發(fā)明避雷針

富蘭克林是第一個(gè)在純科學(xué)領(lǐng)域中享有國際聲譽(yù)的美國科學(xué)家，是美國電學(xué)研究的先驅(qū)者。他對(duì)電學(xué)的研究結(jié)果統(tǒng)一了當(dāng)時(shí)混亂的電學(xué)知識(shí)。他最主要的貢獻(xiàn)就是對(duì)說明各種電現(xiàn)象的理論（如電荷的產(chǎn)生、電荷的移轉(zhuǎn)、靜電感應(yīng)等）作了比較系統(tǒng)地闡述。最初，他熱衷于發(fā)明設(shè)計(jì)小器件，這給他以后的電學(xué)實(shí)驗(yàn)研究打下堅(jiān)實(shí)的基礎(chǔ)。1745年起他在不到十年的時(shí)間內(nèi)，利用一些簡(jiǎn)單的工具、器械進(jìn)行了各種大膽的新的電學(xué)實(shí)驗(yàn)。通過實(shí)驗(yàn)，富蘭克林首先提出電學(xué)史上一項(xiàng)重要的假說：電的單流質(zhì)理論。富蘭克林第一次用數(shù)學(xué)上的正負(fù)概念來表示兩種電荷的性質(zhì)，至今現(xiàn)代物理學(xué)上還使用它們；同時(shí)富蘭克林還發(fā)現(xiàn)了尖端放電現(xiàn)象。更重要的是，富蘭克林提出了電的轉(zhuǎn)移理論。以后，這個(gè)理論發(fā)展為電荷守恒定律，這是自然界最基本的定律之一。

在富蘭克林所有的發(fā)明創(chuàng)造中，避雷針是最為有名的。在希臘神話故事中，天神普羅米修斯把天上的火種盜取到人間，給人類帶來光明和溫暖；到了18世紀(jì)中葉，富蘭克林發(fā)明了避雷針，馴服了雷電，成為了“人間的普羅米修斯”。

《AGO萊頓瓶》

在他之前，科學(xué)界對(duì)靜電現(xiàn)象知之甚少。1745年，荷蘭萊頓大學(xué)的馬森布羅克（1692—1761年）和德國的克萊斯特（1700—1748年）各自發(fā)明了后來稱為“萊頓瓶”的蓄電池的最早形式；同時(shí)，格里凱發(fā)明的靜電起電機(jī)在18世紀(jì)得到改進(jìn)，它通過連續(xù)轉(zhuǎn)動(dòng)的摩擦隨時(shí)可以方便地得到靜電。這兩項(xiàng)電學(xué)儀器的發(fā)明，使得科學(xué)家可以得到并積蓄電以供進(jìn)行許多電學(xué)現(xiàn)象的觀察。但那時(shí)人們對(duì)于萊頓瓶的瓶體本身（玻璃）、水和金屬線在起電與放電過程中起什么作用還一無所知。1746年秋天，富蘭克林第一次看到英國學(xué)者斯賓士的電學(xué)實(shí)驗(yàn)表演，并得到了斯賓士贈(zèng)送的一套電學(xué)儀器，其后便開始了他的電學(xué)實(shí)驗(yàn)。

富蘭克林的電學(xué)實(shí)驗(yàn)首先從萊頓瓶開始，不到幾個(gè)月，從實(shí)驗(yàn)中有了不少的新發(fā)現(xiàn)，解決了當(dāng)時(shí)電學(xué)中急待解決的問題——萊頓瓶的作用和原理，得出了極為重要的結(jié)論：“電火花并非由摩擦而產(chǎn)生的，而是被收集起來的。電確是一種在物質(zhì)中彌漫著的，又能為其他物質(zhì)，特別是水和金屬所吸引的基本要素。”“電火是永遠(yuǎn)不會(huì)被毀滅的?！痹诟惶m克林看來，電是一種單純的“流質(zhì)”。從而初步解答了電由何處來和萊頓瓶的作用等問題，否定了在此之前科學(xué)家們關(guān)于萊頓瓶之所以能發(fā)生強(qiáng)烈的放電是由于瓶中金屬箔金屬線所致的推測(cè)，也就把萊頓瓶實(shí)驗(yàn)的神秘面紗揭開，將其置于一個(gè)可以為人理解的科學(xué)基礎(chǔ)上了。富蘭克林的這個(gè)結(jié)論為19世紀(jì)法拉第（1791—1867年）對(duì)電介質(zhì)所作的進(jìn)一步研究打下了基礎(chǔ)。

富蘭克林又認(rèn)為，既然電是一種單純的“流質(zhì)”，那么，當(dāng)玻璃受到摩擦?xí)r，電就流入玻璃，使它帶“正電”；而當(dāng)琥珀受到摩擦?xí)r，電就從琥珀流出，使它帶“負(fù)電”。相應(yīng)地，萊頓瓶?jī)?nèi)外兩面的電荷也被定名為正電與負(fù)電，或陽電與陰電，并用正號(hào)“＋”和負(fù)號(hào)“－”來表示它們。這是電學(xué)上的一個(gè)創(chuàng)舉。富蘭克林是第一個(gè)把電分為正電和負(fù)電來解釋實(shí)驗(yàn)的人。這不僅是名稱上的問題，而且是概念上的深化。如果把富蘭克林說的“流質(zhì)”改稱“電子”，并將流動(dòng)方向倒過來（因?yàn)殡娮訉?shí)際上是從琥珀流向玻璃），那么他這個(gè)猜測(cè)在本質(zhì)上是正確的。富蘭克林這一創(chuàng)舉使電學(xué)開始走向準(zhǔn)確的定性的方向。他對(duì)萊頓瓶的研究使科學(xué)界正確地了解了它的作用，并認(rèn)識(shí)了絕緣體在電學(xué)中的重要性。1788年法國科學(xué)家?guī)靷悾?736—1806年）發(fā)現(xiàn)電荷間相互作用力的有名定律就是從富蘭克林這一概念出發(fā)的。這是富蘭克林在電學(xué)上的一大貢獻(xiàn)。

富蘭克林發(fā)明的發(fā)電機(jī)模型

富蘭克林還利用充電體之間靜電的吸力和斥力的作用，制造了一個(gè)很簡(jiǎn)單、但又異常靈敏的機(jī)械，稱為“電輪”。在這個(gè)機(jī)械里，輕圓盤以每分鐘50周的速度旋轉(zhuǎn)，實(shí)際是不斷地把電能轉(zhuǎn)化為機(jī)械能。這個(gè)發(fā)明預(yù)示著現(xiàn)代的電動(dòng)機(jī)的出現(xiàn)。

在當(dāng)時(shí)，雷電這種具有巨大破壞性的可怕的自然現(xiàn)象的本質(zhì)是什么，對(duì)人們來說還是一個(gè)謎。流行的看法是，它是“上帝之火”，天神發(fā)怒，也有人猜測(cè)雷電是毒氣在天空爆炸。而富蘭克林則認(rèn)為雷電是電，但這需要證明。富蘭克林要來作這一偉大而危險(xiǎn)的嘗試了。

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風(fēng)箏試驗(yàn)

富蘭克林準(zhǔn)備了一大塊絲帕和用來展開絲帕的適當(dāng)長(zhǎng)度的兩根相互交叉著的棍子，他抓住第一場(chǎng)就要到來的暴風(fēng)雨的機(jī)會(huì)步行到田野上去，在那兒有一座棚子可以用于他的試驗(yàn)。但是由于害怕在科學(xué)上不成功的嘗試往往招來的嘲諷，他沒有將他想要進(jìn)行的實(shí)驗(yàn)告訴任何人，除了他的兒子以外。他兒子將幫助他放出風(fēng)箏。

1752年6月的一天，陰云密布，電閃雷鳴，一場(chǎng)暴風(fēng)雨就要來臨了。富蘭克林和兒子威廉一道，帶著上面裝有一個(gè)金屬桿的風(fēng)箏來到一個(gè)空曠地帶。富蘭克林高舉起風(fēng)箏，他的兒子則拉著風(fēng)箏線飛跑。由于風(fēng)大，風(fēng)箏很快就被放上高空。剎那，雷電交加，大雨傾盆。富蘭克林和他的兒子一道拉著風(fēng)箏線，父子倆焦急地期待著，此時(shí)，剛好一道閃電從風(fēng)箏上掠過，富蘭克林用手靠近風(fēng)箏上的鐵絲，立即掠過一種恐怖的麻木感。他抑制不住內(nèi)心的激動(dòng)，大聲呼喊：“威廉，我被電擊了！”隨后，他又將風(fēng)箏線上的電引入萊頓瓶中?；氐郊依镆院螅惶m克林用雷電進(jìn)行了各種電學(xué)實(shí)驗(yàn)，證明了天上的雷電與人工摩擦產(chǎn)生的電具有完全相同的性質(zhì)。富蘭克林關(guān)于天上和人間的電是同一種東西的假說，在他自己的這次實(shí)驗(yàn)中得到了有力的證實(shí)。

富蘭克林在風(fēng)雨中利用風(fēng)箏做實(shí)驗(yàn)，證明雷和電同為一物

以下就是關(guān)于這次實(shí)驗(yàn)的記述：

“由于同這次如此重大的發(fā)現(xiàn)（或許是伊薩克?牛頓爵士以來最偉大的）的每一情節(jié)都將給所有我的讀者以快樂，我將努力地傳遞我從最高權(quán)威那里得到的若干新細(xì)節(jié)來滿足他們?！?/p>

“在出版了他的驗(yàn)證——他的關(guān)于電和雷電是一回事的假說的方法后，博士（富蘭克林）等著在費(fèi)城筑起一座塔尖（在基督教教堂），以便將他的觀點(diǎn)付諸實(shí)驗(yàn)，而不是想象用一個(gè)大致差不多高度的尖頭竿子來達(dá)到那目的。這時(shí)，他忽然想到借助一只普通的風(fēng)箏，他就可以比利用隨便什么尖塔更好地深入雷電區(qū)了。

“風(fēng)箏升了起來，在它顯示出帶電以前，過了相當(dāng)長(zhǎng)的一段時(shí)間。一塊很有放電希望的云籠罩了它，但沒有任何反應(yīng)。最后，就在他開始對(duì)他的努力感到絕望的時(shí)候，他觀察到麻繩上一些松散的線直立了起來，相互讓開，仿佛它們被定在了一個(gè)共同的導(dǎo)體上。注意到了這一充滿希望的現(xiàn)象，他立即將他的指關(guān)節(jié)伸向鑰匙，發(fā)現(xiàn)就這樣完成了。他感覺到了十分明顯的電火花。其他的人也成功了，甚至在繩子被淋濕前。因此這事實(shí)就平息了所有的紛爭(zhēng)。當(dāng)雨淋濕了風(fēng)箏的繩子時(shí)，他收集到了大量的電火花。這事發(fā)生在1752年6月?！?/p>

這段話是富蘭克林的朋友、英國皇家學(xué)會(huì)的普利斯特里寫下的——富蘭克林自己沒有公開描述過這件事。普利斯特里是在富蘭克林眼皮底下寫的，一定親耳聽到了富蘭克林說的關(guān)于此事的情況，寫出的草稿也經(jīng)富蘭克林過了目。

當(dāng)年9月，富蘭克林就“豎起了一根鐵竿把雷電引入我的屋子里，以便對(duì)它做一些實(shí)驗(yàn)，用兩只鈴在鐵竿受電時(shí)引起注意”。

他在附近的鐵匠鋪定做了一根9英尺長(zhǎng)的頂端尖削的鐵桿，把它安放在煙囪頂上。鐵桿的下端拴上鵝的翎管那么粗的金屬線，然后將金屬線沿樓梯引到屋子里的金屬水泵上，而水泵是通向地下的。他又把屋里的那段金屬線分成兩股，兩股線的終端相距6英寸，各掛上一只小鈴，兩只鈴的中間，用絲線吊著一只小銅球。當(dāng)金屬線有電流通過時(shí)，鈴上的銅球就會(huì)響起來。

他寫道：“在頻繁地從上方的鈴吸取火花和為電瓶充電后，一天夜里，我被樓梯上響亮的劈啪聲驚醒了。我跳了起來，開門出去，我察覺到那銅球不是像往常那樣在鈴之間顫動(dòng)，而是被支開，離開兩只鈴有一定的距離；當(dāng)那火通過時(shí)，有時(shí)候很響亮、迅疾的劈啪聲從一只鈴到另一只鈴，有時(shí)候呈一條連續(xù)不斷、濃稠的白色溪流，看上去有我的手指般粗細(xì)。這時(shí)，整個(gè)樓梯亮如白晝，人們可以撿得起一根針來?！?/p>

富蘭克林發(fā)明的避雷針圖解

看來，盡管他豎起那根鐵竿主要是來取電做實(shí)驗(yàn)，但他也想到了用它來保護(hù)自己的房屋。10月1日他寫給柯林森的信中談了風(fēng)箏的事后，加上了一段附言，言及了避雷針：“我很高興聽說我的實(shí)驗(yàn)在法國取得成功，及他們開始在他們的建筑物上使用尖狀物。在那以前，我們已經(jīng)在我們法院和市政大樓的屋頂安裝了?！边@是最早的關(guān)于避雷針實(shí)際應(yīng)用的信息。