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雷电的形成
雷电的形成
雷电是一种产生于带电积雨云中的瞬间强放电现象。当雷雨天气来临，云层中的水分子在气流等外力作用下会发生碰撞摩擦，产生静电，云层底部会带上负电，云层顶部和地面则带上正电，当正负电荷相遇就会产生剧烈的放电现象，闪电由此形成，由于此时会产生大量热量使周围的空气受热膨胀，从而引起大气强烈的爆炸式震动，因此强放电的同时也会伴随有阵阵雷鸣。
相比于轰轰雷鸣这一大气声学现象，瞬时惊现的闪电显然有更多花样。线状闪电、枝状闪电和片状闪电都是我们平时常见到的闪电形态，除此之外，带状闪电、联珠状闪电、球状闪电等则相对少见。其中，俗称“滚地雷”的球状闪电就是一种非常罕见的闪电类型。它由拳头或足球大小的球形发光体组成，一般仅维持数秒，移动路径往往与风向一致，常会发出“嗡嗡”的爆裂声。球状闪电的危害较大，能穿过门窗或烟囱进入室内，造成建筑物倒塌甚至人畜死亡。
雷电发生时能产生上百万伏特的电压，远远高于人体所能承受的安全电压（不高于36伏特）。同时，闪电具有上万安培的电流，这些强大的电流流经人体时会在瞬间产生大量的热，使得人体皮肤及内部器官碳化烧焦，也可能导致心脏停止跳动。据统计，我国有21个省、市、区雷暴日多达50天以上，每年因雷击造成的人员伤亡数量多至成千上万人，雷电灾害已成为目前我国十大自然灾害之一，给人们带来了极大的安全隐患。
雷电防护措施：
（1）除非绝对需要时，不要冒险外出。留在室内。
（2）不要靠近打开的门，窗、火炉、暖气片、金属管道、阴沟、插上电源的电气用具。
（3）在风暴期间不要使用插入式电气设备如电吹风，电压刷或电动剃须刀。
（4）风暴期间，不要使用电话，闪电可能击中外面电话线。
（5）不要去收晒衣绳上的衣服。
（6）不要从事栅栏、电话或输电线、管道或建筑钢材等安装工作。
（7）不要应用金属物体如鱼竿和高尔夫球棍。穿好钉有铁钉的鞋子的高尔夫球运动员成了极好的避雷针。
（8）不要处理打开的容器里的易燃材料。
（9）离开水和小船。
（10）如果您正在旅行的话，那么呆在您的汽车里，汽车往往是极好的避雷设施。在没有掩蔽所的时候，应避开该地的最高物体。如果附近只有孤立的树，那么您的最好防护就是蹲在露天下，离开孤立的树的距离是其高度两倍。
（11）避开商定、开阔的空地、金属丝栏杆金属晒衣绳。敞开的棚子以及任何突出地面的导电物体。
图1. 雷电图像
物理模型
物理模型
根据雷电和建筑物搭建了三维几何模型，具体简化模型如图2所示。计算过程需设置模型的电导率、相对介电常数和相对磁导率，为了结果的准确性，以上参数均从相关论文资料以及现有实验数据中获得，如图3所示。
图2. 物理模型
图3. 材料参数
物理场边界条件
物理场边界条件
计算模型选择电磁波-瞬态进行建模，雷电脉冲强度为20kA，脉冲上升时间常数为0.8us，脉冲速度c_const/3，其中c_const为光速3E8m/s，空气域外部边界设为散射边界条件，详细的物理场边界条件如图4所示。
图4. 物理场边界条件
根据有限元法的求解原理，剖分越精细，求解越准确，数值计算前通过网格划分对模型计算区域进行离散化处理，采用非结构网格对模型进行划分，网格质量分布如图5所示。
图5. 计算网格质量分布
结果展示
结果展示
计算模型采用瞬态全耦合方法进行求解，计算步长为0.05us，总计算时长5us，通过计算得到雷击电电磁场分布如下所示。
图6.电场分布
图7. 雷击电场分布
图8. 电力线分布
供稿：电磁Fo
编辑：小苏
审核：赵佳乐
