一、前言
本杰明·富兰克林是如何发现了电?他在听说电之后又有什么新的发现呢? 在Kathy 老师讲说的故事中包含有 正电荷与负电荷的起源、物理学中长久成立的规律、涉及到闪电的恐怖实验以及一个困扰我们至今的简单错误。
在1748年一位名叫彼得·柯林森的英国人读到一篇德国人写的关于电的文章,文中提到给人充电可以在接吻时出现放电现象, 给人充电后可以利用人体放电点燃酒精。柯林森是一位教友派信徒商人,也是一名业余科学家。在美国费城与富兰克林成为好友。对就是那个 本杰明·富兰克林,他协助起草了独立宣言,一百美元钞票封面里的那个皱着眉头的老人。
柯林森于是使用玻璃管封装了杂志拷贝并邮寄给富兰克林,并在玻璃管内一起寄送了其他相关的资料,这些资料丰富了他的图书馆。富兰克林看到杂志后立即被吸引了。他说道,对于他来说从来没有如此全神贯注、花费全部精力来学习并做了相应的工作,自己的朋友也蜂拥而至争相观看。几个月内自己稍得空闲轻松一下。
▲ 图1.1 富兰克林
当时富兰克林正值40岁的壮年,他成功开了一间印刷作坊、一个邮局以及文具店。只生了两个孩子,老大15岁,名叫威廉,老二三岁,名叫莎莉。想成鲜明对比的是,富兰克林则是出生在一个17个孩子的家庭,其中七个父亲与前妻生的孩子在幼年就夭折了,其余是个孩子则是本杰明自己的母亲所生,17个孩子最终成人10人。当时本杰明正想方设法发展自己的生意,感到一直没有真正属于自己的事情。自己真正喜欢的是轻松的阅读,做些实验,有一些聪明的朋友进行交往。
▲ 图1.2 富兰克林与朋友在一起
富兰克林给柯林森的 回信中感谢他邮寄过来的礼物,并把自己与电相关的理论发送给他。第一个理论的内容,这也是后来也给予他更多关于电方面更多的快乐,似乎电总是从物体的尖端放电,这对发明避雷针非常重要,下面对此稍微详细叙述一下。
▲ 图1.3 尖端放电
同时他建立了自己的发电机,与同时期其他发电机不同,其它发电机都是一个人旋转轮子,另一个人空手来摩擦轮子发电。富兰克林则使用毛刷来摩擦玻璃滚筒。有趣的是,你可以让一个人站在石蜡上面,通过触碰玻璃滚筒,或者毛刷手柄来充电。正因为如此,富兰克林很快获得一个与之前所有有所不同的理论,那就是你无法产生或者消灭电荷, 而只是转移它们。也就是说所有物体都包含有电荷。当你摩擦物体,你将一部分电荷从一个物体转移到另外一个物体上。你可以有多余的电荷,或者缺少一些电荷。这被称为电荷守恒定律,这个定理在物理学一直成立至今。
▲ 图1.4 旧式发电机
富兰克林任务,如果你使用毛线摩擦玻璃,玻璃失去电火花,毛线获得了电火花。于是他对这个过程进行了命名,这个名称如今还在使用。如果一个物体拥有多余的电火花,那么它充满着正电荷;如果电火花少,则充有负电荷。如果数量相同则呈现电中性。他通过实验证明,如果一个人触碰玻璃充电,另外一个人触碰毛刷充电,他们之间会产生强烈的电击感觉。放电后,他们又回到电中性。这说明触摸玻璃的人从触碰毛刷的人那里获得了极性相反,数量相同的电荷。这与从事商业的物理学家的账本收支平衡是类似的。
如果你看到一个电火花,或者感受到 放电,你是无法分辨出电荷传递的方向。当身体丢失电荷时感到的疼痛与接收电荷时的疼痛相同。于是富兰克林就随意规定移动的电荷是正电荷。直到150年之后,人们才发现在电火花中移动的是电子,它们带着负电荷。因此当我们说电流朝着一个方向流动,电子电荷实际上是流向另外一个方向。这个问题至今还在迷惑我们。
▲ 图1.5 简单的电路
例如当你吧电池与电灯泡相连,我们说电流从正极流向负极。但在这个过程中实际是带负电荷的电子沿着相反的方向移动。
又一次,不管上面的错误,富兰克林关于所有物体都包含有电荷, 电荷既不能产生也不能消灭,只能从一个物体转移到另外一个物体的观察结论非常正确,富有远见卓识,这也改变了人们关于电的看法,至少在当时读到过富兰克林的文章并理解其中的含义的人被改变了。
另一方面富兰克林不仅改变了关于电的一些规则,他还鼓弄出一些有趣的事情。他设计了非常聪明的展品,比如飞行的蜘蛛。他讲金箔粘贴在书皮一边,通过它对莱顿瓶放电,金箔会闪烁发光,依次来取悦来访客人。当他试图通过放电来杀死用于圣诞节火鸡的时候碰到点麻烦,放电几乎让他自己嗝屁了。一般来讲,电给富兰克林带来了无尽的快乐。
▲ 图1.3.5 富兰克林有趣的放电实验
当他操纵自己的发电机并试图电杀火鸡的时候,他考虑到闪电。他逐步确信闪电与室内的电火花是是相同的,只不过规模巨大。在1749年,11月7日,富兰克林写信给他的朋友,其中列举了花火放电 与闪电之间12处相同之处。在1750年7月29日,富兰克林脑子进水了,做了一个可怕的实验,来验证是否闪电是因为云层带电引起的。
他建议在一个小的房间顶部放置一个大的铁棒,就像卫兵房子,或者哨兵观察室,如果通过的云彩带电,那么铁棒也会通过感应带电。这种远距离移动的电荷就会感应出电火花。与普通人理解不同,不论是当时还是现在的人,富兰克林认为这个铁棒放电是因为它靠近带电的云彩被感应出电荷,而不是因为它被闪电击中了。正式这个在哨兵站中的士兵让富兰克林获得了巨大的国际声望。
▲ 图1.3.6 带点云彩感应电荷放电
1749年, 柯林森决定将富兰克林的书信集结成册出版,一开始在英国做的并不好。对于政客来讲,富兰克林的关于正负电荷移动的理论非常难以理解,这是因为这个理论与早期法国科学家 查尔斯·富兰索瓦·西斯特内·杜费的理论相悖。杜费在1739年因患天花去世,但他的门徒 珍·安托万·诺莱似乎不喜欢弗兰科林的工作。然而碰巧富兰克林将自己的书籍送给了诺莱的对手,一个喜欢夸夸其谈的人,名叫布冯。布冯之前对于电并没有兴趣,但他却热衷于羞辱他的对手,这就引出了富兰克林的避雷针以及放电风筝的实验。
▲ 图1.6 Charles Francois Cisterney Du Fay
How Benjamin Franklin Discovered the True Nature of Electricity: https://www.youtube.com/watch?v=BEvLmgYvYX8&t=10s