避雷針是一種能夠躲避雷擊的常見裝置。那么大家對于避雷針了解嗎?知道是誰發明的嗎?知道當中的發明歷史嗎?下面跟隨學習啦小編一起來看看吧。

　　避雷針的發明者以及發明歷史

　　科學家富蘭克林

　　現代避雷針是美國科學家富蘭克林發明的。富蘭克林認為閃電是一種放電現象。為了證明這一點，他在1752年7月的一個雷雨天，冒著被雷擊的危險，把一個系著長長金屬導線的風箏放飛進雷雨云中，在金屬線末端拴了一串銀鑰匙。當雷電發生時，富蘭克林手接近鑰匙，鑰匙上迸出一串電火花。手上還有麻木感。幸虧這次傳下來的閃電比較弱，富蘭克林沒有受傷。

　　注意：這個試驗是很危險的，千萬不要擅自嘗試。1753年，俄國著名電學家利赫曼為了驗證富蘭克林的實驗，不幸被雷電擊死，這是做雷電實驗的第一個犧牲者。

　　在成功地進行了捕捉雷電的風箏實驗之后，富蘭克林在研究閃電與人工摩擦產生的電的一致性時，他就從兩者的類比中作出過這樣的推測：既然人工產生的電能被尖端吸收，那么閃電也能被尖端吸收。他由此設計了風箏實驗，而風箏實驗的成功反過來又證實了他的推測。他由此設想，若能在高物上安置一種尖端裝置，就有可能把雷電引入地下。富蘭克林把這種避雷裝置：把一根數米長的細鐵棒固定在高大建筑物的頂端，在鐵棒與建筑物之間用絕緣體隔開。然后用一根導線與鐵棒底端連接。再把導線引入地下。富蘭克林把這種避雷裝置稱為避雷針。經過試用，果然能起避雷的作用。避雷針的發明是早期電學研究中的第一個有重大應用價值的技術成果。

　　北美傳播

　　而避雷針在最初發明與推廣應用時，教會曾把它視為不祥之物，說是裝上了富蘭克林的這種東西，不但不能避雷，反而會引起上帝的震怒而遭到雷擊，但是，在費城等地，拒絕安置避雷針的一些高大教堂在大雷雨中相繼遭受雷擊。而比教堂更高的建筑物由于已裝上避雷針，在大雷雨中卻安然無恙。

　　由于避雷針已在費城等地初顯神威，它立即傳到北美各地，隨后又傳入歐洲后來才進入亞洲。

　　傳入法國

　　避雷針傳入法國后，法國皇家科學院院長諾雷等人開始反對使用避雷針，后來又認為圓頭避雷針比富蘭克林的尖頭避雷針好。但法國人仍然選用富蘭克林的尖頭避雷針。據說當時的法國人把富蘭克林看作是蘇格拉底的化身。富蘭克林成了人們崇拜的偶像。他的肖像被人們珍藏在枕頭下面，而仿照避雷針式樣的尖頂帽成了1778年巴黎最摩登的帽子。

　　傳入英國

　　避雷針傳入英國后，英國人也曾廣泛采用了富蘭克林的尖頭避雷針。但美國獨立戰爭爆發后，富蘭克林的尖頭避雷針在英國人眼中似乎成了快要誕生的美國的象征。據說英國當時的國王喬治二世出于反對美國革命的盛怒，曾下令把英國全部后家建筑物上的避雷針的尖頭統統換成圓頭，以示與作為美國象征的尖頭避雷針勢不兩立，這真是避雷針應用史上一件有趣的事情。

　　避雷針的基本原理

　　避雷針的防雷作用是它能把閃電從保護物上方引向自己并安全地通過自己泄入大地，因此，其引雷性能和泄流性能是至關重要的。避雷針的引雷性能已有實驗和理論分析如下：

　　一個豎立在平地的避雷針其引雷空域。其中簡化包絡線是一條拋物線，此線即為在正、負雷雨云下該避雷針的50%擊針擊地平均分界線。圖中小圈為空中各點實驗放電統計數據，表示模擬實驗下行先導的針尖位置，黑圈表示百分之百擊針，白圈表示百分之百擊地，黑白各半表示50%擊針及擊地。

　　雷擊避雷針和地的放電強度與雷電極的極性有關：當雷的極性為正時，雷對避雷針的放電強度高于雷對地;當雷的極性為負時，雷對避雷針的放電強度略低于雷對地。所以在同樣電壓下雷電極對針的放電距離R與雷電極對地的放電距離H是不同的。根據長間隙放電的實驗數據大致有：

　　雷電極為負、地為正時，k=R/H=1.1

　　雷電極為正、地為負時，k=R/H=0.8～0.9，

　　為雷擊針地分界面的理論分析圖，據此可以求出雷擊避雷針和地的理論分界線。

　　圖中L為避雷針尖，其高度為h，P為雷電極頭部，其對地高度為H，E為雷電極正下方的投影點，L、P之間的距離為R。當P點維持k等于某一常數在圖面上運動時，其運動軌跡就是雷擊避雷針和地的理論分界線。分界線以y軸為中心旋轉就是立體的分界面。分界面內為雷擊避雷針的空域，分界面以外為雷擊大地的空域，分界面附近引下的雷擊地面為散擊區。

　　分界線有3種：k=0.9情況下其分界線為一橢圓;k=1.1情況下其分界線為一雙曲線;k=1情況下其分界線為一拋物線，后者為一般分析避雷針接閃性能的理論基礎，它是正負雷擊情況的平均數。分析結果與實驗結果是相一致的。

　　結合避雷針的引雷空域再分析避雷針的保護范圍問題，取k=1的情況可得避雷針的保護作用。

　　O1 L為避雷針，K為其高度的中點;MO2為被保護物，N為其高度的中點。假設雷擊距離為hr，雷電先導端頭位于P，PK(實線)為避雷針的引雷分界線，PN(虛線)為被保護物的引雷分界線，它的上部空域都在避雷針的引雷分界線以內。因此，距地面高度大于hr的雷擊會被引向避雷針，被保護物MO2會免于雷擊，這種現象稱為截擊效應;但當雷電先導從低于hr的右側襲來時，避雷針會起不到保護作用，這稱為對被保護物的側擊。所以以P點為圓心，以hr為半徑作圓，此圓從避雷針頂點L經M地面O3點，它以下的部分就是雷擊距離為hr時避雷針的保護范圍。這一分析結果與按電氣幾何理論(EGM)滾球法推出的結果是一致的。

　　EGM理論認為，雷電先導首先進入哪一物體的雷擊距離就對那一物體放電，雷擊距離是雷電流的函數：

　　hr=10I0.65 (1)

　　式中　hr為雷擊距離，m;I為雷電流幅值，kA。

　　美國R.H.Lee建議以10 kA作為一般建筑物的臨界電流Ic，小于這個雷電流幅值時不會造成雷擊事故，其對應的臨界雷擊半徑hrc為45 m。這一觀點把被保護物的耐雷水平與避雷針的保護率聯系起來。我國防雷標準GB50057-94《建筑物防雷設計規范》規定三類防雷建筑物的避雷針保護范圍按hrc為60 m畫定。運行經驗表明這一規定符合我國通用建筑物的防雷要求。

　　一些學者對EGM理論又做了修正，稱為先導傳播模型理論(LPM)。該理論認為確定雷擊點除了考慮雷擊距離外尚需考慮迎面先導和下行先導的相對運動。一定幾何形狀和高度的地物能否被一定雷電流幅值的雷電擊中，可用吸引半徑Ra來表述。Ra不僅是雷電流的函數，也是地物高度的函數，并和地物的幾何形狀有關。因為不同形狀和高度的地物，在同一雷電流的下行先導作用下感應的電場強度不同。

　　Ra(I，h)=2.83I0.63h0.40 (2)

　　式中　Ra為吸引半徑，m;I為雷電流幅值，kA;h為針狀物高度，m。

　　分析結果指出：當臨界半徑hrc大于避雷針高度h時，EGM所得保護半徑比LPM要小，但不顯著;當臨界半徑hrc小于針高h時，EGM所得保護半徑比LPM要小許多，某些情況下甚致小50%左右;當針高h>hrc時，EGM認為高出臨界半徑的針體部分沒有保護范圍，而LPM理論則認為保護半徑隨針體高度的增加而增加。

　　根據對塔形建筑物吸引雷擊次數隨其高度增加而變化的觀測以及長間隙放電棒對棒的實驗結果都證明，避雷針的引雷能力隨其高度的增加而增強，但增加的速度是變緩的。這對LPM的結論給予了支持，可見EGM滾球法未考慮吸引能力隨高度變化是其保護范圍偏小的原因。從理論角度看，滾球法是一種偏于保守、偏于嚴格的方法，它能對避雷針的保護區給出直觀的物理圖象。

　　考慮迎面先導和下行先導的相對運動可得出避雷針的引雷空域。

　　hr=vzhT+vxiaT (3)式中　hr為雷擊距離，即雷擊半徑，m;vzh為地物或避雷針上迎面先導的發展速度，m/s;vxia為地閃下行先導的發展速度，m/s;T為大氣間隙的放電時延，s。可得到LPM理論的一切結論。

　　避雷針的上部有一段可能自身遭受側向雷擊的空間，稱為對針桿側擊區;高架避雷針的引雷能力強，當側方襲來的下行雷電先導被避雷針引近而未能在針端接閃時，會出現閃電擊中避雷針附近地面的情況，使得高架避雷針附近的地面落雷密度較該處平均落雷密度大，該地面稱為散擊區。高聳的建筑物和高架避雷針附近地面出現散擊區，遠離避雷針的地方雷擊率不受避雷針的影響，稱為正常區。避雷針周圍空間側擊區、地面的保護區、地面的散擊區和正常區。

　　按我國統計的雷電流幅值最大約為300 kA，其對應的雷擊高度為408 m。取雷擊定位高度為400m，可得出不同高度避雷針的保護區和散擊區的地表半徑見表1。我國舊式民房一般高度在10 m以下，避雷帶和避雷網的高度與房高相同，安裝的短針防雷其高度為1～2 m，它們引起的散擊現象不明顯;高聳建筑物和高架避雷針引雷招致雷擊率增高和存在散擊區。我國防雷學者歷來不主張用高架避雷針保護建筑物，主張用屋頂短針和避雷帶防雷就是考慮了既能發揮它的引雷作用，又避免增加散雷區。

　　避雷針的主要作用

　　常規防雷電可分為防直擊雷電、防感應雷電和綜合性防雷電。防直擊雷電的避雷裝置一般由三部分組成，即接閃器、引下線和接地體;接閃器又分為避雷針、避雷線、避雷帶、避雷網。以避雷針作為接閃器的防雷電原理是：避雷針通過導線接入地下，與地面形成等電位差，利用自身的高度，使電場強度增加到極限值的雷電云電場發生畸變，開始電離并下行先導放電;避雷針在強電場作用下產生尖端放電，形成向上先導放電;兩者會合形成雷電通路，隨之瀉入大地，達到避雷效果。實際上，避雷針是引雷針，可把周圍的雷電引來并提前放電，把雷電電流通過自身的接地導體傳向地面，避免保護對象直接遭雷擊。
與發明有關的相關