发明避雷针

富兰克林是第一个在纯科学领域中享有国际声誉的美国科学家，是美国电学研究的先驱者。他对电学的研究结果统一了当时混乱的电学知识。他最主要的贡献就是对说明各种电现象的理论（如电荷的产生、电荷的移转、静电感应等）作了比较系统地阐述。最初，他热衷于发明设计小器件，这给他以后的电学实验研究打下坚实的基础。1745年起他在不到十年的时间内，利用一些简单的工具、器械进行了各种大胆的新的电学实验。通过实验，富兰克林首先提出电学史上一项重要的假说：电的单流质理论。富兰克林第一次用数学上的正负概念来表示两种电荷的性质，至今现代物理学上还使用它们；同时富兰克林还发现了尖端放电现象。更重要的是，富兰克林提出了电的转移理论。以后，这个理论发展为电荷守恒定律，这是自然界最基本的定律之一。

在富兰克林所有的发明创造中，避雷针是最为有名的。在希腊神话故事中，天神普罗米修斯把天上的火种盗取到人间，给人类带来光明和温暖；到了18世纪中叶，富兰克林发明了避雷针，驯服了雷电，成为了“人间的普罗米修斯”。

《AGO莱顿瓶》

在他之前，科学界对静电现象知之甚少。1745年，荷兰莱顿大学的马森布罗克（1692—1761年）和德国的克莱斯特（1700—1748年）各自发明了后来称为“莱顿瓶”的蓄电池的最早形式；同时，格里凯发明的静电起电机在18世纪得到改进，它通过连续转动的摩擦随时可以方便地得到静电。这两项电学仪器的发明，使得科学家可以得到并积蓄电以供进行许多电学现象的观察。但那时人们对于莱顿瓶的瓶体本身（玻璃）、水和金属线在起电与放电过程中起什么作用还一无所知。1746年秋天，富兰克林第一次看到英国学者斯宾士的电学实验表演，并得到了斯宾士赠送的一套电学仪器，其后便开始了他的电学实验。

富兰克林的电学实验首先从莱顿瓶开始，不到几个月，从实验中有了不少的新发现，解决了当时电学中急待解决的问题——莱顿瓶的作用和原理，得出了极为重要的结论：“电火花并非由摩擦而产生的，而是被收集起来的。电确是一种在物质中弥漫着的，又能为其他物质，特别是水和金属所吸引的基本要素。”“电火是永远不会被毁灭的。”在富兰克林看来，电是一种单纯的“流质”。从而初步解答了电由何处来和莱顿瓶的作用等问题，否定了在此之前科学家们关于莱顿瓶之所以能发生强烈的放电是由于瓶中金属箔金属线所致的推测，也就把莱顿瓶实验的神秘面纱揭开，将其置于一个可以为人理解的科学基础上了。富兰克林的这个结论为19世纪法拉第（1791—1867年）对电介质所作的进一步研究打下了基础。

富兰克林又认为，既然电是一种单纯的“流质”，那么，当玻璃受到摩擦时，电就流入玻璃，使它带“正电”；而当琥珀受到摩擦时，电就从琥珀流出，使它带“负电”。相应地，莱顿瓶内外两面的电荷也被定名为正电与负电，或阳电与阴电，并用正号“＋”和负号“－”来表示它们。这是电学上的一个创举。富兰克林是第一个把电分为正电和负电来解释实验的人。这不仅是名称上的问题，而且是概念上的深化。如果把富兰克林说的“流质”改称“电子”，并将流动方向倒过来（因为电子实际上是从琥珀流向玻璃），那么他这个猜测在本质上是正确的。富兰克林这一创举使电学开始走向准确的定性的方向。他对莱顿瓶的研究使科学界正确地了解了它的作用，并认识了绝缘体在电学中的重要性。1788年法国科学家库伦（1736—1806年）发现电荷间相互作用力的有名定律就是从富兰克林这一概念出发的。这是富兰克林在电学上的一大贡献。

富兰克林发明的发电机模型

富兰克林还利用充电体之间静电的吸力和斥力的作用，制造了一个很简单、但又异常灵敏的机械，称为“电轮”。在这个机械里，轻圆盘以每分钟50周的速度旋转，实际是不断地把电能转化为机械能。这个发明预示着现代的电动机的出现。

在当时，雷电这种具有巨大破坏性的可怕的自然现象的本质是什么，对人们来说还是一个谜。流行的看法是，它是“上帝之火”，天神发怒，也有人猜测雷电是毒气在天空爆炸。而富兰克林则认为雷电是电，但这需要证明。富兰克林要来作这一伟大而危险的尝试了。

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风筝试验

富兰克林准备了一大块丝帕和用来展开丝帕的适当长度的两根相互交叉着的棍子，他抓住第一场就要到来的暴风雨的机会步行到田野上去，在那儿有一座棚子可以用于他的试验。但是由于害怕在科学上不成功的尝试往往招来的嘲讽，他没有将他想要进行的实验告诉任何人，除了他的儿子以外。他儿子将帮助他放出风筝。

1752年6月的一天，阴云密布，电闪雷鸣，一场暴风雨就要来临了。富兰克林和儿子威廉一道，带着上面装有一个金属杆的风筝来到一个空旷地带。富兰克林高举起风筝，他的儿子则拉着风筝线飞跑。由于风大，风筝很快就被放上高空。刹那，雷电交加，大雨倾盆。富兰克林和他的儿子一道拉着风筝线，父子俩焦急地期待着，此时，刚好一道闪电从风筝上掠过，富兰克林用手靠近风筝上的铁丝，立即掠过一种恐怖的麻木感。他抑制不住内心的激动，大声呼喊：“威廉，我被电击了！”随后，他又将风筝线上的电引入莱顿瓶中。回到家里以后，富兰克林用雷电进行了各种电学实验，证明了天上的雷电与人工摩擦产生的电具有完全相同的性质。富兰克林关于天上和人间的电是同一种东西的假说，在他自己的这次实验中得到了有力的证实。

富兰克林在风雨中利用风筝做实验，证明雷和电同为一物

以下就是关于这次实验的记述：

“由于同这次如此重大的发现（或许是伊萨克•牛顿爵士以来最伟大的）的每一情节都将给所有我的读者以快乐，我将努力地传递我从最高权威那里得到的若干新细节来满足他们。”

“在出版了他的验证——他的关于电和雷电是一回事的假说的方法后，博士（富兰克林）等着在费城筑起一座塔尖（在基督教教堂），以便将他的观点付诸实验，而不是想象用一个大致差不多高度的尖头竿子来达到那目的。这时，他忽然想到借助一只普通的风筝，他就可以比利用随便什么尖塔更好地深入雷电区了。

“风筝升了起来，在它显示出带电以前，过了相当长的一段时间。一块很有放电希望的云笼罩了它，但没有任何反应。最后，就在他开始对他的努力感到绝望的时候，他观察到麻绳上一些松散的线直立了起来，相互让开，仿佛它们被定在了一个共同的导体上。注意到了这一充满希望的现象，他立即将他的指关节伸向钥匙，发现就这样完成了。他感觉到了十分明显的电火花。其他的人也成功了，甚至在绳子被淋湿前。因此这事实就平息了所有的纷争。当雨淋湿了风筝的绳子时，他收集到了大量的电火花。这事发生在1752年6月。”

这段话是富兰克林的朋友、英国皇家学会的普利斯特里写下的——富兰克林自己没有公开描述过这件事。普利斯特里是在富兰克林眼皮底下写的，一定亲耳听到了富兰克林说的关于此事的情况，写出的草稿也经富兰克林过了目。

当年9月，富兰克林就“竖起了一根铁竿把雷电引入我的屋子里，以便对它做一些实验，用两只铃在铁竿受电时引起注意”。

他在附近的铁匠铺定做了一根9英尺长的顶端尖削的铁杆，把它安放在烟囱顶上。铁杆的下端拴上鹅的翎管那么粗的金属线，然后将金属线沿楼梯引到屋子里的金属水泵上，而水泵是通向地下的。他又把屋里的那段金属线分成两股，两股线的终端相距6英寸，各挂上一只小铃，两只铃的中间，用丝线吊着一只小铜球。当金属线有电流通过时，铃上的铜球就会响起来。

他写道：“在频繁地从上方的铃吸取火花和为电瓶充电后，一天夜里，我被楼梯上响亮的劈啪声惊醒了。我跳了起来，开门出去，我察觉到那铜球不是像往常那样在铃之间颤动，而是被支开，离开两只铃有一定的距离；当那火通过时，有时候很响亮、迅疾的劈啪声从一只铃到另一只铃，有时候呈一条连续不断、浓稠的白色溪流，看上去有我的手指般粗细。这时，整个楼梯亮如白昼，人们可以捡得起一根针来。”

富兰克林发明的避雷针图解

看来，尽管他竖起那根铁竿主要是来取电做实验，但他也想到了用它来保护自己的房屋。10月1日他写给柯林森的信中谈了风筝的事后，加上了一段附言，言及了避雷针：“我很高兴听说我的实验在法国取得成功，及他们开始在他们的建筑物上使用尖状物。在那以前，我们已经在我们法院和市政大楼的屋顶安装了。”这是最早的关于避雷针实际应用的信息。

风筝实验的成功使富兰克林在全世界科学界的名声大振。英国皇家学会给他送来了金质奖章，聘请他担任皇家学会的会员。他的科学著作也被译成了多种文字。

在荣誉和胜利面前，富兰林没有停止对电学的进一步研究。1753年，俄国著名电学家利赫曼为了验证富兰克林的实验，不幸被雷电击死，这是做电实验的第一个牺牲者。血的代价，使许多人对雷电试验产生了戒心和恐惧。但富兰克林在死亡的威胁面前没有退缩，经过多次试验，他制成了一根实用的避雷针。他把几米长的铁杆，用绝缘材料固定在屋顶，杆上紧拴着一根粗导线，一直通到地下。当雷电袭击房子的时候，它就沿着金属杆通过导线直达大地，房屋建筑完好无损。1754年，避雷针开始应用，但有些人认为这是个不祥的东西，违反天意会带来旱灾。就在夜里偷偷地把避雷针拆了。然而，科学终于将战胜愚昧。一场挟有雷电的狂风过后，大教堂着火了，而装有避雷针的高层房屋却平安无事。事实教育了人们，使人们相信了科学。避雷针相继传到英国、德国、法国，最后普及世界各地。从此，人类历史上诞生了一句名言，以用来描绘他的这一成就，“他从天空抓到了雷电，从专制统治者手中夺回了权力。”