话说 1752 年，在费城郊外，有一对父子正在忙碌着。阴沉沉的天空中乌云密布，一场大雷雨眼看就要来了，这种鬼天气，人们早已躲到了家中，这荒郊野岭里更是一个人影都见不着，可是这对父子却兴奋异常，在忙着摆弄一个风筝，他们要放风筝！

千万别以为这是一个荒唐的父亲在带着小孩子玩耍， 这对父子中的父亲已经 46 岁，儿子也已成年，他们都知道在雷雨中放风筝意味着什么。但是，他们是要冒着生命危险来做一个实验，他们要验证闪电的本质！这位父亲就是大名鼎鼎的电学专家——本杰明·富兰克林（ 1706 — 1790 ）。

本杰明·富兰克林

自古以来，人们就对闪电相当畏惧，阴沉的天空中，那一道道从天而降的耀眼霹雳仿佛是老天在发怒，没有人知道电闪雷鸣是怎么回事，在人们眼里，闪电是一种颇为神秘的自然现象。但是富兰克林却向世人宣布，闪电没什么特别的，它和人们生活中看到的电火花一样，都是一种放电现象，不过强度特别大而已。

这种说法令人们半信半疑。那时候，人们早已知道摩擦起电现象，并且发明了一种摩擦起电机。发明者不是别人，正是“马德堡半球”实验的完成者——德国马德堡市市长格里克。

1660 年，格里克做了一个带有木柄的大硫磺球，形状就像一个大铜锤一样，他把本杰明·富兰克林 硫磺球放在一个木制的托架上，用左手转动木柄让硫磺球旋转，右手按在球面上，通过手 掌与硫磺球的摩擦产生静电荷。当他把带电的硫磺球放到羽毛附近时，周围的羽毛纷纷朝 它飞来，被吸在上面；当他用手指靠近硫磺球时，会发出噼噼啪啪的闪光。后来人们又用 中空的玻璃球代替实心硫磺球做成摩擦起电机，用手按在玻璃球上快速旋转时，玻璃球内产生的电火花能把整间黑屋子都照亮。

现在，富兰克林告诉人们，天上的闪电和人们摩擦出来的电火花是一样的性质。为了证明他的观点，他要冒险在雷雨天做风筝实验。

起风了，富兰克林父子俩赶紧迎风跑动起来，试了几次以后，风筝终于被放到了高空中，趁雨还没下，他们躲避到一间早已搭好的棚子中，抬头观察着风筝。他们的风筝和普通的风筝有一点区别，主体是两根十字交叉的木条，木条上固定了一根细长的金属丝，一条长长的绳子作为风筝线和金属丝相连，绳子下端挂了一把钥匙，绳子末端又连着一条丝绸手帕，手就握在手帕上。

富兰克林的风筝

金属丝是用来吸引闪电的，钥匙是用来验证电的。虽然富兰克林认为，手握的那条丝绸手帕可以起绝缘作用，以防电流击中人体。事实上，丝绸虽是绝缘体，但受潮就可以导电，且很容易被闪电的高压电场击穿，并不安全。

空气中的湿气越来越重，富兰克林的儿子威廉轻轻晃动着绳子，以保持风筝的姿态。父子二人在心中祈祷着，希望风筝能在大雨来临之前把雷电吸引下来，否则风筝被雨浇湿落地，实验就做不成了。他们焦急地抬头仰望着天空，突然，一道亮光闪过，绳子上的细纤维一瞬间都竖立了起来，就像突然长毛了一样。

威廉喊道：“爸爸，快看！”

富兰克林冷静地点点头：“天电被引下来了！钥匙上已经带电了。”说着，他小心的用手指靠近钥匙，果然，劈劈啪啪的电火花在他的手指和钥匙之间跳动起来。

威廉兴奋地叫道：“真的是电！爸爸，你成功了！”

富兰克林笑了，他拿出早已准备好的莱顿瓶，把钥匙上的电荷收集到瓶中，对威廉一 挥手：“把风筝扔掉，撤！”

威廉一松手，风筝就被狂风卷跑了。

父子二人拿着莱顿瓶，骑着马赶回了家中，刚到家，瓢泼大雨就下了起来，这个堪称史上最危险的实验，终于有惊无险地完成了。

有读者要问了，富兰克林拿的莱顿瓶是什么东西呢？它是人类发明的最早的电容器，是由荷兰莱顿大学的研究人员在 1746 年发明的。

简单来说，莱顿瓶就是一个玻璃瓶，瓶子里外各贴一层金属箔，这样两片金属箔和夹在中间的玻璃就构成了一个电容器。瓶里的金属箔需要通过导线从带有木塞的瓶口引出一根引线，这样才能方便充 电和放电。这小小的莱顿瓶可是一个大发明，因为当时人们虽然能用摩擦起电机产生电荷，但却没法收集这些电荷，而莱顿瓶却能做到这一点，把摩擦起电机产生的电荷导入莱顿瓶， 就能进行电学研究。

莱顿瓶及其对应的电容器充电原理（将莱顿瓶外面的金属箔接地，将摩擦起电机的一极接 于铜引线上，即可对莱顿瓶进行充电，使莱顿瓶内外的金属箔上积蓄等量的异号电荷）

现在我们知道，只要在两个相距很近的金属板中间隔一层绝缘体就可以做成电容器。当给电容器的两个极板之间加上电压时，电容器就会储存电荷，一个极板带正电，另一个极板带负电。用导线连通电容器的两个极板，电容器就会放电。

在那个流行公开实验表演的年代，法国电学家诺莱特就组织过一次莱顿瓶放电表演。1748 年，诺莱特在巴黎街头让几百名修道士手拉手站成一圈，他让队首的修道士拿住一个充了大量电荷的莱顿瓶，然 后让队尾的修道士去碰触莱顿瓶的引线。队尾的人刚拿住引线，莱顿瓶放出的电流瞬间穿 过几百名修道士的身体，使他们全都滑稽地跳了起来。在观众们的笑声中，诺莱特使人们见识到了电流的巨大威力。

却说富兰克林回家以后，别的什么都顾不上，赶紧把收集到闪电的莱顿瓶放在桌子上，开始了常见的电学实验。这些实验证明，从闪电中引入莱顿瓶的电荷和用摩擦起电机产生 的电荷是完全一样的，他破解了闪电的秘密！

富兰克林并非心血来潮要研究闪电，在此之前，他早已是一个电学专家。电荷分为正电荷和负电荷就是他提出来的，电荷守恒原理也是他提出来的。

1733 年，法国科学家杜菲通过实验区分出两种电荷，称之为“松脂电”（即负电荷）和“玻璃电”（即正电荷），并发现了静电力的基本特性：同性相斥，异性相吸。1747 年，富兰克林提出一个假设，他假设物体中都存在一种所谓的“电基质”，摩擦生电的时候，一部分“电基质” 从一个物体转移到了另一个物体上，这样一个物体就带了正电荷，另一个物体就带负电荷，二者是等量的。富兰克林指出，电基质只能被转移而不能被创生，这就是电荷守恒原理。

那时候，人们还没有原子的概念，更不知道原子里含有电子了，所以说富兰克林的理 论在当时来说是相当先进的。现在我们知道，电子带负电荷，摩擦生电的时候，一部分电 子从一个物体转移到了另一个物体上，这样失去电子的物体带正电荷，得到电子的物体带负电荷，和富兰克林的说法别无二致。

（注：原子由原子核和电子组成，原子核由质子和中子组成，质子带正电荷，中子不带电荷，电子带负电荷。由于电子是一个一个的，所以无论失去电子的物体还是得到电子的物体，其电荷量都是电子电荷 量的整数倍，因此电子电荷量被称为元电荷，用 e 表示。）

当富兰克林把他的理论写信告诉远在大洋彼岸的英国皇家学会时，引起了英国科学界的震动，他们一直以为北美殖民地的人受教育有限， 压根没料想那里的人还能搞科学，富兰克林的出现着实让他们大吃一惊。

事实上，富兰克林接受的教育的确有限，他是靠自学成才的。1706 年，富兰克林出生在波士顿。12 岁时，只上过两年学的富兰克林成为一个小印刷厂的学徒工。印刷厂虽然工作繁忙，但它却是一个现成的图书馆，各式各样的书都有。好学的富兰克林在闲暇时间阅读了大量书籍，学到了很多知识。17 岁时，富兰克林放弃学徒身份，辗转到费城，找合伙人一起开办了一个属于自己的印刷厂。21 岁时，富兰克林发起组织了一个名叫“共读社”的团体，成员们在一起读书、讨论，话题涉及有关自然科学和社会科学的各种问题，这个团体一度在当地颇有名气。随着财富与知识的积累，到富兰克林 40 岁时，他终于有了时间和资金来搞研究，第二年，他就一鸣惊人，提出“电基质”假设和 电荷守恒原理，震动了英国皇家学会。

1752 年 10 月，富兰克林把风筝实验的结果写信告诉了英国皇家学会，这一危险而神秘的实验让皇家学会彻底折服，很快，他就被授予皇家学会会员的资格。

富兰克林早就认识到金属丝容易吸引电荷放电，风筝实验很好地证明了这一点。对这种“尖端放电”现象的认识促使富兰克林提出了他一生中最重要的发明——避雷针。

1753 年，他写了一篇文章《如何保护房屋免遭闪电破坏》。文中指出，只要把一根尖尖的金属杆立在屋顶，通过导线将金属杆与地面连接，如果附近有闪电，就会被金属杆的尖端吸引过来，并顺着导线流进大地中，这样房屋就不会被闪电击中。避雷针安装起来太简单了，很快就在当地传播开来，人们发现，装有避雷针的房屋， 真的不会遭受雷击了。人们纷纷称赞富兰克林的神奇，这一小小的装置也一传十、十传百，相继传到英国、法国、德国，最后普及到世界各地。从此，人类的建筑物再也不怕被雷击了。

避雷针的发明让富兰克林的声望达到了顶点，他的风筝实验也被人们传得神乎其神， 把他誉为向天取火的“第二个普罗米修斯”。但是，当时人们可能没有意识到，这是一个极其危险的实验。 1753 年 7 月，俄国电学家李奇曼试图通过类似的实验来测量雷雨云携带的电荷量，结果被顺着导线传导下来的电流击中身亡。他用生命为代价让人们认识到了这个实验的可怕。

图源：pexels

现在我们知道，闪电是天空中带有正电荷和带有负电荷的云层之间或带电云层与地面 之间产生的一种击穿空气的放电现象。在雷雨天，含有冰晶、霰粒和过冷水滴的雷雨云中会聚集大量电荷，当电场足够强大时，就会击穿空气放电，发出耀眼的闪光。闪电电流能将空气加热到几万摄氏度，会导致空气电离，而且迅速膨胀的空气会发出雷声。闪电的电压高得吓人，竟然能达到几亿伏，所以，风筝实验是无比危险的。

2006 年，美国一档科学电视节目《流言终结者》对富兰克林的风筝实验在实验室进行了验证，结果发现，使用 48 万伏特的电压就能使风筝线上产生足以致人死亡的电流。实际闪电的电压是 48 万伏特的成百上千倍，所以李奇曼被电击身亡实际上是不可避免的悲剧。

那么，富兰克林到底是如何逃过一劫的呢？人们众说纷纭，但是《流言终结者》的另一个实验却给了我们启示。这档节目发现，把富兰克林的风筝放到天空，即使是大晴天，风筝线也能把云层中的电荷传导到钥匙上，获得微弱的电流。如此看来，富兰克林的风筝 很可能只是引起了雷雨云的尖端放电，并非我们想象的那种电闪雷鸣般的闪电。不过，即便如此，也并不妨碍他在电学上取得的伟大成就。

文源：《物理学通俗讲义》

作者：高鹏

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编辑：Sheri

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