“歪打正著”的避雷針

陶詩秀

2020年的氣候比較反常，世界多地頻繁遭遇雷擊。尤其是美國的加利福尼亞洲，創(chuàng)造了72小時內(nèi)發(fā)生了11000次雷擊的紀錄。強烈的雷擊引發(fā)山火，加州州長宣布加州進入緊急狀態(tài)。雷電的危害如此巨大，人們不得不發(fā)明避雷針來避免其危害。但長久以來，人們關(guān)于避雷針的看法卻截然不同。

多閃的世界

世界上幾乎無時無刻不在發(fā)生雷電現(xiàn)象。有數(shù)據(jù)顯示，全球同一時刻幾乎發(fā)生著2000次左右的雷暴雨。我們都知道，雷電的威力是巨大的。根據(jù)科學家的研究，閃電內(nèi)部的溫度高達28000℃，大約為太陽表面溫度的5倍。

頻繁的閃電如果發(fā)生于云地之間，有時會形成“落雷”，其對動植物和建筑物會造成一定危害：1977年7月13日，紐約市變電站遭雷電襲擊，引起全市斷電。1982年，美國死于落雷的有77人，受傷者174人。此外，雷電還會引發(fā)火災，給人們帶來巨大的損失。

雷電如此頻繁，對世界的破壞又如此巨大，人們急需有效的避雷工具。避雷針應運而生。

避雷實是招雷

避雷針是使建筑物免遭雷擊的一種設備。1750年，富蘭克林發(fā)現(xiàn)了尖端放電現(xiàn)象：球形導體上積累的大量電荷，會通過近旁的鐵針，無聲無息地溜掉。他據(jù)此發(fā)明了避雷針。

富蘭克林發(fā)明的避雷針是接地的尖鐵棒。在暖濕空氣上升跟冷空氣混合、形成并積累大量帶電云層的過程中，大量電荷產(chǎn)生了強大的電場，并以梯級電壓的形式朝下放電。這時，避雷針頂端因感應而產(chǎn)生的電荷也開始放電。上下相接，大量電荷被泄去，其通道就是接地的避雷針。由此，我們不難發(fā)現(xiàn)，避雷實是招雷。

英美避雷針之爭

根據(jù)尖端放電的原理，尖形避雷針可以把帶電云層從地面形成、積累起來的電荷泄放出去，使建筑物免遭雷擊。因此，富蘭克林認為避雷針應該做成尖的，而且越尖越好。由于他是當時電學界的無上權(quán)威，因此美國人一直沿用直立的尖頭避雷針。

和富蘭克林同時代的英國國王喬治三世對科學技術(shù)也很感興趣，但他并不認同富蘭克林對于避雷針尖頭的觀點。他認為，尖的避雷針會“招雷”，這種做法過于危險。因此，避雷針應該做成鈍的，他還讓人把宮廷建筑物的所有避雷針都做成鈍頭的。

一方是電學權(quán)威，另一方是一國之主，雙方互不相讓。于是，英美兩國的避雷針就這樣展開了長久的“對峙”。

“潔身自好”和“澤及毗鄰”

美國物理學家莫爾對避雷針的形狀進行了20年的實驗和研究：他讓氣球在暴風雨中升空，分別用帶尖頭和鈍頭金屬棒的小火箭觸發(fā)閃電。他發(fā)現(xiàn)，鈍頭金屬棒的“招雷”效果比尖頭的好。

他還發(fā)現(xiàn)，尖頭避雷針自身從不遭受雷擊;但是，處在以它為頂點的錐形保護傘內(nèi)的物體卻一而再再而三地受到落雷的襲擊。這就表明，尖頭避雷針只能做到“潔身自好”，而未能起到保護鄰近地區(qū)免遭雷擊的作用。鈍頭的避雷針就不同了。它雖遭“雷擊”，但因接地良好，不僅自身不受損害，還能以它為原點，有效地展開一頂錐形保護傘，使“傘下”的物體免遭落雷的傷害，可謂“澤及毗鄰”。

鈍頭避雷針的招雷效果為什么比尖頭的好？根據(jù)莫爾的實驗，尖頭金屬棒的電場固然比鈍頭的強得多，但只是在貼近放電端點的地方才是這樣的。只要再往上兩英寸（1英寸約為2.54厘米），鈍頭金屬棒的電場就要比尖頭的強1.5～2倍;再往上去，還要明顯。正因為這樣，鈍頭避雷針更有利于形成閃電的通道，從而避免近旁物體遭受雷擊。

那么，避雷針應該鈍到什么程度呢？莫爾的結(jié)論是，直徑一英寸就已經(jīng)廠了。不過，他說：“我寧愿把它的端頭做成球形。”這就是我們今天看到的避雷針。