摘要：闡述雷電形成的原因、產生的過程以及防雷的方法，以便正確選用防雷器件。

關鍵詞：雷電形成防雷方法

Lightning and Lightning Proof Mistake Region

Abstract:To select correctly lightning proof devices,reasons and process of lightning forming as well as lightning proof methods are introduced in this paper

Keywords:lightning forming,lightning proof method

　　隨著電子技術的發展，電子器件已進入大規模集成電路時代。電子設備的功能得以改善，運行的可靠性不斷提高，然而防雷的能力卻大大地降低了。現在，每年遭到雷擊而造成的損失數以億元計，所以研究保護微電子設備免遭雷電危害已成為一個重要課題。雖然近兩個世紀出現了很多的防雷方法和派生出很多防雷器件，但由于對雷電的了解不全面或對器件性能的偏見，往往得不到預期的效果。由于不得其法，浪費了大量資財。本文闡述雷電的成因并指出當前防雷誤區，力圖打破似乎凍結的防雷方法的規范，以求防雷研究的進展。

1雷電的形成

1.1自然界的自由電荷

在電子學中，當人們研究電的現象時發現構成物質的微單元的原子中，圍繞原子核高速旋轉的外層電子易受外界條件的影響而逸出，使原子缺少電子或者自由電子單獨存在而對外部形成電場的帶電現象。

金屬導體和絕緣體的內部結構區別在于：金屬導體中的自由電子內部引力較弱，而絕緣體內部引力較強。所以在金屬導體環路中，如加上一種使自由電子逸出的力量（這個力量我們叫電壓），由于環路中電壓的存在，金屬中的電子產生位移式的流動，不過金屬內的正負電荷量的絕對值是相等的，一旦去掉加在環路中的電壓，環路立即處于中性，沒有電子的流動，不再產生電場。

對非環路的金屬，比如兩塊相互平行的金屬板，它們之間以空氣為介質，如在這兩塊板上加上電壓，金屬導體中的電子按同性相斥，異性相吸規律，使電子向一面流動，產生電場，這種現象稱為靜電現象。這時對某一塊金屬來說，它們電荷的正負電量的絕對值就不相等了，這時如去掉加在其上的電壓，它不像環路那樣呈現電中性，卻仍保持帶電性質，仍然有電場的存在，但是隨著時間的推移，這個電場會自然消失。正統的理論解釋為A片金屬的電子通過介質層逐步釋放給B片金屬的結果，這是以環路電流理論為依據的論點。但是，如果將兩塊已充了電的金屬塊瞬間拉開到不可能從A向B釋放電子的距離，兩塊金屬會不會永久性地帶電呢？事實告訴我們，隨著時間的推移帶電現象也隨之消失，這是什么原因呢？教科書上提到的摩擦起電現象，即絕緣體相互摩擦后，絕緣體出現帶電現象，在這種情況下，是否需要兩件物體再接觸一下才能使絕緣體呈現帶電中性呢？事實并非如此，這些懸于空間的帶電物體，不管帶電性質如何，只要與大地接觸一下，帶電現象就立即消失。因此這種現象告訴我們，在自然界中，A給B的電荷，A不必從B收回，B多余的電荷也不一定向A輸出，這與金屬環路電流理論是不相同的。同時可以推定，自然空間（包括大地在內）各種物體電荷的擁有量的絕對值是不相等的，就是說自然界擁有巨大的自由電荷量。

自然界之所以擁有大量的自由電荷，從電勢形成概念而言，有電磁效應、化學效應、摩擦起電及射線等諸方面原因，現代科學可以做到測量人腦電流的運動來判斷腦的活動。自然界的自由電荷的成因，用能量守恒定律來規范，可以這樣說：凡有物質運動的地方（包括宇宙射線），就會產生電子運動并形成自由電荷，這是一種能轉換成另一種能的變換過程，所以自然界物質的運動是自然界產生自由電荷的根源。

所謂自然界，包括天空與大地這樣廣闊的空間，這個空間不存在電荷的中性，就大地而言，我們稱之為零電位，但大地本身因物質的運動其電位并非為零，它擁有大量的自由電荷，我們可以做一個簡單的小實驗：用一副耳機，或者一只毫伏表，兩根同金屬性質的金屬棒，在一定距離內分別將金屬棒插入地下，棒與棒之間用耳機可以聽到地電荷的噪音，如果接上毫伏表發現有電壓指示，而這種指示不因放電時間的加長而消失，單線傳輸的電話線路，電話的耳機里的噪音也連續不斷，這些都說明大地自由電荷的存在。當然用上述方法無法測量天空自由電荷，但是我們用長波和中波收音機收聽電臺時，噪音干擾也連續不斷，以此證明，天空中有不斷的放電現象，說明天空中存在豐富的自由電荷，同時又能形成一定強度的電場放電。

這里反復地論證自然界存在自由電荷，其目的是要解釋雷電產生的根源，因為教科書上的環路理論不能對雷電成因進行解釋。

1.2雷電場的產生

雷電的能量是巨大的，在人類活動中，任何單一的電站所發出的電能不可能產生一次雷電所釋放的能量，那么這樣大的能量積聚是怎樣形成的呢？

上面說過，由于物質的運動自然界產生巨大的自由電荷，當然這些自由電荷是產生雷電的根源。從電子學中得知，要形成一個強大的電場，一定是其中一方是同性質電荷的積累，但是在天空中空氣是絕緣的，同性質的電荷又相斥，它們不可能積聚在一起，不可能形成能量的集中，天空中的物質受氣流、宇宙射線的影響而產生自由電荷，且不斷增加，在大氣層的擠壓下向太空高層運動，形成一個電離層，這個電離層是含單性電荷的電子層，其電場的能量是不可估量的。

當大氣層中出現潮濕的空氣，在上升階段又遇冷空氣結成水狀云塊時，由于云塊可看成是一個整體的導體，在電離層電場力的作用下，云層中的電子推向面向地的一端，雖然云塊正負電荷的絕對值相等，但實際上形成了一個靜電場，在晴天，云塊遠距地面而且云塊與大地間潮濕空氣較稀，它們之間介質絕緣程度較高，不易發生擊穿放電現象，但是在雨天，特別是熱雨季節，由于云層下降，空氣潮濕，在此條件下帶電云塊擊穿空氣向大地放電而形成雷電。

雷電不單純是空間對地放電，往往在空間也會形成雷電。這是因為帶電云塊在空間的位置較高，當地面的潮濕空氣急速上升時，它與帶電云塊形成的電場在空間放電，形成高空雷電。

上面說過，云塊受電離層電場力的作用產生靜電現象，這些云塊向地放電以后，其本身產生電離即云塊的正負電量的絕對值不相等，形成帶電現象，帶電云塊隨著氣流運動與另一云塊形成電場，當它們逐漸接近時產生放電現象是形成空中雷的原因，當我們觀察雷電在空間放電時，往往是一次接一次有連續不斷的感覺。

1.3雷電過程

雷電過程也是靜電理論中闡明的電場中介質擊穿過程。上面說過雷電的成因，雷電是帶電云塊在運動過程中放電的現象，其放電位置不是固定的，但有一定固定的條件。比如電場中介質的厚度、絕緣系數、氣體溫度和地表導電系數都影響雷擊地點。我們常說的多雷區應該說該地區具備上述諸因素中的幾種。但是有人認為雷電是在本位置產生的，這是一種誤解。道理很簡單：因為在本地區又有什么力量積聚這么大的能量呢？應該是帶電云塊在運動過程中放電形成雷電，當然在帶電云塊的作用下，在什么地方放電與地面的前述條件有關，以地貌而言相對高度越高應該說越易遭雷擊，這里指的是高建筑物、高山及地表凸出處，但也不一定就在這些地方出現雷擊，因為在電場中介質參數不單純是指厚度，還取決于絕緣系數即環境的溫度和氣體的溫度。我們發現，往往雷擊點不在山頂而在平川，這是因為那里的潮濕空氣和氣溫使電場介質的絕緣低于高山而遭雷擊。另外，地表的導電也有影響，良好的導電地質比難以導電的地質所產生的雷電場就大得多，所以易導電的地質易于引雷。

雷電場是一個巨大的靜電場，是人類不可建造的。巨大的電場面積和所積聚的巨大能量是不可估量而又不可測量的，人們往往在雷電以后，從被雷擊的物體破壞的程度估計它的大小。對于雷電流用數以億安計的詞來形容是不過份的，雷電場在放電過程中與靜電場放電有相似的地方，但也有差別，人為形成的靜電場其儲能是極為有限的，所以它在放電過程中放電電流是從最大值逐步減弱，而雷電場就不同，由于儲能巨大，在放電時因通過空間的阻力開始階段不可能使電場減弱，而是在放電時空氣加熱以后放電電流達到最大值，再隨著電場的減弱放電電流隨之下降。所以雷擊過程中雷電流是從小到大再減弱，就電的性質而言，由于它是一個靜電場的放電，電流的方向是不變的，所形成的是一個幅度巨大的脈動直流電流。

所以雷電流的主要分量是直流分量，但脈動部分和雷電流與空氣及地接觸時產生的熱騷動形成的諧波和高次諧波的電磁能量也相當大，所以雷電過程中的交流分量也不可小看，雷擊過程中，從低頻直至米波段這樣寬的頻譜均受不同程度的干擾，從諧波理論得知，低頻段所受干擾較為嚴重。

如果我們將地面的物體置于某一位置，雷電對這一物體產生的干擾可分為感應干擾和直接干擾。某一物體不在雷電場內，但由于雷電在放電過程，它所產生的強大電磁波使這一物體受電磁波的沖擊，這樣的雷我們稱“感應雷”，當某一物體置于雷電場內，而且物體又作為雷電流的導電體，巨大的電流通過該物體使物體遭到嚴重破壞，這種直接置于雷電場受到雷電的沖擊，我們稱這種雷為“直接雷”。以現代微電子來說，不管感應雷還是直接雷對微電子器件都會造成永久性的破壞。