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科學(xué)揭秘:富蘭克林通過(guò)風(fēng)箏-鑰匙實(shí)驗(yàn)發(fā)現(xiàn)了電?

2021/12/31 8:41:21 來(lái)源:新浪科技 作者:葉傾城 責(zé)編:長(zhǎng)河

北京時(shí)間 12 月 31 日消息,1752 年,在一個(gè)漆黑、狂風(fēng)暴雨的夏天夜晚,美國(guó)科學(xué)家本杰明?富蘭克林(Benjamin Franklin)進(jìn)行一項(xiàng)風(fēng)箏實(shí)驗(yàn),他在風(fēng)箏線的末端系著一把鑰匙,期待著閃電的到來(lái)…… 這個(gè)富有傳奇性的閃電實(shí)驗(yàn)誕生了電的發(fā)現(xiàn)(富蘭克曾稱其為“電火”),或者實(shí)際情況并非如此。

這個(gè)故事具有真實(shí)性嗎?富蘭克林真的在實(shí)驗(yàn)中被閃電擊中,才證實(shí)發(fā)現(xiàn)了電的存在?

大多數(shù)人都知道本杰明?富蘭克林是美國(guó)開國(guó)元?jiǎng)?、是一位富有傳奇色彩的政治家?00 美元鈔票上印有他的頭像,他是美國(guó)政治界赫赫有名的人物,事實(shí)上,富蘭克林還是一位著名的科學(xué)家和發(fā)明家,是一位真正的博學(xué)家,他是多個(gè)科學(xué)協(xié)會(huì)的成員之一,也是美國(guó)哲學(xué)協(xié)會(huì)創(chuàng)始成員,因此,他對(duì)當(dāng)時(shí)學(xué)者們最迫切關(guān)心的科學(xué)問(wèn)題都了如指掌,其中包括閃電的屬性和特征。

至于風(fēng)箏-鑰匙實(shí)驗(yàn),大多數(shù)人所知道的是金屬鑰匙充當(dāng)避雷針的版本,當(dāng)閃電擊中他的風(fēng)箏時(shí),富蘭克林“發(fā)現(xiàn)”了電。然而,關(guān)于這個(gè)實(shí)驗(yàn)的一些重要細(xì)節(jié)是不確定的,例如:具體發(fā)生的時(shí)間和地點(diǎn),一些歷史學(xué)家甚至懷疑該事件是否真的發(fā)生過(guò)。

首先,一個(gè)普遍的錯(cuò)誤觀點(diǎn)是富蘭克林發(fā)現(xiàn)了電,在富蘭克林進(jìn)行實(shí)驗(yàn)之前,電已經(jīng)被發(fā)現(xiàn)和使用了幾個(gè)世紀(jì)。富蘭克林出生于 1709 年(死亡于 1790 年),在他生活的時(shí)期,電被理解為兩種不同流體之間的相互作用,富蘭克林隨后將其稱為“正電荷”和“負(fù)電荷”。依據(jù)法國(guó)化學(xué)家查爾斯?弗朗科斯?德西斯特納伊?杜費(fèi)伊的觀點(diǎn),具有相同類型流體的材料會(huì)相互排斥,而相反的流體則會(huì)相互吸引。我們現(xiàn)在知道這些“流體”是由原子產(chǎn)生的電荷,原子是由帶負(fù)電荷的電子環(huán)繞帶正電荷的原子核(由質(zhì)子和中子組成)旋轉(zhuǎn)而成的。

在富蘭克林進(jìn)行實(shí)驗(yàn)之前,人們并不知道閃電在本質(zhì)上是否與電相關(guān),盡管包括富蘭克林在內(nèi)的一些科學(xué)家曾推測(cè)過(guò)這一點(diǎn)?!侗窘苊?富蘭克林:“尋找一個(gè)更美好的世界”》的作者佩奇?塔爾博特(Page Talbott)稱,富蘭克林對(duì)這個(gè)問(wèn)題非常感興趣,因?yàn)樵谀切┏擎?zhèn)木頭房屋里,雷擊會(huì)引起災(zāi)難性火災(zāi),當(dāng)時(shí)美國(guó)有很多家庭就遭遇這樣的不幸。

通過(guò)在風(fēng)箏另一末端系上鑰匙,因此可形成一個(gè)電荷導(dǎo)體,富蘭克林實(shí)驗(yàn)表明,尖銳的金屬物體放置在建筑物最高點(diǎn) —— 連接到一個(gè)導(dǎo)體,將電力從建筑物頂部傳輸至地面,會(huì)對(duì)當(dāng)?shù)鼐用竦纳畎踩援a(chǎn)生巨大影響,換句話講,通過(guò)制造避雷針,富蘭克林實(shí)驗(yàn)發(fā)現(xiàn)能幫助居民有效地保護(hù)木制房屋,避免木制房屋和其他建筑被閃電直接擊毀。

避雷針是放置在建筑物頂部的金屬棒,通過(guò)導(dǎo)線與地面相連,如果閃電擊中建筑物,就可能會(huì)擊中金屬棒,而不是建筑物,最終電流安全地穿過(guò)電線到達(dá)地面。

實(shí)驗(yàn)是這樣進(jìn)行的:在一場(chǎng)雷雨中,富蘭克林站在避雨處放風(fēng)箏,風(fēng)箏是用一塊簡(jiǎn)單的絲綢手帕鋪在兩條雪松木條做成的十字架上制作的,風(fēng)箏的尾巴是由兩種材料制成 —— 連接在風(fēng)箏上端的系繩是由麻繩制成,上面系著一個(gè)小的金屬鑰匙,而富蘭克林拿著下端的系繩是由絲綢制成。麻繩會(huì)被雨水淋濕并導(dǎo)電,而富蘭克林在避雨處手持的絲綢系繩未被雨水淋濕,保持干燥狀態(tài)。

當(dāng)富蘭克林觀察他的風(fēng)箏時(shí),看到麻繩僵直,因?yàn)樗_始積聚來(lái)自周圍空氣中的電荷,據(jù)稱,當(dāng)他將手指放在金屬鑰匙附近時(shí),由于鑰匙上積累的負(fù)電荷被他手中的正電荷吸引,他感覺(jué)到產(chǎn)生的電火花。

當(dāng)時(shí),一些出版刊物報(bào)道了這項(xiàng)實(shí)驗(yàn),塔爾博特說(shuō):“富蘭克林于 1752 年 10 月 19 日出版的《賓夕法尼亞公報(bào)》上發(fā)表了一份關(guān)于該實(shí)驗(yàn)的聲明,在隨后幾年的時(shí)間里,富蘭克林一直與多位科學(xué)家交流自己的理論觀點(diǎn),并闡述了有關(guān)閃電的實(shí)驗(yàn)?!?/p>

塔爾博特稱,富蘭克林在他的自傳中提到了這項(xiàng)閃電實(shí)驗(yàn),但歐洲科學(xué)家也撰寫了相關(guān)的研究報(bào)告,值得注意的是,閃電實(shí)驗(yàn)出現(xiàn)在 1767 年英國(guó)化學(xué)家約瑟夫?普里斯特利(Joseph Priestley)所著的《電的歷史與現(xiàn)狀》一書中,富蘭克林閃電實(shí)驗(yàn) 15 年之后,普里斯特利才從富蘭克林那里聽說(shuō)了風(fēng)箏和鑰匙的實(shí)驗(yàn),在他的書中寫道:富蘭克林的閃電實(shí)驗(yàn)應(yīng)該是在 1752 年 6 月進(jìn)行的。但這項(xiàng)實(shí)驗(yàn)進(jìn)行的準(zhǔn)確時(shí)間,仍是一個(gè)富有爭(zhēng)議的話題。

一些歷史學(xué)家曾懷疑富蘭克林是否真的親自做這項(xiàng)實(shí)驗(yàn),或者僅是概述了該項(xiàng)實(shí)驗(yàn)的可能性,在《命運(yùn)的閃電:本杰明?富蘭克林和他的電風(fēng)箏騙局》一書中,作者湯姆?塔克(Tom Tucker)稱富蘭克林想要挫敗威廉?沃森(William Watson),當(dāng)時(shí)沃森是英國(guó)倫敦皇家學(xué)會(huì)成員,也是一位杰出的電實(shí)驗(yàn)家。

塔克寫道:沃森曾公開指出富蘭克林之前部分研究報(bào)告存在問(wèn)題,并嘲笑他在倫敦皇家學(xué)會(huì)上的實(shí)驗(yàn),富蘭克林會(huì)不會(huì)迫于壓力編造風(fēng)箏-鑰匙發(fā)電的故事來(lái)報(bào)復(fù)沃森呢?

塔克還指出,富蘭克林在《賓夕法尼亞公報(bào)》上曾對(duì)自己的實(shí)驗(yàn)進(jìn)行了描述 —— 一旦雷云出現(xiàn)在風(fēng)箏上空,隨著閃電出現(xiàn),風(fēng)箏線將引導(dǎo)電流產(chǎn)生電火花…… 當(dāng)時(shí),富蘭克林可能僅是表示這個(gè)實(shí)驗(yàn)在理論上是可行的,但考慮到他在報(bào)告中并未列舉一些遺漏的細(xì)節(jié),例如:富蘭克林沒(méi)有列出進(jìn)行實(shí)驗(yàn)的日期時(shí)間或者地點(diǎn),有可能他并沒(méi)有親自做這項(xiàng)實(shí)驗(yàn)。

然而,一些歷史學(xué)家仍不相信這個(gè)實(shí)驗(yàn)沒(méi)有進(jìn)行,他們指出富蘭克林對(duì)科學(xué)追求十分執(zhí)著。研究富蘭克林的美國(guó)評(píng)論家卡爾?范多倫(Carl Van Doren)稱,普里斯特利指明了富蘭克林做實(shí)驗(yàn)的具體月份,這表明富蘭克林是在具體的時(shí)間進(jìn)行這項(xiàng)實(shí)驗(yàn)。

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