富兰克林与电荷守恒

2024-08-18 1656 阅读 · 1656 喜欢 · 1656 评论
原子建筑师
以原子为砖石,构筑化学的宏伟大厦。

相对前面我们提到的一些物理学家,本杰明·富兰克林应该是我们最熟悉的人物。他在新闻出版、社会活动、科学上都有重要的贡献,被誉为“第一位美国人”,亦有“美国的圣人”之称。

富兰克林
本杰明·富兰克林于1706年1月17日出生于波士顿,祖籍英格兰。他的父亲是一个工匠,以制造肥皂和蜡烛为生。母亲是一个家庭教师的孩子,是虔诚的“清教徒”,这使得富兰克林形成了节制、勤劳、谦逊的品格。

1790年4月17日逝世于费城,享年84岁,死因是胸膜炎,与其妻合葬在费城Christ Church的墓地。他们生有两个孩子,此外富兰克林在结婚前还有一个私生子。

富兰克林在十七个兄弟姐妹中排行第十五,由于经济原因,他只在8岁到10岁之间短暂的上过拉丁语学校。但他依靠强大的自控能力,通过自学成为了一个知识渊博的人。
新闻出版
12岁时,在哥哥詹姆斯的带领下进入印刷出版业,并时常以不同笔名在报纸上发表一些抨击时政的文章。17岁时,由于其文章触怒当权者,再加上求婚失败,于是只身一人前往宾夕法尼亚的费城。

在费城,富兰克林依旧从事新闻出版业,当过印刷工人,写了很多文章。后来创办了《宾夕法尼亚报》、《费城报》、《本杰明·富兰克林的新闻》、《穷查理年鉴》等报刊。

富兰克林(中)操作印刷机
社会活动
富兰克林创立很多组织,比如 :共读社、费城图书公司、美洲哲学学会、拉德尔菲亚学院、费城学院(该改名为宾夕法尼亚大学)、费城医院、费城消防站等、富兰克林·马歇尔大学。
政治活动
1737年富兰克林出任费城邮政局长,开始参与政治。他是美国建国的关键人物之一,其活动大致包括六个部分:
参与改革宾夕法尼亚内政,向宗主国英国争取利益。
在美英矛盾不可调和后,参与起草《独立宣言》,宣布美国独立。
为获得法国支持,出使法国,并缔结《美法同盟条约》。
以美国代表身份与英国签署《巴黎条约》,英国承认美国为独立国家。
调和各州矛盾促成《美国宪法》通过。
晚年倡议废除奴隶制,提出《改善自由黑人的计划》
学术研究
1746年,富兰克林在看到阿奇博德·斯宾塞的静电实验演讲后,退出印刷业的具体管理,开始从事科学研究。
1753年,富兰克林成为英国皇家学会会员,并获得科普利奖章。
1776年在《自传》中表示,他是一个“自然神论”者,自然神论者承认上帝创造了世界,但此后他不会以任何形式来干扰世界的运行。
他的研究范围广泛,除了电学以外还包括以下内容:
1758年用乙醚蒸发制冷,在夏天创造了-14℃的低温,他说:“人们可能会看到在温暖的夏日将男人冻死的可能性”。改进了壁炉,节省燃料。
研究过人口增长问题,1751年写《人口增长观察》
1772年发明正反列表用于决策
研究过大西洋流和海洋学,1786年出版《海事观测》
研究过光学 ,支持光波动学说,将近视眼镜和远视眼镜合在一起,发明了双焦眼镜。
建议用风筝牵引船只前行
研究国际象棋,1786年出版《国际象棋之道》
研究过气象学,发表过关于1783年冰岛拉基火山喷发和1784年的欧洲寒冬现象
改进玻璃琴

单电流体理论
吉尔伯特在发现静电的吸引现象后,就提出了一种“电液理论”。他认为某些物质在摩擦之后会产生某种“电液”,当带电体吸引其他物体时,“电液”就从带电体流向被吸引的物体。
随着带电体的吸引和排斥现象逐渐明晰,吉尔伯特的理论不足以解释,杜菲引入了“电的双流体理论”。(美国科学家埃柏奈泽·肯纳斯理也提出过类似理论)
杜菲认为存在两种电流体,丝绸摩擦玻璃生成的电为玻璃电,羊毛摩擦琥珀生成的电为树脂电,其它所有摩擦电都是这两种中的一种。
杜菲认为,两个物体带同种电会相互排斥,带不同种类电会相互吸引。两种电相遇会中和,而摩擦可以把两种电荷分开。
1747年,富兰克林认为杜菲的理论不够简单,并且对于为什么两种电能够中和缺乏说服力。于是提出了一种“电的单流体理论”。(英国的威廉·沃森也独立提出这个理论,在1747年8月14日他还实现6,732英尺输电实验,后来又实现12276英尺)
该理论认为,只存在一种电流体,富兰克林称其为“electrical fire”,翻译为“电素”。电素之间是相互排斥的,并且同时吸引其它物质。
如果一个物体的电素适量,就成“电中性”。如果电素过量,则表现为带正电,对应玻璃电。如果一个物体缺乏电素,则表现为带负电,对应树脂电。这就是我们现在关于正负电荷的名字来源。
如果一个带正电的物体接触一个带负电的物体,则电素就会从带正电的物体流向带负电的物体,这个过程就形成了电流。
富兰克林的这个理论遭到诺莱特的反对。诺莱特是杜菲的合作伙伴,他们曾一起去拜访过格雷,回来后一起进行静电研究。诺莱特指出,单流体理论无法解释“两个带负电的物体相互排斥”这一现象。
电荷守恒
富兰克林还做了一个实验,而这个可以用他的“单电流体理论”完美解释,此后“单流体理论”占据上风。
·首先让两个人分别站在两块绝缘板上,一个人拿玻璃管,另一个人拿丝绸摩擦玻璃管,他们感觉带上了电。当这两个人用手指去靠近其他人,都感受到了放电现象。·重复第一步,然后两个人的手指相互靠近时,发生了放电现象,随后这两个人就不再带电。这次试验产生了电火花,富兰克林解释说,这是因为两人的电素相差更大。
1747年,富兰克林在给朋友的信中写道:在这里与欧洲,科学家已经发现,并且证实,电素是一种真实的元素或物质种类,不是因摩擦而产生,而是只能从搜集获得。这就是最早的电荷守恒定律。
风筝引雷
格雷等人早就猜测过闪电和摩擦电是同一种物质,到了1749年诺莱特发文猜测闪电和摩擦电是同一种存在,这在法国引起热议,并在波尔多会议获奖。
富兰克林起初反对这一说法,他认为闪电是“处于燃烧状态的、一种难以捉摸的硫磺或黄铁矿的易燃的气体”。
但在1750否定了这一说法,转而支持诺莱特的猜测,这是因为它观察到两者的十几条相同点:发光、光的颜色、弯曲的方向、快速运动、被金属传导、声音、在水中或冰里存在、辟裂了它所通 过的物体、杀死动物、熔化金属、使易燃物着火、含硫磺气味。
1752年富兰克林提出实验设想,欲用导体棒深入雷暴云层中,将闪电引入莱顿瓶中,验证闪电是否是摩擦电。
1752年5月10日,在国王的资助下,托马斯·弗朗索瓦·达利巴德在法国马利拉维尔成功用进行实验,他用40英尺高的金属干让酒瓶储存了电。
富兰克林很快认识到这个实验具有很大的危险,随后他又设计了著名的风筝实验,这个实验很快在费城实验成功。

1752年10月19日,富兰克林在《宾夕法尼亚公报》描述了实验方法,并表示任何人都可以试验成功,不过他并未表明做这个实验的人是他自己。他写道:
·将两根木棒绑成十字架,做成风筝骨架,在骨架上伸出一个一英尺长的金属丝,然后铺上丝绸做成风筝。·用麻绳做风筝线,麻绳末端再接上一根干燥的丝绸,在麻绳和丝绸的接触地方挂上一个钥匙。在雷雨即将来临时,将风筝飞上天。·风筝飞起来后,人要站在门内,手持干燥的丝绸操纵风筝。·当云层从风筝上方飞过时,风筝和麻绳都带上了电,可以看到松散的麻绳都因为相互排斥而呈放射状。·手指接近钥匙,可以看到放出电火花。用这个钥匙可以给莱顿瓶充电,并用于各种实验,和摩擦电的效果完全一样。
在这个实验中,富兰克林还得雷层一般是带负电的,所以是大地的电素流向了云层的结论。
1753年8月正在圣彼得堡召开的科学会议上,俄国科学家乔治·威廉·里赫曼听到雷声,于是立刻跑回家尝试用金属杆引雷进行研究。实验过程中里赫曼被球状闪电击中头部留下一个红印,他的衣服被烧毁;随后球状闪电爆炸,里赫曼被当场炸死。

发明避雷针
1747年11月的一封信中可以看出,富兰克林认识到,尖锐导体可以远距离的放电。在成功进行引雷实验后,他很快发明了避雷针。他将铁杆一段弄成针状并镀金防止生锈,并将另一端用导线连接并插入地面。
当云层从避雷针上方飘过的时候,就将电量逐渐导入地面,从而避免发生雷击事件。富兰克林在自己的房子上进行了一系列实验之后,又被安装到费城学院。
在1753年的《穷查理年鉴》中,富兰克林详细介绍了避雷针的制作和使用方法。
起初避雷针遭到一些人反对,他们认为干扰雷电是对神灵的不敬。而物理学家们则回应,正如用上帝赐予我们防雨防雪的方法一样,避雷针同样是上帝对人类的馈赠。

富兰克林的避雷针
研究莱顿瓶
富兰克林对莱顿瓶有很深的研究,他将充满电的莱顿瓶中的水小心地倒掉,结果发现依旧带电,这使他认识到,电量是储存在玻璃瓶的正反两面的。随后他又证实莱顿瓶内外所带的电荷可以相互中和。
他还认识到瓶子的形状跟储电能量的关系,后来他将两块铅板用玻璃隔开,做成了新型储电装置。最后他将11块这样的装置连接在一起,并将其称为battery,其原意是“一组两个或多个相似的物体一起起作用”,现在翻译为电池。

此外他还发现通过加热些许能够使一些非导体变得导电良好,曾经试图用电池电死火鸡。

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