某次閃電的過程中，雲的底部和地面之間，電壓高達 1 千萬伏特，並在約 0.02 秒內輸送 20 庫倫的電量至地面。下列與閃電有關的敘述何者正確？

本題考點

閃電的電學基礎,包含電功率計算、雲層電荷分離機制與雷聲的成因。

正解理由

閃電通道在極短時間內通過數千安培的電流,焦耳熱使通道空氣瞬間升溫至數萬 K,空氣急速受熱膨脹形成衝擊波向外傳播,衰減後即為人耳聽到的雷聲。此為雷聲的標準成因,敘述完全正確,故選 D。

逐項排除

1. (A)

   依電功率 P＝VI,電流 I＝Q/t＝20 C÷0.02 s＝1,000 A,故 P＝10⁷ V×10³ A＝10¹⁰ W,與選項所稱的 10⁷ 瓦特相差達一千倍,數量級錯誤。

2. (B)

   雲內電荷分離主要來自冰晶與霰粒碰撞的起電作用;雲與地面之間隔著空氣、並未接觸摩擦,兩者間的高電位差是帶負電雲底對地面產生靜電感應的結果,歸因於摩擦起電並不正確。

3. (C)

   飛機在空中確實會遭雷擊,機身金屬殼體形成導電籠將電流沿表面導出並經放電刷洩放,「不可能遭雷擊」與事實不符。

4. (D)

   大電流產生高熱、空氣爆炸性膨脹、形成衝擊波、傳為雷聲,因果鏈完整且正確,為應選項。

記憶點

本題把電學單位換算包裝成自然現象題,拆解後只有三個定義:電流是單位時間通過的電量(1 A＝1 C/s)、電功率是電壓與電流的乘積(1 W＝1 V×1 A)、能量是功率乘以時間。代入題給數據,電流 20 C÷0.02 s＝1,000 A,功率 10⁷ V×1,000 A＝10¹⁰ W,整次閃電釋放的能量約 10¹⁰ W×0.02 s＝2×10⁸ J,約合 4.8×10⁴ 千卡,足以在瞬間點燃接觸到的可燃物,這正是雷擊被列為天然火源的原因。

雷擊引起火災的途徑分三類:直擊雷造成建物、樹木或油槽直接起火;感應雷在附近落雷時於金屬導體上感應出高電位,擊穿絕緣而引燃;雷電突波沿電力或通信線路侵入,燒毀設備並在配線上形成短路起火。避雷設備的原理不是「避開」雷,而是以尖端放電主動引雷,再經引下導體與接地極把電流安全導入大地,使電流不流經建築結構,概念與法拉第籠一致——飛機能承受雷擊也是同樣的殼體導流原理,因此 (C) 的說法站不住腳。

易混淆對照:摩擦起電、感應起電與接觸起電是三種不同的起電方式。雲內冰晶碰撞屬摩擦與碰撞起電,使雲頂帶正電、雲底帶負電;雲底與地面之間則是靜電感應,使地面感應出正電荷,累積到空氣絕緣破壞(乾燥空氣約每公分 3 萬伏特)時放電。火災學另一個高頻考點是靜電火災,兩者同屬靜電累積後放電引燃,差別在能量尺度:靜電放電能量以毫焦耳計,只能點燃最小點火能量極低的可燃性氣體與粉塵,雷擊則是以巨大能量直接引燃固體可燃物,兩者的防護對象與手段完全不同。