地球上每年有那么多闪电,电能都去哪里了?
闪电几乎人人都见过,但真是极少有人会想:那些击中了地球的电最后到底去了哪里。
今天我就来为你分析分析。
(击中大地的闪电)
先说说电是怎么来的
学过初中物理的朋友都知道摩擦会产生电,也做过拿塑料尺子在头发上擦几下然后去吸小纸片的试验。
原理很简单,两个不同的物体,当它们相互摩擦的时候,一个物体会从另一个物体表面夺走电子,因为电子带负电,于是抢了电子的一方就带了负电,失去电子的一方就带了正电荷。无论是得到电子还是失去电子的一方都会产生电场,这种电场会极化那些原本不带电的物体使其带电并吸引它们;接地时就会发生放电的现象。如果说吸纸片的试验咱们体会不出电荷得失的厉害,那么当你冬天穿脱毛衣时就会有更深的体验了:毛衣不仅会发出啪啪的声音,还会吸起你的头发、电得你皮肤疼,更有甚者,如果你晚上关了灯还能看到毛衣发出的蓝色电光。
(塑料尺子吸纸片试验)
当然,这点电光跟大自然的闪电比起来完全不值一提。
闪电通常是云层之间或云层与大地之间的剧烈脉冲式放电现象。
闪电的发生与大气中对流云团的堆积有关,当天上有大量对流云团,云层中的水气分子、高空中的冰晶之间会因为云层的剧烈运动而相互碰撞摩擦,这种摩擦与塑料尺摩擦头发一样,它会使彼此都带上电。失去电子的云带正电荷,因为比较轻,它们会运动到云层上方;而另一些得到电子的云带负电荷,它会则沉到云层的下方。云层下方带负电荷的云因为强大的电场作用,它不仅会吸引上方带正电荷的云层,同时也会隔着空气使地面的一些东西带上正电荷。
(对流云团的相互摩擦使云层带电,同时感应地面物体带电)
从上图电荷分布情况我们可以看出,闪电有一部分发生在云团中不同电场的云层之间,而击中地面的闪电则是云层底部与地面感应电场的电流流动。你可以把上方的云层想象成头发、中间云层是塑料尺,而地面的物体则是被感应带电的纸屑。
当云层中电荷越聚越多,其电场强度也越来越大,受云层电场感应,地面物体的感应电场强度也越来越大。由于空气不是电的良导体,地面正电荷会向山顶、树木的尖端、房屋的顶部聚集;云中的负电荷也在不断向下找通路。随着电场强度从几KV/cm上升到10KV/cm,电流就足以电离空气,建立起地面与云层间的闪电通道。
电荷的流向
我们通常看到闪电,都会认为是空中的电流灌入了大地,其实并不总是如此。有许多闪电在云层内部发生,而在云层与地面间的闪电电流也常常是双向的。
(云中的闪电)
闪电有正闪电与负闪电之分。正闪电是云中的正电荷对地面的放电,这时候电流从云流向地面,正闪电很猛烈,电流幅值通常在100KA以上。但大多数的闪电是负闪电,它与正闪电相反,电流是从地面向云层放电,负闪电没有正闪电猛烈,电流幅值大约是正闪电的20%-50%。
击中地球的电流都去哪了?
闪电放电的能量通常有这么几个途径:
一、热能。
闪电会迅速加热周围的空气,使其温度上升到30000℃以上;如果闪电击中树木,它会很轻易地点燃大树并造成森林火灾;而如果闪电击中地面,极高的温度会使沙子熔融,变成闪电熔岩。
(一块小的闪电熔岩,高温熔融了硅砂,使其呈现多孔的玻璃质地)
闪电迅速加热空气会造成沿路的空气急剧膨胀,产生强烈的冲击波,这就是雷声。
二、化学能。
闪电强大的电流会电离空气中的氮气和氧气,一部分氧气会变成臭氧;还有一部分氧气会与氮气发生化学反应,生成一氧化氮,这种氮氧化物被雨水带到地面,会成为植物的重要废料。
三、直入地下。
大部分闪电的电能都泄入地球内部了。
地球本身就是个大电容。在前面闪电生成的部分我们已经提到,云层与地面间的闪电是因为二者之间的感应电场造成的电流流动,所以当闪电发生时,云层电荷的释放会伴随电场的削弱。
地球是一个电阻非常低、电容量非常大的物体,它拥有吸收无限电荷的能力,而且在吸收大量电荷后仍能保持电位不变,因此“接地”电位被作为电气系统中的参考电位体。
(向上喷射的闪电)
地面与大气电容
地球表面与大气之间存在电势差,这个地面电势大约为30万伏特,我们已知地球表面带着55万库伦的负电荷,同样地,地球表面大气中也带有55万库伦的正电荷。
由公式 C=Q/U,
我们可以得出地球表面与大气间总的电容值约为1.7F。
(应该有朋友注意到我没有使用那个“孤立球导体计算公式”来计算地球电容708uF。因为在此处我们计算的是地球表面与大气间的电容值,不是地球球体的电容。)
当某个地区发生雷雨,地表与大气之间因为空气潮湿会中和地表与大气之间的电荷,削弱地表与大气之间的电势差。在这个时候,闪电实际上充当了一种反向充电机制,以此维持地表与大气之间总电势的相对平衡。
(闪电是地球维持电势平衡的反向充电机制)
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