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电力杂谈 | 一次闪电能发多少度电?

闪电是云与云之间、云与地之间或者云体内各部位之间的强烈放电现象。通常是暴风云(积雨云)产生电荷,底层为阴电,顶层为阳电,而且还在地面产生阳电荷,如影随形地跟着云移动。正电荷和负电荷彼此相吸,克服空气的阻障而连接上。巨大的电流沿着一条传导气道从地面直向云涌去,产生出一道明亮夺目的闪光。

 

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一道闪电的长度可能只有数百米(最短的为100米),但最长可达数千米。闪电的温度,从摄氏一万七千度至二万八千度不等,也就是等于太阳表面温度的3~5倍。2020年6月25日,世界气象组织(WMO)公布了迄今为止探测到的跨度最长的闪电。它有多长呢?横向跨度709公里!相当于从武汉直接闪到了上海。

 

不过,它并不是发生在我国境内,而是在2018年10月31日发生于巴西南部。WMO同时还公布了持续时间最久的闪电:2019年3月4日阿根廷北部,这道闪电持续了惊人的16.73秒。

 

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如今卫星遥感技术快速发展,从更广阔的高空俯视,可以探测到范围更广、时间更长的极端闪电并获取关键数据。最近公布的最长横跨距离和最长持续时间的巨型闪电,就是被名为GOES-16的地球同步轨道环境卫星观测到的。

 

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GOES-16地球同步轨道环境卫星(由美国国家海洋与大气局管理)

 

闪电的发生具有一定的随机性和不确定性,只是守株待兔般等待,研究效率将十分低下。我国气象科学研究院连续多年开展了“人工引雷”试验,“人工引雷”是通过闪电产生条件预测闪电的形成区域,然后发射一枚拖拽着金属丝导线的小火箭,通过金属丝将闪电引至定点目标物。下图是2019年7月的实验场景,场面酷炫如科幻大片。

 

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▲我国人工引雷试验 | 中国气象局

 

闪电巨大的威力来自于它巨大的电流,峰值时可达几万安培(2200瓦的家用大功率电取暖器额定电流也不过10安培)。闪电持续的时间往往非常短,实际输送的能量并没有想象中那么大。

 

据资料显示,按照一次普通闪电电压约为500万伏,电流约为2万安,持续时间约为0.1秒,来计算的话:

 

E=UIt=5000000*20000*0.1= 10亿焦耳

 

10亿焦耳看似数值惊人。但事实上,1度电(1kWh)就有360万焦耳。换算一下,从一道闪电中大约可获取280度电,相当于闪电电击一下,仅能充满(或者报废)一台特斯拉电动汽车。如果按照1度电0.5元计算,一道闪电的价值大约是140元!这样的产能确实不太令人满意。以后有人再说,闪电有不可估量的能量时,你可以反驳啦!

 

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闪电是大自然创造的,但是我们人类也创造了“人工闪电”(特斯拉线圈)。特斯拉线圈又叫泰斯拉线圈,这是从"Tesla"这个英文名直接音译过来的。特斯拉线圈是由一个感应圈、变压器、打火器、两个大电容器和一个初级线圈的互感器组成。

 

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其原理是首先利用变压器升压,然后给初级回路电容充电,充到放电阈值时,火花间隙放电导通,初级回路发生电磁振荡,给次级线圈提供足够高的激发功率。由于初级线圈和次级线圈的固有频率设置相等,可以发生电磁共振,次级线圈可以积累极高的电压,当电压能够击穿空气时,我们就看到人工闪电了。