閃電幾乎人人都見過,但真是極少有人會(huì)想:那些擊中了地球的電最后到底去了哪里。
今天我就來為你分析分析。
(擊中大地的閃電)
先說說電是怎么來的
學(xué)過初中物理的朋友都知道摩擦?xí)a(chǎn)生電,也做過拿塑料尺子在頭發(fā)上擦幾下然后去吸小紙片的試驗(yàn)。
原理很簡(jiǎn)單,兩個(gè)不同的物體,當(dāng)它們相互摩擦的時(shí)候,一個(gè)物體會(huì)從另一個(gè)物體表面奪走電子,因?yàn)殡娮訋ж?fù)電,于是搶了電子的一方就帶了負(fù)電,失去電子的一方就帶了正電荷。無論是得到電子還是失去電子的一方都會(huì)產(chǎn)生電場(chǎng),這種電場(chǎng)會(huì)極化那些原本不帶電的物體使其帶電并吸引它們;接地時(shí)就會(huì)發(fā)生放電的現(xiàn)象。如果說吸紙片的試驗(yàn)咱們體會(huì)不出電荷得失的厲害,那么當(dāng)你冬天穿脫毛衣時(shí)就會(huì)有更深的體驗(yàn)了:毛衣不僅會(huì)發(fā)出啪啪的聲音,還會(huì)吸起你的頭發(fā)、電得你皮膚疼,更有甚者,如果你晚上關(guān)了燈還能看到毛衣發(fā)出的藍(lán)色電光。

(塑料尺子吸紙片試驗(yàn))
當(dāng)然,這點(diǎn)電光跟大自然的閃電比起來完全不值一提。
閃電通常是云層之間或云層與大地之間的劇烈脈沖式放電現(xiàn)象。
閃電的發(fā)生與大氣中對(duì)流云團(tuán)的堆積有關(guān),當(dāng)天上有大量對(duì)流云團(tuán),云層中的水氣分子、高空中的冰晶之間會(huì)因?yàn)樵茖拥膭×疫\(yùn)動(dòng)而相互碰撞摩擦,這種摩擦與塑料尺摩擦頭發(fā)一樣,它會(huì)使彼此都帶上電。失去電子的云帶正電荷,因?yàn)楸容^輕,它們會(huì)運(yùn)動(dòng)到云層上方;而另一些得到電子的云帶負(fù)電荷,它會(huì)則沉到云層的下方。云層下方帶負(fù)電荷的云因?yàn)閺?qiáng)大的電場(chǎng)作用,它不僅會(huì)吸引上方帶正電荷的云層,同時(shí)也會(huì)隔著空氣使地面的一些東西帶上正電荷。

(對(duì)流云團(tuán)的相互摩擦使云層帶電,同時(shí)感應(yīng)地面物體帶電)
從上圖電荷分布情況我們可以看出,閃電有一部分發(fā)生在云團(tuán)中不同電場(chǎng)的云層之間,而擊中地面的閃電則是云層底部與地面感應(yīng)電場(chǎng)的電流流動(dòng)。你可以把上方的云層想象成頭發(fā)、中間云層是塑料尺,而地面的物體則是被感應(yīng)帶電的紙屑。
當(dāng)云層中電荷越聚越多,其電場(chǎng)強(qiáng)度也越來越大,受云層電場(chǎng)感應(yīng),地面物體的感應(yīng)電場(chǎng)強(qiáng)度也越來越大。由于空氣不是電的良導(dǎo)體,地面正電荷會(huì)向山頂、樹木的尖端、房屋的頂部聚集;云中的負(fù)電荷也在不斷向下找通路。隨著電場(chǎng)強(qiáng)度從幾KV/cm上升到10KV/cm,電流就足以電離空氣,建立起地面與云層間的閃電通道。
電荷的流向
我們通常看到閃電,都會(huì)認(rèn)為是空中的電流灌入了大地,其實(shí)并不總是如此。有許多閃電在云層內(nèi)部發(fā)生,而在云層與地面間的閃電電流也常常是雙向的。
(云中的閃電)
閃電有正閃電與負(fù)閃電之分。正閃電是云中的正電荷對(duì)地面的放電,這時(shí)候電流從云流向地面,正閃電很猛烈,電流幅值通常在100KA以上。但大多數(shù)的閃電是負(fù)閃電,它與正閃電相反,電流是從地面向云層放電,負(fù)閃電沒有正閃電猛烈,電流幅值大約是正閃電的20%-50%。
擊中地球的電流都去哪了?
閃電放電的能量通常有這么幾個(gè)途徑:
一、熱能。
閃電會(huì)迅速加熱周圍的空氣,使其溫度上升到30000℃以上;如果閃電擊中樹木,它會(huì)很輕易地點(diǎn)燃大樹并造成森林火災(zāi);而如果閃電擊中地面,極高的溫度會(huì)使沙子熔融,變成閃電熔巖。

(一塊小的閃電熔巖,高溫熔融了硅砂,使其呈現(xiàn)多孔的玻璃質(zhì)地)
閃電迅速加熱空氣會(huì)造成沿路的空氣急劇膨脹,產(chǎn)生強(qiáng)烈的沖擊波,這就是雷聲。
二、化學(xué)能。
閃電強(qiáng)大的電流會(huì)電離空氣中的氮?dú)夂脱鯕猓徊糠盅鯕鈺?huì)變成臭氧;還有一部分氧氣會(huì)與氮?dú)獍l(fā)生化學(xué)反應(yīng),生成一氧化氮,這種氮氧化物被雨水帶到地面,會(huì)成為植物的重要廢料。
三、直入地下。
大部分閃電的電能都泄入地球內(nèi)部了。
地球本身就是個(gè)大電容。在前面閃電生成的部分我們已經(jīng)提到,云層與地面間的閃電是因?yàn)槎咧g的感應(yīng)電場(chǎng)造成的電流流動(dòng),所以當(dāng)閃電發(fā)生時(shí),云層電荷的釋放會(huì)伴隨電場(chǎng)的削弱。
地球是一個(gè)電阻非常低、電容量非常大的物體,它擁有吸收無限電荷的能力,而且在吸收大量電荷后仍能保持電位不變,因此“接地”電位被作為電氣系統(tǒng)中的參考電位體。

(向上噴射的閃電)
地面與大氣電容
地球表面與大氣之間存在電勢(shì)差,這個(gè)地面電勢(shì)大約為30萬伏特,我們已知地球表面帶著55萬庫(kù)倫的負(fù)電荷,同樣地,地球表面大氣中也帶有55萬庫(kù)倫的正電荷。
由公式 C=Q/U,
我們可以得出地球表面與大氣間總的電容值約為1.7F。
(應(yīng)該有朋友注意到我沒有使用那個(gè)“孤立球?qū)w計(jì)算公式”來計(jì)算地球電容708uF。因?yàn)樵诖颂幬覀冇?jì)算的是地球表面與大氣間的電容值,不是地球球體的電容。)
當(dāng)某個(gè)地區(qū)發(fā)生雷雨,地表與大氣之間因?yàn)榭諝獬睗駮?huì)中和地表與大氣之間的電荷,削弱地表與大氣之間的電勢(shì)差。在這個(gè)時(shí)候,閃電實(shí)際上充當(dāng)了一種反向充電機(jī)制,以此維持地表與大氣之間總電勢(shì)的相對(duì)平衡。

(閃電是地球維持電勢(shì)平衡的反向充電機(jī)制)