电磁干扰与电磁兼容浅谈(一)(连载)

1．一个让人胆战心惊的星球

电磁干扰对人类危害最大的，实际上还是我们居住的地球，其中雷电干扰对人类的生活危害最大。雷电不但对人类的生存造成很大的威胁，对树木、森林、房屋、建筑，以及电器设备都会造成很大的损害和破坏。

根据统计，地球每一秒钟就有100多次闪电，每次闪电产生的能量可供一个100瓦的灯泡点亮3个月；在雨季，平均每6分钟就有一个人被雷电击中；每年有成千上万的人因雷电击中而丧伤，还有大片的森林因雷电击中而起火烧毁，雷电还经常使高压电网、以及通信出现故障，使城市供电和通信中断，引起城市交通失控出现混乱；连英国的白金汉宫也曾遭受过雷电严重破坏，上个世纪50年代，白金汉宫就是因一块窗帘布被雷电击中而起火燃烧；上海电视台平均每年要遭受33次大的雷击，每次雷击都会使电子设备遭受不同程度的损坏；1992年6月22日，北京国家气象中心多台计算机接口因感应雷击被毁，损失二仟多万元；1992年8月23日，赣州市60%的有线电视和50%闭路电视遭受过雷击，其中91台电视机因感应雷击而毁于一旦；2006年6月9日，南韩一架大型客机在空中遭受雷击，头部解体脱落，幸好没有人员伤亡。

很多人都不清楚，地球也是一个带电体。根据实验测试，在地球表面存在一个垂直向下的稳定电场，电场强度E约为100伏/米，场强的大小随高度的增加而减弱。另外，根据实验测试，在地面附近大气的电导率σ0约为3×10-14西蒙/米，且随高度的增加而增加。由此可知地球表面的电流密度j的方向指向地心，大小为： 
 

故从大气流向地球表面的总电流强度I为： 
 

R为地球的半径，取6?×105米，由此可求出I的值约为1.4×103A。根据： 
 

可求出地球表面的电位约为4×105V。

这里说的带电，严格来说是带电体相对于无限远处的电位差，或物体的电位中性而言。人们在进行理论分析的时候，都是把无限远处定义为零电位，但在实际应用中，人们已习惯于把地球当成零电位，这对于一般的实际应用，并不会造成很大的影响，但这种假设有时也会阻碍我们的视野。

任何带电物体都可以看成是一个电容，电容量C=Q/U，Q为带电物体的电荷量，U为带电物体的电位，即指带电物体到无限远处的电位差。因此，地球也可以看成是一个大容量的电容，其电容量正好为1法拉。

这里说的电容与电容器是有区别的，电容器一般都由两块中间以介质绝缘的极板组成，当电容器被充电的时候，两块极板带的电荷量相等，但符号相反，在电容器两极板所带的电荷不改变的条件下，两块极板之间的电压，可因电容器两极板之间的距离改变而改变，其电容量的大小也会跟着两极板之间的距离改变而改变，这是因为两极板之间电场互相作用的缘故。

而这里所指的电容，其电容量是不会因带电物体的位置改变而改变的。因此，这里说的电容是相对于一个孤立带电物体而言，不受其它电场所影响，而电容器则是相对于两个或两个以上带电物体而言，电容大小要受两个或两个以上极板产生的电场互相影响。另外，电容充放电是不需要回路的，两个带电体互相接触，谁的电位高，谁就要放电，谁的电位低，谁就会被充电，而电容器充放电必须要有一个闭合回路。

实际上，地球不但是个电容(相对于无限远处)，并且地球还相当于电容器的一个电极，电容器的另一个电极是电离层，而大气层就是电介质，如图1所示。 
 

地球带电的原因，一个是由于地球作为一个冷星球长年都在接收大量带电宇宙射线微粒子的辐射，另一个是外层空间紫外线对空气照射产生电离层，并对地球表面产生感应，以及热气流互相摩擦带电而产生感应等等。根据基尔克夫定理：流过任何导体电流的代数和都等于零，即： 

根据上式结果，地球不但有电流流入，而且也应该有电流流出，那么流出地球的电流到哪里去了呢？

前面已经指出，地球平均每一秒钟有100多次闪电，而闪电也是一个放电过程，由此可知，原来每秒中流进地球1.4×103安培的电流就是用来打雷放电的。如果地球不经常打雷放电，试想，地球电位正好是每秒要增加1.4×103伏特，一小时后地球电位就可以增加到500多万伏，一天之后地球电位又会增加到12000多万伏，这是一个多么巨大的数字，在此电场强度之下，任何东西都可能会被击穿。所以，地球时时刻刻都在放电才应该是正常的。

防止雷电的最有效方法就是静电屏蔽，例如，高压电网为了避免雷击，除了电线塔的高度要求比高压电网线的高度高之外，在高压电网线的最上面还要设置一根屏蔽线，这根屏蔽线通过电线塔与大地连接。当遇到打雷时，屏蔽线首先与