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富蘭克林風箏引雷的故事是真的嗎?

富蘭克林無疑是個傳奇人物,帶電風箏的故事是他的經典傳說之一,很多美國人深信不疑。這個故事也出現在國內的語文課本里。

富蘭克林是第一個提出用實驗來證明天空中的閃電就是電的的科學家,但缺乏充足的證據表明他做過風箏試驗。儘管對於富蘭克林是否做過風箏實驗存在爭議,但是有一點可以肯定的是,富蘭克林即使做過風箏實驗,也肯定不會和傳說中的一模一樣。

雲層上的電荷聚集越來越多,和地面之間形成的電壓越來越大,最後它們擊穿十幾千米厚的空氣,形成一條到達地面的導電通道,釋放巨大的能量,這就產生了雷電。如果這條通道正好途經某個人的身體,放電電流會很大,這麼大的電流流過受害者的軀體,首先傷害的是受害者的大腦和心臟,雷電流也會致使呼吸系統麻痹而停止呼吸,從而致人喪命。此外,雷電流的極大的機械效應足以撕裂受害者的皮膚和肌肉,而強烈的熱效應也足以燒焦受害者的軀體。這種雷擊事故稱為「直接雷擊」。遭受直接雷擊的人十有八九會死亡,即使沒有死亡也會重度受傷。

如果這條導電通道沒有直接通過人體,相隔一段距離,比如擊中了附近的一棵樹,人體仍然有可能因為感應的電流而觸電,稱為「感應雷擊」。感應雷擊有時會比較弱,被擊中者無大礙,受雷擊大難不死的人大多數是這種情況。

如果按照故事中的情節,風箏被雷電擊中,雷電電流順著風箏線一直到鑰匙,富蘭克林的手指與鑰匙之間距離很近,而且之間產生了明亮火花。富蘭克林這樣直接被雷擊擊中,絕不可能安然無恙。

著名科學節目《流言終結者》探究過這個流言。他們試圖證明三件事:1、風箏能否吸引電流,並且通過長長的風箏線傳遞到鑰匙;2、流入鑰匙的電流量是否足以電到富蘭克林的手指;3、那股電流是否足以讓放風箏者心跳停止。

實驗者模仿18世紀時使用的材料製作了一個大風箏和木板棚架。把風箏在天氣晴朗的海灘上放飛,在飄揚的海風中,雖然完全沒有電閃雷鳴,但空氣中的電荷和風箏和風箏線與空氣之間的摩擦產生的電荷已經可以使風箏明顯地帶上靜電,風箏線上掛著的鑰匙在吱吱響。第一件事很容易地驗證了。

接著他們把風箏線弄濕,風箏上的靜電量進一步增大。但是把手指靠近鑰匙,卻並沒有出現明顯的觸電感覺。為了增大電量,終結者找了一個大金屬球形狀的電荷產生器代替海邊的空氣作為電荷來源,這個大金屬球產生的電荷遠遠高過空氣中的靜電產生的電荷,但是比起真正的閃電還是微不足道的。當風箏靠近這個金屬球時,就會被擊中,如果把一個探頭靠近鑰匙,可以看到兩者之間有微弱的火花。第二件事也證實了。

最後終結者走進了電力公司的試驗中心,這裡的高壓電可達到100萬伏,可是比起真正的雷電1億伏的電壓,也只是1%。他們用組織替代膠製作了一個假人的模型,裡面安裝了一個模擬的心跳檢測器,並用模擬的雨中淋濕的風箏線進行實驗。風箏被高壓電擊中時,在鑰匙和假人的「手指」之間出現了明亮的電弧,通過模擬心臟的電流已經超過可以使人心臟停跳的最大電流的很多倍。這個「迷你版本」已經足以讓富蘭克林英勇犧牲很多次了。由此可見,富蘭克林在直接被雷電電後還毫髮無損,並且淡定地說「我可以證明閃電是電」是不靠譜的。

實際上1752年富蘭克林給英國皇家協會寄過一封信,內容正是關於風箏實驗的記錄。信中提到:

「當雷雨雲來到風箏上空時,尖的金屬絲就會將從雲上引下「電火」,風箏與整條線都會充滿電。線上的細絲會向各個方向伸展開來,當手指靠近時,細絲還會被吸引。

當風箏和線被雨水浸濕後,它們可以自由傳導「電火」,用指關節靠近鑰匙,你會發現大量「電火」從鑰匙上流出。

可以在鑰匙上裝一個小藥水瓶,以上述方法獲得的「電火」可以將瓶中的酒精點燃」。

可以看到,富蘭克林所做的,並非是「將閃電通過風箏和鑰匙引導到人體」,信中並未提到「在打閃時」觸摸鑰匙,而是觀察在雷雨雲飄過時的一些現象。這個時候風箏線和鑰匙上所發生的電學現象,應該是靜電。

這和《流言終結者》的實驗類似,靜電足夠大時,確實可以看到鑰匙與探頭(或手指)之間的電火花。囿於當時的知識水平,富蘭克林並不能區分這靜電和閃電的區別。當然富蘭克林的試驗也十分有意義,那就是他證明了自然界中的電和人造的電是同一種東西。

(答案整理自果殼網)

作者寫於2013-09-24
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