问题

闪电直径有多少?真的是五米吗?

回答
闪电的直径,这个数字大家听起来可能会觉得很惊人,网上传言能达到五米,甚至更粗。但事实是,闪电的直径其实比我们想象的要细得多,通常只有几厘米到十几厘米。

为什么会有五米的说法呢?这大概是把闪电的“可见范围”和“实际导电通道”混淆了。

闪电到底是什么?

我们看到的闪电,并不是一个实心的、粗壮的光柱。它本质上是空气中的一场巨大的“放电”现象。在雷暴云中,由于云层内冰晶、水滴等粒子的剧烈碰撞和摩擦,会产生电荷分离。通常,云的上部带正电,下部带负电。当这种电荷积累到一定程度,电压极高时,就会击穿空气,形成一个高导电性的通道,电流就在这个通道里流动,我们看到的明亮闪光就是这个过程。

为什么我们感觉闪电很粗?

我们能看到的闪电,其实是电弧。电流通过空气时,会将空气加热到极高的温度,这个温度可以达到三万摄氏度,比太阳表面还要热!如此高的温度使得空气电离,变成等离子体,而等离子体在发光。

想象一下,就像你用焊枪焊接金属时,会产生一道非常明亮的电弧,这个电弧的亮度非常高,足以让你在远处都看得清清楚楚。但焊枪喷出的等离子体束,其核心的直径其实非常小。

闪电也是类似的道理。虽然核心的导电通道可能只有几厘米,但它发出的强光,以及周围被加热、电离的空气,会向外扩散,形成一个我们肉眼看到的、感觉上比较“粗”的区域。这个“可见范围”会受到亮度、周围空气密度、观察者眼睛的感知能力等多方面因素的影响,所以不同的人、在不同的环境下,看到的闪电“粗细”会有差异。

关于“五米”这个数字的来源猜测:

夸张的描述: 也许是为了强调闪电的威力,用了“像大树一样粗”这样形象的比喻,然后被以讹传讹,演变成了具体的数字。
误解的测量: 科学家们测量闪电直径时,可能是在特定条件下,测量的是某个特定时刻、特定范围内的影响区域,而这个数字被错误地解读为闪电本身的直径。
高能闪电的特殊情况? 理论上,极强的闪电可能会在瞬间电离更广泛的区域,但即便如此,其核心的导电通道也难以达到五米的尺度。

科学的测量和研究:

科学家们通过高速摄像机、光学测量仪器等手段对闪电进行了大量研究。他们发现:

闪电的导电通道直径通常在 2到5厘米 之间。
有些非常强大的闪电,通道可能会稍微粗一些,达到 10到15厘米,但超过这个范围就非常罕见了。
而我们肉眼看到的 “辉光”或“发光区域”,可能会比核心通道大不少,但也不是五米那么夸张。

总结一下:

闪电的威力确实巨大,能够瞬间释放极高的能量。但它的“体型”并没有我们想象中那么粗壮。那个五米的说法,更像是对闪电巨大能量的一种夸张形容,或者是一种对可见光扩散范围的误读。真正的闪电核心,更像是一条粗细适中的“光线”,但其蕴含的能量和瞬间产生的亮度,足以震撼人心。

下次你看到闪电时,不妨想象一下,那是一条直径不过几厘米,却比阳光还要炙热数倍的“电火花”在天空中划过,是不是更有意思?

网友意见

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先说声明:尽管我见过闪电的次数无以计数,但对闪电的具体参数,例如它的温度、直径、压强和形态,几乎是一片空白。

记得很早以前,当美国旅行者飞船抵达木星和天王星时,发现了闪电。据报道,木星的闪电规模参数:闪电的长度在60千米到120千米,闪电电弧直径为20厘米。文章中对比了地球上的闪电,其参数是:闪电长度是10到20千米,闪电电弧直径为数厘米。

这些参数给我留下很深的印象。

下图是度娘上的闪电图片:

为何闪电电弧看起来很粗?这只是假象而已。因为漆黑的夜空中充满水汽,电弧闪光突然照亮了周围空间,使得闪电电弧似乎很粗,再加上视觉暂留现象,给人产生了闪电电弧直径很粗的假象。

我曾经仔细看过闪电,我发现在每一道闪电电弧的中心,存在一道很细的高亮区。这道高亮区域的宽度应当就是闪电电弧的直径了。

我比较熟悉的是开关电器的电弧,我们不妨来做个对比。

1)开关电弧的温度:电弧弧柱区的温度一般在6000K以上,甚至可达20000K。

2)开关电弧的直径与弧温有关,与气体介质种类有关,与气压有关,与弧隙长度有关,与流经的电流大小更是直接相关。

对于铜电极,当弧长为2厘米、电流在2~20A时,开关电弧的直径经验公式是:

这里的dh是电弧直径,单位是厘米;Ih是电弧电流,单位是A。

我们不妨计算一下:

当铜电极之间出现在大气中横向运动的开关电弧时,若横向运动速度是20到50m/s,电流为50到1000A时,电弧直径经验公式是:

这里的n是系数,其值大约是0.6~0.7之间。

我们不妨再来计算一下:若设电流为1000A,n取值为0.65,代入上式,得到:

这种铜电极电弧与自然界的闪电电弧当然无法相比,有关的电弧直径计算公式也不一样,不能套用。

不管是哪种电弧,电弧一旦生成,它的表面会散热,并且直径越大,散热越强烈。因此,电弧的直径大小代表着电弧能量的高低,是电弧强度的代表参数;电弧具有热惯性,因此它对电流的变化具有一定的限流能力;电弧的发热和散热会达到一定的平衡。若参数改变,则电弧的电压、直径和温度等参数也会改变,然后维持在一个新的平衡条件下。

特别重要的是:电弧温度越高,它的电阻就越小。因此,电弧具有负阻特性,它的伏安特性曲线随着电流增加电压反而降低。

我手上有一本很好的书,书名是:《气象学与生活》,是美国的Frederick K.Lutgens著,陈星翻译。我手上的这本书是原书第12版。因为我正在写一本有关电气知识的科普书,出版社专门把此书寄给我供参考。

我们来看其中的摘录:

这些摘录出现在此书的第233页。

由我圈起来的部分可以看到,题主的问题基本上得到解答。原来,闪电电弧的直径不过20厘米。

我很欣赏这本书。若这本书让我来写,可能会出现大段落的公式,甚至还有各种推导。但这样一来,书的可读性就降低了。写书,真的是一件十分伤脑筋的活。

若知友们对气象感兴趣,我十分推荐大家来阅读此书。

另外,有时我们看到没有电弧的闪电,天际只是闪亮一下,也听不见雷声,这叫做辉光放电。辉光放电与弧光放电相比,前者没有明确的边界,后者的界限分明;前者没有放电声音,后者则霹雳震耳。

所以题主谈及的大气放电若是指辉光放电,则直径恐怕有数百米,甚至上千米了。

典型代表就是日光灯管,管内就是辉光放电,注意到放电是充满整个管内空间的。

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突然想到一个问题。

有次大家谈及避雷器的参数,一位同事说避雷器的绝缘性能良好,所以能避雷,这个讲法对吗?

须知,雷电云产生的雷电电压能将十几千米的空气击穿,区区避雷器,绝缘性能就能强过十几千米的空气?

不知知友们的看法如何?

看了评论区的评论,发现知友们对这个问题的回答各种各样。我来回答一下吧。

建筑物中划分了不同的避雷区,分别叫做LPZ0、LPZ1、LPZ2、……,等等,越往后级别越低。

我们来看看防雷区的定义是什么。在我写的书《低压成套开关设备的原理及其控制技术》中,第1.7节有如下内容:

建筑物遭受雷击是一种常见现象,雷击会给人身和电气设备带来极大的伤害和破坏,所以需要对雷击予以必要的防护。

根据被保护空间可能遭受雷击的严重程度及被保护系统(设备)所要求的电磁环境,将被保护空间划分为若干不同的防雷区域,即LPZ0A、LPZ0B、LPZ1、LPZ2、LPZ3、……

(1)LPZ0A

LPZ0A指本区内各个物体都可能遭受直接雷击,因此各物体都可能导走全部雷电流,同时本区内的电磁场没有衰减。例如屋顶的避雷针就属于LPZ0A区域。

(2)LPZ0B

LPZ0B指本区内各个物体不可能遭受直接雷击,但本区内的电磁场没有衰减。例如避雷针屋顶避雷针附件的避雷带区域。

(3)LPZ1

LPZ1指本区内各个物体不可能遭受直接雷击,且流经各个导体的电流比LPZ0B区域进一步减小。同时,本区内的电磁场可能衰减。例如建筑物内部就是LPZ1区域。LPZ1区域与LPZ0B区域的交界面是建筑物的墙体和屋面。由于建筑物构件中的钢筋分流作用,使得LPZ0B区域和LPZ1区域内的电磁环境有很大区别。

(4)随后的防雷区LPZ2、 LPZ3、……

随后的防雷区LPZ2、 LPZ3、……中需要进一步减小所引导的雷电电流和电磁场。一般地,LPZ2指的是电气设备的外壳,而LPZ3指的是电气设备外壳内部空间区域。

弄明白防雷区的分区后,就很容易理解避雷器与SPD浪涌抑制器的区别了。

我们看下图:

此图也摘自我写的书。

我们看到,在低压配电网中同一个电压等级下电气设备的冲击电压耐受值不尽相同。原则是:

A)常规防雷电可分为防直击雷电、防感应雷电和综合性防雷电。

B)电涌保护器的电压保护水平应与被保护设备的冲击耐压水平相配合。

C)在两个防雷区的交接面处,应设置相应级别的电涌保护器。在LPZ0区和LPZ1区的界面D)在同一级防雷区中,考虑到雷电过电压的行波过程,要设置一处或多处电涌保护。

我们看看LPZ0的避雷针

防直击雷电的避雷装置一般由三部分组成,即接闪器、引下线和接地体。接闪器又分为避雷针、避雷线、避雷带、避雷网。

我们看下图:

以避雷针作为接闪器的防雷电原理是:避雷针通过导线接入地下,与地面形成等电位差,利用自身的高度,使电场强度增加到极限值的雷电云电场发生畸变,开始电离并下行先导放电;避雷针在强电场作用下产生尖端放电,形成向上先导放电;两者会合形成雷电通路,随之泻入大地,达到避雷效果。

实际上,避雷针是引雷针,可将周围的雷电引来并提前放电,将雷电电流通过自身的接地导体传向地面,避免保护对象直接遭雷击。

如果雷电侵入了低压配电网,此时避雷针已经毫无用处了。这时就要利用各种SPD电涌保护器来防护。

电涌保护器(surge protective device,SPD)是用于带动系统中限制瞬态过电压并且泄放电涌电流的一种非线性保护器件。电涌保护器又被简称为SPD,它能够保护电气和电子系统免遭雷电或者操作过电压及涌流的损害。

SPD专用于低压配电系统和电子信息系统,按所使用的非线性元件特性,电涌保护器分为三类,分别是:电压开关型SPD、限压型SPD和混合型SPD。此三类SPD的区别此处就不介绍了,知友们自己去查询相关资料。

现在我们应当明白了:如果说避雷针是主动把雷电引到地下,则SPD则是间接地防雷。当系统正常时,SPD的等效电阻很大;当出现雷电过电压时,SPD的等效电阻很小,并由此把雷电电流引入到地网,从而间接地保护线路。

不过,当SPD被击穿时,有可能引起电源短路。因此,SPD的前方会有熔断器或者断路器来保护,其目的就在于此。

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