21世纪防雷科技的物理概念问题

crazy

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

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