避雷针的发明

科技的发明总是与社会的需求、 基础科学所作的准备及社会上非科学的种种阻碍分不开,富兰克林发明避雷针的历史是非常典型地反映出这种关系的。在欧洲中世纪,宗教对社会的控制是很强的,雷电被认作是神的意志,只能作祈祷或者敲响教堂里的的钟才能避免闪电的袭击。不少统治者把成百吨的炸药贮放在教堂里,求得上帝的保护。1784 年慕尼黑(Münehen)出版的一本书作过统计: 33 年内有 386 个教堂的尖顶遭到雷击,共有103 名司钟员被击毙。意大利威尼斯城的圣马可钟楼 (Campanile of San Marco)从 1388年至 1762 年九次毁于雷击。1718 年 4 月14 日Brit tany城一夜之间 24 个教堂受雷击,其中之一被彻底毁坏, 2 名司钟员丧生。威尼斯的一个教堂于 1767 年受雷击, 该城的统治者贮藏在教堂里的几百吨炸药被引爆, 3000 人被炸死,城的大部分被毁。1856 年 Rhodes岛的一个教堂受雷击,发生类似的大爆炸, 4000 人毙命。至于不见于书籍的雷灾就太多了。  避雷针的发明不仅是使人类生活上免除自然灾害,而且在哲学上和科学上也是一件大事。一位英国贵族高度评价富兰克林说: “电学是一门被忽视了的学问,最近几年里还有人认为它是一个无足轻重的问题。当时人们仅仅用电学解释一些吸引或排斥现象,人们也不认为有必要设想电学将会引出什么新事物。 ” 19 世纪著名科学家德国亚历山大·洪堡(Alexander von Humboldt ,1769—1859 年)说: “从这个时代起,电学的发展由思辩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。 ” 考察这段历史,电学可以说是从 1660 年盖利克发明第一个起电机开始的,到 1750 年欧洲许多学者利用莱顿瓶作电学实验,足足 90 年,它仍停留在科学工作者的书斋里、 实验室里,仅可供少数上层人作趣味表演,没有对社会生活产生什么益处和影响。但是从富兰克林写给 Collinson的信公开发表之后,迅速对欧洲产生巨大影响,特别是避雷针迅速传播到世界各地,产生了公认的好效果,使广大的居民群众认识到电学科学的价值,随之对人们头脑里非科学的思维观点也起了积极作用,天电与地电被科学证明是同一之后,天上雷电之神的威望让位给地上人间的科学了。  为什么避雷针的推行不是在已有 90 年电学研究历史和科学家众多的欧洲 ? 而却在经济上刚刚起步、 电学还刚刚开始的美洲 ? 并且发明者又是一位刚开始涉足电学的商人富兰克林 ! 这里有没有必然性的规律呢 ? 有 !  富兰克林出生于美洲的波斯顿, 8 岁上学, 10 岁辍学, 12 岁成为他哥哥的合同工,1731 年刚 25 岁就创立费城图书馆, 1736 年又组织起联合消防公司, 1743 年这位费城的印刷商却组织起美国哲学会, 1746 年 Spence 在波士顿作演讲,听众之一的富兰克林被吸引了,当年 Collinson 博士从伦敦给他寄来各种做电学实验的“仪器” ,这才开始了他的科学生涯,时年已过 40 岁。只不过 5 年,他把研究的成果以信的方式寄到欧洲发表,尚不为人知之时,他已在美洲创办起宾夕法尼亚大学。1775 年 4 月在波士顿以北美国独立战争打响,他加入了战斗,次年 7 月 4 日在费城通过了《独立宣言》,宣布建立美利坚合众国,他是起草人之一。他所处的社会环境没有深重的封建和神学的顽固统治,允许无神论的哲学和科学的自由发展,自由争辩竞争。而富兰克林本人又恰恰是怀有进步哲学思想、 立志为公众的利益而奋斗的杰出人物,把科学当作为公众服务的手段,再加上他的正确的科学方法,这几方面的结合使他不但成为美国历史上受后人崇敬的政治伟人,而且又是对人类卓有贡献的受人敬佩的大科学家。他转入科学生涯不过 8 年,就在 1753 年 11 月 30 日荣获英国皇家学会颁发的科普勒金质奖章。1767 年英国物理学家 J .Priestley 认为他把雷电和普通电统一起来, “是伊沙克、牛顿以来最伟大的” 发现, 1753 年英国对电学很有创见的学者 W .Watson 称: “这些已经给哲学家们开拓了新的天地……” 所以研究富兰克林的科学实践的成功经验,作为借鉴是很有意义的。  为了进一步弄清避雷针的作用机理,1752 年 9 月富兰克林在自己家中装上一套特殊形式的避雷针,经常进行观察。一支铁棍固定在烟囱上,高出其顶端 9 英尺,在下端接下一根导线,穿过屋顶处用玻璃管套住以保证与房屋绝缘,导线一直通到地上,接在抽取地下水的唧筒的矛形尖端上,导线在穿过房内楼梯间处断开,上下端分别各装上一个金属铃,相距 6 �,在两铃中央置一个用丝线挂起来的小铜球,雷雨云过顶时,铜球就会摆动起来敲击两铃而把上端的电荷传导到地下。在上端还挂有用丝线吊起来的软木小球,这是富兰克林自制的检验带电量大小的静电计,可以测知过顶云的带电强弱。铃的间距取为6 �是考虑到避雷针的保护作用,距离大于 6 �,闪电就可能袭击建筑物而不能通过双铃导下地了。  他利用这一实验装置发现雷雨云带的电多半是负电荷。他还观察到强大的雷雨云,它使中央的铜球被推斥而远离两铃,强大的电火花直接穿过两铃,甚至形成连续放电,变成手指粗的火柱。经过多年的仔细观察,他很谨慎地指出( 1774 年) :从避雷针引下的导线要接触到潮湿的土壤,埋得越深越好,避雷针有双重的作用,或者由于尖端放电而避免发生闪电,或者它把闪电导入地下,因此避雷针可以使建筑物避免闪电的灾害。这就表明富兰克林后来修改了最初的看法,避雷针是起了引雷入地的作用。