在希臘神話故事中，天神普羅米修斯把天上的火種盜取到人間，給人類帶來光明和溫暖，卻觸怒了主神宙斯，被下令用鐵鏈鎖在高加索的崖壁上，每日遭受神鷹啄食肝臟，但他忍受巨大的痛苦，始終無悔。最后被大力神赫拉克利斯解救。到了18世紀(jì)中葉，凡人富蘭克林因率先嘗試馴服雷電，將這一“天火”帶到人間，被譽為“人間的普羅米修斯”。
富蘭克林所處的時代，正值資本主義上升時期，也是自然科學(xué)蓬勃發(fā)展的時期。17世紀(jì)中葉以來，西歐出現(xiàn)了許多偉大的科學(xué)家，在力學(xué)、光學(xué)，磁學(xué)和熱學(xué)等領(lǐng)域都有了一些成就，相形之下，電學(xué)顯得落后。那時的電學(xué)實驗還只限于用貓皮摩擦火漆棒、電能發(fā)生電火花、人接觸電火花后感到震動等。對于電是什么、它的運動方式如何等問題，尚無進(jìn)一步的探索。喜好觀察、實踐的富蘭克林進(jìn)行了大量實驗，成為近代電學(xué)的奠基人。
在他之前，科學(xué)界對靜電現(xiàn)象知之甚少。1731年，英國科學(xué)家格雷（1670—1736年）首次發(fā)現(xiàn)有些物體能傳電，有些則不能，這樣，就把導(dǎo)體和絕緣體區(qū)別開來了。他發(fā)現(xiàn)金屬能傳電而絲線則不能。他還注意到尖端放電，從而想到電火花和雷電是不是一樣的東西。1734年，法國科學(xué)家杜飛（1689—1739年）發(fā)現(xiàn)，將摩擦后帶電的兩根琥珀棒或兩根玻璃棒懸掛起來，它們會互相排斥；可是帶電的琥珀棒和帶電的玻璃棒則會彼此吸引，如果使它們互相接觸，它們二者將失去電的性質(zhì)。杜飛由此得出結(jié)論：電分為“琥珀電”和“玻璃電”兩種，同性相斥、異性相吸。
其后在1745年，荷蘭萊頓大學(xué)的馬森布羅克（1692—1761年）和德國的克萊斯特（1700—1748年）各自發(fā)明了后來稱為“萊頓瓶”的蓄電池的最早形式；同時，格里凱發(fā)明的靜電起電機在18世紀(jì)得到改進(jìn)，它通過連續(xù)轉(zhuǎn)動的摩擦隨時可以方便地得到靜電。這兩項電學(xué)儀器的發(fā)明，使得科學(xué)家可以得到并積蓄電以供進(jìn)行許多電學(xué)現(xiàn)象的觀察。但那時人們對于萊頓瓶的瓶體本身（玻璃）、水和金屬線在起電與放電過程中起什么作用還一無所知。1746年秋天，富蘭克林第一次看到英國學(xué)者斯賓士的電學(xué)實驗表演，并得到了斯賓士贈送的一套電學(xué)儀器，其后便開始了他的電學(xué)實驗。尤其是在1748年雇用了哈利·霍爾為工頭和合伙人之后，曾一度很大程度上從商務(wù)活動中脫身出來專心進(jìn)行實驗。
他的電學(xué)實驗首先從萊頓瓶開始，不到幾個月，從實驗中有了不少的新發(fā)現(xiàn)，解決了當(dāng)時電學(xué)中急待解決的問題——萊頓瓶的作用和原理，得出了極為重要的結(jié)論：“電火花并非由摩擦而產(chǎn)生的，而是被收集起來的。電確是一種在物質(zhì)中彌漫著的，又能為其他物質(zhì)，特別是水和金屬所吸引的基本要素”。“電火是永遠(yuǎn)不會被毀滅的”①。萊頓瓶的全部力量和它的使人受震的威力，都在瓶子的玻璃中間，至于和瓶的內(nèi)外兩面相接觸的金屬片，只能盡到發(fā)出電和收受電的功能，換言之，從一面發(fā)出，另一面收受。即，電是一種在平常條件下以一定比例存在于一切物質(zhì)中的要素，在他看來，電是一種單純的“流質(zhì)”。從而初步解答了電由何處來和萊頓瓶的作用等問題，否定了在此之前科學(xué)家們關(guān)于萊頓瓶之所以能發(fā)生強烈的放電是由于瓶中之水或金屬箔金屬線所致的推測，也就把萊頓瓶實驗的神秘面紗揭開，將其置于一個可以為人理解的科學(xué)基礎(chǔ)上了。富蘭克林的這個結(jié)論為19世紀(jì)法拉第（1791—1867年）對電介質(zhì)②所作的進(jìn)一步研究打下了基礎(chǔ)。
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�、俅颂幩f的水指含有雜質(zhì)的普通水，純水是不傳電的。“電火花”、“電火”即現(xiàn)代所稱的電。
�、陔娊橘|(zhì)，不導(dǎo)電的物質(zhì)。電介質(zhì)通常用來使帶電體和其他部分隔絕，慣稱“絕緣材料”。
富蘭克林又認(rèn)為，既然電是一種單純的“流質(zhì)”，那么，當(dāng)玻璃受到摩擦?xí)r，電就流入玻璃，使它帶“正電”；而當(dāng)琥珀受到摩擦?xí)r，電就從琥珀流出，使它帶“負(fù)電”。相應(yīng)地，萊頓瓶內(nèi)外兩面的電荷也被定名為正電與負(fù)電，或陽電與陰電，并用正號“＋”和負(fù)號“－”來表示它們。這是電學(xué)上的一個創(chuàng)舉。富蘭克林是第一個把電分為正電和負(fù)電來解釋實驗的人。這不僅僅是名稱上的問題，而且是概念上的深化。如果把富蘭克林說的“流質(zhì)”改稱“電子”，并將流動方向倒過來（因為電子實際上是從琥珀流向玻璃），那么他這個猜測在本質(zhì)上是正確的。富蘭克林這一創(chuàng)舉使電學(xué)開始走向準(zhǔn)確的定性的方向。他對萊頓瓶的研究使科學(xué)界正確地了解了它的作用，并認(rèn)識了絕緣體在電學(xué)中的重要性。1788年法國科學(xué)家?guī)靷悾?736—1806年）發(fā)現(xiàn)電荷間相互作用力的有名定律就是從富蘭克林這一概念出發(fā)的。這是富蘭克林在電學(xué)上的一大貢獻(xiàn)。
1749年，他在上述結(jié)論的基礎(chǔ)上提出了有名的“一流論”（或譯為“單流質(zhì)說”的電學(xué)理論），反對杜飛將電分為“玻璃電氣”和“琥珀電氣”兩種截然不同的流體的“二流論”（或譯為“雙流質(zhì)說”）。富蘭克林認(rèn)為，所有的自然物體中都含有電，電只有一種，物體的正負(fù)電決定于其含電太多或含電太少。當(dāng)物體中所含的電超過了正常含量即電太多了時，稱此物起了正電。如果少于正常含量即電太少了時，稱此物起了負(fù)電。電可以用正負(fù)符號來區(qū)別，但不能把它們看作是截然不同的兩種流體。這是電學(xué)史上第一個明確的、前后一致的電學(xué)學(xué)說。
富蘭克林還利用充電體之間靜電的吸力和斥力的作用，制造了一個很簡單、但又異常靈敏的機械，稱為“電輪”。在這個機械里，輕圓盤以每分鐘50周的速度旋轉(zhuǎn)，實際是不斷地把電能轉(zhuǎn)化為機械能。這個發(fā)明預(yù)示著現(xiàn)代的電動機的出現(xiàn)。
富蘭克林進(jìn)行電學(xué)實驗的消息在費城傳開后，許多人來到富蘭克林的家中觀看“奇跡”。把他的小小實驗室擠得水泄不通。“為了讓我的朋友們來分擔(dān)一些這種擁擠，我在玻璃作坊定制了一些玻璃棒分發(fā)給他們，這樣我們終于有了好幾個表演者了”。富蘭克林的朋友們幫他向來觀者演示摩擦生電等電學(xué)現(xiàn)象，其中有的還獨立地得出了些電學(xué)上的小小發(fā)現(xiàn)。
富蘭克林在進(jìn)行了大量電學(xué)實驗后，已經(jīng)走到了他對大氣電學(xué)作出重大發(fā)現(xiàn)的邊緣。
在當(dāng)時，雷電這種具有巨大破壞性的可怕的自然現(xiàn)象的本質(zhì)是什么，對人們來說還是一個謎。流行的看法是，它是“上帝之火”，天神發(fā)怒，也有人猜測雷電是毒氣在天空爆炸。格雷關(guān)于電火花和雷電屬于同一性質(zhì)的猜想，沒有能夠用實驗證明。富蘭克林要來作這一偉大而危險的嘗試了。
就在他從這一時期最早的電學(xué)實驗得出了單流體說的結(jié)論的同時，1747年7月11日，他就已經(jīng)看到了“尖形物體在吸入和放出電火上的神奇效果”。此后，費城和賓州的公共事務(wù)占去了他一段時間。到1748年9月29日他得以從商務(wù)活動脫身，并遷入了在雷斯街和第二街拐角處的新居。那以后，如富蘭克林自述的：“我將自由自在地沒有其他任務(wù)，而只愿于自己想干的，并享受被我視為莫大幸福的東西：有閑暇去讀書、研究、做實驗，同那些愿意尊稱我是朋友或熟人的那些才華橫溢、可敬的人作廣泛的交談。”
1749年11月7日，富蘭克林在他的實驗記錄中記下了“……電的流質(zhì)同閃電在這樣一些方面是一致的。1．發(fā)光；2．光的顏色；3．彎曲的方向；4．迅疾的運動；5．由金屬而發(fā)生；6．爆炸聲；7．存在于水或冰中；8．撕裂或震動通過的物體；9．擊斃動物；10．熔化金屬；11．使可燃物著火；12．硫磺味。電流質(zhì)被尖狀物吸引。我們不知道閃電是否只有這一特性。但鑒于它們在所有我們已經(jīng)作過比較的各方面都相一致，它們就可能在這一點上一致嗎？讓我來做這個實驗。”
在柯林森把他的一封信送到1750年5月的《紳士雜志》發(fā)表前幾周，富蘭克林已有了如何利用這一發(fā)現(xiàn)的想法，“然而，在關(guān)于尖狀物放出或吸引電火的實驗中，有一些東西尚未完全得到解釋，對它，我想在下一封信中再來提出解釋。因為尖狀物的原理非常奇特，而它們的效果的確神奇；根據(jù)我在實驗中的觀察，我認(rèn)為，房屋、船只、甚至塔和教堂可以借助它們的作用得到有效保護(hù)，免受電殛；因為如果在氣候儀、風(fēng)向標(biāo)、教堂的紡錘狀尖頂，塔尖或桅桿頂部不是像通常那樣裝上木質(zhì)或鐵質(zhì)的圓球，而是裝上一根8到10英尺長的鐵桿，頂端逐漸變尖如針一般，并鍍上防銹物，或分成數(shù)個尖那會更好，我想電火會在它到來達(dá)到一殛之時前靜靜地被從云中吸出，在尖上會有亮光出現(xiàn)，如同船上的桅頂燈光一般。這似乎可能是異想天開，但目前請讓它得到傳閱，直到我寄來詳盡的實驗報告。”這是富蘭克林最早的關(guān)于避雷針的建議，當(dāng)時他沒想到需要一條地線。
1750年7月29日，富蘭克林通過柯林森，正式公開地向英國皇家學(xué)會提議進(jìn)行證明雷電是電的實驗。而在此之前9個月，他已自己決定了要做這實驗。“為決定雷電是否放電現(xiàn)象，我提議在方便之處做一個實驗。”并詳細(xì)介紹了實驗方法：“在某一高塔或塔尖頂上放置一種守望棚，大小足夠容納一個人和一個電座①。在電座中央樹一根鐵竿，將這鐵竿彎起來通到門外，然后垂直豎起20到30英尺高，頂端十分尖銳。如那電座保持干凈和干燥，人站在座上，當(dāng)雷雨云經(jīng)過時放出電和火花，鐵竿將把火從云中吸向他。如果擔(dān)心那人會有危險（雖然我認(rèn)為沒有危險），可讓他站在棚里地板上，不時地用金屬線圈去接近鐵竿，那金屬線圈的一端有皮帶，他用一根蠟做的把握著它，那鐵竿受電后將從鐵竿傳往線圈而無害于他。”富蘭克林當(dāng)時還不清楚這種實驗的危險性。1750年圣誕節(jié)前兩天，他準(zhǔn)備用電來殺死一只火雞時，他的一只手和身體的其他部位遭到電擊，使他有幾分鐘失去知覺，肩上的麻木感直到次日早上才恢復(fù)。
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①指絕緣體。
英國皇家學(xué)會對富蘭克林的提議未予重視。英國的電學(xué)家福瑟吉爾·沃森作序的富蘭克林的論文的小冊子以《本杰明·富蘭克林在美洲費城所作的電學(xué)實驗和觀察》為名發(fā)表了（1751年）。
富蘭克林的新思想在法國引起了更大的興趣。富蘭克林的小冊子被譯為法文發(fā)表（1752年年初），科學(xué)家們和公眾都為之激動，法國國王還親自觀看了“實驗哲學(xué)大師M·德·洛爾為他演示的“費城實驗”。一些科學(xué)家決定進(jìn)行富蘭克林提議的更大規(guī)模的實驗。1752年5月10日下午2點20分，達(dá)里巴爾和六位同道在巴黎郊區(qū)馬爾利地方的一座花園里用40英尺的鐵竿從地面吸引雷電，隨著一聲開槍射擊般的聲響，實驗成功。富蘭克林的想法不再是推斷。
在費城，圣誕節(jié)前的危險事件并沒有嚇倒富蘭克林。當(dāng)再次從費城和賓州的公共事業(yè)——創(chuàng)辦一所新學(xué)院和一所新醫(yī)院——脫身后，富蘭克林的注意力重又回到雷電和電的問題上來。1752年7月，他冒著生命危險，在費城做了一次轟動當(dāng)時科學(xué)界的用風(fēng)箏吸取天電的實驗。
以下就是關(guān)于這次實驗的記述：
“由于同這次如此重大的發(fā)現(xiàn)（或許是伊薩克·牛頓爵士以來最偉大的）的每一情節(jié)都將給所有我的讀者以快樂，我將努力地傳遞我從最高權(quán)威那里得到的若干新細(xì)節(jié)來滿足他們。
“在出版了他的驗證他關(guān)于電和雷電是一回事的假說的方法后，博士等著在費城筑起一座塔尖（在基督教教堂），以便將他的觀點付諸實驗，而不是想象用一個大致差不多高度的尖頭竿子來達(dá)到那目的。這時，他忽然想到借助一只普通的風(fēng)箏，他就可以比利用隨便什么尖塔更好地深入雷電區(qū)了。所以，他準(zhǔn)備了一大塊絲帕和用來展開絲帕的適當(dāng)長度的兩根相互交*著的棍子，他抓住第一場就要到來的暴風(fēng)雨的機會步行到田野上去，在那兒有一座棚子可以用于他的目的。但是由于害怕在科學(xué)上不成功的嘗試往往招來的嘲諷，他沒有將他想要進(jìn)行的實驗告訴任何人，除了他的兒子以外。他兒子將幫助他放出風(fēng)箏。
“風(fēng)箏升了起來，在它顯示出帶電以前，過了相當(dāng)長的一段時間。一塊很有放電希望的云籠罩了它，但沒有任何反應(yīng)。最后，就在他開始對他的努力感到絕望的時候，他觀察到麻繩上一些松散的線直立了起來，相互讓開，仿佛它們被定在了一個共同的導(dǎo)體上。注意到了這一充滿希望的現(xiàn)象，他立即將他的指關(guān)節(jié)伸向鑰匙（讓讀者去判斷他在那一刻感受到的極度喜悅吧），發(fā)現(xiàn)就這樣完成了。他感覺到了十分明顯的電火花。其他的人也成功了，甚至在繩子被淋濕前，因此這事實就平息了所有的紛爭。當(dāng)雨淋濕了風(fēng)箏的繩子時，他收集到了大量的電火花。這事發(fā)生在1752年6月，法國電學(xué)家證明了同一理論的一個月后，但在他聽說了他們所做的實驗之前。”
這段話是富蘭克林的朋友、英國皇家學(xué)會的普利斯特里寫下的——富蘭克林自己沒有公開描述過這事。普利斯特里是在富蘭克林眼皮底下寫的，一定親耳聽到了富蘭克林說的關(guān)于此事的情況，寫出的草稿也經(jīng)富蘭克林過了目。普利斯特里前文所說的“最高權(quán)威”即指富蘭克林本人。
當(dāng)年9月，富蘭克林就“豎起了一根鐵竿把雷電引入我的屋子里，以便對它做一些實驗，用兩只鈴在鐵竿受電時引起注意”。
他在附近的鐵匠鋪定做了一根9英尺長的頂端尖削的鐵桿，把它安放在煙囪頂上。鐵桿的下端拴上鵝的翎管那么粗的金屬線，然后將金屬線沿樓梯引到屋子里的金屬水泵上，而水泵是通向地下的。他又把屋里的那段金屬線分成兩股，兩股線的終端相距6英寸，各掛上一只小鈴，兩只鈴的中間，用絲線吊著一只小銅球。當(dāng)金屬線有電流通過時，鈴上的銅球就會響起來。
他寫道：“在頻繁地從上方的鈴吸取火花和為電瓶充電后，一天夜里，我被樓梯上響亮的劈啪聲驚醒了。我跳了起來，開門出去，我察覺到那銅球不是像往常那樣在鈴之間顫動，而是被支開，離開兩只鈴有一定的距離；當(dāng)那火通過時，有時候很響亮、迅疾的劈啪聲從一只鈴到另一只鈴，有時候呈一條連續(xù)不斷、濃稠的白色溪流，看上去有我的手指般粗細(xì)，這時，整個樓梯亮如白晝，人們可以撿得起一根針來。”
那些鈴在富蘭克林的家里響了好些年。
看來，盡管他豎起那根鐵竿主要是來取電做實驗，但他也想到了用它來保護(hù)自己的房屋。10月1日他寫給柯林森的信中談了風(fēng)箏的事后，加上了一段附言，言及了避雷針：“我很高興聽說我的實驗在法國取得成功，及他們開始在他們的建筑物上使用尖狀物。在那以前，我們已經(jīng)在我們法院和市政大樓的屋頂安裝了。”這是最早的關(guān)于避雷針實際應(yīng)用的信息。
富蘭克林在電學(xué)上的重大貢獻(xiàn)對當(dāng)時的普通人來說是奇跡，而對科學(xué)家們來說，富蘭克林成了電學(xué)上的巨匠。從法國傳來了對他的贊揚；他關(guān)于電風(fēng)箏的敘述12月21日在英國皇家學(xué)會宣讀，并幾乎是馬上就在當(dāng)年的《學(xué)會記錄》上發(fā)表。1753年7月，哈佛大學(xué)授予他名譽文學(xué)碩士學(xué)位，耶魯大學(xué)在同年9月，威廉學(xué)院和馬利學(xué)院在1756年4月也步了哈佛的后塵；1753年11月30日，皇家學(xué)會“以其神奇的電學(xué)實驗和觀察”授予他哥德弗雷·科普利爵士金質(zhì)獎?wù)隆Ｋ碾妼W(xué)論文被譯成法文、德文（1758年）和意大利文（1774年）。在整個歐洲，他成了萬眾矚目的世界名人。
富蘭克林作出了科學(xué)史上最富戲劇性的猜想之一并證明了它，為人類用孩童玩具那樣簡單的一把鑰匙開啟了當(dāng)時人們心目中不可知的宇宙的最黑暗、最可怕的門中的一扇，使人們不僅有可能預(yù)防雷殛這一最難以預(yù)測的災(zāi)禍之一，而且還可能馴服它、利用它，難怪有人稱他是“新的盜取天火的普羅米修斯”。
