运动带电粒子电磁场方程在雷电电磁脉冲分析中的应用

论文摘要

闪电放电时由于电流脉冲的急剧变化会在通道周围产生很强的雷电电磁脉冲,对雷电电磁脉冲的详细分析和精确计算对于雷电防护和闪电定位具有重要的现实意义。电流脉冲的形成和传输过程实质上是电荷移动的结果,因此可以将电流脉冲视为运动电荷。需要注意的是,本文描述的在通道中运动的电荷并不是指实际的电荷,而是一种宏观的等效运动电荷。本文基于运动带电粒子的辐射电磁场方程,通过分析电荷在放电通道中的运动状态进而计算雷电电磁场。基于运动电荷场方程和偶极子法分别对CP和CG回击模型电磁场进行计算。在CP模型中,回击是自地面始发的电流脉冲沿通道向上传输的过程。在通道底部,运动电荷由静止加速至回击速度的过程会产生加速辐射场,电荷沿通道匀速运动时有速度场产生。CG模型中的回击电流由通道单元释放的电晕电流组成。由于电晕电流以光速传输,不产生速度场。计算结果表明,针对不同回击模型,虽然两种方法得到的电磁场分量各不相同,但是总场结果一致。本文方法还可用于计算分析由回击模型扩展得到的雷击高塔模型电磁场。雷击高塔时电荷在高塔和雷电通道中的运动状态不同。高塔中的电荷以光速在塔顶和塔底之间来回反射运动,并在塔顶和塔底产生辐射场。电荷在雷电通道中的运动状态与所选模型有关。当通道电流随高度衰减时,部分电荷沿通道减速至静止状态,在此过程中会有减速辐射场产生,通道中的静止电荷还会产生静电场。基于本文方法计算各种雷击高塔模型电磁场时发现,在近场区域,电流随高度指数衰减的MTLE模型由于静电场较大致使其总电场最大。在远场区域,由于速度场的减小以及通道减速辐射场的作用,MTLE模型的电场最小。本文雷击高塔电磁场的计算结果与文献中其他方法的结果一致。虽然在常规方法中使用与短偶机子相关联的场分量(静电场、感应场和辐射场)可以准确地描述闪电回击电磁场。但是,各电磁场分量与产生该分量的物理过程之间的一一对应关系却丢失了。本文基于运动电荷的场方程得到相关电流脉冲的电磁场表达式,并将其分为静电场、速度场和辐射场,从电荷运动的角度说明各场分量的产生所对应的通道物理过程以及随1/r~n变化的原因。

论文目录

• 摘要
• Abstract
• 第一章 绪论
•   1.1 研究的目的和意义
•   1.2 国内外研究进展
•   1.3 本文研究的主要内容及章节安排
• 第二章 基于运动带电粒子电磁场推导电流脉冲电磁场
•   2.1 运动带电粒子的电磁场
•   2.2 电流脉冲的速度场和辐射场基本公式
•   2.3 匀速无衰减电流脉冲传输时的电磁场
•   2.4 非匀速衰减电流脉冲传输时的电磁场
•   2.5 本章小结
• 第三章 地闪回击电磁场
•   3.1 CP回击模型电磁场
•     3.1.1 回击通道基电流模型
•     3.1.2 v=c时的回击电磁场
•     3.1.3 v≠c时的回击电磁场
•   3.2 CG回击模型电磁场
•   3.3 回击速度对回击电磁场的影响
•     3.3.1 回击速度对于近场的影响
•     3.3.2 回击速度对于远场的影响
•   3.4 本章小结
• 第四章 雷击高塔电磁场
•   4.1 雷击高塔工程模型
•     4.1.1 雷电通道和高塔的电流分布
•     4.1.2 模型参数的选取
•   4.2 雷电通道电磁场
•     4.2.1 TL模型雷电通道电磁场
•     4.2.2 MTLE模型雷电通道电磁场
•     4.2.3 MTLL模型雷电通道电磁场
•   4.3 高塔电磁场
•     4.3.1 塔顶和塔底电磁场
•     4.3.2 不同雷击高塔模型电磁场比较分析
•   4.4 本章小结
• 第五章 电子雪崩模拟双极性窄脉冲
•   5.1 雪崩电场的运动带电粒子表达式
•   5.2 单雪崩模型
•   5.3 多雪崩模型
•   5.4 本章小结
• 第六章 结论与展望
•   6.1 结论
•   6.2 创新点
•   6.3 不足与展望
• 参考文献
• 作者简介
• 致谢

文章来源

类型: 硕士论文

作者: 赵晨龙

导师: 张云峰

关键词: 雷电电磁脉冲,回击,运动电荷

来源: 南京信息工程大学

年度: 2019

分类: 基础科学

专业: 气象学

单位: 南京信息工程大学

分类号: P427.3

DOI: 10.27248/d.cnki.gnjqc.2019.000238

总页数: 61

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