電學(xué)史上的富蘭克林

胡翌霖

說(shuō)起歷史上著名的科學(xué)實(shí)驗(yàn)，富蘭克林的風(fēng)箏實(shí)驗(yàn)也許是大眾最耳熟能詳?shù)囊豁?xiàng)。這個(gè)故事經(jīng)常出現(xiàn)在小學(xué)課文中：富蘭克林通過(guò)風(fēng)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(duì)富蘭克林之前的電學(xué)史往往一筆帶過(guò)，因?yàn)槌恕半姟边@一概念本身，早期的電學(xué)史并沒(méi)有留下多少沿用至今的符號(hào)或公式。

最早關(guān)注電的科學(xué)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(gè)拉丁詞（electricus）。在很長(zhǎng)一段時(shí)間內(nèi)，電與磁在上流社會(huì)中的普及方式，主要都在保健醫(yī)療和娛樂(lè)獵奇的方面。而到了21世紀(jì)，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(jì)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(chǔ)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(fēng)靡全歐洲，大家爭(zhēng)相用萊頓瓶來(lái)演示放電現(xiàn)象。除了親身感受觸電的感覺(jué)之外，“電火花”也是電學(xué)表演中最為顯著的現(xiàn)象之一。

富蘭克林最初是一個(gè)出版商，他與歐洲的朋友保持通信，及時(shí)獲得歐洲的時(shí)尚前沿信息，然后在美國(guó)印刷傳播。電學(xué)實(shí)驗(yàn)這個(gè)新興事物自然也不容錯(cuò)過(guò)。1745年，正好是萊頓瓶剛剛發(fā)明、迅速流行的時(shí)候，英國(guó)商人彼得·柯林森向富蘭克林的出版公司贈(zèng)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(bào)道來(lái)自歐洲的電學(xué)新聞。富蘭克林顯然很感興趣，很快就跟進(jìn)購(gòu)置了一整套電學(xué)儀器，開(kāi)始一系列電學(xué)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(gè)實(shí)驗(yàn)室，埋頭研究電學(xué)問(wèn)題。

富蘭克林的改進(jìn)包括理論和實(shí)驗(yàn)兩個(gè)方面。在理論方面，他接受當(dāng)時(shí)流行的“電是流體”的觀點(diǎn)，但增添了正電和負(fù)電的概念，并明確了“電量守恒”的原則。在實(shí)驗(yàn)儀器方面，富蘭克林完善了起電機(jī)的制造，雖然很難說(shuō)有什么革命性的創(chuàng)造，但更加精致有效。用手柄驅(qū)動(dòng)轉(zhuǎn)輪帶動(dòng)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(chǔ)存。后來(lái)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(lái)，可以同時(shí)儲(chǔ)存或釋放大量靜電。

得益于實(shí)驗(yàn)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(qiáng)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(shí)，他也觀察到電學(xué)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(shí)驗(yàn)檢驗(yàn)天火的設(shè)想。他設(shè)想通過(guò)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(méi)有做這個(gè)實(shí)驗(yàn)，但信件被柯林森向歐洲科學(xué)界公開(kāi)，引起了很大反響，一個(gè)法國(guó)人在1752年嘗試了這個(gè)實(shí)驗(yàn)，據(jù)說(shuō)成功了。后來(lái)的避雷針也是根據(jù)這個(gè)設(shè)計(jì)發(fā)展而來(lái)的。

1752年，富蘭克林提出了風(fēng)箏實(shí)驗(yàn)的構(gòu)想。但他和兒子是否一起親自做過(guò)這項(xiàng)實(shí)驗(yàn)，富蘭克林從沒(méi)有明確說(shuō)過(guò)。世人熟知的故事版本出于和他交情不錯(cuò)的普利斯特里轉(zhuǎn)述。

電學(xué)史上，富蘭克林身處過(guò)渡時(shí)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(fù)電與電荷守恒的概念都對(duì)這一過(guò)渡非常關(guān)鍵，可以說(shuō)是整個(gè)現(xiàn)代電學(xué)理論體系的起點(diǎn)。在實(shí)驗(yàn)方面，他對(duì)儀器的改良和對(duì)實(shí)驗(yàn)的設(shè)計(jì)都產(chǎn)生了重要的影響，電學(xué)實(shí)

驗(yàn)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(xué)科技史系助理教授）