富蘭克林與風箏引電
 
2018/06/14
 
倪簡白 | 國立中央大學物理學系
 
 

 

 

班傑明‧富蘭克林(Banjamin Franklin 1706-1790)是十八世紀美國集政治家、發明家、企業家、革命家及教育家為一身的人,同時也是三位起草美國獨立宣言其中之一。在他的一生中,除了對美國獨立有重要的貢獻之外,在科學與事業方面的成就,除了在國內受到重視之外,連遠在歐洲的英、法等國,也受到相當的尊敬。富蘭克林最為人所知的,就是在雷雨天放風箏,而發現了電的故事。除此之外,其在電學方面也有許多貢獻;例如正負電的名稱是他首先提出的,以及導體(conductor),電容器(condenser),電池(battery)等名詞的發明,因而成為引領電學研究之先河。

 

富蘭克林生於美國東北部波士頓,在一個大家庭中長大。身為鐵匠的父親養育了十七個小孩,富蘭克林為老么。年輕時,在他哥哥的印刷廠當學徒,其後自己創業。四十歲前,因經營印刷廠而致富而綽有餘裕,進而研究科學。富蘭克林在43歲時(1748)開始研究電學。當時的人們對於「電」還沒有概念,畢竟未來電學的著名學者庫倫(Coulomb)年僅12歲、而高斯(Gauss, 1777-1855)則尚未出生,電學基本上仍是未知的領域。人們僅知用玻璃棒摩擦毛皮、衣服等,會產生靜電現象,但對究竟是何種物質引發此等現象,仍是一無所知。富蘭克林對於摩擦生電的看法為:當玻璃棒摩擦毛皮、絲、或衣服時,有某種叫「電」的流體,自一種材料流至另一種材料。得到這種流體的材料帶正電,失去的則變負電。於此,他提出了正負電的概念。當時,有一學說認為「電」是一種單一的流體,而另一派則是雙流體概念,認為有兩種帶電體在流動。富蘭克林支持前者,認為電是一種單一的流體。而今,我們知道電流是電子的流動,與富蘭克林的論點相同。

 
電與導體有關,富蘭克林注意到若使用金屬棒其中一端作為接地,讓另一端靠近另一帶電體,後者會使帶電體迅速失去電荷,這就是所謂的放電(discharge)。當導體上累積足夠的電荷,會造成周圍空氣游離,產生正負離子。因此,帶電的雲,會使空氣游離,而找到最近的接觸點,若將電導入地下,就不會打擊建築物,這就是避雷針的概念。在西元1747年,富蘭克林提出假設並證實了避雷針的原理,並於隔年在自家屋頂放置了一支避雷針。至此,他的發明迅速得到注意,並被當時的暢銷雜誌「男人世界」所報導,因而得到推廣。
 
 

富蘭克林觀察到,天空中的閃電與物體放電時會迸出火花的現象相似,因此認為閃電與雲中是否帶電有關。這觀念在當時是一個創新的想法,但是缺乏實驗證明此一假說。為了瞭解雲中是否帶電,富蘭克林設計了在雷雨天中放風箏的實驗。在當時,亦有其他人也有這樣的想法,但並沒有真正的進行試驗。倫敦當時是世界文化的中心,當富蘭克林與英國學界討論此概念時,有許多學者都贊同此一想法。於是在西元1751年6月,倫敦學界將他的理論集結成冊,出版了一本關於電學與閃電的小書:「關於電的實驗與觀察」 (Experiments and Observations on Electricity)

 

富蘭克林於西元1752年6月與他的兒子做了著名的風箏實驗,希望能驗證雲中是否帶有大量電荷。他以一條細線綁住風箏,並將線沾濕以利導電,但其本人則站在可遮雨的棚子內以保持乾燥。實驗中則要避免風箏飛到正在發生閃電的雲裡,以免遭受雷擊。過程中他手持絕緣絲線棒,當看到絲線的毛豎起,便得知雲確實帶電,他則將鑰匙連到線上,並接到一個萊頓瓶檢驗,最後證明了雲中放電這個概念。在此之後的幾個月,一位在聖彼得堡的俄國教授Richmann 也想重複此實驗,但卻不幸遭電擊致死,可想而知這是一個極具危險性的實驗。帶電的雲與地面間可能有幾百萬伏特的電位差,雲中的電荷可高達百千庫倫。若在數微秒的時間內放出,產生的電流可高達百萬安培,這樣的強度是足以致命的。

 

富蘭克林將他的實驗結果發表在十月九日的費城報紙(Philadelphia Gazette),但文章中並未提及實驗乃是由他親自完成的,因而造成後人的混淆,甚至有人認為他並沒有做這實驗,此項結果也報導於英國著名的期刊Philosophic Transactions。對於此項實驗,較為詳實的記載則刊登於記錄富蘭克林本人事蹟的專書中,由英國化學家普利斯特來(Priestley)(1733-1804)完成,並於西元1776年,美國獨立同年發表。

 

富蘭克林是一位極富創造力的人物,因著他在科學上的成就,備受世界關注。後來據說法國贊助美國獨立戰爭,乃是出自於對他的敬重與支持。

 
 
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