关于雷

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第一节雷电的形成机理

雷电是自然界中一种极为壮观的声、光、电现象，对人类的生产

和生活有着巨大的影响。那么，我们先从认识雷电谈起。

我国古籍中，有关雷电理论的记载十分丰富。例如东周时《庄子》

上记述：“阴阳分争故为电，阳阴交争故为雷，阴阳错行，天地大骇，

于是有雷、有霆。”这些学说与现代的雷电学说是如此相似，不过它

比现代雷电学说要早2000多年。在古籍中关于建筑工程中避雷的记

载也十分丰富。南北朝的孟奥《北征记》中有如下记述：“凌云台南

角一百步，有白石室，名避雷室。”又有盛弦之《荆州记》中记述：“湖

阳县春秋蓼国，樊重之邑了，重母畏雷，为立石室，以避之，悉之文

石为阶砌，至今犹存。”书中谈及的白石、文石，据分析应该属于绝

缘性能较好的石块。至于宋、元、明、清代的建筑物多用“雷公柱”（宋

代称枨杆）等措施以避雷。

在古籍中关于雷击事故的记述就更多了，例如在《续晋阳春秋》

上记述：“太元五年，霹雳含殿四柱，杀内侍二人。”《晋安帝记》上

记述：“义熙三年六月，震太庙鸱尾，彻壁柱，若有文字。”《晋中兴

书征祥说》上记述：“元兴三年，永安王皇后至住巴防，将设威仪入

宫，天大雷震，人马多死。”《沈括•梦溪笔谈》上记述：“内侍李舜

举家为暴所震，其堂之西屋雷火自窗间出，赫然出檐。人以为堂屋已

焚，皆出避之。及雷止，其舍宛然，墙壁窗纸皆默。有一木格，其中

杂贮诸器，其漆器银铝者，银悉容流在地，漆器不燃灼。有一宝刀，

极坚刚，就刀室中容为汁。而室亦俨然。人必谓：当先焚草木，然后

流金石，今乃金石皆烁而草木无一毁者，非人情所测。《齐书•五行志》：

“永元三年正月，豫章郡，天火烧三千余家。”

以上只是我国古籍关于雷电灾害中的点滴摘录，当然它与现代雷

电理论和防雷技术相比还有差距，但是从历史观点来看，我们的祖先

能够在那么早的年代里就创造出那样完整的雷电理论，并且在技术上

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得到应用，这是我们民族光辉灿烂文化历史的一页。

1.1雷电的特征

雷电现象是自然界中一种瞬间放电现象，同时伴随有雷声，具有

高电流、高电压、变化快、放电时间短、辐射强等特征。

1.1.1雷电具有很大的电流

根据统计资料表明，每次雷击闪电电流大小和波形有很大差别，

尤其是不同种类放电差别更大。雷电流在流通过程中是变化的，其在

几个微秒内达到最大值，约数十至数百千安，然后在几十微秒内衰减

下去。其大小与地理位置、地质条件、季节等因素都有关系。一般平

原地区比山地雷电流大，正闪电比负闪电能量大，第一闪击比随后闪

击电流大。

1.1.2雷电具有很高的电压

闪电电荷量是指一次闪电中正电荷与负电荷中和的数量。这个数

量直接反映一次闪电放出的能量，也就是一次闪电的破坏力。闪电电

荷的多少是由雷云带电荷情况决定的，与地理条件和气象情况有关，

也存在很大的随机性。大量观测数据表明，一次闪电放电电荷可从零

点几库仑到1000多库仑，这些电荷在微秒内瞬时放电，所以，云层

对大地之间的将电压高达几百万到几千万伏。

1.1.3雷电波的能量主要集中在低频范围

从雷电波频谱结构可以获悉雷电波电压、电流的能量在各频段的

分布，根据这些数据可以估算被保护系统在其频带范围内雷电冲击波

的幅度和能量大小，进而确定防雷措施；另一方面，可以根据它的频

谱特性来选择合适的传输线。根据雷电的标准波形，由计算可知，从

0～30MHz的电流峰值明显较大，并且峰值大致相同，30MHz以上的

电流峰值明显下降，频率越高，电流峰值越低。也就是说：雷电流主

要分布在低频部分，随频率升高而递减。在波尾相同时，波前越陡高

次谐波越丰富；在波前相同的情况下，波尾越长，低频部分越丰富。

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根据这些数据可以估算通信系统频带范围内雷电冲击的幅度和能量

大小，进而确定雷电防护措施。

1.1.4雷电活动规律

雷电活动从季节来讲以夏季最活跃，冬季最少，从地区分布来讲

是赤道附近最活跃，随纬度升高而减少，极地最少。

雷灾事故的历史资料统计和实验研究证明，雷击的地点以及遭受雷击

的部位是有一定规律，同一区域容易遭受雷击的地点和部位有：土壤

电阻率较小的地方，如有金属矿床的地区、河岸、地下水出口处、湖

沼、低洼地区和地下水位高的地方；山坡与稻田接壤处；具有不同电

阻率土壤的交界地段。易遭受雷击的建（构）筑物：高耸突出的建筑

物，如水塔、电视塔、高楼等；排出导电尘埃、废气热气柱的厂房、

管道等；内部有大量金属设备的厂房；地下水位高或有金属矿床等地

区的建（构）筑物；孤立、突出在旷野的建（构）筑物。同一建（构）

筑物易遭受雷击的部位：平屋面和坡度≤1/10的屋面，檐角、女儿墙

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（构）筑物屋面突出部位，

如烟囱、管道、广告牌等。

1.2雷电的形成机理

雷电是指一部分带电的云层与另一部分带异种电荷的云层，或者

是带电的云层对大地之间迅猛的放电。这种迅猛的放电时产生强烈的

闪电并伴随巨大的声音。那么，雷电具体的形成过程又是怎样的呢？

1.2.1雷云的形成

雷电的形成与带电的云层---雷云的存在分不开，有关雷云形成的

假说很多，但至今尚未有一种被公认为无懈可击的完整学说，这里我

们介绍其中被认为比较完善并经常被推荐的假说---威尔逊假说。根据

大量科学测试得知，地球本身是一个电容器，通常大约稳定的携带负

电荷50万C左右，而地球上空存在一个带正电的电离层，这两者之

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间便形成一个充好电的电容器，它们之间的电压约为300KV左右，

并且场强为上正下负。当地面含水蒸气的空气受到炽热的地面烘烤受

热上升，或者较温暖的潮湿空气与冷空气相遇而被垫高，都会产生向

上的气流。这些含水蒸气的气流在上升时温度逐渐下降，形成雨滴、

冰雹，就称为水成物，这些水成物在地球静电场的作用下被极化，极

化后负电荷在上，正电荷在下，它们在重力作用下落下的速度比云滴

和冰晶（这二者称为云粒子）要大，因此极化水成物在下落过程中要

与云粒子发生碰撞。碰撞的结果是其中一部分云粒子被水成物所“捕

获”，这样就增大了水成物的体积，另一部分未被“捕获”的被反弹回

去。而反弹回去的云粒子带走水成物前端的部分正电荷，使水成物带

上负电荷。由于水成物下降的速度快，而云粒子下降的速度慢，因此

带正、负两种电荷的微粒逐渐分离（这叫重力分离作用）。如果遇到

上升气流，云粒子不断上升，分离的作用更加明显。最后形成带正电

的云粒子在云的上部，而带负电的水成物在云的下部，或者带负电的

水成物以雨或雹的形式下降到地面。

当带电云层一经形成，就形成雷云空间电场，空间电场的方向和

地面与电离层之间的电场方向是一致的，都是上正下负，因而加强了

大气的电场强度，使大气中水成物的极化更厉害，在上升气流存在的

情况下，更加剧重力分离作用，使雷云发展得更快。看到上面的分析，

好像雷云总是上层带正电荷，下层带负电荷。实际上气流并不单是只

有上下移动，而比这种运动更为复杂。因此雷云电荷的分布也比上面

讲的要复杂得多。根据科学工作者的大量直接观测记录，可以确定，

当大地遭受雷击时，多数是负电荷从雷云向大地放电，少数是雷云上

的正电荷向大地放电；在一块雷云发生的多次雷击中，最后一次雷击

往往是雷云上的正电荷向大地放电。观测证明，发生正电荷向大地放

电的雷击显得特别猛烈。

还有假说认为，降雨是驱使正负电荷分开的原因。为了验证这一假说，

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美国一些科学家利用雷达来测试闪电之后降雨速度的变化情况。按道

理说，假如雨滴是逆电场力而降落，速度必然受阻，闪电之后，电场

强度减弱，降雨速度就应自然加快。然而，试验的结果是，闪电前后

降雨的速度并没有什么变化。这就意味着，降雨不是驱使正负电荷分

开的原因。

另外，广州有位唐山樵先生对雷云的形成提出了如下的假说：雷电的

出现是与气流、风速密切相关的，而且与地球磁场也有一定的联系。

雷雨云内部的不停运动和相互磨擦而使雷雨云产生大量的正、负电荷

的小微粒，即所谓的摩擦生电。这样，庞大的雷雨云就相当于一块带

有大量正、负电荷的云块，而这些正、负电荷不断地产生，同时也在

不断地的复合，当这些云块在水平方向向东或向西迅速移动时（最大

风速可达40m/s），它与地球磁场磁力线产生切割，这就好像导体切

割磁力线产生电流一样，云中的正、负电荷将产生定向移动，其移动

的方向可按右手定则来判断。若云块是由西向东移动，而地磁场磁力

线则是由地球南极指向地球的北极，因此大量的正电荷向上移动，负

电荷向下移动，这样云的下部将积聚越来越多的负电，而云的上部积

聚大量的正电，当电场强度达到足够高（25～30KV/cm）时将引起雷

云间的强烈放电，或是雷云中的内部放电，或是雷云对地放电，即雷

电。

综上所述，雷电的成因仍为摩擦生电及云块切割磁力线，把不同

电荷进一步分离。由此可见，雷电的成因或者说主要能源来自于大气

的运动，没有这些运动，是不会有雷电的。这也说明了为什么雷电总

伴随着狂风骤雨而出现。

1.2.2电离层与地面间的电荷平衡

上面说过，地球是一个表面带负电荷的球体，并且它所带的负电

荷量长期稳定在5×105C水平，而在地球上空的电离层上则带有相等

的正电荷，使电离层与地面之间的电压约300KV。因而在电离层与地

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面之间存在一个电场，晴天时在地面附件的电场强度为120V/m，在

电场的作用下产生电流，根据观测和计算表明，该放电电流强度为大

约为1800A，如果长期如此，电离层与地面之间的电荷将很快放电完

毕。然而事实上，它们之间大致长期保持恒定的电量和电压，这主要

由于雷暴的形成和雷击作用，把正电荷从大地送回到电离层，起到对

电离的正电荷充电作用。根据卫星观测资料及电学观测资料估计，在

任何时刻，全球表面上连续发生着大约1000个雷暴，从而使电离层

与大地之间的电场保持平衡。

1.2.3尖端放电与雷击

由物理学可知，通常物体内部的正电荷和负电荷是相等的，所以

整体不显示带电现象，当某一物体所具有的正、负电荷不相等时，这

个物体就显示带电的特性，当物体内部的正电荷多于负电荷，物体带

正电，反之带负电。由于电荷都有异性相吸、同性相斥的特性，所以

带电物体中的同性电荷总是受到互相排斥的电场力作用。以带尖锋的

金属球为例，假如金属球带上负电（同理也可以解释带上正电），由

于电荷同性相斥的作用，电子总是分布到金属球的最外层表面，并且

有“逃离”金属球表面的趋势。球尖锋部分的电子受到同性电荷往外排

斥力最强，故最容易被排斥离开金属球，这就是通常说的“尖端放电”。

此外当带电物体周围的空气越潮湿或带有与带电体相反电荷的离子

时，带电体也越易放电。

当天空中有雷云的时候，因雷云带有大量电荷，由于静电感应作

用，雷云下方的地面和地面上的物体都带上与雷云相反的电荷。雷云

与其下方的地面就成为一个已充电的电容器，当雷云与地面之间的电

压高到一定的时候，地面上突出的物体会放电，同时，天空带电的雷

云在电场的作用下，少数带电的云粒（或水成物）也向地面靠拢，这

些少数带电微粒的靠拢，叫做先驱注流，又叫电流先导。先驱注流的

延续将形成电离的微弱导通，这一阶段称为先驱放电。

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开始产生的先驱放电是不连续的，是一个一个脉冲的相继向前发展，

发展的平均速度为105～106m/s，各脉冲间隔约30～90us，每阶段推

进约50m。先驱放电常常表现为分枝状，这是由于放电是沿着空气

电离最强、最容易导电的路径发展的。这些分枝状的先驱放电通常只

有一条放电分支达到大地。当先驱放电到达大地，或与大地放电迎面

会合以后，就开始主放电阶段，这就是雷击。在主放电中雷云与大地

之间所聚集的大量电荷，通过先驱放电所开辟的狭小电离通道发生猛

烈的电荷中和，放出能量，以至发出强烈的闪光和震耳的轰鸣。在雷

击中，雷击点有巨大的电流流过。大多数雷电流峰值为几十KA，也

有少数上百KA以至几百KA的。雷电流峰值的大小与土壤电阻率的

大小成减函数关系，即土壤电阻率高，则雷电流峰值小；土壤电阻率

低，、则雷电流峰值大。雷电流大多数是重复的，通常一次雷电包括

3～4次放电。重复放电都是沿着第一次放电通路发展的。雷电之所

以重复发生，是由于雷云非常之大，它各部分密度不完全相同，导电

性能也不一样，所以它所包含的电荷不能一次放完，第一次放电是由

雷云最低层发出的，随后放电是从较高云层、或相邻区发出的。

云层中的电场是通过电磁感应效应形成的。

根据电磁感应理论，在磁场中做切割磁力线运动的导体，将在导

体两端产生感生电动势。我们知道，地球本身就是一个天然大磁体，

地磁场的S极在地理北极附近，N极在地理南极附近。如果把含有大

量离子和带电粒子的积雨云视为导体，那么当它东西方向飘移时，所

做的就是切割地磁场磁力线的运动，因而将在云层上下两端极化出异

性电荷。

根据感生电动势公式：E=BLVsinθ，云层上下两端所形成的电场

强度与云冠高度和云朵的运动速度成正比。一般情况下，云层高度在

不小于3000～4000米时方能发生雷电，这相当于切割磁力线导体的

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长度。而积雨云的云冠高度往往在8000～12000米之间，所以雷电更

多地发生在积雨云中。经验告诉我们，在雷雨天气里，必伴有很强的

风势，而风力的大小直接决定了云朵的运动速度，风势越大，雷电的

放电强度就越高。云朵的运动方向与南北磁力线的夹角，也是决定雷

电强度的一个重要因素。当夹角为零时，亦即云朵南北方向运动时，

sinθ=0，意味着在云层中不会极化出异性电荷。当夹角为90°时，亦

即云朵由东向西运动时，sinθ=1，根据右手定则判断，云层上端集结

的是正电荷，下端集结的是负电荷，届时将发生最为激烈的大气放电

现象。根据云层电荷的极化过程可知，雷电之能来源于风能。

略作计算表明，若云冠高度为10000米，云朵运动速度为50米/

秒，θ=90°，地磁场强度B=5×10-5特斯拉，那么，在云层上下两端每

秒钟集结的电荷就可以产生25伏特的电位差，400秒内所产生的感

生电位差就可以达到1万伏特。如果考虑其他因素的影响，通常情况

下，积雨云只需10～20分钟的时间，即可完成大气放电所需要的电

荷积累，这一点与我们的日常经验相符。

雷电，按云层的放电部位可将其分为以下四类：云内闪电、云际

闪电、联珠状闪电和云地闪电。

以一块云层的上下两端为基点，在一块云体内部发生的大气放电现象，

称为云内闪电。这种闪电发生时，看上去呈带状闪光，它是由连续几

次放电过程所组成。

雷电若是发生在上下两块云层之间，则被称为云际闪电，这种闪

电发生的前提条件是两块云朵的运动方向相同。在电磁感应效应作用

下，处在上方的云朵的底端界面，与处在下方的云朵的顶端界面，两

个部位所集结的电荷性质正好相反。当云层间距适当时，就会发生大

气放电现象。这种闪电发出的光透过云层，就像树干伸出许多树枝一

样，在空中快速曲折地行进，它是自然界中最常见的一种闪电。

云际间还发生一种闪电，发生这种闪电的云朵不同之处在于，两

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块云朵虽处在同一高度，但运动方向却是相对的，基本是一块云朵由

东向西运动，而另一块云朵则是由西向东运动。根据电磁感应的右手

定则判断，在两块云朵的同一界面，将分别极化出两种性质不同的电

荷。即由东向西运动的云朵，顶端界面集结的是正电荷，底端界面集

结的是负电荷；而由西向东运动的云朵，顶端界面集结的则是负电荷，

底端界面集结的是正电荷。当这两块积雨云在空中平行相遇时，同一

界面间的异性电荷就会相互吸引，在云际边缘发生多点大气发电现象，

这就是所谓的联珠状闪电。曾有人看到过这种闪电，一连串球状闪光

就像一长串佛珠，挂在以云幕为背景的天际，景象甚为壮观。由于形

成这种闪电条件特殊，需要两股对流的空气以相反的风向推动云朵运

动，所以联珠状闪电在自然界中极为罕见。