唐代《炙轂子》一書記載了這樣一件事:漢朝時柏梁殿遭到火災(zāi),一位巫師建議,將一塊魚尾形狀的銅瓦放在層頂上,就可以防止雷電所引起的天火。屋頂上所設(shè)置的魚尾開頭的瓦飾,實際上兼作避雷之用,可認(rèn)為是現(xiàn)代避雷針的雛形。
法國旅行家卡勃里歐別?戴馬甘蘭1688年所著的《中國新事》一書中記有:中國屋脊兩頭,都有一個仰起的,龍口吐出曲折的金屬舌頭,伸向天空,舌根連結(jié)一根細(xì)的鐵絲,直通地下。這種奇妙的裝置,在發(fā)生雷電的時刻就大顯神通,若雷電擊中了屋宇,電流就會從龍舌沿眼睛行至地底,避免雷電擊毀建筑物。這說明,中國古代建筑上的如雷裝置,在大批量和結(jié)構(gòu)上已和現(xiàn)代避雷針基本相似。
現(xiàn)代避雷針是富蘭克林發(fā)明的
現(xiàn)代避雷針是美國科學(xué)家富蘭克林發(fā)明的。富蘭克林認(rèn)為閃電是一種放電現(xiàn)象。為了證明這一點,他在1752年7月的一個雷雨天,冒著被雷擊的危險,將一個系著長長金屬導(dǎo)線的風(fēng)箏放飛進雷雨云中,在金屬線末端拴了一串銅鑰匙。當(dāng)雷電發(fā)生時,富蘭克林手接近鑰匙,鑰匙上迸出一串電火花。手上還有麻木感。幸虧這次傳下來的閃電比較弱,富蘭克林沒有受傷。
在成功地進行了捕捉雷電的風(fēng)箏實驗之后,富蘭克林在研究閃電與人工摩擦產(chǎn)生的電的一致性時,他就從兩者的類比中作出過這樣的推測:既然人工產(chǎn)生的電能被吸收,那么閃電也能被吸收。他由此設(shè)計了風(fēng)箏實驗,而風(fēng)箏實驗的成功反過來又證實了他的推測。
他由此設(shè)想,若能在高物上安置一種裝置,就有可能把雷電引入地下。把一根數(shù)米長的細(xì)鐵棒固定在高大建筑物的頂端,在鐵棒與建筑物之間用絕緣體隔開。然后用一根導(dǎo)線與鐵棒底端連接。再將導(dǎo)線引入地下。富蘭克林把這種避雷裝置稱為避雷針。經(jīng)過試用,果然能起避雷的作用。避雷針的發(fā)明是早期電學(xué)研究中的個有重大應(yīng)用價值的技術(shù)成果。
避雷針曾被教會視為不祥之物
避雷針在初發(fā)明與推廣應(yīng)用時,教會曾把它視為不祥之物,說是裝上了富蘭克林的這種東西,不但不能避雷,反而會引起上帝的震怒而遭到雷擊,但是,在費城等地,拒絕安置避雷針的一些高大教堂在大雷雨中相繼遭受雷擊。而比教堂更高的建筑物由于已裝上避雷針,在大雷雨中卻安然無恙。
由于避雷針已在費城等地初顯神威,它立即傳到北美各地,隨后又傳入歐洲。
避雷針傳入法國后,法國皇家科學(xué)院院長諾雷等人開始反對使用避雷針,后來又認(rèn)為圓頭避雷針比富蘭克林的尖頭避雷針好。但法國人仍然選用富蘭克林的尖頭避雷針。據(jù)說當(dāng)時的法國人把富蘭克林看作是蘇格拉底的化身。富蘭克林成了人們崇拜的偶像。他的肖像被人們珍藏在枕頭下面,而仿照避雷針式樣的尖頂帽成了1778年巴黎摩登的帽子。
避雷針傳入英國后,英國人也曾廣泛采用了富蘭克林的尖頭避雷針。但美國獨立戰(zhàn)爭爆發(fā)后,富蘭克林的尖頭避雷針在英國人眼中似乎成了將要誕生的美國的象征。據(jù)說英國當(dāng)時的國王喬治二世出于反對美國革命的盛怒,曾下令把英國全部后家建筑物上的避雷針的尖頭統(tǒng)統(tǒng)換成圓頭,以示與作為美國象征的尖頭避雷針勢不兩立,這真是避雷針應(yīng)用史上一件有趣的事情。
雷電現(xiàn)象的產(chǎn)生
雷電現(xiàn)象,就是空中云層積累的電荷達到頗大數(shù)量時,它與附近的帶電云層或物體間產(chǎn)生很大的電勢差,形成很強的電場,兩部分異性電荷突破周圍空氣的阻礙去中和,發(fā)生強烈放電,這時在電通過的路徑上發(fā)出聲和光,就是雷電。
雷電通常發(fā)生在不同的云塊之間,或云的下部與地面物之間。我們要避免的只是云和地或地上物之間的雷電。如果這塊云的上部帶正電,下部帶負(fù)電,則地面上感應(yīng)出來的電是正電,此時地面上的凸出物(房屋、樹或人體)就有可能與云中電荷發(fā)生放電現(xiàn)象,遭到雷擊的災(zāi)禍。
避雷針的工作原理
在雷雨天氣,高樓上空出現(xiàn)帶電云層時,避雷針和高樓頂部都被感應(yīng)上大量電荷。由于避雷針針頭是尖的,而靜電感應(yīng)時,導(dǎo)體總是聚集了多的電荷。
這樣,避雷針就聚集了大部分電荷.避雷針又與這些帶電云層形成了一個電容器,由于它較尖,即這個電容器的兩極板正對面積很小,電容也就很小,也就是說它所能容納的電荷很少,而它又聚集了大部分電荷。所以,當(dāng)云層上電荷較多時,避雷針與云層之間的空氣就很容易被擊穿,成為導(dǎo)體。這樣帶電云層與避雷針形成通路,而避雷針又是接地的。避雷針就可以把云層上的電荷導(dǎo)入大地,使其不對高層建筑構(gòu)成危險,保證了它的。