關于雷

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第一節雷電的形成機理

雷電是自然界中一種極為壯觀的聲、光、電現象，對人類的生產

和生活有著巨大的影響。那么，我們先從認識雷電談起。

我國古籍中，有關雷電理論的記載十分豐富。例如東周時《莊子》

上記述：“陰陽分爭故為電，陽陰交爭故為雷，陰陽錯行，天地大駭，

于是有雷、有霆。”這些學說與現代的雷電學說是如此相似，不過它

比現代雷電學說要早2000多年。在古籍中關于建筑工程中避雷的記

載也十分豐富。南北朝的孟奧《北征記》中有如下記述：“凌云臺南

角一百步，有白石室，名避雷室。”又有盛弦之《荊州記》中記述：“湖

陽縣春秋蓼國，樊重之邑了，重母畏雷，為立石室，以避之，悉之文

石為階砌，至今猶存。”書中談及的白石、文石，據分析應該屬于絕

緣性能較好的石塊。至于宋、元、明、清代的建筑物多用“雷公柱”（宋

代稱棖桿）等措施以避雷。

在古籍中關于雷擊事故的記述就更多了，例如在《續晉陽春秋》

上記述：“太元五年，霹靂含殿四柱，殺內侍二人。”《晉安帝記》上

記述：“義熙三年六月，震太廟鴟尾，徹壁柱，若有文字。”《晉中興

書征祥說》上記述：“元興三年，永安王皇后至住巴防，將設威儀入

宮，天大雷震，人馬多死。”《沈括?夢溪筆談》上記述：“內侍李舜

舉家為暴所震，其堂之西屋雷火自窗間出，赫然出檐。人以為堂屋已

焚，皆出避之。及雷止，其舍宛然，墻壁窗紙皆默。有一木格，其中

雜貯諸器，其漆器銀鋁者，銀悉容流在地，漆器不燃灼。有一寶刀，

極堅剛，就刀室中容為汁。而室亦儼然。人必謂：當先焚草木，然后

流金石，今乃金石皆爍而草木無一毀者，非人情所測。《齊書?五行志》：

“永元三年正月，豫章郡，天火燒三千余家。”

以上只是我國古籍關于雷電災害中的點滴摘錄，當然它與現代雷

電理論和防雷技術相比還有差距，但是從歷史觀點來看，我們的祖先

能夠在那么早的年代里就創造出那樣完整的雷電理論，并且在技術上

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得到應用，這是我們民族光輝燦爛文化歷史的一頁。

1.1雷電的特征

雷電現象是自然界中一種瞬間放電現象，同時伴隨有雷聲，具有

高電流、高電壓、變化快、放電時間短、輻射強等特征。

1.1.1雷電具有很大的電流

根據統計資料表明，每次雷擊閃電電流大小和波形有很大差別，

尤其是不同種類放電差別更大。雷電流在流通過程中是變化的，其在

幾個微秒內達到最大值，約數十至數百千安，然后在幾十微秒內衰減

下去。其大小與地理位置、地質條件、季節等因素都有關系。一般平

原地區比山地雷電流大，正閃電比負閃電能量大，第一閃擊比隨后閃

擊電流大。

1.1.2雷電具有很高的電壓

閃電電荷量是指一次閃電中正電荷與負電荷中和的數量。這個數

量直接反映一次閃電放出的能量，也就是一次閃電的破壞力。閃電電

荷的多少是由雷云帶電荷情況決定的，與地理條件和氣象情況有關，

也存在很大的隨機性。大量觀測數據表明，一次閃電放電電荷可從零

點幾庫侖到1000多庫侖，這些電荷在微秒內瞬時放電，所以，云層

對大地之間的將電壓高達幾百萬到幾千萬伏。

1.1.3雷電波的能量主要集中在低頻范圍

從雷電波頻譜結構可以獲悉雷電波電壓、電流的能量在各頻段的

分布，根據這些數據可以估算被保護系統在其頻帶范圍內雷電沖擊波

的幅度和能量大小，進而確定防雷措施；另一方面，可以根據它的頻

譜特性來選擇合適的傳輸線。根據雷電的標準波形，由計算可知，從

0～30MHz的電流峰值明顯較大，并且峰值大致相同，30MHz以上的

電流峰值明顯下降，頻率越高，電流峰值越低。也就是說：雷電流主

要分布在低頻部分，隨頻率升高而遞減。在波尾相同時，波前越陡高

次諧波越豐富；在波前相同的情況下，波尾越長，低頻部分越豐富。

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根據這些數據可以估算通信系統頻帶范圍內雷電沖擊的幅度和能量

大小，進而確定雷電防護措施。

1.1.4雷電活動規律

雷電活動從季節來講以夏季最活躍，冬季最少，從地區分布來講

是赤道附近最活躍，隨緯度升高而減少，極地最少。

雷災事故的歷史資料統計和實驗研究證明，雷擊的地點以及遭受雷擊

的部位是有一定規律，同一區域容易遭受雷擊的地點和部位有：土壤

電阻率較小的地方，如有金屬礦床的地區、河岸、地下水出口處、湖

沼、低洼地區和地下水位高的地方；山坡與稻田接壤處；具有不同電

阻率土壤的交界地段。易遭受雷擊的建（構）筑物：高聳突出的建筑

物，如水塔、電視塔、高樓等；排出導電塵埃、廢氣熱氣柱的廠房、

管道等；內部有大量金屬設備的廠房；地下水位高或有金屬礦床等地

區的建（構）筑物；孤立、突出在曠野的建（構）筑物。同一建（構）

筑物易遭受雷擊的部位：平屋面和坡度≤1/10的屋面，檐角、女兒墻

和屋檐；坡屋度＞1/10且＜1/2的屋面；屋角、屋脊、檐角和屋檐；

坡度＞1/2的屋面、屋角、屋脊和檐角；建（構）筑物屋面突出部位，

如煙囪、管道、廣告牌等。

1.2雷電的形成機理

雷電是指一部分帶電的云層與另一部分帶異種電荷的云層，或者

是帶電的云層對大地之間迅猛的放電。這種迅猛的放電時產生強烈的

閃電并伴隨巨大的聲音。那么，雷電具體的形成過程又是怎樣的呢？

1.2.1雷云的形成

雷電的形成與帶電的云層---雷云的存在分不開，有關雷云形成的

假說很多，但至今尚未有一種被公認為無懈可擊的完整學說，這里我

們介紹其中被認為比較完善并經常被推薦的假說---威爾遜假說。根據

大量科學測試得知，地球本身是一個電容器，通常大約穩定的攜帶負

電荷50萬C左右，而地球上空存在一個帶正電的電離層，這兩者之

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間便形成一個充好電的電容器，它們之間的電壓約為300KV左右，

并且場強為上正下負。當地面含水蒸氣的空氣受到熾熱的地面烘烤受

熱上升，或者較溫暖的潮濕空氣與冷空氣相遇而被墊高，都會產生向

上的氣流。這些含水蒸氣的氣流在上升時溫度逐漸下降，形成雨滴、

冰雹，就稱為水成物，這些水成物在地球靜電場的作用下被極化，極

化后負電荷在上，正電荷在下，它們在重力作用下落下的速度比云滴

和冰晶（這二者稱為云粒子）要大，因此極化水成物在下落過程中要

與云粒子發生碰撞。碰撞的結果是其中一部分云粒子被水成物所“捕

獲”，這樣就增大了水成物的體積，另一部分未被“捕獲”的被反彈回

去。而反彈回去的云粒子帶走水成物前端的部分正電荷，使水成物帶

上負電荷。由于水成物下降的速度快，而云粒子下降的速度慢，因此

帶正、負兩種電荷的微粒逐漸分離（這叫重力分離作用）。如果遇到

上升氣流，云粒子不斷上升，分離的作用更加明顯。最后形成帶正電

的云粒子在云的上部，而帶負電的水成物在云的下部，或者帶負電的

水成物以雨或雹的形式下降到地面。

當帶電云層一經形成，就形成雷云空間電場，空間電場的方向和

地面與電離層之間的電場方向是一致的，都是上正下負，因而加強了

大氣的電場強度，使大氣中水成物的極化更厲害，在上升氣流存在的

情況下，更加劇重力分離作用，使雷云發展得更快。看到上面的分析，

好像雷云總是上層帶正電荷，下層帶負電荷。實際上氣流并不單是只

有上下移動，而比這種運動更為復雜。因此雷云電荷的分布也比上面

講的要復雜得多。根據科學工作者的大量直接觀測記錄，可以確定，

當大地遭受雷擊時，多數是負電荷從雷云向大地放電，少數是雷云上

的正電荷向大地放電；在一塊雷云發生的多次雷擊中，最后一次雷擊

往往是雷云上的正電荷向大地放電。觀測證明，發生正電荷向大地放

電的雷擊顯得特別猛烈。

還有假說認為，降雨是驅使正負電荷分開的原因。為了驗證這一假說，

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美國一些科學家利用雷達來測試閃電之后降雨速度的變化情況。按道

理說，假如雨滴是逆電場力而降落，速度必然受阻，閃電之后，電場

強度減弱，降雨速度就應自然加快。然而，試驗的結果是，閃電前后

降雨的速度并沒有什么變化。這就意味著，降雨不是驅使正負電荷分

開的原因。

另外，廣州有位唐山樵先生對雷云的形成提出了如下的假說：雷電的

出現是與氣流、風速密切相關的，而且與地球磁場也有一定的聯系。

雷雨云內部的不停運動和相互磨擦而使雷雨云產生大量的正、負電荷

的小微粒，即所謂的摩擦生電。這樣，龐大的雷雨云就相當于一塊帶

有大量正、負電荷的云塊，而這些正、負電荷不斷地產生，同時也在

不斷地的復合，當這些云塊在水平方向向東或向西迅速移動時（最大

風速可達40m/s），它與地球磁場磁力線產生切割，這就好像導體切

割磁力線產生電流一樣，云中的正、負電荷將產生定向移動，其移動

的方向可按右手定則來判斷。若云塊是由西向東移動，而地磁場磁力

線則是由地球南極指向地球的北極，因此大量的正電荷向上移動，負

電荷向下移動，這樣云的下部將積聚越來越多的負電，而云的上部積

聚大量的正電，當電場強度達到足夠高（25～30KV/cm）時將引起雷

云間的強烈放電，或是雷云中的內部放電，或是雷云對地放電，即雷

電。

綜上所述，雷電的成因仍為摩擦生電及云塊切割磁力線，把不同

電荷進一步分離。由此可見，雷電的成因或者說主要能源來自于大氣

的運動，沒有這些運動，是不會有雷電的。這也說明了為什么雷電總

伴隨著狂風驟雨而出現。

1.2.2電離層與地面間的電荷平衡

上面說過，地球是一個表面帶負電荷的球體，并且它所帶的負電

荷量長期穩定在5×105C水平，而在地球上空的電離層上則帶有相等

的正電荷，使電離層與地面之間的電壓約300KV。因而在電離層與地

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面之間存在一個電場，晴天時在地面附件的電場強度為120V/m，在

電場的作用下產生電流，根據觀測和計算表明，該放電電流強度為大

約為1800A，如果長期如此，電離層與地面之間的電荷將很快放電完

畢。然而事實上，它們之間大致長期保持恒定的電量和電壓，這主要

由于雷暴的形成和雷擊作用，把正電荷從大地送回到電離層，起到對

電離的正電荷充電作用。根據衛星觀測資料及電學觀測資料估計，在

任何時刻，全球表面上連續發生著大約1000個雷暴，從而使電離層

與大地之間的電場保持平衡。

1.2.3尖端放電與雷擊

由物理學可知，通常物體內部的正電荷和負電荷是相等的，所以

整體不顯示帶電現象，當某一物體所具有的正、負電荷不相等時，這

個物體就顯示帶電的特性，當物體內部的正電荷多于負電荷，物體帶

正電，反之帶負電。由于電荷都有異性相吸、同性相斥的特性，所以

帶電物體中的同性電荷總是受到互相排斥的電場力作用。以帶尖鋒的

金屬球為例，假如金屬球帶上負電（同理也可以解釋帶上正電），由

于電荷同性相斥的作用，電子總是分布到金屬球的最外層表面，并且

有“逃離”金屬球表面的趨勢。球尖鋒部分的電子受到同性電荷往外排

斥力最強，故最容易被排斥離開金屬球，這就是通常說的“尖端放電”。

此外當帶電物體周圍的空氣越潮濕或帶有與帶電體相反電荷的離子

時，帶電體也越易放電。

當天空中有雷云的時候，因雷云帶有大量電荷，由于靜電感應作

用，雷云下方的地面和地面上的物體都帶上與雷云相反的電荷。雷云

與其下方的地面就成為一個已充電的電容器，當雷云與地面之間的電

壓高到一定的時候，地面上突出的物體會放電，同時，天空帶電的雷

云在電場的作用下，少數帶電的云粒（或水成物）也向地面靠攏，這

些少數帶電微粒的靠攏，叫做先驅注流，又叫電流先導。先驅注流的

延續將形成電離的微弱導通，這一階段稱為先驅放電。

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開始產生的先驅放電是不連續的，是一個一個脈沖的相繼向前發展，

發展的平均速度為105～106m/s，各脈沖間隔約30～90us，每階段推

進約50m。先驅放電常常表現為分枝狀，這是由于放電是沿著空氣

電離最強、最容易導電的路徑發展的。這些分枝狀的先驅放電通常只

有一條放電分支達到大地。當先驅放電到達大地，或與大地放電迎面

會合以后，就開始主放電階段，這就是雷擊。在主放電中雷云與大地

之間所聚集的大量電荷，通過先驅放電所開辟的狹小電離通道發生猛

烈的電荷中和，放出能量，以至發出強烈的閃光和震耳的轟鳴。在雷

擊中，雷擊點有巨大的電流流過。大多數雷電流峰值為幾十KA，也

有少數上百KA以至幾百KA的。雷電流峰值的大小與土壤電阻率的

大小成減函數關系，即土壤電阻率高，則雷電流峰值小；土壤電阻率

低，、則雷電流峰值大。雷電流大多數是重復的，通常一次雷電包括

3～4次放電。重復放電都是沿著第一次放電通路發展的。雷電之所

以重復發生，是由于雷云非常之大，它各部分密度不完全相同，導電

性能也不一樣，所以它所包含的電荷不能一次放完，第一次放電是由

雷云最低層發出的，隨后放電是從較高云層、或相鄰區發出的。

云層中的電場是通過電磁感應效應形成的。

根據電磁感應理論，在磁場中做切割磁力線運動的導體，將在導

體兩端產生感生電動勢。我們知道，地球本身就是一個天然大磁體，

地磁場的S極在地理北極附近，N極在地理南極附近。如果把含有大

量離子和帶電粒子的積雨云視為導體，那么當它東西方向飄移時，所

做的就是切割地磁場磁力線的運動，因而將在云層上下兩端極化出異

性電荷。

根據感生電動勢公式：E=BLVsinθ，云層上下兩端所形成的電場

強度與云冠高度和云朵的運動速度成正比。一般情況下，云層高度在

不小于3000～4000米時方能發生雷電，這相當于切割磁力線導體的

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長度。而積雨云的云冠高度往往在8000～12000米之間，所以雷電更

多地發生在積雨云中。經驗告訴我們，在雷雨天氣里，必伴有很強的

風勢，而風力的大小直接決定了云朵的運動速度，風勢越大，雷電的

放電強度就越高。云朵的運動方向與南北磁力線的夾角，也是決定雷

電強度的一個重要因素。當夾角為零時，亦即云朵南北方向運動時，

sinθ=0，意味著在云層中不會極化出異性電荷。當夾角為90°時，亦

即云朵由東向西運動時，sinθ=1，根據右手定則判斷，云層上端集結

的是正電荷，下端集結的是負電荷，屆時將發生最為激烈的大氣放電

現象。根據云層電荷的極化過程可知，雷電之能來源于風能。

略作計算表明，若云冠高度為10000米，云朵運動速度為50米/

秒，θ=90°，地磁場強度B=5×10-5特斯拉，那么，在云層上下兩端每

秒鐘集結的電荷就可以產生25伏特的電位差，400秒內所產生的感

生電位差就可以達到1萬伏特。如果考慮其他因素的影響，通常情況

下，積雨云只需10～20分鐘的時間，即可完成大氣放電所需要的電

荷積累，這一點與我們的日常經驗相符。

雷電，按云層的放電部位可將其分為以下四類：云內閃電、云際

閃電、聯珠狀閃電和云地閃電。

以一塊云層的上下兩端為基點，在一塊云體內部發生的大氣放電現象，

稱為云內閃電。這種閃電發生時，看上去呈帶狀閃光，它是由連續幾

次放電過程所組成。

雷電若是發生在上下兩塊云層之間，則被稱為云際閃電，這種閃

電發生的前提條件是兩塊云朵的運動方向相同。在電磁感應效應作用

下，處在上方的云朵的底端界面，與處在下方的云朵的頂端界面，兩

個部位所集結的電荷性質正好相反。當云層間距適當時，就會發生大

氣放電現象。這種閃電發出的光透過云層，就像樹干伸出許多樹枝一

樣，在空中快速曲折地行進，它是自然界中最常見的一種閃電。

云際間還發生一種閃電，發生這種閃電的云朵不同之處在于，兩

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塊云朵雖處在同一高度，但運動方向卻是相對的，基本是一塊云朵由

東向西運動，而另一塊云朵則是由西向東運動。根據電磁感應的右手

定則判斷，在兩塊云朵的同一界面，將分別極化出兩種性質不同的電

荷。即由東向西運動的云朵，頂端界面集結的是正電荷，底端界面集

結的是負電荷；而由西向東運動的云朵，頂端界面集結的則是負電荷，

底端界面集結的是正電荷。當這兩塊積雨云在空中平行相遇時，同一

界面間的異性電荷就會相互吸引，在云際邊緣發生多點大氣發電現象，

這就是所謂的聯珠狀閃電。曾有人看到過這種閃電，一連串球狀閃光

就像一長串佛珠，掛在以云幕為背景的天際，景象甚為壯觀。由于形

成這種閃電條件特殊，需要兩股對流的空氣以相反的風向推動云朵運

動，所以聯珠狀閃電在自然界中極為罕見。