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电学史上的富兰克林

2018-07-09 09:45 来源:科技日报 胡翌霖

  说起历史上著名的科学实验,富兰克林的风筝实验也许是大众最耳熟能详的一项。这个故事经常出现在小学课文中:富兰克林通过风筝引下了天上的雷电,证明天上的闪电与地上的电是同样的。在流行的版本中往往还会强调,风筝实验揭示了“雷电只是普普通通的放电现象,而不是上帝的怒火之类的东西”。

  在东西方的传统文化中,天上的雷电总会被赋予某些神圣意义,例如神灵的惩罚,富兰克林的实验的确对这类传统迷信给予了打击。不过,这件事情之所以可能,前提在于,人们已然认为“地上的电”并不神秘。如果人们对“地上的电”毫无了解,或者以为是巫术,那么引下天雷的人顶多会被理解为“大法师”,并不会破除人们对天雷的迷信。

  在一般的科普书中,对富兰克林之前的电学史往往一笔带过,因为除了“电”这一概念本身,早期的电学史并没有留下多少沿用至今的符号或公式。

  在中国古代,“电”始终都是指天上的电,人们对地上的静电现象缺乏注意,更不用说“放电现象”了。而西方人很早就注意到摩擦生电现象,也就是摩擦后的带电物体能够吸起羽毛等轻小物体。据说最早的哲学家泰勒斯,就做过用毛皮摩擦琥珀的考察,认为琥珀是被磁化了。但真正让电进入科学研究的视野,还是从科学革命时期开始的。

  最早关注电的科学家大概是吉尔伯特,他在1600年的《论磁》中考察了电现象与磁现象,并仿造希腊文中琥珀(elektron)一词创造了“电”这个拉丁词(electricus)。吉尔伯特的思想很超前,贡献也很大,但在现代人看来有点“神棍”,他认为磁和电都是某种“灵气”的作用,磁体是生命的纯粹形式。他还是“磁疗”行业的祖师爷,他本人是个医生,推崇磁力能够活化身体、治愈疾病。在很长一段时间内,电与磁在上流社会中的普及方式,主要都在保健医疗和娱乐猎奇的方面。而到了21世纪,磁化水之类的虚构保健概念仍然大行其道,也难怪17、18世纪的人们趋之若鹜了。

  直接用毛皮摩擦琥珀来生电显然效率低下,直到“起电器”的发展,才带动了电学研究的逐渐成熟。最早在1663年,格里克设计了一种硫磺球起电器。其实就是把硫磺做成球体,可以用手摩擦然后用手柄抓握,吸附轻小物体。1705年,豪克斯比受到启发,改善了设计,用中空的玻璃球或玻璃圆筒替代了硫磺球,通过摇动一个大轮盘来提供摩擦力,生成的电荷被储存在玻璃球或玻璃管中。

  在1750年之前,旋转球起电器逐渐普及,形成了当时“科学表演”的重要道具。事实上,18世纪的“实验科学”并不像今天实验室中进行的那样,而是基本等同于“科学表演”,很多“节目”看起来颇为“哗众取宠”。比如刺激的“带电之吻”:演示者让一位女士站上绝缘板,通过旋转球起电器让女士带上静电,这时让旁边的男士去亲吻女士,就可以体验到亲吻“触电般的刺激”。

  1745年,在荷兰的莱顿市诞生了最早的“电容器”,这就是所谓的莱顿瓶,与旋转球起电器结合,可以更大量、更持久地储存由旋转球起电器产生的静电。莱顿瓶一经发明很快就风靡全欧洲,大家争相用莱顿瓶来演示放电现象。最著名的一场表演是法国电学家诺莱在1746年组织的,他在巴黎修道院门前调集了200名修道士,围成一个大圈,用铁丝连接起来,让充满电的莱顿瓶放电,然后,观众们看到几百个平时正儿八经的修道士一起惊声尖叫的恢弘场面。法国国王路易十五亲自出场观摩。

  除了亲身感受触电的感觉之外,“电火花”也是电学表演中最为显著的现象之一。当时的旋转球起电器甚至可以在冰上打出电火花,让观众惊叹不已。

  富兰克林最初是一个出版商,他与欧洲的朋友保持通信,及时获得欧洲的时尚前沿信息,然后在美国印刷传播。电学实验这个新兴事物自然也不容错过。1745年,正好是莱顿瓶刚刚发明、迅速流行的时候,英国商人彼得·柯林森向富兰克林的出版公司赠送了一支用于生产静电的玻璃管,并持续给富兰克林报道来自欧洲的电学新闻。富兰克林显然很感兴趣,很快就跟进购置了一整套电学仪器,开始一系列电学研究。1748年,他干脆把出版公司交给别人管理,自己建立了一个实验室,埋头研究电学问题。

  富兰克林的改进包括理论和实验两个方面。在理论方面,他接受当时流行的“电是流体”的观点,但增添了正电和负电的概念,并明确了“电量守恒”的原则。在实验仪器方面,富兰克林完善了起电机的制造,虽然很难说有什么革命性的创造,但更加精致有效。用手柄驱动转轮带动玻璃球旋转,摩擦毛皮垫片产生静电,最后导入莱顿瓶中储存。后来富兰克林还发展出所谓的“电池”,和之后的伏打电堆不同,是把许多莱顿瓶并联起来,可以同时储存或释放大量静电。

  得益于实验条件的提升,能够观察到的电火花现象日益明显,放电的强弱程度也更加明显。在大量观察中,富兰克林总结出,越是尖锐的物体越容易吸引和放电。同时,他也观察到电学仪器打出的电火花与天上的天火(闪电)有许多相似之处。

  1750年,富兰克林在写给柯林森的信中,提到了用实验检验天火的设想。他设想通过树立一根30英尺高的金属杆接引闪电到木质房屋内。他本人并没有做这个实验,但信件被柯林森向欧洲科学界公开,引起了很大反响,一个法国人在1752年尝试了这个实验,据说成功了。后来的避雷针也是根据这个设计发展而来的。

  1752年,富兰克林提出了风筝实验的构想。但他和儿子是否一起亲自做过这项实验,富兰克林从没有明确说过。世人熟知的故事版本出于和他交情不错的普利斯特里转述。1753年,一位俄罗斯人在尝试风筝实验中死亡,可能是被接引而来的球状闪电杀死。

  电学史上,富兰克林身处过渡时期,从早期以收集定性规律和表演为主,到逐渐定量化、数理化。他提出的电流、正电、负电与电荷守恒的概念都对这一过渡非常关键,可以说是整个现代电学理论体系的起点。在实验方面,他对仪器的改良和对实验的设计都产生了重要的影响,电学实验的重心从追求表演效果,逐渐转向定量分析。

  (作者系清华大学科技史系助理教授)

(责任编辑:王蔚)

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