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(xué)的歷史，就會注意到這個規(guī)定是源于美國的建立者之一、美國最早的一位科學(xué)家富蘭克林（1706年-1790年）。他在研究電學(xué)的時候，規(guī)定了電流方向是正電荷的流動方向。只不過在當(dāng)時，正負(fù)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(xué)家泰勒斯就觀察到了琥珀經(jīng)摩擦帶靜電的現(xiàn)象，但直到1600年，英國女王伊麗莎白一世的御醫(yī)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(jīng)過摩擦產(chǎn)生靜電的物質(zhì)，鉆石、藍(lán)寶石、玻璃等也具有這樣的性質(zhì)，因此他創(chuàng)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(xiàn)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(xué)家斯蒂芬·格雷在1729年發(fā)現(xiàn)了電荷可以從一個物質(zhì)傳導(dǎo)至另外一個物質(zhì)，從而區(qū)分了電導(dǎo)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(zhì)當(dāng)時有兩種猜想，一種是法國物理學(xué)家查爾斯·迪費（Charlesdu Fay）在1733年提出的雙流體理論：當(dāng)玻璃與絲巾相摩擦?xí)r，玻璃會生成玻璃電;當(dāng)琥珀與毛皮相摩擦?xí)r，琥珀會生成琥珀電;摩擦?xí)惯@兩種電分開，接觸讓它們彼此相互抵銷。富蘭克林認(rèn)為杜菲的理論不夠簡單，他在1747年提出了單流體理論，認(rèn)為只存在一種電流體，稱為“電素”（electrical fire）。富蘭克林認(rèn)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(xiàn)為帶正電，對應(yīng)玻璃電;如果一個物體缺乏電素，則表現(xiàn)為帶負(fù)電，對應(yīng)琥珀電。電素之間是相互排斥的，能吸引其他物質(zhì)。富蘭克林還提出了電荷守恒定律。那個時候，人們對于物質(zhì)的微觀結(jié)構(gòu)和運動了解還非常少。富蘭克林是電學(xué)研究的先驅(qū)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(xué)現(xiàn)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(fēng)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(fù)電的，所以他認(rèn)為雷電是大地的電素流向了云層的結(jié)果。

1897年，英國劍橋大學(xué)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(zhuǎn)，并計算出陰極射線粒子（電子）的質(zhì)量-電荷比例，由此發(fā)現(xiàn)了這里射出的粒子是帶負(fù)電的，稱為電子。這個發(fā)現(xiàn)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(xué)獎。至此，科學(xué)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(zhì)是確有獨立的正負(fù)電荷，不是電素不均衡導(dǎo)致的電荷），而且他對電流方向和電荷的規(guī)定都猜錯了（金屬導(dǎo)線里流動的并不是正電荷，而是負(fù)電荷）。

可是富蘭克林關(guān)于正電、負(fù)電、電流方向的數(shù)學(xué)描述依然可以使用，我們熟悉的庫侖定律等許多電磁學(xué)定律都是根據(jù)富蘭克林的假定寫成的。這些規(guī)定在兩百多年里早已滲入了電磁學(xué)研究、電工學(xué)實踐的每一個環(huán)節(jié)。要是僅僅為了讓電流方向和電子運動方向保持一致，就強(qiáng)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(shù)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(xué)本質(zhì)，后人只能將錯就錯了，不可能也不需要更改了。

科學(xué)研究提倡創(chuàng)新，追求真理，同時也非常重視和尊重傳統(tǒng)，既往的認(rèn)識強(qiáng)烈地影響著我們今天的一切。但在科學(xué)研究中發(fā)現(xiàn)了本質(zhì)上錯誤的認(rèn)知，是必然要去改正的，這也是科學(xué)體系不斷成長的基礎(chǔ)。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(guī)定的技術(shù)細(xì)節(jié)，屬于富蘭克林的一個失誤，算不上本質(zhì)上的科學(xué)錯誤，那么就按照傳統(tǒng)一致的習(xí)慣來就可以了，只是辛苦老師和同學(xué)多了一項必須記住的概念。

物理

通過對雷電的科學(xué)認(rèn)識，富蘭克林還發(fā)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