自富蘭克林發(fā)明避雷針以來(lái)針端形狀一直是尖的。雖然18世紀(jì)70年代曾有過(guò)爭(zhēng)議，但由于缺乏量化研究，當(dāng)時(shí)實(shí)驗(yàn)證明也還是尖的好。不過(guò)到了20世紀(jì)90年代，由于對(duì)空氣中尖端放電的物理機(jī)理有了較豐富的理性認(rèn)識(shí)，可以進(jìn)行量化計(jì)算了，于是美國(guó)學(xué)者重新審議了這個(gè)問(wèn)題。

   在雷云帶負(fù)電的情況下，空氣中存在的自由電子會(huì)因尖端物體的強(qiáng)電場(chǎng)吸引向尖端加速運(yùn)動(dòng)，碰撞中性分子，釋放出更多的自由電子，發(fā)生雪崩現(xiàn)象，并在其后留下一個(gè)正離子的電荷柱。當(dāng)環(huán)境電場(chǎng)足夠強(qiáng)時(shí)，雪崩持續(xù)發(fā)生，其后的正離子電荷柱(即正先導(dǎo))在該電場(chǎng)作用下，向上傳播并與下行負(fù)先導(dǎo)連接瞬間形成回?fù)?。雖然在常壓下，產(chǎn)生電子雪崩的電場(chǎng)強(qiáng)度超過(guò)了6000V/m,但正先導(dǎo)大約在440V/m環(huán)境中即可持續(xù)傳播了。避雷針必須在其頂端-定范圍內(nèi)產(chǎn)生這種電場(chǎng)才能吸引下行先導(dǎo)。此外，當(dāng)下行先導(dǎo)接近避雷針時(shí)，它所產(chǎn)生的電場(chǎng)增強(qiáng)率還必須使正離子電荷柱的累積伸長(zhǎng)超過(guò)它在電場(chǎng)作用下遷移而被清除的速率。由此分析可以發(fā)現(xiàn)鈍頭避雷針比尖頭避借針更能滿足這些條件。

   如果將避雷針等效為接地的垂直細(xì)長(zhǎng)半橢圓球體，則可以對(duì)其頂端電場(chǎng)增強(qiáng)因子隨距離的交化進(jìn)行計(jì)算。計(jì)算表明:曲率半徑遠(yuǎn)小于橢圓球體半長(zhǎng)軸高度的尖端，其電場(chǎng)隨離開(kāi)頂端的距離而迅速減小，當(dāng)距高等于一個(gè)曲率半徑時(shí)，電場(chǎng)已減弱為頂端的1/3;而鈍頭頂端，其電場(chǎng)隨距高的減弱則要小得多，當(dāng)距離超過(guò)6mm時(shí)，10mm半徑的橢圓球頂端附近的電場(chǎng)增強(qiáng)要遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于0.1mm半徑的橢圓球頂端的。計(jì)算還表明，曲率半徑小于0.5mm的橢圓球頂端，在距離超過(guò)0.25mm時(shí)，電場(chǎng)將小到不可能產(chǎn)生電子雪崩的程度。計(jì)算最后表明，當(dāng)下行負(fù)先導(dǎo)逼近時(shí)，鈍頭橢圓球頂端因電子雪崩發(fā)生而形皮的累積正電荷柱內(nèi)，正離子因遷移和相互排斥而被清除的時(shí)間要遠(yuǎn)大于尖的橢圓球頂端。

   基于上述分析和計(jì)算，美國(guó)學(xué)者對(duì)不同尖端形狀的避雷針進(jìn)行了連續(xù)七年(從1994年到2000年)的野外現(xiàn)場(chǎng)實(shí)驗(yàn)。采用的尖端避雷針，直徑為12.7mm,上部被加工成逐漸變細(xì)的尖端，頭部成45度角，曲率半徑約為0.1mm;鈍頭避雷針。直徑為9.5-51mm,頂部加工成半球形并拋光:另外還用了ESE避雷針。所有避雷針長(zhǎng)度為305mm,均安裝在6.1m高，直徑44mm的金屬圓管上，并良好接地。結(jié)果鈍頭避雷針被雷電擊中12次(大多數(shù)為19mm直徑的)，而尖頭避雷針和ESE避雷針一次也沒(méi)有被雷擊，由此可見(jiàn)，純頭避雷針更能吸引雷電，保護(hù)效果也更好。