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发信人: zjliu (秋天的萝卜), 信区: Physics
标  题: 云中电荷从哪来
发信站: 哈工大紫丁香 (Mon Jun 23 18:42:34 2003)

发信站: BBS 曙光站 

这是上面《物理学的极限》一文的作者最近发表在《科学》月刊
（科学美国人中文版。国际标准刊号：ISSN1002-1299。
国内统一刊号：CN50—1073/N。代号：78—71。）上的文章。
虽然只是一篇小科普文章，但文中的观点是作者首次提出的，
有点意思。供大家参考。
                      云中电荷从哪来
                         刘西元

天上为什么会打雷，云为什么会带电，其中的道理，几百年来人们
一直在苦苦追求，至今没有一个统一的、合乎逻辑的说法，始终是
个谜。日前，笔者做了一个实验，证实了水份蒸发时，水蒸气带走
了负电荷。这一发现也许会对说明云中电荷的来源有所帮助。
实验的过程是这样的。取一个烧杯，倒入150毫升普通自来水，放在
一个小电炉上加热。用石墨棒做电极，将水通过一组12微法cj41型
电容器接地。结果发现，随着水分的蒸发，电容器逐渐充满了电荷。
测量结果明确显示，水蒸气带走了负电荷。此实验采用不同容器进
行多次，结果都相同，无一次例外。
在每分钟蒸发掉4毫升水的前提下，2分钟时间里，电容器所充电量
可使指针式50微安的电流表打到22微安。由于电容器放电特性和表
针的惯性，采用这种方法不可能测到电容器的启始瞬时值。事后，
我又用不同数值的稳恒电压对本组电容器进行充放电试验，得出对
应于本微安表22微安放电电流的本电容器充电电压是0.8伏。由此可
以推出，水蒸发时，至少约每40亿个水分子携带一个负电荷。这个
数值看起来很小，其实并不小。按此数值推算，如果在下雨的过程
中电荷一点也不损失，则每立方米雨水中会带有1.2库仑的负电荷。
这相当于一个1000微法的电容器在1200伏充电电压下所带的电荷。
在正常情况下，水中的氢离子数和氢氧根离子数是相等的。每种单
个离子所带电荷数也是相等的。但由于氢离子就是质子，其半径很
小，吸附作为极性分子的水分子的能力就很强。强酸能把高分子有
机物中的水分子夺取出来而显示出强烈的腐蚀性就是这种能力的有
力证明。这样，氢离子与水分子组成的相对牢固的结合体的体积和
质量相对于水分子来说就很大，很难脱离水面随水分子蒸发出去。
相对而言，氢氧根离子就比较容易随水分子蒸发出去。这可能就是
水蒸气会带有负离子的机理。由于海面不断有大量水份蒸发，树林
中的空气潮湿而流动慢，故海边和林中的空气里富含负离子。从而
可以得知，云也必定会带有负离子。
携带着氢氧根离子的一定浓度的水蒸气升到高空被冷却后，会变成
中的空气潮湿而流动慢，故海边和林中的空气里富含负离子。从而
可以得知，云也必定会带有负离子。
携带着氢氧根离子的一定浓度的水蒸气升到高空被冷却后，会变成
小水珠即形成了云。由于氢氧根离子带有负电荷，每个小水珠也就
都带有负电荷。这样，若云不进一步被冷却，由于同种电荷的相斥
作用，小水珠之间会尽可能保持相等的距离，而不会因万有引力作
用聚合成雨滴。当云被急剧冷却时，小水珠间饱含水份的空气中又
会出现许多小水珠，使小水珠越来越密集。由于气流的作用和水的
表面张力的作用，小水珠的体积会越来越大。又由于导体带电时电
荷只处在其表面，小水珠变大时，单位质量的水的表面积缩小，水
珠表面的电荷密度就会增加，使得云与云、云与地之间的电位差增
加。这种电位差大到一定程度，就会引起放电，这就是打雷。云中
小水珠所带电荷释放后，静电推斥力消逝或减少了，会使小水珠的
聚合变得更容易。所以，我们常常看到，先是雷鸣电闪，即而大雨
倾盆。
如果我们找到了云中电荷的来源，也就了解了雷电活动的真正机理。
象球形闪电等百思不得其解的自然现象就很容易理解了。

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