發(fā)明避雷針

富蘭克林是第一個在純科學領(lǐng)域中享有國際聲譽的美國科學家，是美國電學研究的先驅(qū)者。他對電學的研究結(jié)果統(tǒng)一了當時混亂的電學知識。他最主要的貢獻就是對說明各種電現(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)計小器件，這給他以后的電學實驗研究打下堅實的基礎(chǔ)。1745年起他在不到十年的時間內(nèi)，利用一些簡單的工具、器械進行了各種大膽的新的電學實驗。通過實驗，富蘭克林首先提出電學史上一項重要的假說：電的單流質(zhì)理論。富蘭克林第一次用數(shù)學上的正負概念來表示兩種電荷的性質(zhì)，至今現(xiàn)代物理學上還使用它們；同時富蘭克林還發(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，科學界對靜電現(xiàn)象知之甚少。1745年，荷蘭萊頓大學的馬森布羅克（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，格里凱發(fā)明的靜電起電機在18世紀得到改進，它通過連續(xù)轉(zhuǎn)動的摩擦隨時可以方便地得到靜電。這兩項電學儀器的發(fā)明，使得科學家可以得到并積蓄電以供進行許多電學現(xiàn)象的觀察。但那時人們對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者斯賓士的電學實驗表演，并得到了斯賓士贈送的一套電學儀器，其后便開始了他的電學實驗。

富蘭克林的電學實驗首先從萊頓瓶開始，不到幾個月，從實驗中有了不少的新發(fā)現(xiàn)，解決了當時電學中急待解決的問題——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。”“電火是永遠不會被毀滅的。”在富蘭克林看來，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家們關(guān)于萊頓瓶之所以能發(fā)生強烈的放電是由于瓶中金屬箔金屬線所致的推測，也就把萊頓瓶實驗的神秘面紗揭開，將其置于一個可以為人理解的科學基礎(chǔ)上了。富蘭克林的這個結(jié)論為19世紀法拉第（1791—1867年）對電介質(zhì)所作的進一步研究打下了基礎(chǔ)。

富蘭克林又認為，既然電是一種單純的“流質(zhì)”，那么，當玻璃受到摩擦時，電就流入玻璃，使它帶“正電”；而當琥珀受到摩擦時，電就從琥珀流出，使它帶“負電”。相應(yīng)地，萊頓瓶內(nèi)外兩面的電荷也被定名為正電與負電，或陽電與陰電，并用正號“＋”和負號“－”來表示它們。這是電學上的一個創(chuàng)舉。富蘭克林是第一個把電分為正電和負電來解釋實驗的人。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”，并將流動方向倒過來（因為電子實際上是從琥珀流向玻璃），那么他這個猜測在本質(zhì)上是正確的。富蘭克林這一創(chuàng)舉使電學開始走向準確的定性的方向。他對萊頓瓶的研究使科學界正確地了解了它的作用，并認識了絕緣體在電學中的重要性。1788年法國科學家?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上的一大貢獻。

富蘭克林發(fā)明的發(fā)電機模型

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

在當時，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，對人們來說還是一個謎。流行的看法是，它是“上帝之火”，天神發(fā)怒，也有人猜測雷電是毒氣在天空爆炸。而富蘭克林則認為雷電是電，但這需要證明。富蘭克林要來作這一偉大而危險的嘗試了。

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風箏試驗

富蘭克林準備了一大塊絲帕和用來展開絲帕的適當長度的兩根相互交叉著的棍子，他抓住第一場就要到來的暴風雨的機會步行到田野上去，在那兒有一座棚子可以用于他的試驗。但是由于害怕在科學上不成功的嘗試往往招來的嘲諷，他沒有將他想要進行的實驗告訴任何人，除了他的兒子以外。他兒子將幫助他放出風箏。

1752年6月的一天，陰云密布，電閃雷鳴，一場暴風雨就要來臨了。富蘭克林和兒子威廉一道，帶著上面裝有一個金屬桿的風箏來到一個空曠地帶。富蘭克林高舉起風箏，他的兒子則拉著風箏線飛跑。由于風大，風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箏線，父子倆焦急地期待著，此時，剛好一道閃電從風箏上掠過，富蘭克林用手靠近風箏上的鐵絲，立即掠過一種恐怖的麻木感。他抑制不住內(nèi)心的激動，大聲呼喊：“威廉，我被電擊了！”隨后，他又將風箏線上的電引入萊頓瓶中。回到家里以后，富蘭克林用雷電進行了各種電學實驗，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，在他自己的這次實驗中得到了有力的證實。

富蘭克林在風雨中利用風箏做實驗，證明雷和電同為一物

以下就是關(guān)于這次實驗的記述：

“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節(jié)來滿足他們。”

“在出版了他的驗證——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）等著在費城筑起一座塔尖（在基督教教堂），以便將他的觀點付諸實驗，而不是想象用一個大致差不多高度的尖頭竿子來達到那目的。這時，他忽然想到借助一只普通的風箏，他就可以比利用隨便什么尖塔更好地深入雷電區(qū)了。

“風箏升了起來，在它顯示出帶電以前，過了相當長的一段時間。一塊很有放電希望的云籠罩了它，但沒有任何反應(yīng)。最后，就在他開始對他的努力感到絕望的時候，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共同的導體上。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。因此這事實就平息了所有的紛爭。當雨淋濕了風箏的繩子時，他收集到了大量的電火花。這事發(fā)生在1752年6月。”

這段話是富蘭克林的朋友、英國皇家學會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，以便對它做一些實驗，用兩只鈴在鐵竿受電時引起注意”。

他在附近的鐵匠鋪定做了一根9英尺長的頂端尖削的鐵桿，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。當金屬線有電流通過時，鈴上的銅球就會響起來。

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，而是被支開，離開兩只鈴有一定的距離；當那火通過時，有時候很響亮、迅疾的劈啪聲從一只鈴到另一只鈴，有時候呈一條連續(xù)不斷、濃稠的白色溪流，看上去有我的手指般粗細。這時，整個樓梯亮如白晝，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驗，但他也想到了用它來保護自己的房屋。10月1日他寫給柯林森的信中談了風箏的事后，加上了一段附言，言及了避雷針：“我很高興聽說我的實驗在法國取得成功，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。”這是最早的關(guān)于避雷針實際應(yīng)用的信息。

風箏實驗的成功使富蘭克林在全世界科學界的名聲大振。英國皇家學會給他送來了金質(zhì)獎?wù)?，聘請他擔任皇家學會的會員。他的科學著作也被譯成了多種文字。

在榮譽和勝利面前，富蘭林沒有停止對電學的進一步研究。1753年，俄國著名電學家利赫曼為了驗證富蘭克林的實驗，不幸被雷電擊死，這是做電實驗的第一個犧牲者。血的代價，使許多人對雷電試驗產(chǎn)生了戒心和恐懼。但富蘭克林在死亡的威脅面前沒有退縮，經(jīng)過多次試驗，他制成了一根實用的避雷針。他把幾米長的鐵桿，用絕緣材料固定在屋頂，桿上緊拴著一根粗導線，一直通到地下。當雷電襲擊房子的時候，它就沿著金屬桿通過導線直達大地，房屋建筑完好無損。1754年，避雷針開始應(yīng)用，但有些人認為這是個不祥的東西，違反天意會帶來旱災(zāi)。就在夜里偷偷地把避雷針拆了。然而，科學終于將戰(zhàn)勝愚昧。一場挾有雷電的狂風過后，大教堂著火了，而裝有避雷針的高層房屋卻平安無事。事實教育了人們，使人們相信了科學。避雷針相繼傳到英國、德國、法國，最后普及世界各地。從此，人類歷史上誕生了一句名言，以用來描繪他的這一成就，“他從天空抓到了雷電，從專制統(tǒng)治者手中奪回了權(quán)力。”