5年后,法国化学家迪费发现,用绒布摩擦过的玻璃棒能吸引小纸片,但两根同样的玻璃靠近时,却会互相排斥,如果把其中的一根换成绒布摩擦的树脂棒,它们又会互相吸引。迪费由此意识到两种棒上带的电不同,他分别把它们叫做“玻璃电”和“树脂电”,后来干脆把它们叫做“正电”和“负电”,并总结出了电的“同性相斥,异性相吸”的重要定律。
历史的车轮很快就走到了1746年,荷兰莱顿大学物理学教授马森布罗克看到,人们对看不见、摸不着、稍纵即逝的电不能长期保存,随时取用,十分不便,决心给电造一座贮存室,达到长期保存、随时取用的目的。经过长时间的试验探索,他终于在1746年研制成贮电瓶——莱顿瓶。当时,马森布罗克在给法国科学家利奥谬尔的信中这样描述自己的发明:铁棒由一个玻璃球获得电荷,此为玻璃球。“我想告诉你一个全新的、令人惊心动魄的实验,并且我建议你不要再重复这个实验。你是知道的,现在我正在潜心研究电现象。为此,我在两根浅蓝色丝线上悬挂一根铁棒,铁棒由一个玻璃球获得电荷,玻璃球迅速绕自己的轴旋转,并摩擦人的手掌,在丝线铁棒的另一端挂一根导线,铜导线的一端放在一个盛有半瓶水的玻璃瓶内。我用右手托住玻璃瓶,并试图用左手从带电的铁棒引出火花。突然,我的右手受到一阵猛烈的打击,全身都颤抖了,好像受到一次雷击那样。虽然瓶壁很薄的玻璃瓶并没有破碎,并且在受到这种打击时手掌通常也不挪动位置,但是我的胳膊肘和全身却受到难以用语言形容的可怕打击,这致使我当时以为一切都完了。”
在马森布罗克研究的基础上,人们对莱顿瓶进行了改进,使它成为能够积聚起相当多的电荷,并在放电时能通过相当大电流的贮电器。由于莱顿瓶能获得大量电荷,所以它在电学发展中起过很大的作用,被人们誉为“神奇的魔瓶”。就在电学稳步发展的时候,18世纪初,美国造就了它的第一位科学巨人——富兰克林。
富兰克林是电学的先驱者之一,在18世纪中叶以后,富兰克林在人们的心目中几乎成了电的化身,他因为“从天空夺得了闪电”而震动了世界。
本杰明·富兰克林,1706年生于美国气候宜人、风景秀美的滨海城市波士顿。他的父母是以制造肥皂和蜡烛为业的小手工业者,他的家庭贫困低贱。富兰克林从小聪明好学,8岁时进公校读书,门门功课都名列前茅。因家庭困难,他只上了两年的公学、一年的私塾就辍学了。11岁的小富兰克林做起了父母的帮工,12岁到一家印刷所当徒工。
印刷所是富兰克林成长的又一个地方,在那里,他一有机会就阅读各种书籍,开阔了自己的眼界,这对他以后的一生都产生了很大的影响。他攻读文学,练习写诗,学习算学,研究航海术,由于勤奋好学,富兰克林进步很快,成为美国最博学的人之一。
富兰克林诞生之初,电学几乎处于一片空白,对电学进行探索的学者为数也不多。震惊世界的莱顿瓶的发明,使富兰克林踏上了电学研究之路。
1745年冬天,莱顿瓶的研制成功像春雷一样把电学惊醒了!第二年,英国学者斯宾丝来波士顿讲学,表演了电学实验,当时的富兰克林观看了演示,就是这次演示使他对电学产生了浓厚的兴趣。他开始投入到电学研究中去,此时他已届不惑之年了。
经过10多年艰苦卓绝的研究,富兰克林确立了电的正负性质,证明了闪电和电之间的关系。在研究电现象过程中,由于缺乏专门术语,富兰克林创造了许多电学用语,这些电学专业词汇在现代电学中仍在使用,例如正电、负电、电池、电容器、充电、放电、电击、电枢、电刷等。
在电学研究实验中,富兰克林发现带有不同性质电荷的两种物体接触时,都能发生电火花。据此他大胆想象,提出天空的雷鸣闪电和摩擦生成的电是相同的。来自苏格兰的斯别谢尔博士的“奇怪的戏法”表演,更加深了富兰克林的思路和印象。
斯别谢尔博士用大玻璃瓶那样的东西向一只鸡击去,那只鸡立刻就像遭雷击了似的倒下死去了好奇的观众挤满了美国费城斯宾逊报告厅,他们在等待着斯别谢尔博士的表演。这时,斯别谢尔缓缓走来,只见他身披一件黑色斗篷,这更增加了神秘的气氛。他拿起一根玻璃棒,在一块绸手帕上擦了几下,然后把玻璃棒靠近一堆小纸屑,突然,由于一种莫名其妙的原因,纸屑都飞起来并贴到玻璃棒上。试验者又拿起一个像大玻璃瓶那样的东西,从那里突然迸发出一股长长的强烈的火花,当他用这些令人眼花缭乱的东西打到第一排某个自愿者身上时,仿佛有一种无形的强大的力量致使那人由于疼痛而大声尖叫起来,并从自己的座位上蹿了出去。这时,如醉如痴的观众对表演者的魔力更加深信不疑。然后,博士又用同一方法向一只鸡击去,那只鸡立刻就像遭雷击了似的倒下死去了。最后,他又用这种方法将远处的酒精点燃,酒精喷出了炽热的火焰。
斯别谢尔的魔术让许多人惊呆了,一种难言的恐怖充满了报告厅,当然,富兰克林并不属于这类惊呆的人。类似的特技表演在美国的很多城市里都非常盛行,这些表演大多使用最新发明的物理仪器满足人们好奇和寻求刺激的心理,借机骗取更多的钱财。
富兰克林怀着满腹的心思离开表演大厅。满天的乌云预示着电闪雷鸣即将到来,雨滴已经落到地上,但富兰克林并没有在意。
“斯别谢尔博士从莱顿瓶里得到的放电产生了长长的电火花,这与闪光很相似。”他喃喃自语道。很久以来,这种想法使他心神不宁。
突然,一道闪电划破了天空,雷声震耳欲聋。富兰克林出神地望着天空,此刻他似乎有所感悟。起初,那只是一种猜想,后来逐渐形成了一种坚定的信念。
“通常这种闪电会不会就是极大的放电呢?”他不停地向自己发问。
“怎样才能检验闪电是不是放电呢?”
富兰克林带着疑问一路思索着,到家时全身都湿透了,但他并未因此而烦恼,反而感到很兴奋,他仿佛找到了问题的答案。他点亮灯,披上衣服,欣然地给远隔大西洋的朋友写信:“我认为莱顿瓶放大产生的电火花与雷雨云发生闪电极其相似,莱顿瓶电量越大时,越是如此。闪电具有电的本质,这一点是确定无疑的。下一步,我要用实验去证实它。”
接下来,富兰克林在与朋友的通信中又提出了检验这种想法的方法。他说:“在塔楼顶上建一个小棚,棚顶上支一根铁棒。这样,在大雷雨的时候棚内的人就可以从铁棒上引下电火花。”
富兰克林的设想传到法国,法国人达里巴尔在1752年5月完成了富兰克林提出的实验,达里巴尔在巴黎近郊自己的花园里装了一根很高的铁竿,使它与地绝缘。当大雷雨来到时,他成功地从铁杆上引下了电火花。同年夏天,富兰克林在美国费城也成功地进行了捕捉“天电”的实验。
1752年7月,富兰克林完成了他捕捉“天电”的伟大构想。那天,天空乌云骤起,雷声阵阵,电光闪闪,捕捉“天电”的好时机到来了。正在费城的富兰克林和他的儿子立即行动起来。他们早就准备好了用丝绸做的大风筝。风筝上安有一段长长的铁丝,还准备好了风筝引绳、实验用的金属钥匙以及用以蓄电的莱顿瓶等。他们迅速把风筝放入高空,期待着实验成功。
一道耀眼的闪电划破万里长空,带来一声惊雷,一块积雨云从风筝上空迅速飘飞过去。这时,风筝上的铁丝立即传导了雷电,淋湿了的风筝引绳又把雷电传到了下面的金属钥匙上。富兰克林碰碰金属钥匙,钥匙放出了电火花。他观察淋湿了的牵引绳,绳上原来松散的纤维现在全向四周直立起来了,和实验室皮毛摩擦生电时完全一样。紧接着,富兰克林把钥匙与莱顿瓶接触,开始将雷电储存起来。雨过天晴,风筝像远航的船儿归来了。富兰克林发现莱顿瓶中得到的电和在地上得到的电完全一样,用它可以引起电火花,点燃酒精灯,进行各种电学实验,这些实验彻底证实了雷电和摩擦电相同的预言。
富兰克林父子在举世闻名的电风筝“费城实验”中安然无恙,实在是万幸。因为大雨淋湿风筝上的牵引绳而传导下来的雷电足以致人于死地。“费城实验”传到俄国圣彼得堡以后,俄国科学院院士罗蒙诺索夫和李奇曼于1753年夏天重复了这一实验,实验中一个球状闪电落到李奇曼头上,使他成了这门新学科的第一个殉难者。富兰克林是冒着生命的危险揭开天电奥秘的,这位开拓者侥幸免遭死神的侵袭。
通过实验,富兰克林发现人要逃脱雷电的打击是完全有可能的,在这个想法的基础上他发明了避雷针。在费城进行的实验使他意识到,电闪雷鸣是雷电云放电的结果。雷电云是一个电极,大地是另一个电极,在高层建筑物上安装一根长的导线,可以把雨云中的电荷不断地传导到地下,以避免剧烈放电造成建筑物的损坏。避雷针的发明,为电学史增添了闪光的一页。
1760年,富兰克林为美国费城一座高层建筑物上安装了世界上第一根避雷针,使建筑物避免了雷击的危险。1775年,巴黎两座高层建筑物并列在一个地区内,一座未安装避雷针的遭雷击以至严重损坏,另一座安装避雷针的则安然无恙,因此避雷针的功效为整个巴黎人所折服。1776~1778年,避雷针式的帽子成了巴黎最时兴的式样,富兰克林成了他同时代人崇拜的偶像。
避雷针是电学理论在实际中的第一次应用,它反过来促进了电学的研究。
富兰克林通过实验提出了著名的“电荷守恒”概念。为了使某个物体带上负电荷,就需要从其中移走一定数量的电物质,这些电物质进入另一个物体,并在该物体内建立同样数量的正电荷。如果把这两个物体连接在一起,则电物质应当在它们之间重新分布,使这两个物体重新成为电中性。
富兰克林用实验演示了这个电荷守恒原理。两个人站在一个绝缘板上,其中一个人摩擦一支玻璃棒。此时,若另一个人用手指触及玻璃棒,就会有火花跳到手指尖上。这时两个人都带了电:一个带正电,另一个带负电,但两个人所带的电量的绝对值相等。若再让这两个人相互接触,他们将同时失去自己的电荷而变成中性。后来,许多科学家都确认了“电荷守恒定律”。
富兰克林所做的科学研究工作推动了电学的发展,他的著作《电学的实验和研究》是近代科学史上第一部系统的电学理论著作。这本书不胫而走,传遍欧美各国。
一大批慕名而来的追随者接过富兰克林的接力棒,进一步走向电学的纵深领域1790年,84岁高龄的富兰克林辞别人世。他一生担任过许多高级职务,但他始终以当过一名普通的印刷工人而引为自豪。在他自撰的墓志铭里,自称“印刷工富兰克林”。富兰克林得到了后人的爱戴和尊敬,他逝世时,美国人民怀着深切的悼念之情,为他致哀1个月。在他逝世之后,一大批慕名而来的追随者接过他的接力棒,进一步走向电学的纵深领域。
富兰克林对大自然有着广泛的兴趣。他研究过物体的热传导、声音在水中的传播、利用蒸发取得低温的方法,他还研究过植物的移植、传染病的防治,在横渡大西洋时,他观察了海湾暖流对气候的影响,测量了海水的流速和温度等等。
本杰明·富兰克林是资本主义精神最完美的代表,是18世纪美国最伟大的科学家,是著名的政治家和文学家。他一生最真实的写照是他自己所说过的一句话:“诚实和勤勉,应该成为你永久的伴侣。”