尖端放電是怎麼回事?

01-13

書上說避雷針運用的是尖端放電原理，表示無法理解。既然尖端會放電，為什麼還能避雷呢？

給你找了個視頻

尖端放電（避雷針）高中物理助學網哈六中物理組孟凡森孫國濤youku.com視頻

當然這個實驗有點過於誇張了，鄙院普物中心有一套演示實驗。也是兩個平行板，中間加一個金屬球，加高壓，能看見打閃；只加一個金屬針，幾乎看不見打閃；同時加金屬針和金屬球，都不大能看見打閃。

當然一個原因是這套設備接的起電機有些老舊了。如果再加大起電效率，都能看到金屬針上有打閃。

現象上，帶尖端的系統相當於你躺在搖椅上，有個人慢慢給你晃；而沒有尖端的話，那麼就是一個人隔一分鐘就給你推一把大的。如下圖。哪個更舒服不言而喻。

上下兩圖分別對應有無尖端的情形。雖然平均而言通過的電荷是一定的，但無尖端對應的突發性衝擊更容易對人和物造成威脅。

原理上講，帶有尖端的系統可以在較低的電勢差下產生更高的電場，實現擊穿，從而釋放掉雲層中累積的電荷。相對的情況下，則需要更高的電勢差才能做到，那麼這一次擊穿流過的電量就是會要人命的。

實際上，自調Q式的脈衝激光器也是同樣的原理，越大的閾值能保證越高的脈衝強度。

另外，關於尖端電場大小的一個有趣估計可以看這個回答梁昊：如何使一個R^3中徑向函數的Laplacian儘可能地小?

題主似乎墜入文字遊戲中。

避雷器的尖端放電並不是「放電」，而是主動地把雷引過來，並通過連接到大地的導線把雷電能量給泄放掉，使得被保護建築物和電路避免雷擊。這就是避雷器的原理。

在看到名詞時，一定要把概念搞清楚，否則就會出笑話。

例如抽水馬桶並不抽水，而是放水；再例如馬路並非給馬走的路，而是公共道路的代名詞。都屬於此列。

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沒想到這個問題居然也有人關心。也罷，我給大家科普一下：

題主的關鍵詞有三個，第一個是放電，第二個是尖端，第三個是避雷。

我把這三個關鍵詞給大家簡單地說一下。

1.關於放電

所謂放電，指的就是陰極和陽極之間的空氣擊穿現象。

氣體發生擊穿時的最低臨界電壓被稱為氣體的擊穿電壓。在均勻電場中，氣體的擊穿電壓與氣體間隙距離之比被定義為氣體的擊穿場強，它反映了氣體耐受電場的作用而不發生擊穿的能力。

對不均勻電場而言，氣體的擊穿電壓與氣體間隙距離之比被稱為氣體的平均擊穿場強，它與電場分布和絕緣結構有關，它反映絕緣結構利用氣體絕緣能力的程度。

根據氣體壓力、電源功率、電極形狀等因素的不同，氣體發生擊穿後，可能出現不同的放電過程，利用圖示的放電管可以觀察氣體放電現象的變化。

2.關於尖端放電和極性

所謂尖端放電，指的是兩個基板中一個是板狀，另一個是棒狀，屬於極不均勻的電場放電現象。

這种放電屬於電暈放電的範疇。

由於本篇帖子並非科普帖，因此我只講結果：

棒一板電極間隙間的電場，其中棒狀電極端部的電場強度最高，附近區域的電離過程最激烈。當棒極分別為正極和負極時，同樣電極間隙下氣體的電暈起始電壓以及擊穿電壓不盡相同。

1）當棒極為正極時，棒極附近的強電離區域的電離程度被削弱，不利於流注的形成，因而電暈起始電壓有所提高。

2）當棒極為負極時，雖然電暈起始電壓會降低，但棒極附近的流注通道發展相對較困難，其擊穿電壓也比棒極為正極時高。

對於大氣放電來說，道理是相同的。

3）觀測表明：雷電流具有單極性的脈衝波形，大約有80-90%的雷電流是負極性的，其負脈衝波形前沿呈拱形。

對於此波形我不做解釋，理由同前。

3.關於避雷

在我的書《低壓成套開關設備的原理及其控制技術》第1.7節中有下圖：

題主的避雷針和入地雷電電流泄放導線就在LPZ0區域。事實上，泄放導線用外繞著建築物外牆的鋼筋焊接而成，鋼筋的末端引入大地。

當發生雷擊時，避雷針把雷電流引導到大地中，由此實現保護作用。

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看的出來，這裡面知識量很大。根本就不可能在這個貼子中加以詳解。

我們再看題主的問題：

書上說避雷針運用的是尖端放電原理，表示無法理解。既然尖端會放電，為什麼還能避雷呢？

可見，題主無法理解的只是字面的問題而已，他既不關心避雷的原理是什麼，也不關心什麼叫做尖端放電。只關心「尖端既然會放電，何必還要避雷？」的詞義解釋而已。

如果期望較為詳細的解釋，請看我的文章：淺談接地8——避雷與接地之1和淺談接地9——避雷與接地之2。這兩篇文章中有較為詳細的說明。

尖端放電實際上指的是，「尖端」容易發生「放電」現象。其本質是尖端的曲率較大，在相同的電勢差下，電場強度更大，從而導致在相同的絕緣條件下，尖端附近的絕緣介質更容易被擊穿，產生放電現象。

在避雷器這個例子中，視積雨雲和大地之間的電勢差一定，由於避雷器本身為尖端，故而，其附近空氣更容易被擊穿，則避雷器到積雨雲之間形成通路，雷電從此通過，大地的其他建築或者人就不會遭到雷擊，達到「為其他物體避雷」的效果。

如圖

尖端容易放電，這是由帶電體的本質規律決定的。

1，在導體內部，電荷是可以自由移動的。

由於這一特性，在導體帶有電荷時，電荷之間的相互排斥作用會把所有的電荷都「擠」到導體的表面，導體內部是沒有電荷的（嚴格地說應該是：導體內部的電荷正負相互抵消，總和為零）。

2，導體表面的電場線總是垂直於導體表面。

可做如下證明：

假設導體表面的電場不垂直於導體表面，則導體表面的電荷必然會受到電場力的作用而在導體表面運動，然而導體表面的電荷分布是一個穩定狀態，並不會不斷變化，因而導體表面的電場是垂直於導體表面的。

3，由於導體表面的電場要與導體表面垂直，則在表面曲率越大的地方，就越需要有更多的電荷來維持（電場垂直於導體表面）這一狀態。即導體上，越是尖銳的地方，就會聚集越多的電荷，聚集的電荷越多，就越容易對其他物體放電。

避雷針的原理如下：

帶電的雲層與大地之間有電勢差，因而帶電雲層下方的大地會感應出大量的感應電荷。避雷針下端與大地相連，所以避雷針上也會有感應電荷，而避雷針的尖端很尖銳，因而會比其它物品聚集多很多的電荷，更容易放電。因而，相比於其它物體，避雷針更容易被雷擊中，由此就保護了人或建築物不被擊中。

電荷的集膚效應。

電荷會聚集到幾何形狀比較尖銳的地方，比如避雷針的頂部。聚集大量電荷後，發生雷擊時會把雷電吸引到避雷針穿導入大地進而保護範圍內其他設備。

同理電氣設備上有時還會布置均壓環，就是比較規則的圓形等，作用剛好和避雷器相反，讓電荷均勻分布，防止造成放電現象打壞設備或造成故障。

如下圖

先回答題主的問題……

因為尖端放的電和雷電帶的電電性是相反的，電荷被抵消了。所以雷電就沒了。

和電器接地一樣，避雷針接地的原因是大地是一個巨大的電庫，可以提供大量電荷。假如某次雷電帶正電，那麼電荷間相互作用會使得避雷針尖端聚集大量負電荷（由大地提供），放點從而抵消雷電的正電。

至於為什麼是尖端，而不是其他地方 @灰原哀已經說的很清楚了……

事實上避雷針的真正工作機理目前尚不明確，至少比輸電線路的避雷線更複雜。其利用了尖端放電的機制也不能說是完全錯誤的說法。雷擊是一種典型的衝擊電壓下的長間隙放電過程，其機理解釋一般採用流注理論，即認為在大氣電離的過程中光電離是產生二次電子的主要原因，同時會形成流注通道。流注通道不斷向前發展（在雷擊中即向地發展，也有雲中的放電但少見），在較為接近另一電極時，由於流注通道內部充斥著正負離子，其頭部的電位與雲層電位幾乎一致，因此其頭部向前的極短區域內電場強度極高，會引起另一電極的反向放電，最終完全貫通。避雷針的尖端放電應該指的是另一電極反向放電的過程

另外，有個老哥回答裡面似乎把避雷針和避雷器弄混了。避雷器是由壓敏電阻組成的設備，特點是在某電壓範圍內電阻極小，另外範圍內電阻極高同時能在這兩個範圍內轉換狀態的器件，一般是圓柱狀的，不是引雷的。

避雷針是犧牲自己（吸引雷劈自己），避免要保護的東西被雷擊

尖端附近的電場強度比較大，周圍的空氣更容易被擊穿，所以能起到「引雷」的效果

雷雲形成以後，你可以認為成一個大的帶電體。這個帶電體靠近地球這個導體球時，導體會形成一定的電荷分布，使得地球內部電場為零。由於避雷針是接地的，所以，避雷針與大地等勢。避雷針尖端曲率比較大，所以避雷針前端那裡電場強度較大，當電場強度大到一定程度時，會使空氣電離形成電暈放電。電離的空氣中與雲層帶電相反的電荷會向雲層移動，形成電流，然後進一步形成雷電放電現象。避雷針準確的說應該叫引雷針。一般架設比較高，一般情況下有帶電雲層經過時，引雷針先發生放電現象，使雲層中帶電電荷量降低，然後降低附近建築物等遭受直擊雷的概率。

首先，尖端放電現象原理：帶電導體表面凸起部尤其是尖端處，面電荷密度較大，附近的電場強度也較強。

尖端放電現象：如果把金屬針接在起電機的一個電極上，讓它帶上足夠的電量，這時在金屬針的尖端附近就會產生很強的電場，可使空氣分子電離，並使離子急劇運動。在離子運動過程中，由於碰撞可使更多的空氣分子電離。與金屬針上電荷異號的離子，向著尖端運動，落在金屬針上並與那裡的電荷中和；與金屬針上電荷同號的離子背離尖端運動，形成「電風」。

最後，它的「放」不是產生，而是釋放。

避雷針的作用是避免附近區域的人或物品遭受雷擊。

雷雲下部積攢了大量負電荷，急切需要找到正電荷以中和釋放，四處搜尋下發現地面高處有一尖端位置（避雷針）最先出現正電荷，於是就急切地向該處放電了。

尖端處電場強度明顯高於它處，電荷則來源於電場足夠高後的局部位置放電。

現在的防雷規範不說避雷針了，改為接閃器，接閃桿了

看各位答主已經給出了非常專業的回答。

我想從通俗地角度說一下。

「尖端放電」並不是指把電放出去、也不是把電收回來、這裡的放電根題主所理解的「放電」不是一個意思、千萬不能理解為閃電一道劈下來、我們看到電從雲里進到了避雷針、所以避雷針把電吸收了（這是完全錯誤的理解方式）。這裡「尖端放電」指在導體的尖端更容易聚集電荷從而發生放電現象。

【即這裡的「放電」是指電荷層面的電荷轉移問題、而題主理解的放電只是指我們生活中看到的閃電或者火花的走向、這和電荷的放出和走向根本不是一個層面的問題】

避雷針的尖端聚集更多電荷的情況下變得更容易釋放負電荷從而把大氣中的電導下來。即金屬中的負電荷更容易趨向於尖端並從尖端釋放。

尖端「放出去」的實際是負電荷。放出去負電荷後、導體尖端缺少正電，大氣中的正電荷則向避雷針的尖端涌動。

而我們都知道電的走向是和正電荷一致、和負電荷相反。一道閃電的形成必須有正負電荷共同的作用才行。可以理解為「身為尖端的避雷針」並不是吸收了閃電，而是在閃電形成過程中、擔當起了「放出」負電的作用。這樣就不用「某個被劈死的倒霉鬼」來充當這個角色了。從而「身為尖端的避雷針」就利用「尖端放電」保護了「某個本應被雷劈死的倒霉鬼」。

由於尖端更容易釋放電荷，電的走向就更偏向於尖端。其實、無論電的走向如何、根據「尖端放電」原理、電都更偏向於從尖端走、而不是從非尖端走。無論是把電「放出來」還是「吸進來」、電的流向都是偏向於從尖端走。相當於一個更容易走的「通路」一般。

尖端放電是電荷分布規律的形象表述。電荷分布與導體的表面曲率成正比，越尖越容易蓄積電荷。和避雷器（引雷器）效應相反，起電球（范德格拉夫發現）也是利用了這個效應，在空心球內表面（負曲率）持續注入電荷，最終表面會累積極高的電勢。

尖端放電一般來說帶電的閉合導體的內部是充滿了電荷並且向外是有電場的作用而帶電導體的話越是凸起的地方帶電電荷越多也就是電場越強，在尖端的周圍的空氣會在場的作用下空氣中電荷不是均勻的，與導體表面帶電荷相同的遠離導體，相反的電荷會靠近導體，從而產生類似於電解質的電離，兩個尖端附近的電場非常強，會使得平時不導電的空氣變的導電產生電暈放電，粗略的說兩個尖端靠的越近周圍的空氣可以類比與導線的作用導電了

避雷針是引流

樓上方出現帶電雲層之後樓頂和避雷針上感應出大量電荷，由尖端放電的原理，避雷針曲率大，所以會聚集大量電荷，這樣其與帶電雲層之間的空氣被擊穿，雲層與避雷針之間形成通路，這樣就能將雲層電荷引入地下

@liuyuezx 說的沒錯；實際上題主有能力或者有興趣的話可以看下數學物理方程，裡面有這類題，就是解一個泊松方程（電荷按泊松分布），發現曲率越大的地方電荷密度越高。

物體中的自由電荷在電場力的作用下會趨向於物體表面，越是尖銳的地方聚集的電荷越多，如避雷針的針尖處聚集了大量的電荷，(當聚集的電荷足夠多時)針尖附近產生的強電場足以將附近的空氣分子電離成帶正電的離子和自由電子，針尖上的電荷被正電離子或電子中和(依據針尖上的電荷類型而定)，最終就好像避雷針上的電荷釋放到空氣中，這就是尖端放電

避雷針應該是運用到尖端放電的原理，所以是通俗易懂的叫法。