- History of the Lightning Rod: How the Lightning Rod was Invented and Terrified & Offended People
- 闪电的驯服者：电学的历史
01 避雷针
一、前言
避雷针仅仅是一个通过电线连接到地下的金属棒，那它为何能够吓到和惹怒别人的呢？ 在Kathy老师讲述的故事中包括避雷针是如何因为错误而被发明的、 令人头疼的闪电铃铛、带有富兰克林肖像的茶壶、 可怕的地震、摇动教堂大钟所带来的危险后果。
二、闪电模型
避雷针是在1749年有本杰明·富兰克林发明的。 由于当时他对于雷电有些错误的想法。整整三年了，他一直摆弄和电相关的实验， 这一切都来自于他的一位朋友给他邮寄过来一篇文章，里面包含了很多稀奇有趣的电学小实验，他也可以自己动手来操作。
当时他确信，正如现在我们理解的那样，闪电也是和实验室中的静电放电是相同的物理过程。 当然他也不是第一个人有这个想法，但他的确是第一个试图通过实验来证实这个想法的人。
富兰克林首先建立了带电的云层的模型。 因为他无法在室内实现云层放电，所以打算造出一个地面装置能够模仿空中的云朵，能够存储着巨量的电荷，并不需要在意外观上这个装置是否和云彩一样。 由此他制作了一个非常轻的管子，外边包裹一层金箔。 这个管子10英尺长，1英尺宽。使用细丝线将管子悬挂起来， 利用旋转起电机来为其充电，这就形成了带电的云彩模型。
当他手持一个钝头铁棒靠近这个充电云彩模型时，就会出现噼里啪啦放电和巨大的放电火花。 但使用尖头金属针靠近时，放电现象就温柔的多。
▲ 图1.1.1 富兰克林的带电云彩和放电过程
接下来他重新进行实验。他让一个人持有金属针靠近云彩模型， 当他转动静电起电机时，居然会在细针的尖端产生持续的放电，流动的火花形成的放电非常安静，此时他再也无法给云彩充电了。
三、设计避雷针
将这个实验结果外推，富兰克林认为尖端金属可以阻止云彩被充电，从而在第一时间避免了雷击的发生。 富兰克林在书中写到，在建筑物外安装一个铁棒，通过电线接入地下。 可以悄悄地把云层的电荷转移到地下。这样可以让我们避免因为突然发生的雷击所造成的麻烦。
▲ 图1.1.2 富兰克林的避雷针
正是富兰克林的理论，也就是可以从云层将电荷转移到地下，于是富兰克林着手设计能够证实云层带电的实验。 这个实验包括一个带有金属锁链的金属杆，连接到一个绝缘的脚凳上。 脚蹬在一个小的避雨房间里，这样可以保持脚蹬的干燥绝缘。 当带电的云彩飘过时，金属杆在电场中感应出电荷， 这些感应的电荷开始汇聚在锁链上，于是在金属杆与锁链之间产生放电火花。
一个名叫汤姆斯·达利巴在1752年5月份在法国成功的通过实验验证了这个现象。 富兰克林原打算利用教堂塔尖来做这个实验，但是这个教堂的施工太缓慢了， 因此一个月后当富兰克林听说了达利巴的实验结果之后，于是通过释放带有金属丝的风筝重复了这个实验。 无论是达利巴还是富兰克林都知道如何在实验过程中保护自己不会遭受雷劈，但他们都错误的认为在这个过程中云层的电荷通过金属杆或者金属钥匙流入了大地。 但实际上，电荷都被锁在云层中，金属杆以及钥匙上的放电火花实际上是因为静电感应被云层电荷排斥的电荷放电，即隔空电荷感应。
▲ 图1.1.3 富兰克林的风筝实验
观察到金属杆放电过程，似乎验证了富兰克林的理论，接入大地的金属杆可以就云层的电荷泄放到大地上从而避免人们遭受雷击。 实际上达利巴在他的论文的结尾讨论了法国雷电实验时提到，也许仅仅只要一根避雷针就可以避免整个城市免遭雷击。 尽管最初发明避雷针的意图是错误的，我们如今所使用的避雷针结构基本上与早期富兰克林设计的是相同的： 在房间屋顶安置一个金属杆，通过电线接入大地。
这种设想把云层电荷静静的泄放的做法从来没有成功过，为什么呢？ 首先因为雷雨云远在很高的天空，这比富兰克林认为的距离遥远得多。 如果在如此大的距离上放电，云层需要充有巨量的电荷，由此放电也会产生巨大的能量。
既然这行不通，为什么现在我们仍然在使用呢？ 的确它无法阻止雷击的发生，但却可以让我们避免因为雷击所带来的巨大麻烦。 因为电荷可以非常容易的通过金属流动，在玻璃、砖块、水泥中则流动不顺畅。 因此当雷电击中了避雷针的时候，雷电可以通过避雷针上的电线非常顺利的流入大地。
几年后，富兰克林看到了避雷针的优势，他给达利巴写信， 说到：在建筑物上竖立带尖的金属杆通过电线连接大地， 要么可以阻止雷击的发生，要买就将雷击导入大地，这都可以避免建筑物受到损伤。
▲ 图1.1.4 富兰克林关于避雷针的作用描述
四、雷电铃铛
回到1752年，在富兰克林完成他的风筝实验的两个月后，富兰克林将避雷针接入他的房间里， 靠近另外一个连接到大地的铃铛，中间缝隙中悬挂一个金属球当做铃铛。 当避雷针感应电荷时，铃铛就会发出声响。
▲ 图1.1.5 富兰克林的雷电铃铛
猜测富兰克林的老婆 黛博拉 并不喜欢他老公的这个雷电铃铛装置，询问他如何防止这个铃铛整夜的发出声响， 特别是当他多次外出旅行的时候，她被这个装置的声音搞得烦死了。 为此富兰克林在费城的多个建筑物上安装了一些没有铃铛的避雷针， 其中包括费城大学中的教堂，费城州议会大厦 。 次年，他在出版的理查德年历中，详细介绍了如何通过小小的避雷针装置来保护建筑物免受雷击。
五、反对避雷针
在南卡洛琳娜州，一位医师想重复富兰克林的风筝实验，但他的胆小怕事的邻居对此表示反对。 为什么这些人对房屋上的金属如此害怕呢？主要的原因来自于宗教。 他们认为雷电是上帝对人的审判，只有狂妄自大的人才试图干扰上帝的计划。 对此富兰克林前来解释到，天空中的雷电与下雨、阳光等一样都是自然现象， 同样对于屋顶和雨伞的保护也不需要有任何的忌惮，但这些言辞并没有解除人们的焦虑。
法国一流的电学专家，诺莱修道士，对此表示， 安装避雷针躲避雷击就像小孩子躲避爸爸教训棍棒那样毫无虔诚之心。
在1755年 ，美国波士顿发生了可怕的不同寻常的大地震， 当地的牧师将此灾难归咎于聪明的富兰克林发明的避雷针。 他们说，世界上就没有能够逃脱上帝惩罚的路径。 当然了避雷针和雷击并不是引起地震的原因。
当时教堂都有非常高的建筑屋顶，特别最高处还都非常尖锐，因此常常受到雷击。 但讽刺的是，一些名声不好房屋却往往能够避免雷击。
▲ 图1.1.6 城市中的三流场所
通过敲钟可以告诉人来避免雷电灾难，但敲钟人往往处在危险当中。 比如在德国，33年中有超过400所教堂遭受过雷击， 其中有120名敲钟人员不幸遇难。
在接下来的几十年里，人们在法庭中关于富兰克林异端避雷针不断的进行争论、吵闹甚至动手打斗。 当然反对避雷针的人失败了，因为避雷针在保护建筑物方面能够发挥作用，而且效果很好。 那些一年中会被雷击好几次的高塔建筑物自从安装了避雷针之后就不再会遭受雷击损毁， 这一切仅仅只需要在屋顶安装一个小小的金属棒并将其通过一个电线连接到大地上。关于避雷针的争论一直持续到1780年，
六、富兰克林的魅力
富兰克林从从他的发明中获取任何利益，包括避雷针。 他的聪明才智和人格魅力使他广受不同阶层人们的爱戴。 他的形象也被放置在每一个图像标记中，包括现在的100美元纸币上。
据说法国国王因为他的情人整天对富兰克林夸赞不已， 自己非常不高兴。于是他将一只底部带有富兰克林肖像的茶壶送给这位情人。
富兰克林去世20年后，约翰·亚当，他不本人喜欢富兰克林， 他写到，富兰克林发明的避雷针是从古到今人类想象中的最绝妙的事物。 富兰克林的名声超过了莱布尼茨、牛顿、弗雷德里克、伏尔泰。 人们喜爱他的人格远超前面任何一位，甚至他们加在一起都抵不过富兰克林。只有极少数对他不了解的农民或者市民对他不友好。
七、后记
富兰克林一直专心于电学研究。在1760年到1770年期间，美国爆发了革命，所有当时的欧洲人和美国人都在讨论政治和革命，电学逐步消失在人们的视野中。 除了更多的人接受避雷针以及一个名叫库伦的人发现了电力方程之外，其它关于电学就没有任何进展了。
1791年，一位意大利解刨学教授名叫 路易吉·伽尔伐尼 碰巧吧解刨的青蛙放在静电机旁边， 后因富兰克林的发现他在雷电天气时把青蛙带到屋外，最终导致电池的发明。 这中间曲折的故事，下一次我们接着聊。
■ 相关文献链接:
- History of the Lightning Rod: How the Lightning Rod was Invented and Terrified & Offended People
- 闪电的驯服者：电学的历史
● 相关图表链接:
- 图1.1.1 富兰克林的带电云彩和放电过程
- 图1.1.2 富兰克林的避雷针
- 图1.1.3 富兰克林的风筝实验
- 图1.1.4 富兰克林关于避雷针的作用描述
- 图1.1.5 富兰克林的雷电铃铛
- 图1.1.6 城市中的三流场所
