闪电与电晕现象

富兰克林著名的研究是利用风筝揭示这种自然现象的本质，并据此设计了世界上第一根避雷针。闪电时，由于云层与地面间的高电位差，导致在大气中产生电火花，其结果是高电场使电子加速到很高的速度，以至于有更多的自由电子与空气分子碰撞，从而激发电子的雪崩过程，使空气离子化并产生很大的电流。

富兰克林指出，闪电的根源是放电，源于云层内电荷的分离，但对于导致云层内电荷分离的原因目前尚无定论，需要进一步的研究。富兰克林如此解释闪电现象:地面和云层可视为两块平行板，组成巨大的电容器;如果空气中的电场足够高，则电子就可以获得足够的能量，通过分子的彼此碰撞使空气电离，从而在云层和地面间建立起导电路径由于闪电现象由云层的放电引发，因而闪电遵循空气电离建立的导电路径。

电晕(Corona）可视为失效的闪电，即不完全的闪电过程。一般来说，如果在导线和导电表面之间存在高电压差，则容易产生电晕现象。导线附近的空气将被击穿而电离（离子化)，因为作用于这种区域的电场特别强;在远离导线的地方，由于电荷载体不能移动得足够快，以至于空气无法电离或离子化。在静电照相技术及类似的应用领域，电晕可以用作离子源。

关于电晕一词有许多定义，韦伯斯特词典将电晕定义为高电压作用下邻近导电体表面的微弱电荷流动，这种电荷的流动源于电击穿导致的周围空气的电离。显然，这种解释更容易令人产生与静电照相充电过程的联想，正因为电荷的流动，才会使光导体表面建立均匀分布的电荷层。

英文的Corona一词可能出现在许多不同的场合，天文学、电学、建筑、植物学和解剖学都有使用Corona这一单词的例子，具体含义可能有很大的差异。对应于天文学上的电晕现象通常有两种含义，其一指出现在天体周围、带有朦胧颜色和不规则包络的光环，如图3–1所示那样,地面上的人通过薄雾或薄薄的云层可以看见这种天文现象，尤其是出现在月亮或太阳周围的光环。电晕的产生源于光的衍射，光线来自大气层物质的悬浮状颗粒。天文学中的Corona有时也称为Aureole，两者的含义并无区别。此外，天文学意义上的电晕现象也指太阳色球，即太阳的外层气体由于高度的离子化而形成的不规则包络，这种不规则的包络会发出亮光。

电学上Corona的本义指电晕放电现象，如果电极处于高电场的作用下，且周围环境条件合适，则该电极会发出的微弱的光，形成类似于出现在天体周围的光晕效果。在电极发生电晕现象的同时，还常常伴随有从高电场电极到低电场电极的电子流。

电晕现象的工程意义

电晕现象指带电体表面在气体介质中局部放电的物理现象，带电体处于液体介质中时同样如此，两者局部放电的原理相同。需要带电体表面在空气中的放电效应，通常发生在不均匀分布的电场环境下电场强度很高的区域内，例如高压导线的周围区域和带电体尖端的附近区域。电学意义上的电晕现象具有自身的特点，归结为出现与日晕相似的光层，发出嗤嗤的声音，产生臭氧和氧化氮等物质。

对处在均匀电场中的物质，由于所有位置的电场强度都是相同的，因而对电场中的物质施加稳态电压，例如直流或工频交流，且电场中的物质有可能组成电极对时，只要电场强度达到空气的击穿强度，则电极对组成的气隙就会被击穿。但问题在于，一般场合很难见到均匀电场，出现略为不均匀电场的机会却相当多，比如球体与球体形成的间隙，圆柱体与圆柱体组成的间隙，圆柱体与平板组成的间隙，球体和平板形成的间隙等。以球体与球体形成的间隙为例，当间隙距离小于1/4球体直径时，就认为加到两个球体间隙上的稳态电压产生的电场可近似处理为均匀电场;若两球间隙距离在球体直径的1/4到1/2之间，这种情况下形成的电场不再能近似处理为均匀电场了，应认为是略为不均匀的电场。

不均匀电场与均匀电场的主要区别在于空气间隙内各点的电场强度不均匀，例如在电力线比较集中的电极附近电场强度最大，电力线疏的地方电场强度很小，如棒状物体与棒状物体构成的间隙属于对称的不均匀电场，由于在电极的尖端处电力线最集中，电场强度也最大。如果在这种对称形式的不均匀电场条件下加上高电压，就会在电极附近产生空气的局部放电，这就是电晕现象;电压进一步加高时，电晕放电效应将更加强烈，致使间隙内发生刷状放电，此后就击穿了(电弧放电)。

对于由棒状物体和平板组成的间隙，在尖电极附近电场强度最大，虽然加上高压后电极附近先产生电晕放电，但由于平板上的电力线很疏，因而不会发生电晕现象。当电压足够高时，棒状物体电极也将产生刷状的火花放电，最后导致电弧放电并击穿。电晕现象大多发生在导体壳曲率半径小的位置，因为这些位置（特别是尖端）的电荷密度很大。而在紧邻带电表面处，电场强度与电荷密度成正比，且由于电场强度和电荷密度都可能达到极大的数值，故在导体的尖端处场强很高。由此可见，当空气周围的导体电势升高时，这些尖端之处具备产生电晕现象的条件。

空气一般被视为绝缘体，但空气中含有少数由宇宙线照射而产生的离子，带正电的导体会吸引周围空气中的负离子而自行慢慢地中和。若带电导体有尖端，该处附近空气中的电场强度可变得很高。当离子被吸向导体时将获得很大的加速度，如果这些离子有条件与空气碰撞，则会产生大量的离子，使空气变得极易导电而非绝缘体了，同时借电晕放电而加速导体放电。因空气分子在碰撞时会发光，故电晕时在导体尖端处能看到亮光。

电晕引起电能的损耗，并对通信和广播传输信号产生干扰作用。例如，雷雨时物体尖端也会产生电晕现象，避雷针即利用了电晕放电中和带电的云层而防止雷击。

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