電學史上的富蘭克林

胡翌霖

說起歷史上著名的科學實驗，富蘭克林的風箏實驗也許是大眾最耳熟能詳?shù)囊豁棥＿@個故事經(jīng)常出現(xiàn)在小學課文中：富蘭克林通過風箏引下了天上的雷電，證明天上的閃電與地上的電是同樣的。

在一般的科普書中，對富蘭克林之前的電學史往往一筆帶過，因為除了“電”這一概念本身，早期的電學史并沒有留下多少沿用至今的符號或公式。

最早關(guān)注電的科學家大概是吉爾伯特，他在1600年的《論磁》中考察了電現(xiàn)象與磁現(xiàn)象，并仿造希臘文中琥珀（elektron）一詞創(chuàng)造了“電”這個拉丁詞（electricus）。在很長一段時間內(nèi)，電與磁在上流社會中的普及方式，主要都在保健醫(yī)療和娛樂獵奇的方面。而到了21世紀，磁化水之類的虛構(gòu)保健概念仍然大行其道，也難怪17、18世紀的人們趨之若鶩了。

1745年，在荷蘭的萊頓市誕生了最早的“電容器”，這就是所謂的萊頓瓶，與旋轉(zhuǎn)球起電器結(jié)合，可以更大量、更持久地儲存由旋轉(zhuǎn)球起電器產(chǎn)生的靜電。萊頓瓶一經(jīng)發(fā)明很快就風靡全歐洲，大家爭相用萊頓瓶來演示放電現(xiàn)象。除了親身感受觸電的感覺之外，“電火花”也是電學表演中最為顯著的現(xiàn)象之一。

富蘭克林最初是一個出版商，他與歐洲的朋友保持通信，及時獲得歐洲的時尚前沿信息，然后在美國印刷傳播。電學實驗這個新興事物自然也不容錯過。1745年，正好是萊頓瓶剛剛發(fā)明、迅速流行的時候，英國商人彼得·柯林森向富蘭克林的出版公司贈送了一支用于生產(chǎn)靜電的玻璃管，并持續(xù)給富蘭克林報道來自歐洲的電學新聞。富蘭克林顯然很感興趣，很快就跟進購置了一整套電學儀器，開始一系列電學研究。1748年，他干脆把出版公司交給別人管理，自己建立了一個實驗室，埋頭研究電學問題。

富蘭克林的改進包括理論和實驗兩個方面。在理論方面，他接受當時流行的“電是流體”的觀點，但增添了正電和負電的概念，并明確了“電量守恒”的原則。在實驗儀器方面，富蘭克林完善了起電機的制造，雖然很難說有什么革命性的創(chuàng)造，但更加精致有效。用手柄驅(qū)動轉(zhuǎn)輪帶動玻璃球旋轉(zhuǎn)，摩擦毛皮墊片產(chǎn)生靜電，最后導(dǎo)入萊頓瓶中儲存。后來富蘭克林還發(fā)展出所謂的“電池”，和之后的伏打電堆不同，是把許多萊頓瓶并聯(lián)起來，可以同時儲存或釋放大量靜電。

得益于實驗條件的提升，能夠觀察到的電火花現(xiàn)象日益明顯，放電的強弱程度也更加明顯。在大量觀察中，富蘭克林總結(jié)出，越是尖銳的物體越容易吸引和放電。同時，他也觀察到電學儀器打出的電火花與天上的天火（閃電）有許多相似之處。

1750年，富蘭克林在寫給柯林森的信中，提到了用實驗檢驗天火的設(shè)想。他設(shè)想通過豎立一根30英尺高的金屬桿接引閃電到木質(zhì)房屋內(nèi)。他本人并沒有做這個實驗，但信件被柯林森向歐洲科學界公開，引起了很大反響，一個法國人在1752年嘗試了這個實驗，據(jù)說成功了。后來的避雷針也是根據(jù)這個設(shè)計發(fā)展而來的。

1752年，富蘭克林提出了風箏實驗的構(gòu)想。但他和兒子是否一起親自做過這項實驗，富蘭克林從沒有明確說過。世人熟知的故事版本出于和他交情不錯的普利斯特里轉(zhuǎn)述。

電學史上，富蘭克林身處過渡時期，從早期以收集定性規(guī)律和表演為主，到逐漸定量化、數(shù)理化。他提出的電流、正電、負電與電荷守恒的概念都對這一過渡非常關(guān)鍵，可以說是整個現(xiàn)代電學理論體系的起點。在實驗方面，他對儀器的改良和對實驗的設(shè)計都產(chǎn)生了重要的影響，電學實

驗的重心從追求表演效果，逐

漸轉(zhuǎn)向定量分析。

（作者系清華大學科技史系助理教授）