自富蘭克林發(fā)明避雷針以來針端形狀一直是尖的。雖然18世紀(jì)70年代曾有過爭議，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。不過到了20世紀(jì)90年代，由于對空氣中尖端放電的物理機(jī)理有了較豐富的理性認(rèn)識，可以進(jìn)行量化計(jì)算了，于是美國學(xué)者重新審議了這個(gè)問題。

   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))在該電場作用下，向上傳播并與下行負(fù)先導(dǎo)連接瞬間形成回?fù)簟ｋm然在常壓下，產(chǎn)生電子雪崩的電場強(qiáng)度超過了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)生的電場增強(qiáng)率還必須使正離子電荷柱的累積伸長超過它在電場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)長半橢圓球體，則可以對其頂端電場增強(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)小于橢圓球體半長軸高度的尖端，其電場隨離開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)，電場已減弱為頂端的1/3;而鈍頭頂端，其電場隨距高的減弱則要小得多，當(dāng)距離超過6mm時(shí)，10mm半徑的橢圓球頂端附近的電場增強(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0.25mm時(shí)，電場將小到不可能產(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，美國學(xué)者對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避雷針一次也沒有被雷擊，由此可見，純頭避雷針更能吸引雷電，保護(hù)效果也更好。