富兰克林的发现-奇妙的电与磁
1746年,在美国波士顿举行的电学实验讲演会上,有一位听众入神地听着莱顿瓶实验的故事,他就是富兰克林,这时已40岁。他是美国著名的政治活动家和外交家,原先当过印刷学徒工,自学成才,对自然科学很有兴趣,但直到40多岁,才有工夫从事电学研究。
他第一个提出电荷概念,用数学上的正负概念来表示两种电荷的性质,并且通过实验确定电荷守恒定律。大家都知道,避雷针是富兰克林的一项重大发明,由于有了避雷针,人类避免了许多自然灾害。富兰克林这项研究成果,不仅对电学的发展有重大意义,而且有助于破除人们对自然的迷信,了解雷电的真实性质。
自古以来,天电、地电互不相关,地面上人们已经进行了许多实验,对电的性质已有了解,但天上的雷电却仍是神秘莫测。到18世纪叶叶,不少人认为闪电和电火花类似。富兰克林也和他们一样,通过对此说明两者的相似性,不过富兰克林的认识比别人深刻,例如:他在一封书信中列举了十二条:
“电流体与闪电在如下特点上一致:(1)发光;(2)光的颜色;(3)弯曲的方向;(4)快速运动;(5)被金属传导;(6)爆发时有霹雳声或噪声;(7)在水中或冰中仍能维持;(8)劈开它所通过的物体;(9)杀死动物;(10)熔化金属;(11)使易燃物燃烧;(12)硫磺气味。”然而他又认为,仅仅靠对比,还不足以作出科学论断。要确证天电、地电的一致性,最好的证据是捉住天电,也就是把天电引到地面上来做对比实验。为此他提出了一个方案,在高处安一岗亭,利用尖端把低云掠过时所带的电引到地面上来。
第一个按照富兰克林建议进行实验的是法国的达里巴尔德。他在巴黎近郊马里村的高地上建造了一所岗亭,岗亭上树立起高44英尺的铁杆。1752年5月10日,黑云压天,雷雨将临,达里巴尔德和他的同事成功地把天电引进了莱顿瓶。5月13日,他向法国科学院报告了这一实验,并且说,实验的成功不但证明了闪电和电的等同性,还表明可以利用富兰克林的方法保护房屋建筑免遭雷击。
从此,到处都在重复金属尖端做避雷器的试验。富兰克林则认为,巴黎实验用的铁杆还不够高,难以证明电是从云端引下来的,一个新的思想掠过他的脑海,何不用风筝把天电引下来做试验呢?于是,他用两根轻的杉木条做成小十字架,把丝绸手帕蒙上,扎好。取一根尖细铁丝固定在十字架的一头,伸出一尺多长,拴上牵风筝的亚麻绳,亚麻绳的下端接丝绸带,在接头处挂一把钥匙。在他儿子的陪同下,把风筝放上天,只等雷雨天气的到来。1752年10月19日,他在给友人柯林孙的信中描述了实验的情况。由于雨水打湿了风筝和牵引风筝的亚麻绳,云层中的电沿湿绳传到莱顿瓶里。等雨过后,拆下莱顿瓶,再按通常的方法使莱顿瓶放电,放出的电跟用摩擦起电机产生的电毫无两样。富兰克林写道:“由此即可完全证明电物质和闪电纯属同一回事。”
富兰克林还做过一个有名的金属桶实验,目的是设法从带电的金属桶内取出电来,他用木髓球与金属桶的内表面接触,看木髓球是否带电,可是无论如何都无法使木髓球带电。富兰克林只好写信给他的英国朋友请教,这一请教,竟导致了一个新定律的发现。这个新定律甚至奠定了电学的基础。这就是所谓的库仑定律。