避雷针的原理

避雷针的历史

古时候唐代《炙毂子》一书在记载了这样一件事：汉朝时柏梁殿遭到火灾，一位巫师建议，将一块鱼尾形状的铜瓦放在层顶上，就可以主防止雷电所引起的天火。屋顶上所设置的鱼尾开头的瓦饰，实际上兼作避雷之用，可认为是现代避雷针的雏形。而早在以前，中国已经有了避雷针，一般以龙头为装饰，龙嘴里有避雷针头。

法国旅行家卡勃里欧别·戴马甘兰1688年所著的《中国新事》一书中记有：中国屋脊两头，都有一个仰起的龙头，龙口吐出曲折的金属舌头，伸向天空，舌根连结一根细的铁丝，直通地下。这种奇妙的装置，在发生雷电的时刻就大显神通，若雷电击中了屋宇，电流就会从龙舌沿线睛行至地底，避免雷电击毁建筑物。这说明，中国古代建筑上的如雷装置，在大批量和结构上已和现代避雷针基本相似。

现代避雷针

现代避雷针是美国科学家富兰克林发明的。富兰克林认为闪电是一种放电现象。为了证明这一点，他在1752年7月的一个雷雨天，冒着被雷击的危险，将一个系着长长金属导线的风筝放飞进雷雨云中，在金属线末端拴了一串铜钥匙。当雷电发生时，富兰克林手接近钥匙，钥匙上迸出一串电火花。手上还有麻木感。幸亏这次传下来的闪电比较弱，富兰克林没有受伤。在成功地进行了捕捉雷电的风筝实验之后，富兰克林在研究闪电与人工摩擦产生的电的一致性时，他就从两者的类比中作出过这样的推测：既然人工产生的电能被尖端吸收，那么闪电也能被尖端吸收。他由此设计了风筝实验，而风筝实验的成功反过来又证实了他的推测。他由此设想，若能在高物上安置一种尖端装置，就有可能把雷电引入地下。富兰克林把这种避雷装置：把一根数米长的细铁棒固定在高大建筑物的顶端，在铁棒与建筑物之间用绝缘体隔开。然后用一根导线与铁棒底端连接。再将导线引入地下。富兰克林把这种避协装置称为避雷针。经过试用，果然能起避雷的作用。避雷针的发明是早期电学研究中的第一个有重大应用价值的技术成果。

图1避雷针的原理

避雷针的原理

一种保护建筑物和电力设备免遭直接雷击的装置。其作用是将雷电流引向自身，并使之安全泄入大地，从而使被保护物受到遮蔽。

避雷针由接闪器、接地引下线和接地体 3部分组成。接闪器通常采用直径为 15～20mm、长度为1～2m的圆钢或钢管，固定于支柱上端经接地引下线与接地体连接。

当雷云对地放电通道发展到临近地面时，由于避雷针尖端突出地面并有良好接地，在针尖附近的电场强度提高，聚积相反极性的电荷，引导放电向避雷针方向发展，最终击中避雷针，把雷击能量有效地引入大地。

图2避雷针的原理

避雷针具有一定的保护作用。保护范围的计算方法是由运行经验和实验室模型试验结果确定的。工程设计中常用的方法是认为保护半径是避雷针高度的函数。据中国的规范规定,单支避雷针的保护范围是一个锥体(见图)。高度为h 的避雷针, 其在地面上的保护半径r＝1.5h;在被保护物高度hx的水平面上，其保护半径rx为
　　　　　　　　　　　
当hx≥时 ，　 rx=(h-hx)P＝h0P
　　　　　　　　　　　
当hx＜ 时，　　rx=(1.5h-2hx)P
　　　　　　　　　　　
当h≤30m时，　　　　　 P＝1
　　　　　　　　　　　
当30≤h≤120m时，　　　
60年代以来，又提出了计算避雷针保护范围的击距法，认为保护范围还受雷电流大小的影响。但迄今为止，还没有一种为各国科学家和工程师公认的、计算保护范围的完善方法。