唐代《炙轂子》一書(shū)記載了這樣一件事:漢朝時(shí)柏梁殿遭到火災(zāi),一位巫師建議,將一塊魚(yú)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(yú)尾開(kāi)頭的瓦飾,實(shí)際上兼作避雷之用,可認(rèn)為是現(xiàn)代避雷針的雛形。
法國(guó)旅行家卡勃里歐別?戴馬甘蘭1688年所著的《中國(guó)新事》一書(shū)中記有:中國(guó)屋脊兩頭,都有一個(gè)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(shí)刻就大顯神通,若雷電擊中了屋宇,電流就會(huì)從龍舌沿眼睛行至地底,避免雷電擊毀建筑物。這說(shuō)明,中國(guó)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(guó)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(diǎn),他在1752年7月的一個(gè)雷雨天,冒著被雷擊的危險(xiǎn),將一個(gè)系著長(zhǎng)長(zhǎng)金屬導(dǎo)線的風(fēng)箏放飛進(jìn)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(shí),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(lái)的閃電比較弱,富蘭克林沒(méi)有受傷。
在成功地進(jìn)行了捕捉雷電的風(fēng)箏實(shí)驗(yàn)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(shí),他就從兩者的類比中作出過(guò)這樣的推測(cè):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(jì)了風(fēng)箏實(shí)驗(yàn),而風(fēng)箏實(shí)驗(yàn)的成功反過(guò)來(lái)又證實(shí)了他的推測(cè)。
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(zhǎng)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(kāi)。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(guò)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(gè)有重大應(yīng)用價(jià)值的技術(shù)成果。
避雷針曾被教會(huì)視為不祥之物
避雷針在初發(fā)明與推廣應(yīng)用時(shí),教會(huì)曾把它視為不祥之物,說(shuō)是裝上了富蘭克林的這種東西,不但不能避雷,反而會(huì)引起上帝的震怒而遭到雷擊,但是,在費(fèi)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(wú)恙。
由于避雷針已在費(fèi)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(guó)后,法國(guó)皇家科學(xué)院院長(zhǎng)諾雷等人開(kāi)始反對(duì)使用避雷針,后來(lái)又認(rèn)為圓頭避雷針比富蘭克林的尖頭避雷針好。但法國(guó)人仍然選用富蘭克林的尖頭避雷針。據(jù)說(shuō)當(dāng)時(shí)的法國(guó)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(guó)后,英國(guó)人也曾廣泛采用了富蘭克林的尖頭避雷針。但美國(guó)獨(dú)立戰(zhàn)爭(zhēng)爆發(fā)后,富蘭克林的尖頭避雷針在英國(guó)人眼中似乎成了將要誕生的美國(guó)的象征。據(jù)說(shuō)英國(guó)當(dāng)時(shí)的國(guó)王喬治二世出于反對(duì)美國(guó)革命的盛怒,曾下令把英國(guó)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(guó)象征的尖頭避雷針勢(shì)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(dá)到頗大數(shù)量時(shí),它與附近的帶電云層或物體間產(chǎn)生很大的電勢(shì)差,形成很強(qiáng)的電場(chǎng),兩部分異性電荷突破周圍空氣的阻礙去中和,發(fā)生強(qiáng)烈放電,這時(shí)在電通過(guò)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(lái)的電是正電,此時(shí)地面上的凸出物(房屋、樹(shù)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(shí),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(shí),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(gè)電容器,由于它較尖,即這個(gè)電容器的兩極板正對(duì)面積很小,電容也就很小,也就是說(shuō)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(shí),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(duì)高層建筑構(gòu)成危險(xiǎn),保證了它的。