物理学史之电磁学篇.doc

PAGE PAGE 15 问苍天巧借雷电，向暴君争取民权 ——富兰克林及其电荷守恒定律和电的本质的发现 从远古开始，无论是中国还是西方都有对电、磁现象观察的记载。16世纪后半叶以后，实验风气逐渐兴起，人们发明了产生电荷和储存电荷的起电机、莱顿瓶，发现了电流，制成了最早的电源——电堆。这不仅加深了人们对电现象和磁现象的认识，并且为进一步探索电磁现象的规律作好了物质准备。在静电学发展过程中不得不提到一位美国物理学家的重要贡献，那就是本节的主人公——富兰克林。 本杰明.富兰克林（Benjamin Franklin, 1706-1790)出生于 美国 马萨诸塞州 波士顿一个贫穷的制烛工人家庭，在家里十七个孩子中排行十五，是美国政治家、物理学家，同时也是出版商、印刷商、 记者、 作家、 慈善家；更是杰出的 外交家及 发明家。他是 美国独立战争时重要的领导人之一，参与了多项重要文件的草拟，并曾出任美国驻 法国大使，成功取得法国支持美国独立。 富兰克林 富兰克林的初期创造才能表现在许多发明上，尤其著名的是改进火炉和双焦眼镜。但他的最大成就是在电学方面，其中他对静电学的最重要贡献是发现了电荷守恒定律。 1746年，居于美国费城的富兰克林收到了英国皇家学会朋友赠送的一只莱顿瓶及使用方法，这样莱顿瓶带来的电学知识很快就传播到了北美。富兰克林利用莱顿瓶做了大量的静电方面的实验，他发现，两个带有不同性质电荷的带电体相互接触后可以呈现中性。根裾这种相消性和数学上的正、负数的概念，他把“阳电”称为正电，把“阴电”称为负电，并进一步从电荷的相消性，推出如下结论:①正电和负电，在本质上不应有什么差别；②摩擦起电过程中，总是形成等量的异种电荷；③摩擦起电过程中，一方失去的电荷与另一方得到的电荷在数量上相等。于是，在上述推论的基础上，他总结出一个普遍的原理：电荷既不能创生也不能消灭，只不过是从某一个带电体转移到另外一个带电体；在电荷转移过程中，电荷的总量是不变的。这就是电荷守恒定律的最原始的表述方式。电荷守恒定律是物理学中一条比较普遍的守恒定律，富兰克林为电磁学大厦建立了第一块颇为重要的奠基石。富兰克林的科学成就使得他于1756年当选为英国皇家学会的会员。 富兰克林在公众中的名声除发现电荷守恒定律外还有他的大气电实验，并以发现避雷针而达到了顶峰。当时人们关于火、燃 烧、闪电、火花和放电等现象的认识还很不清楚。特别对雷电的危害性之大有一种惧怕的心理，大多数人认为雷电是“上帝之火”,是天神发怒的结果。富兰克林为破除这股迷信,一直思考着雷电的电与摩擦电本质上是否一样，区别在什么地方，从而导致了他所做的著名的天电实验。 1752年7月的一天，天气闷热，乌云密布，电闪雷鸣，就在这大雷雨就要来临的时候，美国费城郊区上空升起了一只神竒的风筝，它是用丝绸做成的，顶部安装一根尖细的铁丝，风筝用麻绳系住，麻绳末端挂着一把钥匙，兴致勃勃地放风筝的那两个人就是富兰克林和他的儿子。他们放风筝不是为了玩，而是冒着遭受雷击丧生的危险，在进行吸取“天电”的实验，他把从云端“吸取”的电荷收集在莱顿瓶中，并进行实验。他发现由此得来的电火可以使酒精燃烧，并可用来进行别的有关电的实验；而这些实验平常是靠摩擦小球或小管来做的。”从而使雷电和摩擦起电统一了起来。 富兰克林写了一篇《论闪电和电气的相同》的论文，阐述了雷电的本质。他明确指出：雷电现象不是“雷公雷母的发怒”,它是自然界一种大规模的放电现象，耀眼的火花就是电闪，震耳欲聋的声音就是打雷。电闪不但可以在天空中离得很近的带异种电荷的云块之间发生，也可以在云地之间发生。当云地之间发生闪电的时候，在极强的闪电经过的路上，树木、房屋、人畜等就被击毁或者烧焦。富兰克林还根据风筝上尖细铁丝能够吸引天电的发现，提出了制造避雷针的设想,使建筑物免遭雷击。富兰克林的避雷针能使云层安全放电，因而能保护建筑物本身。避雷针确实是灵验的，富兰克林以他电学上划时代的研究成果，成为蜚声世界的第一流科学家。 关于避雷针在欧洲的普及和形状的设计还有一个插曲：1769年，意大利威尼斯的一座教堂被雷击毁，引起地下室火药爆炸，导致3000多人丧生。1772年，英国成立了讨论仓库免遭雷击对策委员会，首先提出制造避雷针方案的富兰克林作为英国皇家学会会员也被任命为委员，在讨论中对避雷针的顶端形状发生了尖头、圆头之争。有人想当然地认为圆头避雷针好；但富兰克林坚持尖头的，他力排众议，言之有理，最后被采纳了。 1776年，美国独立战争爆发以后，富兰克林因为积极参加独立运动，又是独立宣言的起草人之一，被作为叛逆者的领导人，而到英国人的憎恶，连他发明的避雷针