雷及避雷针

雷及避雷针

（1914年）

俗云雷殛恶人，一若善者必不至受雷之害。但根据学理而论，人人皆能受其害，亦皆能避其害也。夫避雷之法，最普通者，佥曰避雷针。虽然，避雷针之果能避雷与否，尚待研究焉。

一、说　雷

空中电气　欲知雷之原因，须先知空气中之有电气，及空气中之何以有电气。西儒法兰克林（Franklin）于千七百四十九年实验空中电气，乘雷雨之时，将纸鸢高飞空际，而线之下端果得火花。此即云中之电附着于纸鸢，由湿线传导而然。厥后某西儒以尖端之铁棒，高树空际，雷雨之时，藉取电气，不意激烈之放电，几致身死。此空气中有电气之确证也。

空中电气之测定　西儒劳德（Land）、恺尔文（Kelvin）等以验电器或量电器种种观测，知空气中之电位由时间、天气、地位及高低而不同，依或处观测之结果，升高一厘米，则电位（Potential）约增加一点三华得（Volt）。或谓晴天空气中，电气多属阳性，雨天多属阴性。而有是亦为不规则之变化，无一定之状态，倘能精细观测，则由天气与电气之关系，可为气象预报之一助。

空中电气之原因　空中电气何由而生，其重要原因不过三说。

（一）蒸发

凡液体蒸发时，其蒸气与液体有异性之两种电气。例如硫化铜之液，落于至热白银皿上，则蒸发而生电气。吾人所居地球，贮盈盈莫大之水，其蒸发而成空中电气，亦无足奇者。

（二）风

风遇陆地，则摩擦而亦生电，即与通常实验之摩擦电气同一理由。

（三）燃烧

凡物燃烧时，亦生电气。华尔泰（Yoltk）氏尝于薪炭燃烧之时，以验电气，验得确有电气。

雷之现象　金蛇霹雳，发于空中，家屋人畜，屡被损杀。其势力之猛烈，令人不可思议。要之此等现象，不妨以小喻大，于讲堂实验说明之。试由惠谢士（Winshurst）发电机之两极，以导线系于两蓄电瓶之内部，又以导线自其各外部系于平行绝缘之二金属板（相隔约四厘米），然后将发电机运转，则其两极间固发火花，同时二金属板间亦发火花。而来去方向适相反，即加平行金属板多枚，而火花之通过于各间隙如故。又试将蓄电瓶外部之二导线，插入杯水中而运转之，则水中之火花较烈，杯以硝子为者即时破坏，而水且沸腾，放电之势力有如是者。夫雷亦不外乎放电，设二金属板一为云一为地，而放电即谓之落雷；二金属皆为云，则空中放电而不至落雷；三枚金属板二为云一为地，则空中放电而又落雷，故落雷之祸未可逆料也。

雷之势力　落雷时之势力，曷为如是之猛且烈？试据电气原理以数字的解说之。令Q为或导体所有电气之量，C为其电气容量（Electrical Capacity），则导体之电位V当如下式：

（1）

导体若为球，则电气容量之数值等于其半径r，故球之电位如下式：

（2）

空气中蒸气凝结之初，为至小之水球，又互相集合而渐大，悬于空际，即所谓雨云。雷雨时之黑云，即无数水球集合而成，今以r为最初至小水球之半径，Q为其所含电气之量，则依（2）式可求电位V。此等至小水球n个，相集而为一新球，则其电位之值如何？

R为新球之半径，P为水球之密度，则下式当成立：

即

故新球之电位V¹

（3）

由上式，可知新球之电气容量，不能n倍于最初之水球，即水球渐大，而电气容量渐减，则电位渐增。故最初至小水球之电位，与新球电位之比如下式：

例如水球之数n为千，则V¹为V之百倍。n为百万，则V¹为V′之万倍。雷之势力可想而知矣。

雷与雨　尝问雨于老农，答曰：雷能催雨，雷鸣甚则雨必至。其理由果何如乎？盖电气可以促蒸气之凝结，雷鸣则无数小水球速集合而达极度，故即雨。但无雨之雷亦恒有之，此雷云与地最接近之放电，极易落雷，故无雨之雷较有雨者尤可畏也（有雨则云中之电气可藉此而渐达于地，即云与地二者电位之差稍减，放电之势力亦小）。

雷为振动放电之说明　先举一例，取U字形硝子管，中部设以活栓，两边高低其水面。将活栓开放，则水面必反复振动，而后定静于同一之水平面。试易水以饴液，则液与管壁之磨擦大，而无振动作用。放电亦然，视其行路抵抗之大小，而或为振动或为非振动。

上图AB为蓄电瓶，内外锡箔，以导线引CD两球而使之放电。其间抵抗小，则A之阳电至B，同时B之阴电至A，各以其余势而反对授电，复反放电，即成振动。但渐放渐弱，则振动渐止，即所谓减衰振动（Damped Oscillation）。倘CD间抵抗大，则A向B，一经放电，而电位遂平均，更无放电作用。盖抵抗大，则放电不易，一旦放电即便放尽，是谓非振动的放电。故放电之振动与否，其条件在行路之抵抗。雷以莫大电位之差，对于空气之抵抗，其放电当为振动放电也无疑。

二、说避雷针

避雷针之起源　避雷针亦创自法兰克林氏之唱说，以为尖端容易引电，且容易放电，故家屋之上，树尖端金属棒，连接地中，则自尖端可徐引云中之电，而放散于地，得免落雷之祸。相传至今，皆泥氏之说而未经深究者耳。

避雷针构造之要件　从来构造避雷针之要件有三：

（一）避雷针宜尖锐，且须坚固之金属；

（二）制避雷针之金属，宜择最良导体，即电气抵抗之最小者；

（三）避雷针必须连续于地中。

避雷针之目的　从来之设避雷针，其目的有二：

（一）防止——雷云发生时，因感应作用，而地上遂生与云异名之电。今置避雷针于二者之间，则云中之电渐渐被避雷针吸收，而放散于地。故云地间电位之差减少，即激烈之放电落雷可防止于未发之先，其目的一；

（二）保护——防止之目的或不能达，则虽放电落雷，犹可借避雷针导散于地，而家屋等得以保护，其目的二。

避雷针之驳议　据上二节以三要件达二目的，视为万全之计。即有时设避雷针之家屋，仍遭落雷之祸者，必归咎于构造要件之不逮。孰知近世之研究电学者，由种种之理论及实验，而从来避雷针之谬见，始恍然焉。

驳议之理论及实验　试取一蓄电瓶，其内部之球B，系于惠谢士发电机之一极A，又系于绝缘之真板C，此板之下又置一真板F，两相平行。于F板立D₁D₂D₃三真棒。D₁之棒端附直径10许之球，D₂附直径半厘许之球，D₃则为尖端三棒之长，亦递减D之棒，与C板约二厘米距离。然后将发电机缓缓运转，则D₃尖端之上，发帚状之青光（此实验须暗室内）。倘C板与D₃接近，则D₁与C板间放电而发火花。据此实验，缓慢之电，尖端却能徐徐相导，似堪防止放电，而D₁D₂得以保护也。

又试用二个蓄电瓶，其各内部系于惠谢士发电机之两极，其各外部系于平行两板，将发电机激烈运转，则其两极间发火花。同时C板与D亦发火花，斯时宜注意者，火花必向D最高之棒而发，即易D以尖针，而火花如故。可知激烈之电其量莫大，D₃之尖端，亦无以奏吸收放散之效矣。雷云之放电，缓慢乎？激烈乎？可无待言，则避雷针防止放电之说，已难成立。即退让一步，避雷针假能防止，则吸收亦有限，雷云莫大之电量，岂一二避雷针所能导尽。譬之洪水陡涨，藉数处沟渠，安得免泛滥之灾？吾故曰，以避雷针欲达其第一目的必不能也。

试进而论其第二目的。依上所述，放电之火花，不向球与尖针，即无关于物体之形状，而必向最高处发现。其理由果何如？上图A为电气灪积之云，BC为地，则因此云而地上之等电位面，当如图中曲线形，即地上之等电位面。凡距本式避雷针之顶上，其曲率较大，且面与面之距离亦较近，即云地间之等电位面，对于距离，其变化最大者，在云与最高物体之间。变化与曲率皆大，则电气力线之簇集亦甚，而歪力不堪支持，故放电必在最高处也。

避雷针既不能达第一目的，则尖端与否，已无用计较，即第二目的尖端亦不足取。盖迅烈之放电其量莫大，对于避雷针之至小部分球形，亦等于尖针耸立屋颠，向雷云而招之使来。故避雷针非特不能防止落雷，而雷方且因避雷针而落，与保护之目的相左，不知几何也。

试更述一实验，取二个蓄电瓶，其各内部系于惠谢士发电机之两极，又自其各外部引平行金属线二条，与地皆绝缘装置，将发电机游转之，则两极间放火花。同时以振动的电流，反复注还于二金属线，试二线渐接近至七厘米许，则呈乱丝状之青光。斯时以他金属触于一线即发火花，此现象谓振动电流之侧面放电。夫雷一大振动器也，其放电为振动放电，故当落雷之际，避雷针对于其近傍之金属亦能侧面放电，而家屋人畜遂罹其祸，保护之功果如是哉。

避雷针构造之第二要件，曰宜择电气抵抗最小之金属。夫电气抵抗，有阿姆（Ohm）之规则，即电动力E、抵抗R、电流C三者之关系，如下式：

宜注意者，阿姆之规则指普通之直流电气而言，非所以论振动之交流电气也。英人法耳台（Farady）尝实验电气，取蓄电瓶一，又以金属线曲如右图，而放电之。则A处固发火花，同时轮道之最接近部分BC间亦发火花。夫轮道BCD，良导体之金属线也，抵抗较小。火花路BD，不良导体之空气也，抵抗较大。蓄电瓶之电气何故不取道于BCD，而偏向抵抗较大之空气而放电，与阿姆之规则适相反对，其故何欤？

无他，蓄电瓶之放电，亦振动的放电（常将蓄电瓶一再放电仍发火花即其明证），故轮道间之电气，系交流而非直流，宜其不服从阿姆之规则。但交流之轮道，亦有如直流轮道之特别一种抵抗，余名之曰交流抵抗（iwpecance）。此种抵抗与轮道之物质无关系，而与交流之振动数相比例。且交流抵抗，不特大于轮道之普通抵抗，亦较大于空气之抵抗，故前实验BD间之发火花，无足奇矣。

雷之放电，每一秒时振动数达百万以上，其交流之迅速，已可概见。当落雷时，避雷针全体所生之交流抵抗如何甚大，则其本质之普通抵抗，可置诸勿论，则构造避雷针之第二要件亦属谬说。苟欲制避雷针或铜或铁，其优劣一也。

避雷针之有效范围　上述避雷针之驳议，驳其构造要件之不妥，驳其目的之不能达而已。研究避雷针者，当以积极主义力图改良，倘非全归无用，则于若何范围以内确为有效，亦吾人所乐闻者，其说不一，姑志其二。

（一）盖路塞克（Gay Tunac）之说避雷针之有效范围，相当于其高之二倍为半径之圆锥。

（二）普利司之说

避雷针之有效范围，相当于高为半径之圆为底，高为半径之四分圆为侧边，及高为高之一锥形。

上^[1]二说之范围，广狭之差已不少。其他如法国避雷针研究会委员等，诸说亦均不一致。盖研究之方法，落雷之情状不同，由实验得来，不免有差异之弊。上二说既无确证，殊难深信，姑志之幸勿视为蛇足。

避雷针之改良案　普通制之避雷针，电气学上既难承认，则当如何改良，如何构造，亦为研究电学之一大问题。法耳台氏距今七十余年前，又案出一种实验，以金属制十二英尺立方之箱，与地绝缘，置一至敏之验电器于其内，然后于箱外授以强电，而验电器全不受影响。后儒取氏之意，将验电器置于金属网罩内，于外部授以强电，而验电器亦全无感觉。何以故？盖箱内罩内电位之差为零，故电气于内部全无作用。避雷针之改良，非利用此法不可。须依家屋之形，以金属棒组成网状，则避雷之目的庶几乎达到，畏雷者其鉴诸。

（原载《教育周报》第9期）

【注释】

[1]原文为竖排，“上”原为“右”。本书改为横排，有关方位词已作相应改动。下同。