1、压敏电阻选用的基本知识什么是压敏电阻器及其分类与参数? 压敏电阻器简称 VSR，是一种对电压敏感的非线性过电压保护半导体元件。它在电路中用文字符号“RV”或“R”表示，图 1-21 是其电路图形符号。 （一）压敏电阻器的种类压敏电阻器可以按结构、制造过程、使用材料和伏安特性分类。1按结构分类 压敏电阻器按其结构可分为结型压敏电阻器、体型压敏电阻器、单颗粒层压敏电阻器和薄膜压敏电阻器等。结型压敏电阻器是因为电阻体与金属电极之间的特殊接触，才具有了非线性特性，而体型压敏电阻器的非线性是由电阻体本身的半导体性质决定的。2按使用材料分类 压敏电阻器按其使用材料的不同可分为氧化锌压敏电阻器、碳化硅压敏电
2、阻器、金属氧化物压敏电阻器、锗（硅）压敏电阻器、钛酸钡压敏电阻器等多种。3按其伏安特性分类 压敏电阻器按其伏安特性可分为对称型压敏电阻器（无极性）和非对称型压敏电阻器（有极性）。（二）压敏电阻器的结构特性与作用1压敏电阻器的结构特性 压敏电阻器与普通电阻器不同，它是根据半导体材料的非线性特性制成的。图 1-22 是压敏电阻器外形，其内部结构如图 1-23 所示。普通电阻器遵守欧姆定律，而压敏电阻器的电压与电流则呈特殊的非线性关系。当压敏电阻器两端所加电压低于标称额定电压值时，压敏电阻器的电阻值接近无穷大，内部几乎无电流流过。当压敏电阻器两端电压略高于标称额定电压时，压敏电阻器将迅速击穿导通，并
3、由高阻状态变为低阻状态，工作电流也急剧增大。当其两端电压低于标称额定电压时，压敏电阻器又能恢复为高阻状态。当压敏电阻器两端电压超过其最大限制电压时，压敏电阻器将完全击穿损坏，无法再自行恢复。2压敏电阻器的作用与应用 压敏电阻器广泛地应用在家用电器及其它电子产品中，起过电压保护、防雷、抑制浪涌电流、吸收尖峰脉冲、限幅、高压灭弧、消噪、保护半导体元器件等作用。图 1-24 是压敏电阻器的典型应用电路。（三）压敏电阻器的主要参数压敏电阻器的主要参数有标称电压、电压比、最大控制电压、残压比、通流容量、漏电流、电压温度系数、电流温度系数、电压非线性系数、绝缘电阻、静态电容等。1压敏电压： 所谓压敏电压，
4、即击穿电压或阈值电压。指在规定电流下的电压值，大多数情况下用 1mA直流电流通入压敏电阻器时测得的电压值，其产品的压敏电压范围可以从 109000V 不等。可根据具体需要正确选用。一般 V1mA=1.5Vp=2.2VAC，式中，Vp 为电路额定电压的峰值。VAC 为额定交流电压的有效值。ZnO 压敏电阻的电压值选择是至关重要的，它关系到保护效果与使用寿命。如一台用电器的额定电源电压为 220V，则压敏电阻电压值 V1mA=1.5Vp=1.51.414220V=476V，V1mA=2.2VAC=2.2220V=484V，因此压敏电阻的击穿电压可选在 470480V 之间。MYG05K 规定通过的
5、电流为0.1mA，MYG07K、MYG10K、MYG14K、MYG20K 标称电压是指通过 1mA 直流电流时，压敏电阻器两端的电压值。2最大允许电压（最大限制电压）：此电压分交流和直流两种情况，如为交流，则指的是该压敏电阻所允许加的交流电压的有效值，以 ACrms 表示，所以在该交流电压有效值作用下应该选用具有该最大允许电压的压敏电阻，实际上 V1mA 与 ACrms 间彼此是相互关联的，知道了前者也就知道了后者，不过 ACrms 对使用者更直接，使用者可根据电路工作电压，可以直接按 ACrms 来选取合适的压敏电阻。在交流回路中，应当有：min(U1mA) (2.22.5)Uac，式中 U
6、ac 为回路中的交流工作电压的有效值。上述取值原则主要是为了保证压敏电阻在电源电路中应用时，有适当的安全裕度。对直流而言在直流回路中，应当有：min(U1mA) (1.62)Udc，式中 Udc 为回路中的直流额定工作电压。在交流回路中，应当有：min(U1mA) (2.22.5)Uac，式中 Uac 为回路中的交流工作电压的有效值。上述取值原则主要是为了保证压敏电阻在电源电路中应用时，有适当的安全裕度。在信号回路中时，应当有：min(U1mA)(1.21.5)Umax，式中 Umax 为信号回路的峰值电压。压敏电阻的通流容量应根据防雷电路的设计指标来定。一般而言，压敏电阻的通流容量要大于等于
7、防雷电路设计的通流容量。3通流容量： 所谓通流容量，即最大脉冲电流的峰值是环境温度为 25情况下，对于规定的冲击电流波形和规定的冲击电流次数而言，压敏电压的变化不超过 10时的最大脉冲电流值。为了延长器件的使用寿命，ZnO 压敏电阻所吸收的浪涌电流幅值应小于手册中给出的产品最大通流量。然而从保护效果出发，要求所选用的通流量大一些好。在许多情况下，实际发生的通流量是很难精确计算的。简单的讲-通流容量也称通流量，是指在规定的条件（以规定的时间间隔和次数，施加标准的冲击电流）下，允许通过压敏电阻器上的最大脉冲（峰值）电流值。一般过压是一个或一系列的脉冲波。实验压敏电阻所用的冲击波有两种，一种是为 8
8、/20s 波，即通常所说的波头为 8s 波尾时间为 20s 的脉冲波，另外一种为2ms 的方波，如下图所示： 4最大限制电压： 最大限制电压是指压敏电阻器两端所能承受的最高电压值，它表示在规定的冲击电流 Ip 通过压敏电阻时次两端所产生的电压此电压又称为残压，所以选用的压敏电阻的残压一定要小于被保护物的耐压水平 Vo,否则便达不到可靠的保护目的，通常冲击电流 Ip 值较大，例如 2.5A 或者 10A，因而压敏电阻对应的最大限制电压 Vc 相当大，例如 MYG7K471 其 Vc=775(Ip=10A 时)。5最大能量(能量耐量)： 压敏电阻所吸收的能量通常按下式计算 W=kIVT(J)其中
9、I流过压敏电阻的峰值V在电流 I 流过压敏电阻时压敏电阻两端的电压T电流持续时间k电流 I 的波形系数对：2ms 的方波 k=18/20s 波 k=1.410/1000s k=1.4压敏电阻对 2ms 方波，吸收能量可达 330J 每平方厘米；对 8/20s 波，电流密度可达 2000A 每立方厘米，这表明他的通流能力及能量耐量都是很大的一般来说压敏电阻的片径越大，它的能量耐量越大，耐冲击电流也越大，选用压敏电阻时还应当考虑经常遇到能量较小、但出现频率次数较高的过电压，如几十秒、一两分钟出现一次或多次的过电压，这时就应该考虑压敏电阻所能吸收的平均功率。6电压比： 电压比是指压敏电阻器的电流为
10、1mA 时产生的电压值与压敏电阻器的电流为 0.1mA 时产生的电压值之比。7额定功率： 在规定的环境温度下所能消耗的最大功率。8最大峰值电流 一次：以 8/20s 标准波形的电流作一次冲击的最大电流值，此时压敏电压变化率仍在10%以内。2 次：以 8/20s 标准波形的电流作两次冲击的最大电流值，两次冲击时间间隔为 5 分钟，此时压敏电压变化率仍在10%以内。9残压比： 流过压敏电阻器的电流为某一值时，在它两端所产生的电压称为这一电流值为残压。残压比则的残压与标称电压之比。10漏电流： 漏电流又称等待电流，是指压敏电阻器在规定的温度和最大直流电压下，流过压敏电阻器的电流。11电压温度系数：
11、电压温度系数是指在规定的温度范围（温度为 2070）内，压敏电阻器标称电压的变化率，即在通过压敏电阻器的电流保持恒定时，温度改变 1时压敏电阻两端的相对变化。12电流温度系数： 电流温度系数是指在压敏电阻器的两端电压保持恒定时，温度改变 1时，流过压敏电阻器电流的相对变化。 13电压非线性系数： 电压非线性系数是指压敏电阻器在给定的外加电压作用下，其静态电阻值与动态电阻值之比。14绝缘电阻： 绝缘电阻是指压敏电阻器的引出线（引脚）与电阻体绝缘表面之间的电阻值。15静态电容： 静态电容是指压敏电阻器本身固有的电容容量。2 压敏电阻器的应用原理 B5_|( 压敏电阻器是一种具有瞬态电压抑制功能的元
12、件，可以用来代替瞬态抑制二极管、齐纳二极管和电容器的组合。压敏电阻器可以对 IC 及其它设备的电路进行保护，防止因静电放电、浪涌及其它瞬态电流（如雷击等）而造成对它们的损坏。使用时只需将压敏电阻器并接于被保护的 IC 或设备电路上，当电压瞬间高于某一数值时，压敏电阻器阻值迅速下降，导通大电流，从而保护 IC 或电器设备；当电压低于压敏电阻器工作电压值时，压敏电阻器阻值极高，近乎开路，因而不会影响器件或电器设备的正常工作。 ee 1nWWl 压敏电阻器的应用广泛,压敏电阻主要可用于直流电源、交流电源、低频信号线路、带馈电的天馈线路。从手持式电子产品到工业设备，其规格与尺寸多种多样。随着手持式电子
13、产品的广泛使用，尤其是手机、手提电脑、PDA、数字相机、医疗仪器等，其电路系统的速度要求更高，并且要求工作电压更低，这就对压敏电阻器提出了体积更小、性能更高的要求。因此，表面组装的压敏电阻器元件也就开始大量涌现，而其销售年增长率要高于有引线的压敏电阻器一倍多。 +bKzzB 预计 2002 年压敏电阻器的市场增长率为 13，其中，多层片式压敏电阻器市场增长率为 2030，径向引线产品增长率为 510。需求主要来自于电源设备，包括 DC 电源设备、不间断电源，以及新的消费类电子产品，如数字音频/视频设备、视频游戏，数字相机等。片式压敏电阻器已占美国市场销售总额的 4045。（0402）尺寸的片式
14、压敏电阻器最受欢迎。0201 尺寸的产品尚未上市。AVX 公司的0402 片式压敏电阻器有 5.6V、9V、14V 和 18V 等几种电压范围的产品，它们的额定功率为 50mJ,典型电容值范围从 90pF(18V 的产品)360pF(5.6V 的产品)。MaidaDevelopment 公司也生产片式系列的压敏电阻器，但目前只推出了非标准尺寸的产品，1210、1206、0805、0603 和 0402 的产品正在试产。Littelfuse 公司在 2000 年底前推出 0201 的产品。AVX 和 Littelfuse 公司已推出电压抑制器阵列，如 AVX推出的 Multiguard 系列四联
15、多层陶瓷瞬态电压抑制器阵列（即压敏电阻器阵列）已经被市场接纳。可节省50的板上空间，75的生产装配成本。Multiguad 系列采用 1206 型规格。其中有一种双联元件采用0805 规格，工作电压有 5.6V、9V、14V 和 18V 等几种，额定功率为 0.1J。AVX 公司推出 Transfeed 多层陶瓷瞬态电压抑制器。该产品综合了公司 Transguard 系列压敏电阻器和 Feedthru 系列电容器/滤波器的功能。采用 0805 规格。该组件具有性能优势，更快的导通时间（或称响应时间，在 200ps250ps 之间）和更小的并行系数。 -6zX0 Littelfuse 制造的 M
16、LN 浪涌阵列组件 1206 规格，内装 4 只多层压敏电阻器。该产品的 ESD 达到IEC67100042 第四级水平。其主要特性包括：感抗(1nH)，相邻通道串扰典型值 50dB（频率 1MHz 时），在额定电压工作状态下，漏电流为 5A,工作电压高达 18V，电容值可由用户指定。这种 MLN 贴片组件可用于板级 ESD 保护，应用领域包括手持式产品、电脑产品、工业及医疗仪器等。 lZ prD= EPCOS 公司推出了 T4NA230XFV 集成浪涌抑制器，内含两只压敏电阻器和一种短路装置。该产品用于电信中心局和用户线一侧的通信设备保护。3.压敏电阻的选用 1、氧化锌压敏电阻器应用原理压敏
17、电阻是一种限压型保护器件。利用压敏电阻的非线性特性，当过电压出现在压敏电阻的两极间，压敏电阻可以将电压钳位到一个相对固定的电压值，从而实现对后级电路的保护。压敏电阻的主要参数有：压敏电压、通流容量、结电容、响应时间等。压敏电阻的响应时间为 ns 级，比空气放电管快，比 TVS 管稍慢一些，一般情况下用于电子电路的过电压保护其响应速度可以满足要求。压敏电阻的结电容一般在几百到几千 pF 的数量级范围，很多情况下不宜直接应用在高频信号线路的保护中，应用在交流电路的保护中时，因为其结电容较大会增加漏电流，在设计防护电路时需要充分考虑。压敏电阻的通流容量较大，但比气体放电管小。压敏电阻器与被保护的电器
18、设备或元器件并联使用。当电路中出现雷电过电压或瞬态操作过电压 Vs 时，压敏电阻器和被保护的设备及元器件同时承受 Vs，由于压敏电阻器响应速度很快，它以纳秒级时间迅速呈现优良非线性导电特性(见图 3 中击穿区)，此时压敏电阻器两端电压迅速下降，远远小于 Vs，这样被保护的设备及元器件上实际承受的电压就远低于过电压 Vs，从而使设备及元器件免遭过电压的冲击。2、氧化锌压敏电阻器压敏电压的选择根据被保护电源电压选择压敏电阻器的规定电流下的电压 V1mA。一般选择原则为：对于直流回路：V1mA2.0VDC对于交流回路：V1mA2.2V 有效值特别指出对于压敏电阻压敏电压的选择标准是要高于供电电压，在
19、能够满足可以保护需要保护器件的的同时，尽可能选择压敏电压高的压敏电阻，这样不仅可以保护器件，也能提高压敏电阻的使用寿命。比如要保护的器件耐压为 Vdc=550Vdc,器件的工作电压 V=300Vdc,那么我们选择压敏电阻就应该是压敏电压为 470V 的压敏电阻，压敏电压范围是(423-517)，压敏电压最大负误差 470-47=423Vdc 大于器件的供电电压 300Vac，最大正误差为 470+47=517Vdc 小于器件的耐压 550Vdc。选用时还必须注意：（1）必须保证在电压波动最大时，连续工作电压也不会超过最大允许值，否则将缩短压敏电阻的使用寿命；（2）在电源线与大地间使用压敏电阻时
20、，有时由于接地不良而使线与地之间电压上升，所以通常采用比线与线间使用场合更高标称电压的压敏电阻器。3、通流量的选取 通常产品给出的通流量是按产品标准给定的波形、冲击次数和间隙时间进行脉冲试验时产品所能承受的最大电流值。而产品所能承受的冲击数是波形、幅值和间隙时间的函数，当电流波形幅值降低 50时冲击次数可增加一倍，所以在实际应用中，压敏电阻所吸收的浪涌电流应小于产品的最大通流量。4、应用 图 1 所示是采用压敏电压器进行电路浪涌和瞬变防护时的电路连接图。对于压敏电阻的应用连接，大致可分为四种类型：第一种类型是电源线之间或电源线和大地之间的连接，如图 1（a）所示。作为压敏电阻器，最具有代表性的
21、使用场合是在电源线及长距离传输的信号线遇到雷击而使导线存在浪涌脉冲等情况下对电子产品起保护作用。一般在线间接入压敏电阻器可对线间的感应脉冲有效，而在线与地间接入压敏电阻则对传输线和大地间的感应脉冲有效。若进一步将线间连接与线地连接两种形式组合起来，则可对浪涌脉冲有更好的吸收作用。第二种类型为负荷中的连接，见图 1（b）。它主要用于对感性负载突然开闭引起的感应脉冲进行吸收，以防止元件受到破坏。一般来说，只要并联在感性负载上就可以了，但根据电流种类和能量大小的不同，可以考虑与 RC 串联吸收电路合用。第三种类型是接点间的连接，见图 1（c）。这种连接主要是为了防止感应电荷开关接点被电弧烧坏的情况发
22、生，一般与接点并联接入压敏电阻器即可。第四种类型主要用于半导体器件的保护连接，见图 1（d）。这种连接方式主要用于可控硅、大功率三极管等半导体器件，一般采用与保护器件并联的方式，以限制电压低于被保护器件的耐压等级，这对半导体器件是一种有效的保护。 5、选型原则如果电器设备耐压水平 Vo 较低，而浪涌能量又比较大，则可选择压敏电压 V1mA 较低、片径较大的压敏电阻器；如果 Vo 较高，则可选择压敏电压 V1mA 较高的压敏电阻器，这样既可以保护电器设备，又能延长压敏电阻使用寿命。压敏电阻器主要应用于各种电子产品的过电压保护电路中，它有多种型号和规格。所选压敏电阻器的主要参数（包括标称电压、最大
23、连续工作电压、最大限制电压、通流容量等）必须符合应用电路的要求，尤其是标称电压要准确。标称电压过高，压敏电阻器起不到过电压保护作用，标称电压过低，压敏电阻器容易误动作或被击穿。 6、氧化锌压敏电阻器的使用方法压敏电阻器是一种无极性过电压保护元件，无论是交流还是直流电路，只需将压敏电阻器与被保护电器设备或元器件并联即可达到保护设备的目的(如图 4 所示)当过电压幅值高于规定电流下的电压，过电流幅值小于压敏电阻器的最大峰值电流时(若无压敏电阻器足以使设备元器件破坏)，压敏电阻器处于击穿区，可将过电压瞬时限制在很低的幅值上，此时通过压敏电阻器的浪涌电流幅值不大(100A/cm 2),不足以对压敏电阻
24、器产生劣化；当过电压幅值很高时，压敏电阻器将过电压限制在较低的水平上(小于设备的耐压水平)，同时通过压敏电阻器的冲击电流很大，使压敏电阻器性能劣化即将失效，这时通过熔断器的电流很大，熔断器断开，这样既可使电器设备、元器件免受过电压冲击，也可避免由于压敏电阻器的劣化击穿造成线路 L-N、L-PE 之间短路(推荐的熔断器规格见表1)。压敏电阻器在电路的过电压防护中，如果正常工作在图 3 的预击穿区和击穿区，理论上是不会损坏的。但由于压敏电阻器要长期承受电源电压，电路中暂态过电压、超能量过电压随机的不断冲击及吸收电路储能元件释放能量，因此，压敏电阻器也是会损坏的，它的寿命根据所在电路经受的过电压幅值
25、和能量的不同而不同。在电子镇流器和节能灯过压保护的压敏电阻,一般小于 20W 选用 MYG07K 系列，30W-40W 一般选用 MYG10 系列的压敏电阻做过压保护一、压敏电阻的连接线问题将压敏电阻接入电路的连接线要足够粗，推荐的连接线的尺寸注：接地线为 5.5 mm2 以上连接线要尽可能短，且走直线，因为冲击电流会在连接线电感上产生附加电压，使被保护设备两端的限制电压升高。压敏电阻通流量 600A (6002500)A (25004000)A (400020K)A导线截面积 0.3 mm2 0.5 mm2 0.8 mm2 2 mm2例如：若压敏电阻 MY 两端各有 3 cm 长的接线，它的
26、电感量 L 大体为 18 nH，若有 10 KA 的 8/20 冲击电流流入压敏电阻，把电流的升速看作 10KA / 8s，则引线电感上的附加电压 UL1、UL2 大体为UL1= UL2=L(di/dt)=1810-9( 10103 / 810-6 )=22.5 V这就使限制电压增高了 45V。二、压敏电阻的串联和配对压敏电阻可以很简单地串联使用。将两只电阻体直径相同（通流量相同）的压敏电阻串联后，漆压敏电压、持续工作电压和限制电压相加，而通流量指标不变。例如在高压电力避雷器中，要求持续工作电压高达数千伏，数万伏，就是将多个 ZnO 压敏电阻阀片迭和起来（串联）而得到的。压敏电阻可以并联，目的
27、是获得更大的通流量，或者在冲击电流峰值一定的条件下减小电阻体中的电流密度，以降低限制电压。当要求获得极大的通流量 例如 8/20，（50200）KA ，且压敏电压又比较低（例如低于 200V）时，电阻体的直径 / 厚度比太大，在制造技术上有困难，且随着电阻体直径的加大，电阻体的微观均匀性变差，因此通流量不可能随电阻体面积成比例地增大。这时用较小直径的电阻片并联可能是个更合理的方法。由于高非线性，压敏电阻片的并联需要特别小心谨慎，只有经过仔细配对，参数相同的电阻片相并联，才能保证电流在各电阻片之间均匀分配。针对这种需求，本公司专门为用户提供配对的电阻片。此外，纵向连结的几个压敏电阻器，使用经过配
28、对的参数一致的压敏电阻器后，当冲击侵入时，出现在横向的电压差可以很小。在这种情况下，配对也是有意义的。三、压敏电阻与气体放电器件的串联和并联压敏电阻可以与气体放电管、空气隙、微放电间隙等气体放电器件相串联（图 10.5a），这个串联组合的正常工作要满足两个基本条件：、系统电压上限值应低于气体放电器件 G 的直流击穿电压；、G 点火后在系统电压上限值下，压敏电阻 MY 中的电流应小于 G 的电弧维持电流，以保证 G 的熄弧。这种串联组合具有电容量小，工作频率高；漏电流极小安全性好；以及不存在压敏电阻 MY 在系统电压下老化的问题，因而可靠性高等优点，但同时也有气体放电器件相应慢所引起的“让通电压
29、“问题。压敏电阻也可与气体放电管并联，以降低气体放电管的冲击点火电压。雷电与防雷误区 随着电子技术的发展，电子器件已进入大规模集成电路时代。电子设备的功能得以改善，运行的可靠性不断提高，然而防雷的能力却大大地降低了。现在，每年遭到雷击而造成的损失数以亿元计，所以研究保护微电子设备免遭雷电危害已成为一个重要课题。虽然近两个世纪出现了很多的防雷方法和派生出很多防雷器件，但由于对雷电的了解不全面或对器件性能的偏见，往往得不到预期的效果。由于不得其法，浪费了大量资财。本文阐述雷电的成因并指出当前防雷误区，力图打破似乎冻结的防雷方法的规范，以求防雷研究的进展。1 雷电的形成1.1 自然界的自由电荷在电子
30、学中，当人们研究电的现象时发现构成物质的微单元的原子中，围绕原子核高速旋转的外层电子易受外界条件的影响而逸出，使原子缺少电子或者自由电子单独存在而对外部形成电场的带电现象。金属导体和绝缘体的内部结构区别在于：金属导体中的自由电子内部引力较弱，而绝缘体内部引力较强。所以在金属导体环路中，如加上一种使自由电子逸出的力量（这个力量我们叫电压），由于环路中电压的存在，金属中的电子产生位移式的流动，不过金属内的正负电荷量的绝对值是相等的，一旦去掉加在环路中的电压，环路立即处于中性，没有电子的流动，不再产生电场。对非环路的金属，比如两块相互平行的金属板，它们之间以空气为介质，如在这两块板上加上电压，金属导
31、体中的电子按同性相斥，异性相吸规律，使电子向一面流动，产生电场，这种现象称为静电现象。这时对某一块金属来说，它们电荷的正负电量的绝对值就不相等了，这时如去掉加在其上的电压，它不像环路那样呈现电中性，却仍保持带电性质，仍然有电场的存在，但是随着时间的推移，这个电场会自然消失。正统的理论解释为 A 片金属的电子通过介质层逐步释放给 B 片金属的结果，这是以环路电流理论为依据的论点。但是，如果将两块已充了电的金属块瞬间拉开到不可能从 A 向 B 释放电子的距离，两块金属会不会永久性地带电呢？事实告诉我们，随着时间的推移带电现象也随之消失，这是什么原因呢？教科书上提到的摩擦起电现象，即绝缘体相互摩擦后
32、，绝缘体出现带电现象，在这种情况下，是否需要两件物体再接触一下才能使绝缘体呈现带电中性呢？事实并非如此，这些悬于空间的带电物体，不管带电性质如何，只要与大地接触一下，带电现象就立即消失。因此这种现象告诉我们，在自然界中，A 给 B 的电荷，A 不必从 B 收回，B 多余的电荷也不一定向 A 输出，这与金属环路电流理论是不相同的。同时可以推定，自然空间（包括大地在内）各种物体电荷的拥有量的绝对值是不相等的，就是说自然界拥有巨大的自由电荷量。自然界之所以拥有大量的自由电荷，从电势形成概念而言，有电磁效应、化学效应、摩擦起电及射线等诸方面原因，现代科学可以做到测量人脑电流的运动来判断脑的活动。自然界
33、的自由电荷的成因，用能量守恒定律来规范，可以这样说：凡有物质运动的地方（包括宇宙射线），就会产生电子运动并形成自由电荷，这是一种能转换成另一种能的变换过程，所以自然界物质的运动是自然界产生自由电荷的根源。所谓自然界，包括天空与大地这样广阔的空间，这个空间不存在电荷的中性，就大地而言，我们称之为零电位，但大地本身因物质的运动其电位并非为零，它拥有大量的自由电荷，我们可以做一个简单的小实验：用一副耳机，或者一只毫伏表，两根同金属性质的金属棒，在一定距离内分别将金属棒插入地下，棒与棒之间用耳机可以听到地电荷的噪音，如果接上毫伏表发现有电压指示，而这种指示不因放电时间的加长而消失，单线传输的电话线路，
34、电话的耳机里的噪音也连续不断，这些都说明大地自由电荷的存在。当然用上述方法无法测量天空自由电荷，但是我们用长波和中波收音机收听电台时，噪音干扰也连续不断，以此证明，天空中有不断的放电现象，说明天空中存在丰富的自由电荷，同时又能形成一定强度的电场放电。这里反复地论证自然界存在自由电荷，其目的是要解释雷电产生的根源，因为教科书上的环路理论不能对雷电成因进行解释。1.2 雷电场的产生雷电的能量是巨大的，在人类活动中，任何单一的电站所发出的电能不可能产生一次雷电所释放的能量，那么这样大的能量积聚是怎样形成的呢？上面说过，由于物质的运动自然界产生巨大的自由电荷，当然这些自由电荷是产生雷电的根源。从电子学
35、中得知，要形成一个强大的电场，一定是其中一方是同性质电荷的积累，但是在天空中空气是绝缘的，同性质的电荷又相斥，它们不可能积聚在一起，不可能形成能量的集中，天空中的物质受气流、宇宙射线的影响而产生自由电荷，且不断增加，在大气层的挤压下向太空高层运动，形成一个电离层，这个电离层是含单性电荷的电子层，其电场的能量是不可估量的。当大气层中出现潮湿的空气，在上升阶段又遇冷空气结成水状云块时，由于云块可看成是一个整体的导体，在电离层电场力的作用下，云层中的电子推向面向地的一端，虽然云块正负电荷的绝对值相等，但实际上形成了一个静电场，在晴天，云块远距地面而且云块与大地间潮湿空气较稀，它们之间介质绝缘程度较高，不易发生击穿放电现象，但是在雨天，特别是热雨季节，由于云层下降，空气潮湿，在此条件下带电云块击穿空气向大地放电而形成雷电。雷电不单纯是空间对地放电，往往在空间也会形成雷电。这是因为带电云块在空间的位置较高，当地面的潮湿空气急速上升时，它与带电云块形成的电场在空间放电，形成高空雷电。上面说过，云块受电离层电场力的作用产生静电现象，这些云块向地放电以后，其本身产生电离即云块的正负电量的绝对值不相等，形成带电现象，带电云块随着气流运动与另一云块形成电场，当它们逐渐接近时产生放电现象是形成空中雷的原因，当我们观察雷电在空间放电时，往往是一次接一次有连续不断的感觉。
