富蘭克林與電流方向

孫正凡

電流方向示意圖（繪圖/小綿羊）

如果我們了解一下電學的歷史，就會注意到這個規定是源于美國的建立者之一、美國最早的一位科學家富蘭克林（1706年-1790年）。他在研究電學的時候，規定了電流方向是正電荷的流動方向。只不過在當時，正負電荷以及它們的流動，都是富蘭克林提出的一種猜想。

雖然早在公元前600年左右，古希臘哲學家泰勒斯就觀察到了琥珀經摩擦帶靜電的現象，但直到1600年，英國女王伊麗莎白一世的御醫吉爾伯特在《論磁石》里描述的依然是靜電。吉爾伯特指出，琥珀不是唯一可以經過摩擦產生靜電的物質，鉆石、藍寶石、玻璃等也具有這樣的性質，因此他創造了一個拉丁詞“electrica”（拼寫類似琥珀，琥珀是elektron），意思為像琥珀一樣能吸引小東西，這就是我們現在用的英文詞“電”（electricity）的起源。

接下來的問題是，電究竟是什么？英國科學家斯蒂芬·格雷在1729年發現了電荷可以從一個物質傳導至另外一個物質，從而區分了電導體和絕緣體，也就是說，電是可以流動的，稱為“電流體”。對電流體的本質當時有兩種猜想，一種是法國物理學家查爾斯·迪費（Charlesdu Fay）在1733年提出的雙流體理論：當玻璃與絲巾相摩擦時，玻璃會生成玻璃電;當琥珀與毛皮相摩擦時，琥珀會生成琥珀電;摩擦會使這兩種電分開，接觸讓它們彼此相互抵銷。富蘭克林認為杜菲的理論不夠簡單，他在1747年提出了單流體理論，認為只存在一種電流體，稱為“電素”（electrical fire）。富蘭克林認為：如果一個物體的電素適量，就呈“電中性”;如果電素過量，則表現為帶正電，對應玻璃電;如果一個物體缺乏電素，則表現為帶負電，對應琥珀電。電素之間是相互排斥的，能吸引其他物質。富蘭克林還提出了電荷守恒定律。那個時候，人們對于物質的微觀結構和運動了解還非常少。富蘭克林是電學研究的先驅者。但無論是“雙流體”還是“單流體”，都是宏觀上的猜想。

最早描述的電學現象有兩種，一種是摩擦起電，一種是空中的雷電。1752年6月，富蘭克林和他兒子在雷雨天時放飛了一只風箏，把電引入了萊頓瓶里，證明打雷閃電就是放電過程。如此得來的電，和摩擦過程得到的電是一樣的。在這個實驗中，富蘭克林還得出打雷一般是帶負電的，所以他認為雷電是大地的電素流向了云層的結果。

1897年，英國劍橋大學卡文迪許實驗室的約瑟夫·約翰·湯姆森（J.J.Thomson）用真空管觀察所謂陰極射線的偏轉，并計算出陰極射線粒子（電子）的質量-電荷比例，由此發現了這里射出的粒子是帶負電的，稱為電子。這個發現打開了亞原子世界的大門，因此獲得了1906年的諾貝爾物理學獎。至此，科學家才恍然大悟，偉大的富蘭克林不但“單流體理論”是錯的（物質是確有獨立的正負電荷，不是電素不均衡導致的電荷），而且他對電流方向和電荷的規定都猜錯了（金屬導線里流動的并不是正電荷，而是負電荷）。

可是富蘭克林關于正電、負電、電流方向的數學描述依然可以使用，我們熟悉的庫侖定律等許多電磁學定律都是根據富蘭克林的假定寫成的。這些規定在兩百多年里早已滲入了電磁學研究、電工學實踐的每一個環節。要是僅僅為了讓電流方向和電子運動方向保持一致，就強行全部顛倒過來，那么可想而知，不僅僅要花費漫長的時間、數量龐大的資金，而且會造成巨大的混亂、致命危險和資源浪費。所以對于富蘭克林犯下的這個“失誤”，既然不涉及科學本質，后人只能將錯就錯了，不可能也不需要更改了。

科學研究提倡創新，追求真理，同時也非常重視和尊重傳統，既往的認識強烈地影響著我們今天的一切。但在科學研究中發現了本質上錯誤的認知，是必然要去改正的，這也是科學體系不斷成長的基礎。即便是偉大的富蘭克林犯的錯誤，我們也必須要指出來。至于“電流方向是電子運動的反方向”這類人為規定的技術細節，屬于富蘭克林的一個失誤，算不上本質上的科學錯誤，那么就按照傳統一致的習慣來就可以了，只是辛苦老師和同學多了一項必須記住的概念。

物理

通過對雷電的科學認識，富蘭克林還發明了避雷針。避雷針又叫引雷針，那么打雷時，避雷針是不是直接將雷擊引入地下了呢？請說一說避雷針的工作原理吧。

避雷針