[第6集] 高压击穿和闪电—MIT电和磁

根据网易公开课之MIT电和磁视频所做的笔记—[第6集] 高压击穿和闪电。

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  视频地址：http://v.163.com/special/opencourse/electricity.html

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这节课的内容：

电荷密度的计算

击穿的原理

闪电的原理

 

引例：

因为A、B间距离足够远，所以A、B电势相互没有影响；因为A、B通过导线相连，A、B电势相等。

如果B的半径是A的5倍，则B所带电量是A的5倍；但是因为B半径增大，表面积会是A的25倍，这样，B表明的电荷密度将变成A的1/5.

导体表面附近的电场强度

知道了导体表面局部的电荷密度，可以求得导体表面附近的电场强度。

铁锅实验：通过电场强度的大小不同，间接证明表面局部的电荷密度不同。

 

击穿的原理：

在电场中的电子，如果经电场加速动能足够大，电子和空气中氮气、氧气分子碰撞时，会使分子电离，这样一个电子就变成了两个电子，两个电子继续加速，就会继续电离，产生雪崩，这个雪崩就是一次电击穿，当这些离子变回中性的时候，在空气中产生火花。火花通常发生在尖锐的点上，因为那里的曲率非常高（半径很小），电场强度很高。

击穿电压的单位是伏特每米，V/m，空气中，一个大气压下击穿大概需要300万V。因此，距离很小时，可以很容易达到这个击穿电压。

电压并不是致死的主要因素，电死的主要因素是电流（电量），电流要多大，电流要持续多长时间，作用在人体的哪个部位。

在空气中，范德格拉夫起电机的电压与球半径相关，由于击穿电场强度E=3MV/m，电压会与球半径成正比。但是由于球不能做到完美球形，由于尖端效应的存在，一般小于1MV的情况下已经在空气中击穿了。

同样可以计算起电机所带电量大约为10uC，此时电压30万伏。

 

闪电的原理

云的顶部带正电荷，底部带负电荷。

当闪电开始的时候，电子开始从云层向地面流动。它会形成一个烟囱，直径大约是1到10米，我们叫它先导闪电，先导闪电以每秒100英里的速度运动，在5ms的时间内就到达地面，并把约半库伦的电荷带到地面，意味着电流有100安培。先导闪电制造了一个电离气体的通道，充满离子和电子，是极好的导体。随后电子可以非常迅速的通过这条通道流向地面，电流大概是1万到10万安培。它会加热空气，产生大量的光，离子中和产生压力，加热也可以产生压力，空气膨胀的时候，雷声就产生了。大部分的动作不是发生在先导闪电中，而是随后的过程，我们叫回返闪电，从大地到云层。回返闪电的速度大约是光速的百分之10到20（是先导闪电速度的100倍）.在回返闪电中，云和大地之间交换约5库伦的电荷，5库伦相对于云开始时的总的电量来说，是相当大的一部分。在回返闪电之后，大约20ms之后，整个过程重新开始，再次出现先导闪电，再次出现回返闪电，但是现在的先导闪电会完全沿着先前制造的路径，因为空气已经电离了。这个过程会重复5-10次。所以在我们看来单独的一条闪电柱，可能是云和大地之间10次的来回闪烁的过程。真正的闪电不是先导闪电，因它发的光很少（0.5库伦的电荷），真正的闪电是回返闪电（5库伦电荷）。10次回返闪电，中间可能间隔20-40ms，我们看起来只是一次闪光，完成这个过程可能只需0.1秒（人眼的视觉暂留就是0.1s）。在这样5到10次的回击中，云层和地面间交换的电荷总量可能有25-50库伦，这个过程降低了它们之间的电势差，电势差降低到一定程度，整个闪电过程就停止了。