科技创新应有坚实的物理基础，本文主要内容关键词为：科技创新论文,坚实论文,物理论文,基础论文，此文献不代表本站观点，内容供学术参考，文章仅供参考阅读下载。
科技创新与风险投资现在都成了时髦的名词，它使人感到兴奋和畏难。如何减少科技创新的成本少冒风险呢？笔者认为就是要学好物理打好坚实的物理基础。我这话不是危言耸听，因为近一百多年来物理学的发展早已证明：物理学是整个自然科学和现代工程技术的基础。没有较为深厚的物理基础怎能侈谈科技创新呢？下面以我国防雷技术创新的一些经验教训为例谈谈个人的看法，供大家讨论。
大家知道防雷要用避雷针，此外还有避雷带（线）和避雷网，它们都是常规的避雷装置。20世纪60年代以来火箭技术和信息技术飞速发展，各类电磁干扰对相关的高新技术设备和系统的影响越来越严重，高新技术产业遭到雷害的损失也日益严重。于是新型防雷技术的开发受到人们的重视。在这种背景下曾有许多防雷学者投入到消雷器和限流避雷针的研究中。这些新型的避雷装置称为非常规避雷装置。研究的结果分为两派：一派认为此路不通或没有技术优势；一派认为大有前途，很有技术优势。20世纪80年代此类产品开始投放市场并利润不菲。许多非防雷专业的人士也纷纷加入到这一“创新”的行列。在此估且给“创新”打引号，一来由于不少此类产品的理论依据有误，二来尚且缺乏试验检验。在90年代初我国就有二十多种“新型”避雷针推出和上市。由于这些“创新”缺乏坚实的物理基础，在实践中屡屡出现防雷事故，现在许多部门做出规定不再使用非常规避雷针。这些所谓的新型避雷针的研究违反了那些物理原理呢？下面有针对性地做些分析。
1 闪电放电过程的概述
雷雨云对地的放电通常是：由微弱的电离通道（称为先导流注）从雷雨云向下发展开始，这一阶段称为“先导放电”。先导流注像一条软管向下伸延，先导流注的核心直径约为1cm， 其周边带电囊直径为几米到几十米，在其下端有一个电晕球。在先导流注的带电囊和电晕球中储存着大量与雷雨云相同符号的电荷，其囊电荷密度约为几十微库仑／米[3]，沿闪电通道所带电量约为几个毫库仑／米，见图1。
先导流注向下的平均发展速度为10[5]m／s， 先导流注头部发展到距地面几十～百余米时感应地面突出物上产生强烈的异号电荷的电晕放电并形成向上发展的放电通道，后者称为“迎面流注”，迎面流注的发展速度为10[7]m／s。先导流注与迎面流注相遇时形成“主放电”，这时正负带电离子强烈的复合产生几万摄氏度的高温，发出强光和爆鸣，并产生强烈的电磁波辐射。主放电的发展速度为1／2～1／3光速，见图2。
主放电过程中闪电通道中的纵向电压降从100V／cm迅速降为5.5V／cm，它是从电晕放电、辉光放电到电弧放电迅速变化的过程，其过程时间为微秒级。根据雷电观测和理论推算论证的结果，防雷学者的共识是：闪电不是一个电压源；而是一个电流源，更严格地说，它是一个电流波。它有如洪水瀑发，避雷针是给主放电电流提供一条低阻抗的通道，就像开一条河道输送洪水一样。
许多熟悉普通电工理论的人不能正确地理解这一放电过程，他们往往把它混淆为电路中的导电过程。在普通电路中电子的运动形式是电子在电场作用下一段一段地加速运动的接替，是一种电子接力运动；而闪电通道中的电子运动主要是电子的贯穿运动，在主放电通道中先导流注与迎面流注贯通，正负离子交融形成等离子体通道。闪电电流的脉冲波是由闪电通道中的离子流形成的，脉冲波后的余辉电流才是雷雨云中传来的电流。有人把雷击消雷器的放电过程比做霓红灯变压器放电，说霓红灯变压器的高内阻可使放电电流减小，同理先导放电通道的高阻抗可以限制雷电流。这种论点否认主放电是电弧放电的性质或不承认有主放电发生。雷击消雷器的电流记录表明不论是由雷雨云向下发展的闪电（工程上也称下行雷）还是由地表物体因感应而向上发展的闪电（也称上行感应雷）的放电电流都在50A以上，按图3的放电分类图它们都处于电弧放电过程中。下行雷主放电形成后闪电通道的纵向电压降减小，地面接闪点的雷电压接近雷雨云的电压为10[7]～10[8]V， 所以那种用变压器模型的高阻分压的说法是错误的。
在接闪的电路内串入任何阻抗元件都会使反击电压（闪电电流在阻抗元件上产生的电压）升高，产生对被保护物的放电或使串入的阻抗元件被闪络（阻抗元件表面放电）和击穿。有人说消雷器的半导体杆被击毁也可以吸收闪电放电能量从而减少雷电流，笔者认为这是不可能的。因为一旦产生闪络放电，闪络通道的电阻是很小的，与空气放电通道的电阻为同一数量级。这时雷电流仍然会达到通常统计的数值，限流的目的不可能实现。
2 计算雷电流的等值电路
有人不懂得分布参数电路与集中参数电路的区别，把波阻抗当作闪电通道中的电阻，不懂得波德逊等值电路是计算节点电压变化用的，分布参数电路要按节点一个一个地算，算出每个节点上的通过电压、入射电压和反射电压。有人把它当做集中参数电路去理解，从而得出：“研究i[,l]雷电流）与z（接地电阻）的相关性是值得鼓励的一种很有价值的研究工作”。他们不明白使用波德逊法则时考虑到雷击接地点接地电阻为零，所以测量雷电流I[,m]是入射电流的2倍，即入射雷电压为（I[,m]／2）。z[,0]，z[,0]为波阻抗。 按分布参数电路计算高阻抗避雷针上也要产生10[7]～10[8]V的电压。
这种不管物理过程乱套计算公式的毛病表现了在市场经济影响下某些学术界人士的浮燥心情，这对科研是非常不利的。在实际工程中防雷建筑物和构筑物都有规定的接地电阻值，不管它们建在甚么地方。高电阻的山区和沙漠地带可能地闪电流减少，但是按防雷规范施行接地后原有的自然条件已经改变，进行防雷设计的人一定要考虑这种变化的情况。根据我国各地纬度的不同，考虑某些高纬度地区自然雷雨云的雷电量较弱，其计算雷电流取一般统计雷电流之半，这在我国过电压保护导则中已有规定。我国通讯站的建筑物都采用钢筋混凝土和钢结构，它们都具有良好的分流性能，它们的雷击危害主要来自地电位反击和引入雷电波。把限流避雷针的研究作为防雷研究的主要方向，这是一种误导。在我国多数从事防雷工作的人还缺乏雷电电磁脉冲的知识的现状下，这种误导非常有害。它使许多新成立的防雷公司在错误的道路上徘徊，丧失了大量的时间和经费。
3 关于主放电的讨论
唯物论辩证法是分析物理过程的有力工具，矛盾论的观点对我们分析雷电过程很有帮助。防雷研究的目的是如何防止雷雨云对地闪电（俗称劈雷）造成的灾害，造成的灾害的原因是主放电，所以主放电是防雷的主要矛盾。主放电过程中的下行先导是主要矛盾方面。正是先导流注下降到雷击高度时才引起地物上的迎面流注的产生和发展，避雷针的作用是率先产生迎面流注截击下行的先导流注。在这里迎面放电是矛盾的次要方面，雷击的接闪点主要是由先导流注的方位来决定的。
消灭主放电成为防雷专家的一个课题。在自然界有三种情况的闪电没有主放电，见图4。
图4（a）沙漠地带和图4（b）300m以上的高耸建筑物上由于地势高耸，在雷雨云形成的强大电场感应下能够在地面突出物上诱发上行先导放电现象，但因地面电阻率很高或雷雨云的电量不够强大，不能提供足够的异号电荷来形成主放电，因而只能停留在先导中性化阶段，所以放电时间持续较长，放电电流相应减小，这种放电的破坏力较小。但在这种地区和这样的建筑物上也有形成主放电的情况。根据统计结果：高山地区有30％的雷击是有主放电过程的，540m的高塔有8％，420m 高的大楼有20％的几率是有主放电过程的。消雷器不具备高电阻山区和沙漠地带的高电阻地理背景，不能自动抑制主放电的发生。图4（c）是在地物附近的地方有雷击发生，地物上原有的感应电荷突然释放形成向上的先导流注。这时闪电的主放电已在其他地方完成，雷雨云中的电量已经释放，这种感应过电压型的先导放电能量较小，其破坏力较小。避雷针上和消雷器上都能发生这种放电，有人说“消雷器能100 ％消灭上行雷”就是指的这种感应雷的放电现象。这种观点并未就以上不同自然与地物环境中的闪电的主放电物理过程进行详尽分析，而是以偏概全。在没有主放电的地点消灭它的主放电是一种虚构的说法，它没有任何实际的意义。
有的人采用改善建筑物和构筑物顶部的电场分布或改善接闪器的顶部电场分布的办法使迎面放电不易产生，从而减少它的雷击率这是可能的。但是这种防雷办法一定要设定一个或几个接闪点，用以拦截下行的闪电先导；单纯的排雷做法是以邻为壑的行为，我们要的是控制接闪点，是系统的防雷措施。有人不管下行先导的存在或认为它在空中某点停留不动，从而单纯抑制上行先导的发生，这种研究方法又走向消雷器的错误道路。我们希望同行做事一定要先把物理概念搞清楚，把物理模型搞准，看准它是否合乎实际，以免在根子上发生错误，那么以后的努力都将白费。
计算机的发明使科学研究增加了有力的工具，使我们的计算精度极大地提高。但是做研究第一位的要事是要把物理概念和物理过程搞准，提高人们对认识论和方法论的素养是非常重要的。这就是我对“经验教训”的看法。