从风筝实验到避雷针

从风筝实验到避雷针

18世纪40年代的物理学家从三个方面对电现象进行了研究：①起电机的新结构研究；②持续获得大量电的新方法研究；③探索雷电的奥秘。前两个方面的研究完善了起电机的结构，发明了能储电的容器——莱顿瓶。而雷电奥秘的探索历史地落到富兰克林一批科学家身上。

1746年，富兰克林在一次旅途中看见一位刚从苏格兰来的斯彭斯博士在做电的实验。他用一块毛皮摩擦琥珀，用一块丝绸摩擦一根玻璃管，均产生了火花，且可以把金属丝加热，小软木球摆动。回到费城后，富兰克林怀着极大的兴趣开始攻读有关电的知识，着手做各种实验。他从实验中得出了两点想法，正是这两点想法，使他后来获得了世界范围的科学声誉，受到法国国王赞扬，成为英国皇家学会会员。

第一个想法是他在写给伦敦的柯林森的信中提出的，就是雷和闪电可能真的是和摩擦生电的机器上产生的小火花和爆裂声同样的东西。第二个想法是他不顾大多数人的异议，坚持有两种不同的静电。富兰克林的想法是天才、大胆的。只要回顾一下当时的实验条件，他的第一个想法遭到怀疑就不足为奇了。富兰克林做实验时只是使用很小的摩擦起电机和储电量很小的莱顿瓶，静电的威力是很不明显的，即使把好几个这种瓶子连在一起，按富兰克林的实验，也只能得到“足够杀死一只鸡”的电，这和威力无比的闪电是不能相比的。但富兰克林对他的想法坚信不移。1749年8月，他在日记里写道：“电流体在这些方面与闪电一致：①发光。②光的颜色。③弯弯曲曲的方向。④运动很快。⑤由金属传导。⑥爆裂或爆炸声。⑦存在于水或冰。⑧通过物体时使物体弯曲。⑨毁灭动物。⑩熔化金属。〇11使易燃物着火。〇12有燃烧硫磺的气味。电流体被尖端吸引。我们不知道这个特点是否闪电也有。但是既然它们在所有这些方面都一致，我们已经能够比较，难道不可能在这一点上也一致？”短短的一段话，不仅反映了他对大气电现象的仔细观察、比较，而且成功地使用了类比推理。所以写科学史的克劳瑟先生把富兰克林的成功说成是“由于他居住的地点”，就未免有点太低估了富兰克林本人的天才和勤奋了。

对待非难的最好回答是做实验。富兰克林开始设想，实验可以“在一个很高的塔尖或舞台的顶部设置一个可以容得下一个人和带电的长凳子的小亭子，用高为20～30码的有尖端的铁杆把雷电引下来。”在费城，他怎么也找不出适合做实验的高建筑物或塔尖。1752年，他终于想出了“靠一个普通的风筝去更简便地接近云区”的方案。为了避免“那非常普遍地等待着不成功的科学实验的嘲笑，”他只带着他的儿子，在伴有大风的雷暴雨快要到来时来到了空地上。雷雨中他突然发现风筝线上那些松散的大麻纤维像一只发怒的猫尾巴上的毛那样倒竖了起来。他这时“用他的指关节碰碰接在大麻绳末端的钥匙，引起了强烈的火花。”他还从钥匙上给他的莱顿瓶充了电。反转来，他又能够用这些瓶子做“通常用电进行的所有实验。”实验证实了天上的雷电和起电机上产生的电是同一种东西。动电和静电之间实质是一回事。富兰克林成功了，他用实验“夺下了天空中的闪电和暴君手中的剑”，实现了他要成为“自然的探索者”的宏愿。

风筝实验的成功在社会上引起了争论。争论的中心是：人是否应该用这种方式来干预上帝意志的直接流露？而这时的富兰克林没有去理会这些，他继续开展他的研究。1750年，他用一个巧妙的实验说明了尖端放电的作用：他取来一个可转动的天平杆，其两端的两个盘子只有一个带电。同时地上固定一个锤子，当带电的那只天平盘从锤子上方经过时，盘会被锤子吸引并出现火花。如果在锤子上竖起一根针，就没有上述现象发生。从这个实验富兰克林提出，用带尖的金属杆可以防止雷电打击。同年他在自家的屋顶上安装了这样的装置，这就是世界上第一个避雷针。

1753年7月26日，俄国科学家李赫曼在“雷机”旁研究雷电时，不幸被雷电击中死亡，这在科学界引起极大震动，它迫使人们在进行电实验时要设想必要的安全措施，为避雷针的推广使用提供了条件。1754年，捷克牧师迪维什也安装使用了避雷针。一时避雷针成了大家争相研究利用的热门的发明。连巴黎的服装业也不甘落后，特地制作了避雷针服，让人们在雨中穿用。

避雷针是电学原理头一次见之于实际应用，虽然它是一种简单的装置，但在概念上是革命的。

1780年，英王佐治三世也想在克攸王宫上方装上避雷针，但由于在殖民地及美国独立问题上，富兰克林是反对英国政府的政策的，这对英王佐治三世起了奇怪的副作用，他坚持要给避雷针装上一个圆头，而不愿用富兰克林的针尖。结果在一次大雨中克攸王宫遭到雷击。英佐治大王想凭借自己国王的地位来藐视科学真理的权威，终于受到了惩罚。当时有一首打油诗曾描述过这一事件，诗说：“避雷针竟把尖头换，原来佐治大王想找安全，王宫被雷击中，举国上下乱成一团。”这件事生动地说明，在科学上来不得半点虚假，不按照科学规律办事的人，不管他地位如何，都一定会受到科学规律的惩罚。