极了小孩子的任性,刚刚还是骄阳似火,转瞬就可能是电闪雷鸣,释放出大自然那无可比拟的巨大能量。

雷电正是这高能中最不可忽视的存在,它是发生在天空中的大规模放电现象。天空中的云是带电的,有的带正电,有的带负电,当两块带不同种电荷的云相互接近时,就会发生激烈的放电。放电时伴随出现的电火花就是闪电,发出的“轰隆隆”的声音就是雷声。雷电具有怎样的性质?雷电又是怎样产生的?我们在生活中是如何保护建筑物免受雷击的?中国科技馆“探索与发现”A厅的“静电滚球”和“避雷针”展品,带领我们探索其中的奥秘。

静电滚球

如果要探索雷电的奥秘,要先从了解静电开始,因为雷电其实也是一种静电,它们的性质其实是相同的。展品“静电滚球”由操作台、防护罩、手轮、中心半球、静电发生器、托盘和小球组成。中心半球位于托盘正中间,托盘上摆放了很多小球。参与者可以通过转动手轮的方式与这件展品互动,观察防护罩内小球的运动状态,体验静电的性质。

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图1 展品“静电滚球”结构示意图

图1为展品“静电滚球”结构示意图。当转动手轮时,电路接通,托盘上的小球会径直冲向中心半球,而当小球触碰到中心半球时,会立刻四散开来,直到抵达托盘边缘,小球又会向中心跑去。如此周而复始,好不热闹。手轮转得越快,托盘上的小球运动越激烈。如果没有防护罩挡着,小球真的会弹出来呢!

从外表看来,无论是小球、托盘还是中心半球都没有什么特别之处,运行过程中,小球也没有接触到其他物体,那么这其中究竟蕴含着怎样的科学奥秘呢? 

原来,中心半球其实是一个电极,通电时,静电发生器会使其布满正电荷,而托盘边缘与大地接通。托盘上运动的小球是由轻质的塑料泡沫制成,其外表覆有一层金属薄膜。如图2所示,在初始状态时,小球本身并不带电,当电路接通时,由于中心的电极带有正电荷,小球会受到静电的吸引而滚向中心。当小球接触到中心的电极时,小球的金属表层也会沾染到正电荷,这样小球和中心电极就都带正电荷了。由于电荷“同性相斥,异性相吸”,小球会被电极排斥而向外滚,直到接触到连接大地的托盘边缘,小球上携带的正电荷就会被导入大地,重新回到不带电的状态,紧接着又会因为静电而被吸引到中心,如此循环往复,形成一番热闹的景象。

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图2 小球接触电极前(左图)、后(右图)的运动状态

避雷针

展品“避雷针”主要由防护罩、高压发生器、大楼及避雷针模型、操作控制台组成。高压发生器的作用就是产生高压电弧模拟雷电,高压发生器下方就是大楼模型,大楼顶端为1个可以伸缩的避雷针装置,避雷针的伸出和缩回分别对应着大楼有无避雷针保护的状态。玻璃橱窗外的操作控制台上有2个按钮,分别是“有避雷针”和“无避雷针”,参与者只需要选择按下其中1个按钮,就可以观察到大楼模型在这2种状态下遭受“雷击”的现象了。

图3为展品“避雷针”的结构示意图。当参与者按下“有避雷针”按钮时,数道白色的闪电就会伴着“刺刺啦啦”的声响,从高压发生器的尖端涌出,径直劈向大楼顶部的避雷针上,而大楼模型本身不会受到任何影响;而当参与者按下“无避雷针”按钮时,随着避雷针收缩到大楼模型内部,数道闪电便“张牙舞爪”地劈向大楼,紧接着大楼内部泛起红光,燃起“熊熊大火”。那么,雷电为何能够引燃如此庞大的建筑物?一根小小的避雷针为何又能保护大楼免于雷击的伤害呢?

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图3 展品“避雷针”结构示意图

雷电的产生是由于云层中积累了大量的电荷,形成静电场,当积累到一定程度时,就要放电,这就相当于一座桥梁,把多余的电荷传送过去。大地是一块非常好的导体,它天生对电荷有着无尽的吸引力,而高楼大厦更是拉近了大地与云层间的距离。当带有电荷的云层附近刚好有另一片带有相反电荷的云层或者有一座高高的建筑时,它就非常可能发生放电。雷电的能量有多大呢?平均来说,一道雷电的电压能够达到1亿〜10亿伏特,电流最大可达30万安培,温度可达上万摄氏度。带有如此巨大能量的雷电一旦击中目标,就会大量发热引燃目标物体,并使它支离破碎,其附带的强大的电磁场还会改变目标物体的电磁性质。如果一座没有避雷针的建筑遭受雷击,那么它不仅会着火,墙体还会产生裂缝甚至垮塌,其内部的用电设备也会遭受毁灭性打击。

那么避雷针又有什么作用呢?避雷针是由美国科学家富兰克林发明的。如图4所示,避雷针实际上就是一根“引雷针”,它安装在建筑物的顶端,并通过单独的路径接入地下。这条单独的路径对于电流来说是条无比通畅的大路,其电阻远远小于建筑物,这就相当于将建筑物短路。在雷雨天气中,避雷针会代替建筑物承受雷击,再将雷电的能量泄放到地下,而建筑物本身并没有电流通过,也就不会受到伤害了。

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图4 避雷针原理示意图

如果你仔细观察展品“避雷针”的高压发生器,可能会对它独特的形状感到好奇。实际上,这里采用的高压发生器是一台倒置的小型特斯拉放电装置,也就是我们常说的特斯拉线圈。一部特斯拉线圈由高压电源、电容、放电间隙、初级线圈、次级线圈、放电顶端和接地端构成,其左右2个回路通过2个线圈进行耦合。首先,高压电源对电容进行充电,当电容的电压超过放电间隙的阈值时,放电间隙就会击穿空气打火,电路形成通路。初级线圈其实是个电感线圈,在通路形成后,电流会在电容和电感线圈之间来回振荡,形成LC振荡电路,并通过耦合传递到次级线圈。次级线圈也是一个电感线圈,而放电顶端与接地端也形成了电容,这样右边的电路也变成了LC振荡电路,当放电顶端上累积的电压达到阈值时,就会发生放电,也就是我们看到的“闪电”。

在体验过“避雷针”这件展品之后,你会发现雷电其实并没有那么可怕,只有掌握了其中的奥秘,才能够更好地防御雷电,利用雷电,甚至制造雷电。■

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