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问题

闪电可以击穿绝缘体吗？

回答
是的，闪电的能量足以击穿绝缘体，但具体的击穿能力取决于多种因素。闪电是一种极端强大的自然放电现象，其电压和电流非常高，能够克服许多物质的绝缘性能。

以下是详细的解释：

1. 闪电的本质和特性：

极高的电压： 闪电的电压可以达到数亿伏特（几亿到十亿伏特）。这是因为在雷雨云中，水滴、冰晶和空气颗粒之间的碰撞和摩擦会产生巨大的电荷分离，积累起强大的电场。当电场强度超过空气的绝缘能力时，就会发生放电，形成闪电。
极高的电流： 闪电的电流也非常大，通常在数千安培到数十万安培之间，甚至可能达到数百万安培。这种巨大的电流会产生强烈的热效应和磁效应。
极高的温度： 闪电通道内的温度可以瞬间升高到数万摄氏度，比太阳表面的温度还要高。这使得空气被高度电离，形成等离子体。
极短的持续时间： 闪电的放电过程非常迅速，通常只有几十微秒到几百微秒。

2. 绝缘体的特性和击穿机制：

介电强度： 绝缘体具有“介电强度”（Dielectric Strength），指的是材料在不被击穿的情况下能够承受的最大电场强度。当施加在绝缘体上的电场强度超过其介电强度时，绝缘体就会失去绝缘性能，发生导电，这个过程称为“电击穿”（Dielectric Breakdown）。
击穿机制：
电子雪崩（Electron Avalanche）： 当电场足够强时，即使是绝缘体中的自由电子也会在电场作用下加速，获得足够的动能。这些加速的电子会与材料中的原子或分子碰撞，将其中一些电子撞出，产生更多的自由电子。这些新的自由电子又会继续加速、碰撞、产生更多电子，形成一个指数级增长的“雪崩”，从而使材料导电。
热击穿（Thermal Breakdown）： 即使材料的介电强度没有被完全达到，如果存在微小的导电通道或杂质，电流可以通过这些地方流动。即使电流很小，也会产生焦耳热。如果热量积累的速度大于散失的速度，材料的温度会升高。温度升高会使材料的电阻率下降（尤其是半导体和某些绝缘体），从而允许更大的电流通过，产生更多的热量，形成一个正反馈循环，最终导致材料被熔化、气化或分解而击穿。
其他击穿机制： 还有一些其他的击穿机制，例如电化学击穿、电子隧道效应等，但对于闪电这种高能放电，电子雪崩和热击穿是更主要的机制。

3. 闪电如何击穿绝缘体：

闪电的电场强度和电流密度远超大多数绝缘体的介电强度阈值。当闪电接触到绝缘体时，会发生以下情况：

电场集中： 如果闪电击中一个物体表面，电荷会在尖端或不平整处高度集中，导致局部的电场强度急剧增加。
超过介电强度： 即使是相对较好的绝缘体，如陶瓷、玻璃、橡胶或塑料，其介电强度也有限。闪电产生的巨大电场能够轻易地超过这些材料的介电强度。
电子雪崩触发： 当电场强度超过介电强度时，绝缘体内的微量自由电子会在强大电场作用下获得动能，引发电子雪崩，使材料从绝缘状态转变为导电状态。
热击穿： 闪电巨大的电流通过绝缘体时，会产生极其强大的热量。即使绝缘体能够承受瞬间的电场强度，但巨大的电流带来的热量会迅速升高其温度，超过材料的熔点或分解温度，导致材料物理性状改变，失去绝缘能力，从而发生击穿。
等离子体通道： 在击穿过程中，绝缘体材料会被高度加热甚至气化，形成等离子体通道。这个通道的电阻率会变得非常低，使得闪电电流得以顺利通过。

4. 影响击穿能力的因素：

绝缘体的种类和厚度： 不同的绝缘材料有不同的介电强度。例如，空气的介电强度相对较低，而陶瓷或一些特殊复合材料的介电强度则高得多。绝缘体的厚度也是一个重要因素，越厚的绝缘体需要更高的电压才能被击穿。
闪电的强度： 闪电的电压、电流和能量大小是决定性因素。一次非常强大的闪电可能击穿厚实的绝缘体，而一次较弱的闪电可能只能对较薄或介电强度较低的绝缘体造成损坏。
绝缘体的状态： 绝缘体是否潮湿、有杂质或有损伤会显著降低其绝缘性能。潮湿的表面会提供一个低电阻的导电路径。
放电距离和形状： 闪电放电需要一定的距离来建立电场。物体的形状也会影响局部电场的集中程度。
环境因素： 温度、湿度、气压等环境因素也会影响空气的绝缘能力，进而影响闪电的形成和传播。

5. 实际应用和例子：

高压输电线路： 在高压输电线路上，会使用大量的绝缘子（通常由陶瓷或玻璃制成）来隔离带电导线与支撑塔。但当闪电直接击中线路附近或线路本身时，极高的电压会穿过绝缘子，导致线路故障。为了防止闪电损坏输电设备，通常会在高压线路上方架设避雷线，并在铁塔顶部安装避雷针。
电子设备： 电子设备中的电路板、元器件的绝缘涂层等，在遭受雷击或浪涌电压时，也可能被击穿，导致设备损坏。
建筑物的保护： 建筑物通常会安装避雷针，用来引导闪电电流安全地通过建筑物的避雷系统导入地下，避免闪电直接击中建筑物而引发火灾或损坏。然而，即使有避雷针，强大的闪电也可能在附近产生感应电压，或者通过非预期路径（例如未接地金属管道）击穿绝缘体。

总结：

是的，闪电的能量足以击穿几乎所有常见的绝缘体。这是因为闪电具有极高的电压、电流和温度，能够瞬间超过绝缘材料的介电强度极限，通过电子雪崩或热击穿机制使材料导电。绝缘体的种类、厚度、状态以及闪电本身的强度，共同决定了绝缘体被击穿的可能性和方式。因此，在设计电气系统和建筑物时，必须充分考虑闪电的防护措施。

网友意见

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  • 看到 @冷哲的回答突然想起一些原来觉得十分美的东西，比如麦克斯韦方程组。听说美丽有两种，一种是深刻动人的方程，一种是你泛着倦意的脸上淡淡的笑容。

  • 我就来随便讲讲故事。如果我的电动力学没有还给老师的话，还能多写写公式装专业人士， 但是过去我就是学渣，现在大脑也不发达，但又觉得不会电动力学的程序员不配被称作全栈工 程师，所以试着回忆一下，并且只能讲到麦克斯韦的时代为止，量子力学框架下的我没接触 过，也学不懂。

  • 导电性是对某种实体物质而言的，电流的载体总是正或负电荷，比如原子核与电子，或者离子。导电性用电导率来衡量。电导率就是电阻的倒数，你们都知道。真空里没有实物粒子，当然就没有电流这种东西，也没有电导率这个概念。有个概念叫做电流密度，我们搞工程的特别喜欢估算，不喜欢用积分，所以常常近似有：

  • 其中是电场强度，这才是欧姆定律的真身。
  • 实际上，电流密度的定义式是：

  • 是单位面积，是通过该面积的电流。这个式子只是定义式，并不能看出因果关系。因 果关系存在于欧姆定理那里。

  • 而电场是不依赖实物粒子存在的。也就是说，真空中可以存在电场。如果把一个电子扔到这个真空中的电场里，如果受力不平衡它就会跑起来。跑起来了就是电流，这个真空就不能被视作绝对真空了。有时候我们又称真空为自由空间，因为这里的电磁波都是无所顾忌的。 @王力乐说的真空电子管是金属原子高温下发射热电子的产物。由于电子管两头分别是阴极和阳极，有电势差，有自由电子，就会形成电流。这玩意又被称为阴极射线，就是因为电子从阴极射出来往阳极跑。之所以要抽成”真空“是因为”真空“中阴极发射的电子受到的阻力较小，放在空气里秒秒钟就跑不动了。电子管温度很高，如果不够纯净，活跃的空气分子会把电子拦下来。所以会在里面放一些活泼金属作为除气剂。

  • 真空中虽然不存在实实在在的电流，但有一种特殊的电流——位移电流。位移电流的概念是这么来的：原版的安培定律只适用于静磁场，妖孽麦克斯韦觉得此事不妥，引入了电位移的概念，完美解决这个问题。电位移的定义为：

  • 其中是真空介电常数，又被称为电常数，是电极化强度，是电介质的性质。这个暂时不 管。电位移对时间的微分为位移电流密度：

  • 这个式子右边第一项不依赖于电介质，是真空中时变电场的属性。所以导致真空时变电场好像 存在一个电流密度，从而有了电流。但这个电流并没有任何热及化学效应，更没有载流 电荷移动，只是一种”心动“。电位移听起来比较抽象，实际上它又被称为电感应强度。高中物 理学过磁感应强度和电场强度，也许还听说过磁场强度，这几对电磁物理量高度对称。而学过 高中物理就应该都听说过”变化的电场会产生磁场“这句话。根据安培定则，电流会产生磁场。 实际上正是这个”位移电流“（“感应电流”）产生了磁场。麦克斯韦将这个式子代回安培定则的 方程，得到了麦克斯韦方程组的其中一个。结合描述时变磁场如何产生电场的法拉第感应定 律，麦克斯韦写出了惊世骇俗的电磁波动方程，并直接得出了真空光速的表达式，发现这货居 然是恒定不变的：

  • 其中分别是真空电介质常数和真空磁导率，三个都是常数。
  • 妖孽如麦克斯韦也不能理解，只能归功于以太，导致在爱因斯坦搞出狭义相对论之前，以太论 占据统治地位。

  • 现代的麦克斯韦方程组，分别描述了高斯定律，高斯磁定律，麦克斯韦-法拉第定律，麦克斯韦-安培定律。它和洛伦兹力方程一起构成了经典电动力学的基石，发展出当代电力和电子科技。二十世纪前半期，在量子力学、相对论、与粒子物理学领域的突破与发展，其崭新理论与微观麦克斯韦方程组相结合，成为建立量子电动力学的关键基石。量子电动力学是人类有史以来发展出的最精确的理论。

  • 大学时代，教这门课的马西奎先生被称作马克西奎，和麦克斯韦略谐音，因为据说这些方程他都懂。


  • 说回这个电极化强度，重点要来了，高能预警。当给电介质施加一个电场时，由于电介质内部正负电荷的相对位移，会产生电偶极子，这现象称为电极化。施加的电场可能是外电场，也可能是嵌入电介质内部的自由电荷所产生的电场。因为电极化而产生的电偶极子称为“感应电偶极子”，其电偶极矩称为“感应电偶极矩”。
  • 电极化强度定义为电介质单位体积 内的电偶极矩 的平均值，推广到解析定义，也就是 微元内是：

  • 为了衡量电介质因响应外电场的施加而极化的程度，我们引入电极化率，它是由下面这个 式子定义出来的：


  • 这个定义很直观。
  • 简单一点，只考虑各向同性的介质，把这个式子代回


  • 就得到了：


  • 于是，就是我们常说的电容率。终于回到高中内容了呢。高中物理老师讲电容器 时应该讲过，电容器充放电时两极之间并没有电荷通过，但是你可以假装它有一个电流，这 个假装的电流就是下面这个位移电流：


  • 所以我可以开始回答题主的问题了。将绝缘体置入外电场中，则束缚于其原子或分子的束缚电荷不会流过介电质，只会从原本位置移动微小距离。由于受到外加的电场力，正电荷朝着电场方向稍微迁移位置，而负电荷朝着反方向稍微迁移位置。这会造成介电质电极化，从而在介电质内部产生相逆的电场，减弱整个介电质内部的电场。如果电极化率比较高，产生的反抗电场就更强，由看出，就是电容率很大，放在电容器里，能够提高电容器的容量。电容率大的有哪些？比如云母片啊，陶瓷，纸片，都是绝缘体。所以你应该听说过云母电容陶瓷电容纸片电容对吧。

  • 实际上，电极化机制非常复杂，同一种物质也可能同时具有电极化机制，讲不清楚。总之你很容易想象，介质内部电极化对外加电场的抵抗是有限度的。一旦超过某个阈值，就无法再维持原先电极化状态，这就叫击穿。真空的电极化率为0，所以它对外加电场没有阻碍。但是它不存在击穿这个说法，因为它并不产生击穿电流。真空也不能被叫做“绝缘体”，因为它根本没有“体”。

  • 电动力学之旅就到此结束了，电极化是绝缘的一种机制，但并非全部，学模拟电子技术的时候又学到下面这种解释：
  • 电子能带理论指出，固体中的电子仅允许存在于一定的能量状态，这些能量状态形成彼此分离的能带。电子趋向于先占据能量最低的能带，在绝对零度能够被填满的能量最高的能带叫做价带，价带之上的能带叫做导带，价带和导带之间的空隙叫做能隙。在绝对零度以上，价带电子部分被激发而跃迁至导带，成为导带电子，并在价带留下空穴。根据能带理论，被电子填满的能带或空的能带对电导没有贡献，电导仅来源于半满的能带，导带电子和价带空穴合称载流子。金属的导带被部分填充，因而有良好的电导。对于半导体和绝缘体，在绝度零度下价带被填满，而导带没有电子。在常温下，半导体由于能隙较小，可以通过热激发而形成电子空穴对，因而具有一定的电导。相反，绝大多数绝缘体通常具有非常大的带隙宽度，价带电子很难被激发至导带，因此绝缘体的载流子浓度极低，相应地电导也极低，或者说这种材料绝缘。

  • 对于绝缘体，总存在一个击穿电压，这个电压能给予价带电子足够的能量，将其激发到导带。 一旦超过了击穿电压，这种材料就不再绝缘了。然而，击穿通常伴随着破坏材料绝缘性的物理 或化学变化。

  • 云层内部或云和地之间极高的电压可以击穿空气，我们称之为电离——形成一条电流通路。空气被巨大的电能迅速加热，成为发光的等离子体，加热压缩等过程伴随着空气形成的机械波。我们称之为闪电和打雷。题主啊，你想想，空气本身就是一种良好的绝缘体了。你看那些高架的高压输电线都是裸线，就靠空气绝缘了，橡胶不能用。闪电就是高压击穿了绝缘体的产物啊。

  • 其中有一种神秘的球状闪电，传统理论认为它是一种漩涡状高温等离子气体，利用内部高速旋转造成的向心力与外部大气压力达到平衡来维持了较长时间的稳定性。

  • 后来有一个叫刘慈欣的电气工程师，目睹了一场精心动魄的雷暴，看着娘子关电厂里弱爆了的发电机，难以抑制对伟大自然的崇敬，写了一篇小说，叫《球状闪电》。


  • 我去撸算法了，真的很抱歉。

  • 多年以后我也许还记得，我也曾经是一名电气工程师。
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如果我没有记错的话，除了真空，似乎没有绝对的绝缘。对于所有的绝缘体，电压都可以大力出奇迹。

具体的，还要请专业人士来回答。
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世界上没有绝对的绝缘，只有不努力的电压。

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