• How Benjamin Franklin Discovered the True Nature of Electricity
• 富兰克林与电的特性
• 闪电的驯服者：电学的历史

 

01 电的属性

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一、前言

  本杰明·富兰克林是如何发现了电？ 他在听说电之后又有什么新的发现呢？  在Kathy 老师讲说的故事中包含有 正电荷与负电荷的起源、 物理学中长久成立的规律、涉及到闪电的恐怖实验以及一个困扰我们至今的简单错误。

二、柯林森

  在1748年一位名叫彼得·柯林森的英国人读到一篇德国人写的关于电的文章， 文中提到给人充电可以在接吻时出现放电现象，  给人充电后可以利用人体放电点燃酒精。 柯林森是一位教友派信徒商人，也是一名业余科学家。在美国费城与富兰克林成为好友。  对就是那个 本杰明·富兰克林，他协助起草了独立宣言，一百美元钞票封面里的那个皱着眉头的老人。

  柯林森于是使用玻璃管封装了杂志拷贝并邮寄给富兰克林， 并在玻璃管内一起寄送了其他相关的资料，这些资料丰富了他的图书馆。 富兰克林看到杂志后立即被吸引了。他说道，对于他来说从来没有如此全神贯注、花费全部精力来学习并做了相应的工作， 自己的朋友也蜂拥而至争相观看。几个月内自己稍得空闲轻松一下。

▲ 图1.1 富兰克林

三、富兰克林

  当时富兰克林正值40岁的壮年，他成功开了一间印刷作坊、一个邮局以及文具店。 只生了两个孩子，老大15岁，名叫威廉，老二三岁，名叫莎莉。 想成鲜明对比的是，富兰克林则是出生在一个17个孩子的家庭， 其中七个父亲与前妻生的孩子在幼年就夭折了，其余是个孩子则是本杰明自己的母亲所生，17个孩子最终成人10人。 当时本杰明正想方设法发展自己的生意，感到一直没有真正属于自己的事情。 自己真正喜欢的是轻松的阅读，做些实验，有一些聪明的朋友进行交往。

▲ 图1.2 富兰克林与朋友在一起

  富兰克林给柯林森的 回信中感谢他邮寄过来的礼物，并把自己与电相关的理论发送给他。 第一个理论的内容，这也是后来也给予他更多关于电方面更多的快乐，似乎电总是从物体的尖端放电，这对发明避雷针非常重要，下面对此稍微详细叙述一下。

▲ 图1.3 尖端放电

四、富兰克林的发现

  同时他建立了自己的发电机，与同时期其他发电机不同，其它发电机都是一个人旋转轮子，另一个人空手来摩擦轮子发电。 富兰克林则使用毛刷来摩擦玻璃滚筒。 有趣的是，你可以让一个人站在石蜡上面，通过触碰玻璃滚筒，或者毛刷手柄来充电。 正因为如此，富兰克林很快获得一个与之前所有有所不同的理论， 那就是你无法产生或者消灭电荷， 而只是转移它们。也就是说所有物体都包含有电荷。当你摩擦物体，你将一部分电荷从一个物体转移到另外一个物体上。 你可以有多余的电荷，或者缺少一些电荷。这被称为电荷守恒定律，这个定理在物理学一直成立至今。

▲ 图1.4 旧式发电机

  富兰克林人为，如果你使用毛线摩擦玻璃，玻璃失去电火花，毛线获得了电火花。 于是他对这个过程进行了命名，这个名称如今还在使用。 如果一个物体拥有多余的电火花，那么它充满着正电荷；如果电火花少，则充有负电荷。如果数量相同则呈现电中性。 他通过实验证明，如果一个人触碰玻璃充电，另外一个人触碰毛刷充电，他们之间会产生强烈的电击感觉。 放电后，他们又回到电中性。 这说明触摸玻璃的人从触碰毛刷的人那里获得了极性相反，数量相同的电荷。这与从事商业的物理学家的账本收支平衡是类似的。

  如果你看到一个电火花，或者感受到 放电，你是无法分辨出电荷传递的方向。 当身体丢失电荷时感到的疼痛与接收电荷时的疼痛相同。 于是富兰克林就随意规定移动的电荷是正电荷。  直到150年之后，人们才发现在电火花中移动的是电子，它们带着负电荷。 因此当我们说电流朝着一个方向流动，电子电荷实际上是流向另外一个方向。这个问题至今还在迷惑我们。

▲ 图1.5 简单的电路

  例如当你吧电池与电灯泡相连，我们说电流从正极流向负极。 但在这个过程中实际是带负电荷的电子沿着相反的方向移动。

  又一次，不管上面的错误，富兰克林关于所有物体都包含有电荷，  电荷既不能产生也不能消灭，只能从一个物体转移到另外一个物体的观察结论非常正确，富有远见卓识， 这也改变了人们关于电的看法，至少在当时读到过富兰克林的文章并理解其中的含义的人被改变了。

  另一方面富兰克林不仅改变了关于电的一些规则，他还鼓弄出一些有趣的事情。 他设计了非常聪明的展品，比如飞行的蜘蛛。他讲金箔粘贴在书皮一边，通过它对莱顿瓶放电，金箔会闪烁发光，依次来取悦来访客人。 当他试图通过放电来杀死用于圣诞节火鸡的时候碰到点麻烦，放电几乎让他自己嗝屁了。 一般来讲，电给富兰克林带来了无尽的快乐。

▲ 图1.3.5 富兰克林有趣的放电实验

五、闪电

  当他操纵自己的发电机并试图电杀火鸡的时候，他考虑到闪电。 他逐步确信闪电与室内的电火花是是相同的，只不过规模巨大。 在1749年，11月7日，富兰克林写信给他的朋友，其中列举了花火放电 与闪电之间12处相同之处。 在1750年7月29日，富兰克林脑子进水了，做了一个可怕的实验，来验证是否闪电是因为云层带电引起的。

  他建议在一个小的房间顶部放置一个大的铁棒，就像卫兵房子，或者哨兵观察室。 如果通过的云彩带电，那么铁棒也会通过感应带电。这种远距离移动的电荷就会感应出电火花。 与普通人理解不同，不论是当时还是现在的人，富兰克林认为这个铁棒放电是因为它靠近带电的云彩被感应出电荷，而不是因为它被闪电击中了。 正是这个在哨兵站中的士兵让富兰克林获得了巨大的国际声望。

▲ 图1.3.6 带点云彩感应电荷放电

六、后记

  1749年， 柯林森决定将富兰克林的书信集结成册出版，一开始在英国做的并不好。 对于政客来讲，富兰克林的关于正负电荷移动的理论非常难以理解， 这是因为这个理论与早期法国科学家 查尔斯·富兰索瓦·西斯特内·杜费的理论相悖。  杜费在1739年因患天花去世，但他的门徒 珍·安托万·诺莱似乎不喜欢弗兰科林的工作。 然而碰巧富兰克林将自己的书籍送给了诺莱的对手，一个喜欢夸夸其谈的人，名叫布冯。 布冯之前对于电并没有兴趣，但他却热衷于羞辱他的对手，这就引出了富兰克林的避雷针以及放电风筝的实验。

▲ 图1.6 Charles Francois Cisterney Du Fay

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■ 相关文献链接:

• How Benjamin Franklin Discovered the True Nature of Electricity
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● 相关图表链接:

• 图1.1 富兰克林
• 图1.2 富兰克林与朋友在一起
• 图1.3 尖端放电
• 图1.4 旧式发电机
• 图1.5 简单的电路
• 图1.3.5 富兰克林有趣的放电实验
• 图1.3.6 带点云彩感应电荷放电
• 图1.6 Charles Francois Cisterney Du Fay