打炸雷時,人站在雷擊點附近,通過人體的感應電流到底有多大?

2020-12-04 醒世明理

我是近距離體驗過雷擊大樹時的強大震撼的。那是1983年8月中旬的一天下午,暑假補課,我在家吃了午飯返校,因見天空有大量積雨雲在聚集,我帶著雨傘。在距學校一裡左右時,突然一聲響雷,豆大的雨點鋪天蓋地而來。我剛走到校門口,正在收雨傘,頓覺眼前金光一晃,渾身一麻,震耳欲聾的一聲劇響差點讓我暈了過去,一陣煙霧瀰漫,一股臭味撲鼻……教室裡的同學齊聲驚叫起來,我回頭一瞧,才知背後距我約三米遠的那棵桉樹被雷劈得通體焦黑。坐著的同學只感到桌凳震動,站著的老師也感到被麻了一下。物理老師說,那是感應電通過人體之故。後來學了高中物理我才明白感應電是怎麼回事。

原來,閃電是一種開路放電現象,不同於我們覺用的閉合電路通電現象。閃電的電流只有一瞬間,電流變化速率極大,會向四周輻射強大的交變磁場,只要是與閃電電流路徑有平行分量的導體都會因受到電磁感應而在自體內產生電壓和電流。導體越長、與閃電平行的分量越大,產生的電壓就越高;距離閃電越近,產生的電流就越大。那麼,打炸雷時,站在雷擊點附近的人,身上到底會承受多高的電壓,又會有多大的電流從身上流過呢?

對這個問題的精確解析太複雜,要牽扯到的物理概念也很多,為簡便起見,可根據以下四個參數粗略地估算。

①開路變壓比:在這裡,就是閃電有效長度與感應導體有效長度之比。比如我們站在地上,閃電從雲端劈向附近的物體,變壓比就是雲層高度與我們身高之比,即下圖中的OC÷BA。

②耦合係數:在這裡,就是閃電輻射的磁通總量與導體攔截到的磁通量之比的倒數。為使問題簡化,我們假設閃電理想地成一豎直線,並以此線為中軸線均勻地向以距豎直導體距離為半徑的圓柱側面輻射交變磁場。如下圖中,(BA×d)÷(6.28×OB×OC)就是耦合係數。其中,BA為身高;d為身體縱截面平均寬度;OB為立足點與閃電落地點的距離;OC為閃電長度,也就是雲層高度。

③最小等效阻抗:在這裡,就是在感應導體上阻礙感應電壓產生電流的最小因素,其數值上等於:R+R÷②。R為人體電阻,②為耦合係數。

④估算閃電電壓:在這裡,根據云層高度乘以空氣絕緣強度算出的值。空氣的絕緣強度為3000千伏/米。

根據以上四個參數,我們就可列出打炸雷時,站在雷擊點附近的人體承受的感應電壓:

OC×3000×BA÷OC=BA×3000。由此可知,打炸雷時人體感應到的電壓只與身高和大氣絕緣強度有關,而與閃電的長度和距閃電的距離無關。

通過人體的感應電流的計算總式:

3000×BA÷((1+(6.28×OB×OC)÷(BA×d))×R)

式中,R的單位用千歐,BA、d、OB、OC的單位用米,計算結果的單位就是安培。

假如你的身高為1.7米,你的最小電阻為2千歐,發生炸雷的雲層高度為150米,你距離雷擊點的距離為3米,根據上式可算出你的身體通過的最大電流大約為0.6安培,也就是600毫安,遠大於一般漏電保30毫安的跳閘電流,似乎很危險。不過,因為發生閃電的時間只有幾毫秒,所以這個電流幾乎對人體沒什麼傷害,要不然的話,我今天就不可能在此發言了,因為當年我距離雷擊點就只有3米的距離。其實,人體觸電電流的危險值是與觸電時間成反比的,根據對與人體體重相當的動物的觸電試驗可得出:

1秒觸電電流不能超過1安,10秒觸電電流不能超過0.1安,100秒觸電電流不能超過0.01安,1000秒觸電電流不能超過1毫安。

有些朋友不習慣字母式子,再列個文字式:

身高×3000÷{[1+(6.28×雲高×與雷擊點距離)÷(身高×身寬)]×人體電阻}

通過上式計算可知,打炸雷時,人體越靠近雷擊點,身子越高大,通過身體的感應電流就越大,因此我們在打雷下雨時要儘量遠離樹木和及其它長的導電物體,尤其是金屬杆、金屬線。當然,如果從雲層中來的電荷直接通過人體,那就肯定會被雷擊身亡,所以更不能在雷雨時在高處、空曠地方或樹下站立,也不能靠近電線。

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