富兰克林简介

富兰克林和他的电学

一、富兰克林生平简介

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“他从天空抓到雷电，从专制统治者手中夺回权力。”

——A·R·J·杜尔哥

这是法国著名学者杜尔哥对富兰克林的高度评价。富兰克林是18世

纪美国伟大的科学家，著名的政治家、文学家和实业家。1706年出生

在波士顿的一个小商家庭，他的祖籍是英格兰人。1682年，他的祖父

和欧洲的第一批移民一道来到北美，富兰克林是他父亲17个孩子中

的第15个。由于家境贫寒，只读了两年小学的富兰克林被迫辍学，

到他哥哥经营的印刷所里当学徒，从此他再也没有进过正规学校。但

他从小就酷爱读书，利用印刷所的便利条件，经常通宵达旦、如饥似

渴地刻苦读书。他阅读的范围很广，从自然科学、技术方面的通俗读

物到著名科学家的论文以及政治家、名作家的文章等，他都认真阅读，

仔细钻研。1723年，他离开了波士顿，先后到费城的基未尔印刷所和

英国伦敦的帕尔未和瓦茨印刷厂当工人。1726年秋，富兰克林回到费

城，这时他已掌握了精湛的印刷技术并办起了自己的印刷所。1727

年。他和几个青年创办了“共读社”。为了读书的方便，还办起了一

个小型图书馆。“共读社”每周五晚上，讨论有关哲学、政治和自然

科学等有关问题。在富兰克林领导下，“共读社”存在达40年之久，

后来发展成为美国科学思想的中心。1731年，他创办了费城图书馆，

他常说：“读书是我唯一的娱乐。我从不把时间浪费于酒店、赌博或

任何一种恶劣的游戏；而我对于事业的勤劳，乃是按照必要，不厌不

倦。”他还告诫青年人：“你热爱生活吗？那么别浪费时间，因为时

间是组成生命的材料。”正是由于富兰克林惜时如命地利用时间刻苦

自学，使他在早期就为后来进行科学研究和社会活动奠定了坚实的文

化科学知识的基础。他以惊人的勤奋，先后掌握了法文、意大利文、

西班牙文和拉丁文等多国语言，学习并研究了世界科学文化的先进成

果。1743年他组织了美国哲学会，1751年襄助创办了宾夕法尼亚大

学，在1746—1756年的10年中，他把大部分精力集中于电学的研究，

并取得了很大的成绩，从而获得了“电学之父”称号。由此获得耶鲁

大学、剑桥大学和哈佛大学的名誉学位，成为英国皇家学会第一批外

国会员和法国科学院的院士。此外，在独立战争时期，富兰克林参加

了反英斗争，当选为第二届大陆会议代表，并参加起草《独立宣言》。

1776—1785年出使法国，于1778年缔结法美同盟。1787年被选为制

宪会议代表，积极主张废除奴隶制度。所以，富兰克林是一位集科学

家、政治家、实业家、文学家为一身的伟人，他的成功来源于他自己

所说的“勤勉与诚实”。

二、富兰克林的电学

富兰克林在40岁前，因主活所迫，主要精力都放在经营印刷所和社

会活动方面，而真正始从电学实验研究是在1745—1746年冬。由于

他的勤奋和天赋，在短短的10年中就发现了尖端放电现象，提出了

“正电”和“负电”概念与电荷守恒定律，证明了人工电和雷电的同

一性，设计出避雷针，并用莱顿瓶放电，首次使钢针磁化。这些工作

无疑是当时物理学所取得的最大成就，打开了18世纪电学的广阔前

景，特别是他对雷电的研究，使人类从对雷电的冥思苦想和畏惧中解

放出来。19世纪德国著名科学家洪堡说：“从这个时代起，电学的发

展由思辨物理学领域进入了对宇宙考虑的阶段，从幽深的书斋走进了

自由的大自然界”。

1．尖端放电与莱顿瓶

1746年，富兰克林40岁时到波士顿观看了斯宾塞表演的各种电学实

验，引起了很大的兴趣。临别时，斯宾塞博士将部分仪器送给了他，

当他回到费城后又收到英国科学家柯林孙寄给他的一只莱顿瓶。从

此，他开始用自学的知识与几位科学朋友在费城开始了电学实验，以

探索电的奥秘，他最先发现的是尖端导体放电现象。一次实验中，他

在一个干净的瓶口上放一枚铁弹，直经约3.4英寸，使铁弹带电，用

一根细绳将一个软木塞悬吊在天花板下面。当铁弹靠近木塞时，木塞

被推到离铁弹4.5英寸远的地方，这时如果将一根接有地线的尖导体

对准铁弹，会发生什么现象？他在1747年5月25日给英国柯林孙的

信上说：“在这种情况下，如果将一根细长尖锐的锥子的尖头在离开

6英寸或8英寸的地方对准弹丸，排斥力立即被破坏，木塞就飞向弹

丸。一个纯导体必须放在1英寸距离之内，而且拖曳出一束火花后才

产生同样的效果。要证明电火被尖导体吸收，就得这样试试”。

自柯林孙寄给富兰克林一只莱顿瓶后，他用莱顿瓶进行了一系列的实

验。他在给柯林孙的感谢信中说：“在以前我做的任何研究中，我从

来没有像近来做这个实验那样如此完全集中我的注意力和花费我的

时间。”而且他还用他提出的电荷守恒原理分析研究了莱顿瓶。他在

1748年4月给柯林孙的另一封信上第一次明确指出，如果使莱顿瓶里

面的水或金属球或金属箔“带上正电或阳电”，那么在莱顿瓶外面复

盖的金属箔将同时“带上数量刚好相等的负电或阴电。”他指出，

“充电”和“放电”这两个词用得不妥当，因为“充电”时莱顿瓶

内、外的金属体是同时带上数量相等、符号相反的电荷，“莱顿瓶在

所谓‘充电’后实际不存在更多的电火，在放电后也不会有任何减

少。”此外，他还用莱顿瓶实验，第一个明确指出了电容器中电能储

存在金属板间的电介质中。1748年，他做了一个所谓“可解剖电容

器”的实验，将充好电的“电容器”（实际是莱顿瓶）的金属杆和软

木塞轻轻地取走，结果莱顿瓶仍然能够放电。他由此断定，电能至少

不会储存在莱顿瓶的金属杆的木塞上。接着，他将充过电的莱顿瓶中

的水倒进另一只放在绝缘板上的未充电的莱顿瓶中，结果第二个莱顿

瓶并没有因为接收了带电莱顿瓶中的水而带电，第一个莱顿瓶也不因

瓶中的水倒掉使其电能有任何损失，这样他又排除电能储存在水中的

可能性。经过这样一步一步地追溯，他最后得出的结论：“瓶中的全

部力或产生电击的能量，存在于玻璃的自身”。他接着提出这样的问

题：玻璃的这种储电能力是否决定于玻璃的性质，还是决定于玻璃的

形状？随着这个问题的解答，平行板玻璃介质电容器诞生了。因为他

发现了电容器的储电能力与玻璃的形状无关，圆筒形莱顿瓶可以储

电，如果把莱顿瓶的玻璃展开成平面，它仍然具有莱顿瓶的一切特性。

富兰克林设计的平行板电容器，由两块铅板中间夹一块玻璃板构成。

后来他又把11个平行板电容器串联起来，将它们充电后作为“电池”

使用。1950年他又根据哈瓦德和瓦德尔分别发现的闪电使指南针的指

向全部反转的事实作出推断：既然闪电可以使磁针偏转，那么莱顿瓶

放电同样能使磁针偏转。更可贵的是，他从这个推断又推出另一种可

能性：莱顿瓶放电能使钢针磁化。后来他经过实验证实了这两个推断，

并于1750年7月去信给柯林孙详细叙述了这项实验。

2．“正、负电荷”概念与电荷守恒定律

1747年，富兰克林通过一系列的电学实验研究，提出了一元电流体的

假说和电荷守恒的思想，他认为“电火”是一种“充斥于物体中的真

正元素，它被其它物质，特别被水和金属吸引”。如果一个物体散失

了一些“电火”，它就带负电；如果收集了一些电荷，它就带正电。

总之，一个或多个物体可以获得另一个物体散失的“电火”，电荷的

正和负必须等量出现。“电火”既不能产生，也不会消灭，它们不是

通过摩擦来产生，而是通过摩擦被“收集”。为了说明以上的观点，

他在瑞士科学家哈勒的一个电学实验的基础上，进行了大胆地改进、

简化和推广，并提出了电的“单流体说”来解释电荷守恒原理。他在

给柯林孙的第五封信中描述了这个实验：假定三人A、B、C，开始实

验时，A站在石蜡板上，摩擦玻璃瓶，电从自身汇集到玻璃瓶上，他

的传递途径被石蜡板切断，他的身体不能立即再得到电。B也站在石

蜡板上，他用手指关节靠近玻璃瓶时，接受火花，这是从A身上集中

到玻璃瓶上的。B的传递途径也被石蜡板切断，于是他保留过量的电。

站在地板上的C，带适量的电火花，A、B对他都带电，当他靠近B时，

因B是带过量的电，所以C是接受火花的；当他靠近A时，因A缺少

电，所以是给予A的。如果A和B互相接触，由于他们相差较大，所

以火花较强。接触后，A、B中任一人对C都没有火花，因为都已回到

原来状态。如果他们在带电时相互接触，电火花仅发生传导而已，数

量上不会有所增减。这里，他还引入了电学中的新术语“正电”和

“负电”，他称B带正电，A带负电，或者说B带的电是正的，A是

负的„„。这为定量研究电现象提供了一个基础。他认为：“电不能

因摩擦而创生，而只是从摩擦者转移到了玻璃瓶，摩擦失去了电与玻

璃瓶获得的电严格相同”。也就是说，摩擦既不能产生电，也不能消

灭电，它仅仅起到使电循环的作用。这就是当年富兰克林的电荷守恒

定律的思想。

3．电的同一性与避雷针

富兰克林在发现尖端放电现象后就开始对打雷、闪电和云的形成进行

了多次观察和思考，认为云层由于不断受蒸汽的摩擦而带电，天上的

闪电和实验室中的放电可能是一回事，并且他列举出十二条关于闪电

和用实验产生的电火花的相似性：①发光；②光的颜色；③弯曲的方

向；④快速运动；⑤被金属传导；⑥在爆发时发出霹雳声和噪声；⑦

在水中或冰里存在；⑧劈裂了它所通过的物体；⑨杀死动物；⑩熔化

金属；(11)使易燃物着火；(12)含硫磺气味。为了进一步验证他的上

述想法，他在1750年7月给柯林孙的信中最先提出一个“岗亭”实

验的设想，以证明云层中的电和摩擦电的同一性。他所说的“岗亭”，

是建在高塔或教堂尖端的方形木楼，应做得刚好容纳一个操作者和一

个绝缘支架那样大。铁杆固定在绝缘支架上，从岗亭顶窗穿出，笔直

伸向天空，高出岗亭二三十英尺。他建议操作者站在绝缘木板上，密

切注视天空，当乌云掠过上空时，手持绝缘环将一根接地的导体拿近

铁杆，使其尖端对着铁杆，但留出点空隙。他断言，在导线和铁杆之

间将有电火花出现。第一个按照他的建议进行实验的是德国的达里巴

尔所建的“岗亭”树立的尖顶铁杆高达44英尺，1752年5月10日，

当黑云掠过铁杆尖端时，成功地把云层中的电引进了莱顿瓶。接着，

法国巴黎大学用99英尺高的铁杆重复了这一实验。

虽然富兰克林自己没有做“岗亭”实验，但他在1752年7月，与他

的儿子一起在美国费城做了一个震撼世界的“电风筝实验”。风筝是

用杉树枝作骨架，扎成菱形，蒙上一层不易湿透的绸子，风筝的上端

装了一根1英尺长的尖铁丝，将它与牵风筝的亚麻线系在一起，亚麻

线的下端接在一段不长的丝绳上，以便将风筝拉住，丝绳末端拴了一

把金属钥匙。实验那天，费城雷雨交加，当风筝上面飘浮着带雷电的

云时，尖铁丝立即从云中取得了“电火”。他发现与丝绳连在一起的

亚麻线上有几处散开的纤维直竖了起来，且能被手指吸引。他用食指

靠近钥匙圈，骤然间，一些电火花从他食指上闪过，与摩擦生电时发

生的电火花没有两样。他大叫道：“电，天电捕捉到了！”后来富兰

克林用莱顿瓶收集到云层中的电的放电情况与用摩擦电机充电的莱

顿瓶放电的情况毫无二致。这样，云层中的电和摩擦电的同一性终于

被证明了。英国物理学家普里斯特利在1767年对此作过高度评价，

他认为富兰克林的电风筝实验把雷电和普通的电统一起来，“是自伊

沙克·牛顿以来最伟大的”发现，因为它给人们感觉最神秘、最可怕

的自然现象提供了理性的解释，它证明电效应并不仅仅是一种人为的

现象，而且是自然界行之有常的运动的一部分。富兰克林也因这项成

就，而在1753年11月荣获了伦敦皇家学会颁发的柯普勒金质奖章。

富兰克林通过对尖端放电现象和雷电性质的实验研究后认为：尖导体

既然能够释放或吸收物体上的电荷，那么它也能释放或吸收云层中的

电。他说：“当带电的云块飘过田野，掠过高山、巨树、耸立的高塔、

尖屋顶、船舶桅杆、烟筒等物时，拖曳出电火，正如许多尖导体和突

出物产生的现象一样，整个云层就在那里放出电来。”因此，他在1750

年7月给柯林孙的一封信上首先提出了避雷针的设想，他说，既然尖

导体可以把一个离它很远的带电体上的电荷释放掉，避免它对其它物

体产生电击，那么“尖导体”对于人类可能有些用处。他建议将一根

上端尖锐的铁杆涂上一层防锈物，安装在房屋的最高处，沿着房屋的

墙壁直通地里，或安装在船桅杆顶端，沿着桅杆向下直至将其尾部抛

入水中，它们就能“在云层将要产生电击的千均一发之际，静悄悄地

把电从云中吸走，因而使我们免受最突然、最骇人的悲剧”。虽然当

时人们还未完全接受雷电和一般的电的同一性说法，但发现避雷针确

实能使他们防患于未然，确保生命和财产的安全，他们就接受了富兰

克林的建议。1754年，捷克科学家吉韦茨根据富兰克林的建议制造了

第一个避雷针。1760年，富兰克林在费城的一座大楼上也竖起了一根

避雷针。很快在美洲、欧洲，安装避雷针蔚然成风，并迅速传遍各国。

然而，在美国革命期间，因为富兰克林是美国《独立宣言》的三位主

要起草人之一，英王乔治三世下令将白金汉宫的尖头避雷针改换成圆

头避雷针，并要求伦敦皇家学会会长普令格尔批准圆头避雷针的方案

遭到严正拒绝后，普令格尔由此被革去会长的职务。但科学终究是科

学，尖头避雷针始终被人类普遍承认和广泛应用。

这里还要提到富兰克林的科学研究是十分讲究效用的，在他有关论文

的好几处都表明了他耕耘科学的主要目的是为了科学的效用。在1748

年一个电学实验报告中他曾宣称自己“有点失望”，因为他在电学上

的工作对于人类还没有产生任何效用。他所能提供的最好效用是对哈

勒描绘的电学竞赛会上提出一个想象性的方案——一顿由电棒烤熟

的火鸡和充过电的美酒所构成的野餐；说明浅色布比深色布更难吸收

太阳光的实验，并建议在热带地方穿白色衣服。此后，他更加强调科

学的效用性，他曾写道：自然规律的实用含意对他来说是重要的。他

比喻到：“知道瓷器在空中没有支持物会跌下来并摔碎是真正有用

的，但是它是怎样开始跌下，为什么会碎就是值得思索的问题了。知

道它们对我们来说确实是一件愉快的事，但我们即使不知道它们，也

能保护好我们的瓷器。”他后来发明的避雷针、平行板电容器、双焦

距眼镜、玻璃口琴以及他发现的磁化钢针，电的同一性实验，他与哈

特莱共同利用乙醚的蒸发得到低温而创立的蒸发制冷理论等，都说明

富兰克林的科学研究是注重实际效用的。其实，富兰克林对科学的贡

献不仅在电学方面，在其它学科，如地学、气象、植物学、数学、化

学等方面都有许多贡献。1790年4月14日，勤勉和谦虚的富兰克林

病逝于费城，他为自己写的墓志铭是“印刷工富兰克林”。