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富兰克林与避雷针:人类发明故事

【摘要】:富兰克林和避雷针的发明本杰明·富兰克林于1706年1月17日生在美国,小时候家里很穷,无钱上学,就在哥哥开的印刷厂中当学徒。富兰克林决心用事实来证明一切。富兰克林关于天上和人间的电是同一种东西的假说,在他自己的这次实验中得到了光辉的证实。风筝实验的成功使富兰克林在全世界科学界的名声大振。但富兰克林在死亡的威胁面前没有退缩,经过多次试验,他制成了一根实用的避雷针。

富兰克林和避雷针的发明

本杰明·富兰克林于1706年1月17日生在美国,小时候家里很穷,无钱上学,就在哥哥开的印刷厂中当学徒。然而,他凭借自己的聪明才智和不懈的努力,一生中具有许多发明,而且是电学的开山鼻祖。他不仅是一位伟大的科学家,还是一位杰出的政治家和外交家,他是《独立宣言》的发起人之一,是美国第一任驻外大使。

富兰克林

1746年,一位英国学者在波士顿利用玻璃管和莱顿瓶表演了电学实验。富兰克林怀着极大的兴趣观看了他的表演,并被电学这一刚刚兴起的科学强烈地吸引住了。随后富兰克林开始了电学的研究。富兰克林在家里做了大量实验,研究了两种电荷的性能,说明了电的来源和在物质中存在的现象。

在18世纪以前,人们还不能正确地认识雷电到底是什么。当时人们普遍相信雷电是上帝发怒的说法。一些不信上帝的有识之士曾试图解释雷电的起因,但从未获得成功,学术界比较流行的是认为雷电是“气体爆炸”的观点。在一次试验中,富兰克林的妻子丽德不小心碰到了莱顿瓶,一团电火闪过,丽德被击中倒地,面色惨白,足足在家躺了一个星期才恢复健康。这虽然是试验中的一起意外事件,但思维敏捷的富兰克林却由此而想到了空中的雷电。

他经过反复思考,断定雷电也是一种放电现象,它和在实验室产生的电在本质上是一样的。于是,他写了一篇名叫《论天空闪电和我们的电气相同》的论文,并送给了英国皇家学会。但富兰克林的伟大设想竟遭到了许多人的嘲笑,有人甚至嗤笑他是“想把上帝和雷电分家的狂人”。富兰克林决心用事实来证明一切。

1752年6月的一天,美国费城郊区,乌云密布,电闪雷鸣。在一块宽阔的草地上,有一老一少两个人正兴致勃勃地在那里放风筝。突然,一道闪电劈开云层,在天空划了一个“之”字,接着嘎嘣一声脆雷,雨点就瓢洒盆泼般地倾下来了。

富兰克林和儿子在捕捉雷电(www.chuimin.cn)

只见老者大声喊道:“威廉,站时,闪电一道亮过一道,雷鸣一声看!”老者顺着儿子指的方向一看,突然怒发冲冠,那些细纤维一根一根都直竖起来了。他高兴地喊道:“天电引来了!”他一边嘱咐儿子小心,一边用手慢慢接近接在麻绳上的那把铜钥匙。突然他像被谁推了一把似地,跌到在地上,浑身发麻。他顾不得疼痛,一骨碌从地上爬起来,将带来的莱顿瓶接在铜钥匙上。这莱顿瓶里果然有了电,而且还放出了电火花,原来天电和地电是一个样子!他和儿子如获至宝似地将莱顿瓶抱回了家。

回到家里以后,富兰克林用雷电进行了各种电学实验,证明了天上的雷电与人工摩擦产生的电具有完全相同的性质。富兰克林关于天上和人间的电是同一种东西的假说,在他自己的这次实验中得到了光辉的证实。

风筝实验的成功使富兰克林在全世界科学界的名声大振。英国皇家学会给他送来了金质奖章,聘请他担任皇家学会的会员。他的科学著作也被译成了多种语言。他的电学研究取得了初步的胜利。然而,在荣誉和胜利面前,富兰林没有停止对电学的进一步研究。1753年,俄国著名电学家利赫曼为了验证富兰克林的实验,不幸被雷电击死,这是做电实验的第一个牺牲者。血的代价,使许多人对雷电试验产生了戒心和恐惧。

但富兰克林在死亡的威胁面前没有退缩,经过多次试验,他制成了一根实用的避雷针。他把几米长的铁杆,用绝缘材料固定在屋顶,杆上紧拴着一根粗导线,一直通到地里。当雷电袭击房子的时候,它就沿着金属杆通过导线直达大地,房屋建筑完好无损。1754年,避雷针开始应用,但有些人认为这是个不祥的东西,违反天意会带来旱灾。就在夜里偷偷地把避雷针拆了。然而,科学终于将战胜愚昧。一场挟有雷电的狂风过后,大教堂着火了;而装有避雷针的高层房屋却平安无事。事实教育了人们,使人们相信了科学。富兰克林发明的避雷针,一下子风靡一时,传到英国、法国、德国,传遍欧洲和美洲。但是传到英国却发生一段离奇的故事。

避雷针

对避雷针的顶端的形状是尖的还是圆形的好,人们发生了争执。有人想当然地认为圆头的好,但是富兰克林力排众议,坚持用尖头避雷针,最后终于被采纳了,于是,所有的避雷针都做成了尖头避雷针。不久,美国独立战争爆发,十三洲联合起来反对英国殖民主义,富兰克林当然首当其冲。这事惹恼了英国国王乔治三世。由于英国跟美国远隔重洋,英国国王鞭长莫及,一气之下,传令将宫殿和弹药仓库上的所有尖头避雷针全部砸掉,一律换成圆头的,并召见皇家学会会长约翰·普林格尔,要他宣布圆头避雷针比尖头避雷针更安全。普林格尔一听惊讶万分,正直的科学良心使他义正辞严地拒绝了国王的要求:“陛下,许多事情都可以按您的愿望去办,但不能做违背自然规律的事呀!”普林格尔虽然被撤职了,但避雷针始终还是尖头的。

那么,为什么尖头避雷针更好呢?这得从导体的形状与其表面电荷分布的关系说起。在导体表面弯曲得厉害的地方,例如在凸起的尖端处,电荷密度较大,附近的空间电场较强,原来不导电的空气被电离变成导体,从而出现尖端放电现象。夜间看到高压电线周围笼罩着一层绿色的光晕,就是一种微弱的尖端放电。雷电是一种大规模的火花放电现象。当两片带异种电荷云块接近或带电云块接近地面的时候,由于电压极高,极容易产生火花放电。放电时,电流可达2万安培,电流通过的地方温度可达30000℃。一旦这种放电在云和建筑物或其它东西之间形成,就很可能会发生雷击事件。如果在高层建筑物上安上避雷针,一旦在建筑物的上空遇上带电雷雨云,避雷针的尖端就会产生尖端放电,避免了雷雨云和建筑物之间的强烈火花放电,因而达到避雷的目的。如果把避雷针的顶端做圆形,就不会出现尖端放电,避雷的效果就远不及尖顶形避雷针了。