閃電與電暈現(xiàn)象

富蘭克林著名的研究是利用風(fēng)箏揭示這種自然現(xiàn)象的本質(zhì)，并據(jù)此設(shè)計(jì)了世界上第一根避雷針。閃電時(shí)，由于云層與地面間的高電位差，導(dǎo)致在大氣中產(chǎn)生電火花，其結(jié)果是高電場(chǎng)使電子加速到很高的速度，以至于有更多的自由電子與空氣分子碰撞，從而激發(fā)電子的雪崩過程，使空氣離子化并產(chǎn)生很大的電流。

富蘭克林指出，閃電的根源是放電，源于云層內(nèi)電荷的分離，但對(duì)于導(dǎo)致云層內(nèi)電荷分離的原因目前尚無定論，需要進(jìn)一步的研究。富蘭克林如此解釋閃電現(xiàn)象:地面和云層可視為兩塊平行板，組成巨大的電容器;如果空氣中的電場(chǎng)足夠高，則電子就可以獲得足夠的能量，通過分子的彼此碰撞使空氣電離，從而在云層和地面間建立起導(dǎo)電路徑由于閃電現(xiàn)象由云層的放電引發(fā)，因而閃電遵循空氣電離建立的導(dǎo)電路徑。

電暈(Corona）可視為失效的閃電，即不完全的閃電過程。一般來說，如果在導(dǎo)線和導(dǎo)電表面之間存在高電壓差，則容易產(chǎn)生電暈現(xiàn)象。導(dǎo)線附近的空氣將被擊穿而電離（離子化)，因?yàn)樽饔糜谶@種區(qū)域的電場(chǎng)特別強(qiáng);在遠(yuǎn)離導(dǎo)線的地方，由于電荷載體不能移動(dòng)得足夠快，以至于空氣無法電離或離子化。在靜電照相技術(shù)及類似的應(yīng)用領(lǐng)域，電暈可以用作離子源。

關(guān)于電暈一詞有許多定義，韋伯斯特詞典將電暈定義為高電壓作用下鄰近導(dǎo)電體表面的微弱電荷流動(dòng)，這種電荷的流動(dòng)源于電擊穿導(dǎo)致的周圍空氣的電離。顯然，這種解釋更容易令人產(chǎn)生與靜電照相充電過程的聯(lián)想，正因?yàn)殡姾傻牧鲃?dòng)，才會(huì)使光導(dǎo)體表面建立均勻分布的電荷層。

英文的Corona一詞可能出現(xiàn)在許多不同的場(chǎng)合，天文學(xué)、電學(xué)、建筑、植物學(xué)和解剖學(xué)都有使用Corona這一單詞的例子，具體含義可能有很大的差異。對(duì)應(yīng)于天文學(xué)上的電暈現(xiàn)象通常有兩種含義，其一指出現(xiàn)在天體周圍、帶有朦朧顏色和不規(guī)則包絡(luò)的光環(huán)，如圖3–1所示那樣,地面上的人通過薄霧或薄薄的云層可以看見這種天文現(xiàn)象，尤其是出現(xiàn)在月亮或太陽周圍的光環(huán)。電暈的產(chǎn)生源于光的衍射，光線來自大氣層物質(zhì)的懸浮狀顆粒。天文學(xué)中的Corona有時(shí)也稱為Aureole，兩者的含義并無區(qū)別。此外，天文學(xué)意義上的電暈現(xiàn)象也指太陽色球，即太陽的外層氣體由于高度的離子化而形成的不規(guī)則包絡(luò)，這種不規(guī)則的包絡(luò)會(huì)發(fā)出亮光。

電學(xué)上Corona的本義指電暈放電現(xiàn)象，如果電極處于高電場(chǎng)的作用下，且周圍環(huán)境條件合適，則該電極會(huì)發(fā)出的微弱的光，形成類似于出現(xiàn)在天體周圍的光暈效果。在電極發(fā)生電暈現(xiàn)象的同時(shí)，還常常伴隨有從高電場(chǎng)電極到低電場(chǎng)電極的電子流。

電暈現(xiàn)象的工程意義

電暈現(xiàn)象指帶電體表面在氣體介質(zhì)中局部放電的物理現(xiàn)象，帶電體處于液體介質(zhì)中時(shí)同樣如此，兩者局部放電的原理相同。需要帶電體表面在空氣中的放電效應(yīng)，通常發(fā)生在不均勻分布的電場(chǎng)環(huán)境下電場(chǎng)強(qiáng)度很高的區(qū)域內(nèi)，例如高壓導(dǎo)線的周圍區(qū)域和帶電體尖端的附近區(qū)域。電學(xué)意義上的電暈現(xiàn)象具有自身的特點(diǎn)，歸結(jié)為出現(xiàn)與日暈相似的光層，發(fā)出嗤嗤的聲音，產(chǎn)生臭氧和氧化氮等物質(zhì)。

對(duì)處在均勻電場(chǎng)中的物質(zhì)，由于所有位置的電場(chǎng)強(qiáng)度都是相同的，因而對(duì)電場(chǎng)中的物質(zhì)施加穩(wěn)態(tài)電壓，例如直流或工頻交流，且電場(chǎng)中的物質(zhì)有可能組成電極對(duì)時(shí)，只要電場(chǎng)強(qiáng)度達(dá)到空氣的擊穿強(qiáng)度，則電極對(duì)組成的氣隙就會(huì)被擊穿。但問題在于，一般場(chǎng)合很難見到均勻電場(chǎng)，出現(xiàn)略為不均勻電場(chǎng)的機(jī)會(huì)卻相當(dāng)多，比如球體與球體形成的間隙，圓柱體與圓柱體組成的間隙，圓柱體與平板組成的間隙，球體和平板形成的間隙等。以球體與球體形成的間隙為例，當(dāng)間隙距離小于1/4球體直徑時(shí)，就認(rèn)為加到兩個(gè)球體間隙上的穩(wěn)態(tài)電壓產(chǎn)生的電場(chǎng)可近似處理為均勻電場(chǎng);若兩球間隙距離在球體直徑的1/4到1/2之間，這種情況下形成的電場(chǎng)不再能近似處理為均勻電場(chǎng)了，應(yīng)認(rèn)為是略為不均勻的電場(chǎng)。

不均勻電場(chǎng)與均勻電場(chǎng)的主要區(qū)別在于空氣間隙內(nèi)各點(diǎn)的電場(chǎng)強(qiáng)度不均勻，例如在電力線比較集中的電極附近電場(chǎng)強(qiáng)度最大，電力線疏的地方電場(chǎng)強(qiáng)度很小，如棒狀物體與棒狀物體構(gòu)成的間隙屬于對(duì)稱的不均勻電場(chǎng)，由于在電極的尖端處電力線最集中，電場(chǎng)強(qiáng)度也最大。如果在這種對(duì)稱形式的不均勻電場(chǎng)條件下加上高電壓，就會(huì)在電極附近產(chǎn)生空氣的局部放電，這就是電暈現(xiàn)象;電壓進(jìn)一步加高時(shí)，電暈放電效應(yīng)將更加強(qiáng)烈，致使間隙內(nèi)發(fā)生刷狀放電，此后就擊穿了(電弧放電)。

對(duì)于由棒狀物體和平板組成的間隙，在尖電極附近電場(chǎng)強(qiáng)度最大，雖然加上高壓后電極附近先產(chǎn)生電暈放電，但由于平板上的電力線很疏，因而不會(huì)發(fā)生電暈現(xiàn)象。當(dāng)電壓足夠高時(shí)，棒狀物體電極也將產(chǎn)生刷狀的火花放電，最后導(dǎo)致電弧放電并擊穿。電暈現(xiàn)象大多發(fā)生在導(dǎo)體殼曲率半徑小的位置，因?yàn)檫@些位置（特別是尖端）的電荷密度很大。而在緊鄰帶電表面處，電場(chǎng)強(qiáng)度與電荷密度成正比，且由于電場(chǎng)強(qiáng)度和電荷密度都可能達(dá)到極大的數(shù)值，故在導(dǎo)體的尖端處場(chǎng)強(qiáng)很高。由此可見，當(dāng)空氣周圍的導(dǎo)體電勢(shì)升高時(shí)，這些尖端之處具備產(chǎn)生電暈現(xiàn)象的條件。

空氣一般被視為絕緣體，但空氣中含有少數(shù)由宇宙線照射而產(chǎn)生的離子，帶正電的導(dǎo)體會(huì)吸引周圍空氣中的負(fù)離子而自行慢慢地中和。若帶電導(dǎo)體有尖端，該處附近空氣中的電場(chǎng)強(qiáng)度可變得很高。當(dāng)離子被吸向?qū)w時(shí)將獲得很大的加速度，如果這些離子有條件與空氣碰撞，則會(huì)產(chǎn)生大量的離子，使空氣變得極易導(dǎo)電而非絕緣體了，同時(shí)借電暈放電而加速導(dǎo)體放電。因空氣分子在碰撞時(shí)會(huì)發(fā)光，故電暈時(shí)在導(dǎo)體尖端處能看到亮光。

電暈引起電能的損耗，并對(duì)通信和廣播傳輸信號(hào)產(chǎn)生干擾作用。例如，雷雨時(shí)物體尖端也會(huì)產(chǎn)生電暈現(xiàn)象，避雷針即利用了電暈放電中和帶電的云層而防止雷擊。

標(biāo)簽：電暈 、