闪电形成原理：突出部位电荷聚集和电场强度增强

闪电是空气的云层由于各种原因，积累了大量电荷Q，因而与大地或别的参考面形成电场，产生电位差，当条件合适时放电，形成闪电，释放电荷的能量。

闪电的模型，简单考虑，可简化为一个平板电容。其基本公式为Q＝CU，Q 为电荷量，C 为等效电容，U 为电容电压。其中U 是电容两极板间电压，可由电场强度E 积分得到。如果电场是均匀的（简化），则U＝Ed，E 为电场强度，d 为极板间距离。理想平板电容C 的电容量C＝εA／d，其中ε 为介电常数，A 为极板面积，d 为极板间距离［1］。这时这个电容的能量可由QU 得到，这就是这个电容中电场所蕴含的能量。正常情况下，假设整个云层是均匀的，相应电场也是均匀的（类似理想平板电容）。如果云层中有一小部分有波动，导致其向参考面方向有一个移动（云层一部分突出）。用电容模型来分析，可看作平板电容的一小部分向参考面有一个位移。注意，位移这部分可以看作一个独立电容C1 与原有的大电容C 的并联。如果没有别的变动，Q 分布不变（没有电流流动），则这个小电容C1 电容量将增加（距离d 减小了），因而电压将减小。这时，由于小电容与原有大电容并联，大电容各参数均未改变，因而电压也不变。由于有电压差，将引起大电容电荷向小电容流动，直到两者电压相同为止。这样小电容的Q1 将增加。由电容公式Q＝CU，U＝Ed，C＝εA／d，可推导出Q＝EA；对于小电容而言，由于Q 增加而A 不变，那么其对应的电场E 将增强（图1）［2］。也就是说，其他部分的电荷流入这个突出部位，相应的电场减弱，而这个突出部位，由于流入电荷，其电场将增强。电场能量向该突出部位集中。

实际的云层电场情况和理想平板电容有一定区别。如果参考面是均匀平整的，在其突出部，电场应该以一突出部为顶点，相对于参考面的一个圆锥形，如图2 所示，这样，只有突出部附近空气才会电离。但是当突出部移动时，其内部电压、电荷移动以及电场变化规律与前述相似。

图1　平板电容模型中电场分布情况

图2　云层中的电场分布(www.xing528.com)

考虑一下这样的情况，如果云层能量增强，其电场将增大，在这里边，较低的突出部电场会更强一些（如前所述）。一旦条件合适，整个云层电场中将有一点会率先达到使空气电离的场强。这时该处空气电离，变为可导电的气体，这就等效于平板电容又增加了一部分。电离方向是电场最强的方向，一般就是云层与对应参考面的方向。这样等效于该突出部分又向参考面突出了一点。这样等效于该部分电容的距离d 又减小了。距离减小会使得等效电压降低，会引入新的电荷，这样该部分电场会进一步增强。这时，该方向上空气会进一步电离。距离会进一步减小，电荷会进一步向该处集中。该过程形成了一个正反馈，云层的电荷都向这个点集中，向参考面移动（闪电形成了），直到电流到达参考面，能量释放，闪电过程完成。

在电荷向该点集中的过程中，该点集聚的电荷越来越多，由前述电容公式可知，该突出部位的等效电场也会越来越强。也就是说，云层的电场能量逐步集中到这一个点上来了。这样该点的电场强度就非常高，会远远高于最开始引发空气电离所需的强度。具体能够达到的数值与云层集聚的总能量及放电距离有关。

通过该分析可以看到，这样的放电过程实际上是电容的电场能量向一个点快速集中的过程，这样在空间中一个局部区域可以达到一个很高的电场强度（远高于空气电离所需）。这样的系统，总的能量不一定很高（便于实现），但是局部空间的瞬时能量密度却可以很高。