雷電防護系列教材·建筑防雷工程與設(shè)計

《雷電防護系列教材·建筑防雷工程與設(shè)計（第3版）》可以作為高等院校雷電防護及相關(guān)專業(yè)的教材，也可作為氣象臺站、通訊、建筑等各部門從事雷電研究、雷電防護工作人員的參考用書。

《建筑防雷工程與設(shè)計（第3版）》講述了雷電、防雷標準、接地、防雷器件等理論知識及實用技術(shù)，涵蓋了從防雷理論到建筑物防雷設(shè)計、施工的主要內(nèi)容。因考慮到各類讀者群的需要，在本教材的第一章對建筑與建筑構(gòu)造作了概述；第三章、第八章中綜述了防雷標準與防雷設(shè)計規(guī)范；附錄部分還提供了大量有關(guān)的技術(shù)參數(shù)和指標，便于隨時查閱參考。為便于讀者閱讀理解，《雷電防護系列教材·建筑防雷工程與設(shè)計（第3版）》配制了大量的圖解，圖文并茂地呈現(xiàn)給讀者，使傳達的信息更為明晰。

雷電是伴有閃電和雷鳴的一種雄偉壯觀而又有點令人生畏的放電現(xiàn)象。雷電一般產(chǎn)生于對流發(fā)展旺盛的積雨云中，因此常伴有強烈的陣風和暴雨，有時還伴有冰雹和龍卷風。積雨云頂部一般較高，可達20公里，云的上部常有冰晶。冰晶的凇附，水滴的破碎以及空氣對流等過程，使云中產(chǎn)生電荷。云中電荷的分布較復(fù)雜，但總體而言，云的上部以正電荷為主，下部以負電荷為主。因此，云的上、下部之間形成一個電位差。當電位差達到一定程度后，就會產(chǎn)生放電，這就是我們常見的閃電現(xiàn)象。閃電的的平均電流是3萬安培，最大電流可達30萬安培。閃電的電壓很高，約為1億至10億伏特。一個中等強度雷暴的功率可達一千萬瓦，相當于一座小型核電站的輸出功率。放電過程中，由于閃道中溫度驟增，使空氣體積急劇膨脹，從而產(chǎn)生沖擊波，導(dǎo)致強烈的雷鳴。 帶有電荷的雷云與地面的突起物接近時，它們之間就發(fā)生激烈的放電。在雷電放電地點會出現(xiàn)強烈的閃光和爆炸的轟鳴聲。這就是人們見到和聽到的閃電雷鳴。

雷云形成

產(chǎn)生雷電的條件是雷雨云中有積累并形成極性。科學家們對雷雨云的帶電機制及電荷有規(guī)律分布，進行了大量的觀測和試驗，積累了許多資料，并提出各種各樣的解釋，有些論點至今還有爭論。

1. 對流云初始階段的“離子流”假說。

大氣中存在這大量的正離子和負離子，在云中的雨滴上，電荷分布是不均勻的，最外邊的分子帶負電，里層的帶正電，內(nèi)層比外層的電勢差約高0.25V。為了平衡這個電勢差，水滴就必須優(yōu)先吸收大氣中的負離子，這就使水滴逐漸帶上了負電荷。當對流發(fā)展開始時，較輕的正離子逐漸的被上升的氣流帶到云的上部；而帶負電的云滴因為比較重，就留在了下部，造成了正負電荷的分離。

2. 冷云的電荷積累

當對流發(fā)展到一定階段，云體伸入0℃層以上的高度后，云中就有了過冷水滴、霰粒和冰晶等。這種由不同相態(tài)的水汽凝結(jié)物組成且溫度低于0℃的云，叫冷云。冷云的電荷形成和積累過程有如下幾種：

① 過冷水滴在霰粒上撞凍起電

在云層重有許多水滴在溫度低于0℃時也不會凍結(jié)，這種水滴叫過冷水滴。過冷水滴是不穩(wěn)定的，只要它們被輕輕地震動一下，就馬上凍結(jié)稱冰粒。當過冷水滴與霰粒碰撞時，會立即凍結(jié)，這叫撞凍。當發(fā)生撞凍時，過冷水滴外部立即凍成冰殼，但它的內(nèi)部仍暫時保持著液態(tài)，并且由于外部凍結(jié)放的潛熱傳到內(nèi)部，其內(nèi)部液態(tài)過冷水的溫度比外面的冰殼高。溫度的差異使得凍結(jié)的過冷水滴外部帶上正電，內(nèi)部帶上負電。當內(nèi)部也發(fā)生凍結(jié)時，云滴就膨脹分裂，外表皮破裂成許多帶正電的冰屑，隨氣流飛到云層上部，帶負電的凍滴核心部分則附在較重的霰粒上，使霰粒帶負電并留在云層的中下部。

② 冰晶與霰粒的摩擦碰撞起電

霰粒是由凍結(jié)水滴組成的，成白色或乳白色，結(jié)構(gòu)比較松脆。由于經(jīng)常有冷水滴與它撞凍并釋放潛熱，它的溫度一般比冰晶高。在冰晶中含有一定量的自由離子（OH-和H ），離子數(shù)隨溫度升高而增多。由于霰粒與冰晶接觸部分存在著溫度差，高溫端的自由離子必然要多于低溫端，因而離子必然從高溫端向低溫端遷移。離子遷移時，帶正電的氫離子速度較快，而帶負電的較重的氫氧根離子則較慢。因此，在一定時間內(nèi)就出現(xiàn)了冷端氫離子過剩的現(xiàn)象，造成了高溫端為負，低溫端為正的電極化。當冰晶與霰粒接觸后，又分離時，溫度較高的霰粒就帶上了負電，而溫度較低的冰晶就帶上了正電。在重力和上升氣流的作用下，較輕的帶正電的冰晶集中到云的上部，較重的帶負電的霰粒則停留在云層的下部，因而造成了冷云的上部帶正電而下部帶負電。

③ 水滴因含有稀薄鹽分而起電

出了上述冷云的兩種起電機制外，還有人提出了由于大氣中水滴含有稀薄鹽分而產(chǎn)生起電機制。當云滴凍結(jié)時，冰的晶格中可以容納負的氯離子，卻排斥正的鈉離子。因此，水滴凍結(jié)的部分帶負電，而未凍結(jié)的部分帶正電(水滴凍結(jié)時是從里向外進行的)。由于水滴凍結(jié)而成的霰粒在下落的過程中，摔掉表面還未來得及凍結(jié)的水分，形成許多帶正電的小云滴，而凍結(jié)的核心部分則帶負電。由于重力和氣流的分選作用，電正點的小滴被帶到云的上部，而帶負電的霰粒則停留在云的中、下部。

3. 暖云的電荷積累

在熱帶地區(qū)，有一些云整個云體都位于0℃以上區(qū)域。因而只含有水滴而沒有固態(tài)水粒子。這種云叫暖云或水云。暖云也會出現(xiàn)雷電現(xiàn)象。在中緯度地區(qū)的雷暴云，云體位于0℃等溫線一下的部分，就是云的暖區(qū)。在云的暖區(qū)里也有起電過程發(fā)生。

在雷雨云的發(fā)展過程中，上數(shù)機制在不同的發(fā)展階段分別起作用。但是，最主要的帶電機制還是由于水滴凍結(jié)造成的。大量觀測事實表明，只有當云頂呈現(xiàn)纖維狀，絲縷結(jié)構(gòu)時，云彩發(fā)展成為雷雨云。飛機觀測發(fā)現(xiàn)，雷雨云中存在以冰、雪晶和霰粒為主的大量云粒子，而且大量電荷的積累即雷雨云迅猛帶電機制，必須依靠霰粒生長過程的碰撞、撞凍和摩擦等才能發(fā)生。