陳思淦，鄭錦炎，余琪琪，王小懷

(韓山師范學(xué)院 物理與電子工程學(xué)院，廣東 潮州 521000)

雷電是自然界中常見的一種放電現(xiàn)象，具有電流強(qiáng)度大、持續(xù)時間短、破壞性強(qiáng)等特點，其產(chǎn)生的電磁輻射功率高，電力、通信、建筑等諸多領(lǐng)域都容易受到雷電災(zāi)害的影響，因此，一直是相關(guān)從業(yè)人員的研究重點。深入開展雷電研究，探索更加有效的雷電防護(hù)技術(shù)有著重要的意義和價值，2021年7月中科院“人工引雷”實驗也充分說明了這一點[1-3]。

本實驗團(tuán)隊自制了一套雷電的模擬及測量裝置，用于探究磁場與放電頻率、放電時間(電流脈寬)、放電距離等參數(shù)對雷電磁場分布的影響[4-5]。

1 實驗原理

1.1 雷電的模擬

利用自制的特斯拉線圈進(jìn)行雷電磁場的模擬。特斯拉線圈實質(zhì)上是一種利用電磁互感以及電磁振蕩原理工作的變壓器。工作時電源端輸入交流電源，使初級LC回路發(fā)生串聯(lián)諧振。經(jīng)過初級線圈與次級線圈的耦合，次級LC回路發(fā)生串聯(lián)諧振。這時放電頂端電壓極高，產(chǎn)生尖端放電現(xiàn)象。利用特斯拉線圈的高壓尖端放電實現(xiàn)對雷電的模擬，其原理圖如圖1所示。

圖1 尖端放電原理圖

1.2 磁場的產(chǎn)生

特斯拉線圈通電工作時，初級線圈和次級線圈中均有變化的電流，尖端放電產(chǎn)生電弧，線圈中快速周期變化的電流和尖端放電產(chǎn)生的電弧共同作用產(chǎn)生變化的磁場。利用LC電路具有電磁振蕩的特點來進(jìn)行雷電磁場的模擬。由于電磁振蕩，磁場處于周期性變化狀態(tài)，因此，實驗裝置產(chǎn)生的磁場和自然界中的雷電磁場類似具有時變性。

裝置產(chǎn)生的雷電磁場變化頻率：

=1.37×106Hz

裝置產(chǎn)生的磁場變換頻率較快，與自然界的雷電磁場具有不確定性、頻率快速變化的特點類似。通過步進(jìn)電機(jī)控制放電尖端與地面的高度h，以及改變脈寬I(放電時間)和放電頻率f，從而實現(xiàn)對不同情形雷電磁場的模擬。

2 實驗裝置

實驗裝置如圖2所示。

圖2 實驗裝置圖

如圖2所示，裝置具體部件分別是：①特斯拉線圈、②TES-593三維電磁測量儀、③暫態(tài)循跡測量軌道、④帶絲桿滑軌的步進(jìn)電機(jī)、⑤stm32f103c8t6單片機(jī)、⑥電機(jī)驅(qū)動器、⑦電源適配器。

3 雷電磁場的測量及分析

3.1 雷電磁場的測量

TES-593三維電磁測量儀(測量范圍：53.00 μA/m—286.40 mA/m，誤差±1.0%)可準(zhǔn)確測量空間某一位置的磁場強(qiáng)度，并具備多組測量數(shù)據(jù)存儲和讀取功能。采用控制變量法，改變雷電磁場的參數(shù)，測量不同雷電磁場參數(shù)(h，f，I)對應(yīng)的磁場大小，結(jié)果如表1所示。表中高頻率f和長脈沖寬度用“大f大I”表示，其它以此類推。

表1 不同參數(shù)對應(yīng)的磁場大小

對表1中數(shù)據(jù)進(jìn)行測量不確定度評定：

A類不確定度：

(1)

B 類不確定度：

(2)

其中，Δ儀為儀器誤差限。

總不確定度：

(3)

將h為57.5 cm，大f大I情況下十次測量數(shù)據(jù)為例，根據(jù)(1)式可以算得uA=0.66 mA/m。

將儀器最大量程286.40 mA/m和相對誤差1.0%代入(2)式，可得：

故總不確定度

3.2 雷電磁場的分析

對于同一測量點，測量10次并用其平均值表征該點的磁場大小。作出不同參數(shù)下磁場大小的變化曲線，如圖3所示。

圖3 磁場大小的變化曲線

分析圖3可得出以下結(jié)論：

(1)對于同一高度，雷電磁場H與放電頻率f成正相關(guān)，f越大，H越大。

(2)對于同一高度，雷電磁場H與脈寬I成正相關(guān)，I越大，H越大。

(3)雷電磁場H不會隨著距離h的下降而單調(diào)的變化，相對比較復(fù)雜。

鑒于雷電磁場H與距離地面高度h之間相對復(fù)雜的關(guān)系，本團(tuán)隊設(shè)計了暫態(tài)循跡仿真分析法開展進(jìn)一步的探究。

4 暫態(tài)循跡仿真分析法探究磁場分布與高度的關(guān)系

4.1 暫態(tài)循跡仿真分析法

如圖4所示，采用一塊薄平板(50 cm×50 cm)按照10 cm的距離構(gòu)造出二維平面點陣，自制準(zhǔn)心可以減小誤差，測量這37個點的磁場值，通過仿真得到這個平面上磁場的分布情況。

圖4 暫態(tài)循跡軌道

先外到內(nèi)，再從內(nèi)到外測量37個點，每個測量點都會測到兩次，取前后兩次的平均值作為雷電磁場的大小。接著通過Origin軟件來進(jìn)行磁場分布的仿真，利用37個分離的數(shù)據(jù)點構(gòu)造一個的二維數(shù)組，從而得到磁場的三維圖，進(jìn)而可以得到磁場在平面的上的分布情況。山峰越突出代表磁場越大，如下圖5，中心區(qū)域的高度明顯高于四周，說明中心區(qū)域的磁場大于四周的磁場。

圖5 磁場分布仿真圖

4.2 探究磁場分布與高度的關(guān)系

保持雷電磁場的參數(shù)設(shè)置為“大f大I”不變，利用步進(jìn)電機(jī)結(jié)合絲桿改變雷電磁場距離地面的距離h(從57.5 cm遞減到45 cm，步長為2.5 cm)通過預(yù)先設(shè)定好的程序編碼，按鍵觸發(fā)，發(fā)送預(yù)設(shè)的脈沖信號驅(qū)動步進(jìn)電機(jī)，并帶動絲桿垂直運動。由此精準(zhǔn)控制距離h，減小人工操作帶來的誤差。

利用暫態(tài)循跡仿真分析法，可以得到下面的仿真圖6，通過對比，可以看到：

圖6 不同高度磁場分布

當(dāng)雷電距離地面的距離為57.5 cm、 55 cm、52.5 cm時，中心區(qū)域的磁場明顯比四周的磁場大，而當(dāng)距離下降之50 cm時，中心區(qū)域的磁場和四周區(qū)域的磁場相差不大，甚至略小于四周，下降至47.5 cm，45 cm時，中心區(qū)域明顯小于四周。

改變雷電參數(shù)(f，I)再次實驗，均得到類似的實驗結(jié)果。

實驗結(jié)果與分析：當(dāng)雷電距離地面較遠(yuǎn)時，雷電的劈擊點對磁場的影響較小，中心區(qū)域的磁場大于四周；當(dāng)雷電距離地面較近時，雷電的劈擊點對磁場的影響很大，因放電呈四周輻射狀，中心區(qū)域被直接劈中的概率小于四周，故而出現(xiàn)中心區(qū)域磁場明顯小于四周的結(jié)果。

5 結(jié) 語

通過利用LC電磁振蕩來進(jìn)行雷電磁場的模擬，更加接近自然界雷電的真實情形，同時放電頻率、脈寬、高度均可控實現(xiàn)了各種情形下雷電的受控模擬。采用二維平面點陣結(jié)合自制準(zhǔn)心的測量方法減小實驗誤差。利用Origin軟件得到磁場的三維分布圖，使實驗數(shù)據(jù)可視化。

為了實現(xiàn)磁場更全面的表征，運用原創(chuàng)“暫態(tài)循跡仿真分析法”，探究了雷電磁場分布與雷電與地面距離之間的關(guān)系。

實驗的過程和結(jié)論，對研究雷電磁場的大小、分布特征有一定的參考價值，對雷電的利用與防治也發(fā)揮著重要作用。