21世纪防雷科技的物理概念问题 清华大学物理系 虞昊

大胡子

21世纪防雷科技的物理概念问题

清华大学物理系 虞昊
清华大学物理系教授。1990年代后转入防雷领域。主持西昌卫星发射中心、石化总公司等部门的多项防雷科研项目的评审、鉴定；多次为气象系统、石化系统培训全国防雷技术干部；协助CCTV的科教栏目摄制防雷专题片；编辑出版《现代防雷技术基础》、《一代师表叶企孙》、《中国科技的基石》等6部专著，发表有关于教育方针、方法、科学史、防雷科技、大学物理等方面的论文160余篇。
一、引言
凡受过大学正规教育的，都应懂得：技术所运用的科学理论的基本物理概念必须准确掌握，否则就会出错误，更不用说解决工程与技术的实际问题。1997年《电网技术》开展的善于半导体消雷器的学术大争论，历时逾一年，引起全国大范围的注视，却无法取得一致的理性认识。原因何在？学术争论中物理概念上的混乱不准确，是重要原因之一。已年届90高龄的资深院士王淦昌见此情况后，对本文作者说："应发动物理学工作者参加这一学术争论。"他在70年代领导我国地下核试验，深谙防雷。旁观者清，他从争论者的论文看出：参加争论的大都是专注于工程技术者，比较缺乏理科研究的基础训练，因此在科学思维方法和物理概念上存在问题。回顾60年代我国"两弹一星"取得辉煌成就的历史，荣获"两弹一星功勋奖章"的23人大都是国际闻名的物理学家，或者是物理根底深厚的科学家[1]，可见在技术创新上物理学基础的重要。
下面就两个防雷技术中的物理概念问题谈谈自己的看法。
二、金属导体是等电位体吗
在《防雷》2002.08期的"建筑防雷设计六要素"一文中有一段话："使建筑物内的各个部位都形成一个相等的电位，即等电位。若建筑内的结构与各种金属设置及金属管线都能连接成统一的导电体，建筑物内当然就不会产生不同的电位，……对防止雷电磁脉冲干扰微电子设备也有很大的好处。"这段文字依据的是《建筑物防雷设计规范GB50057－94》。该规范指出："为说明等电位的作用和一般的做法，下面摘译IEC1024－1的一些有关规定，……等电位是一很重要的措施。等电位是用连接导线或过电压保护器将处在需要防雷的空间内的防雷装置、建筑物的金属构架、金属……等连接起来。"
总之，在防雷领域，不论中国还是外国，"金属导体必是等电位体"是非常重要的物理概念，而电位均衡则是当今防雷技术中极重要的一个要素。那末就应打破沙锅问到底，这个物理概念是如何建立的？是永恒正确不容置疑吗？
随便翻阅国内外任何一本大学必修的电磁学教科书，都可看到：上述物理概念的得来是有明确的特定条件的，它只不过是静电学范畴内的一个理想化的产物。把金属引入电场之初，金属导体内的自由电子必然是受电场力的作用而移动，此时导体内存在电场，自由电子不停地运动（指宏观运动）一直到它的表面上出现的电荷分布形成的电场与外电场相互抵消，这才使得导体内的电场E内=0，这就达到了静电平衡，静电学的全部理论和物理概念就是从这一特定条件出发的。由于E内=0，就可得出：导体是等电位体。只要导体位置一变，或外电场一变，静电平衡就被破坏，E内≠0，导体就不再是等电位体，导体表面的感应电荷就要重新分布以达到新的静电平衡。
实际的物理世界是永恒地不停地运动着，静电平衡的出现只能是短暂的，严格说来，只能是一种理想化的极限状态。就以大气电场来考察，它无时无刻不在变化，建筑物内任何金属导体的各处都会出现变化着的感应电荷，只是它的变化比较微弱而已。一旦雷雨云出现，那就不同了，金属导体会出现瞬间的电位突变，众所周知，常见的各种电线（电力或电讯线）的浪涌电压就是在雷雨云放电瞬间出现的，怎能认为金属导体必是等电位体呢？！与这些导线相连的或者处在这些导线附近的微电子器件岂能安全！
三、接地电阻是什么
"建筑防雷设计六要素"云："良好的接地效果也是防雷成功的重要保证之一。"接地效果用什么来表征呢？《GB50057－94》规范中第四章的第三节很具体而详尽地描叙了合格的接地装置。第三章则规定了各类防雷建筑所限定的接地电阻值，有的必须低于5Ω，有的必须低于10Ω，等等，总之，防雷界形成一种概念，就是接地电阻越小，防雷效果越好。可是实践并没有提供证据。例如日本对419个微波中继站经过三年雷电损害调查，发现损害仅与雷暴日数、海拔高度呈正相关，而与接地电阻几乎无关[2]。这就是必要追究接地电阻的物理概念。任意翻阅一本有关防雷的教科书，就可看出：它的定义与测量有关联："接地体的直流（或工频）接地电阻是指：当一定的直流（或工频）电流I流入接地体时，由接地体到无穷远处零位面之间必有电压U，U／I的值定义为接地电阴R。"[3]显然，这里是把接地体和周围的大地一起看作是与金属导体相等同的导体了，并同时承认欧姆定律是适用的。因为科学发展史上，欧姆定律是在金属导体上得到确证的，不论电流多大，U／I值总是恒定值，这个值就定义为金属导体的电阻[4]。这是任何一本电磁学教科书中紧接静电学之后的稳恒电流或叫直流电路这一部份中所明确规定的。特别需要指出的，是直流电路的欧姆定律非常简明易接受，在一般中学生中就已很熟悉了。所以一般从事防雷的人员在接受接地电阻这一物理概念时毫不费力地就会把它当作金属导体的电阻考虑，很少人会去思索两者间有很多差异。首先可以指出：凡经过大学正规教育的都应该知道，金属导体中欧姆定律之所以能够成立，完全可以从金属的古典电子理论得到解释，这个理论指出，金属导体内有密度非常大的自由电子气，这个密度值是不随导体内的电场强度而变化的，所以导致电阻值R是与电压U及电流I无关连的恒量。而大地并不是金属组成的，传导电流的微观机构和载流子等与金属有不少差异。只指出一点就够了，那就是当大地的土壤里的电流或电压足够高时，会出现火花效应，也就是出现击穿效应，载流子数量突然剧增，电阻突然下降，也就是说，欧姆定律失效了！防雷工程界引入"冲击接地电阻"概念，至多是让人们注意到"接地电阻"概念不简单，却不可能提出准确的科学的理论来定量描述闪电入地后的客观规律。这是由于自然界的落地雷是小概率的极端无规的随机现象，没有任何科学家作过这方面的实验观测来研究它的规律。
还可以强调指出另一重要问题，电阻这个物理概念是在直流电路范畴里建立的，在似稳电路里就出现麻烦了，到了高频和微波领域，就要增添种种补充说明，接地电阻这个物理概念就更复杂难以捉摸。这里仅指出两点：第一，由于电流与电压有相位之差异，电阻应以复数取代实数来表征。第二，导电媒质不限于金属导体，它们在不同的频率下有不同的导电表现，可以是导体，（当传导电流远大于位移电流）也可能是不良导体，也可能是电介质（当传导电流远小于位移电流）。例如以低频下相对电容率ε=14和电导率ó=10-2姆／米的土壤来考察，在103赫频率它的性质像导体，在3×1010赫的微波频率它的性质为介质或者说是绝缘体，而在107赫的频率下它的表现为不良导体。[5]众所周知，闪电的频谱甚宽，从直流一直到1016赫以上，只要指出一点就行了，人们看到的闪电的光就是它辐射的电磁波。既然落地雷是一种频谱极广的电磁现象，那么以静电学和直流电路的概念来描绘落地雷的种种物理过程岂不是太脱离实际？！
四、落地雷是恒压源还是恒流源电路
1997年开展半导体消雷器大争论以来，五年过去了，有一个最大的理论分歧没有解决，那就是落地雷的物理过程究竟是恒压电路还是恒流电路？两派从表面上看来在学术观点上是截然相反的，不可能调和统一的，可是从更基本的理论观念上来分析却是非常一致的，那就是把云地闪这个丰富而复杂的现象简化为一个电工学上的等效电路，也就是把一切闪电物理现象都用"路"的观念来分析，不仅国内如此，国际上也如此。证据何在?!
为此，有必要提出一本国际科学教育权威、在22所大学获得荣誉学位的大科学家卡尔萨根临终前发表的一本名蓍[6]，他在这本美国1996年度的第一畅销书中指出：在大学教育中讲授科学方法比单纯介绍科学发现的知识更重要，因为不懂得科学方法就难以区分各种科学学说的真伪！他以麦克斯韦创立的电磁场理论为例，极好地阐明了科学思维方法的精华。麦克斯韦提出了位移电流假说，认为传导电流和位移电流加在一起才是全电流，只有全电流才是连续的，以前所有涉及电磁现象的定律中，应把原先公式中的电流I认为是全电流。他的这个假说，不可能用实验来检验，所以在1863年以位移电流假说而建立起来的麦克斯韦方程组得不到人们的重视，一直到1888年赫芝用实验直接验证了电磁波的存在，并验证了电磁波的各种物理特性与可见的光波完全相同，也就是证明了光就是电磁波，从此科学界一致公认：麦克斯韦创建的一整套理论即以麦克斯韦方程组为基础的电磁场理论是完全正确的科学理论，当然，位移电流也从假说上升为客观存在的物理实在了。为什么说麦克斯韦方程方程组被实验证明了呢？因为麦克斯韦运用这套微分方程推导出一个数学解，这个解表示物理世界存在一种电磁波，它的波速与光速完全相同，因此麦克斯韦预言了两件事：第一是物质世界存在电磁波；第二是光就是电磁波的一种。而赫芝确证了这两个科学预言。一百多年过去了，迄今发现的种种物理现象都没有与麦克斯韦电磁场理论不一致的[7]，所以一切电磁现象都必然遵循这个理论，闪电现象当然也不例外。
五、21世纪防雷科技要建立在麦克斯韦电磁场理论的基础上
1753年出版的《Poor Richard's Almanack》一书正式宣布Franklin发明的避雷针，当时科学发展的历史还处于静电学阶段，所防护的对象主要是砖木结构的建筑，二百多年来建筑防雷人员一直囿于静电学概念是根深蒂固的，也是可以理解的。
19世纪末电力与电话科技的诞生，在20世纪沿导线出现的雷灾大量出现，防雷的对象转到电力系统，在电力部门的高电压实验室内的模拟落地雷实验成为防雷科技的主力，当然，似稳电路理论成为防雷科技的基础，从而使得20世纪的对雷电及其防护的物理思维局限于"路"的观念。
21世纪，人类已进入信息时代、信息技术（包括数字技术、计算机、通信、网络和微电子技术等等）渗入到所有工农业和政府、社会中任何部门，传递信息的媒体是高频电磁波，因此在同一空间传播的强度要大得多的闪电辐射的电磁波就成为信息社会最严重的威胁，无论是被保护的对象还是雷电本身都必须考虑高频电磁学，"场"的观念取代"路"是大势所趋，人们在世纪之交要意识到这一点并改变几十年来习惯的物理概念是非常艰难的，但是不改变是不行的，否则就要在雷灾的实践中碰壁[8]。科技发展史告诉人们，一旦科技人员挣脱了陈旧的物理概念的束缚，就会涌现大量创新发明，对于21世纪的防雷科技也一定会这样，作者在第三届全国防雷会议上就已指出，可惜知者甚少。
在此，引用原北京大学物理系主任赵凯华著的《电磁学》[9]一书中的一段话作为本文的结束语：
"随着频率的增高，电路中原来可以忽略的一些杂散分布参量开始起作用。不过起初我们还可以用等效集中参量的概念对他们作近似处理，以便似稳电路的原理仍可使用。频率再高，似稳电路中的一些基本概念（如电压）和基本定律（如基尔霍夫定律）开始失效……到了微波波段，似稳电路的成立条件彻底破坏，'电路'的概念完全由'电磁场'的概念所取代，处理问题必须从场的方程――麦克斯韦方程出发。"
参考文献
[1]虞昊，黄延复，中国科技的基石――叶企孙和科学大师们[M]。上海：复旦大学出版社，2000.1-12，144-164，178-227。
[2]虞昊等，现代防雷技术基础[M]。北京：清华大学出版社，1995.176。
[3]解广润，电力系统过电压。北京：水利电力出版社，1985.162。
[4][美]E.M. 珀塞尔蓍，南开大学物理系译，电磁学[M]，北京：科学出版社，1979.138-176
[5][美]J.D. 克劳斯蓍，安绍萱译，电磁学，北京：人民邮电出版社，1979.434-437
[6]卡尔.萨根蓍，李大光译，魔鬼出没的世界－科学，照亮黑暗的蜡烛[M]，吉林：吉林人民出版社，1998。
[7]Solymar L. Lectures on Electromagnetic Theory: a Short Coures for Engineers[M]. London: Oxford University Press, 1976。
[8]虞昊，对当今闪电和防雷理论的一点看法[A]，孟青，第三届全国雷电物理、检测和防护科学讨论会论文集[C]，北戴河，2001.99-100
[9]赵凯华,陈熙谋,电磁学(下册)[M],北京：人民教育出版社，1978.332

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好象只是提出问题。

通天雷神

重复了。