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富兰克林的风筝实验真实存在吗?

传言: 富兰克林曾经与雷电有亲密接触。据说他将一把铜钥匙,系在风筝线的末端。风筝升入雷雨云层,闪电在风筝附近闪烁,雷声隆隆。一道闪电掠过,风筝线上有一小段直立起来,像被一种看不见的力移动着。富兰克林突然觉得他的手有麻木的感觉,就把手指靠近铜钥匙,顷刻之间,铜钥匙上射出一串火花。富兰克林大叫一声,赶紧把手远离了钥匙。他喊到:“威廉!我受到电击了!现在可以证明,闪电就是电”。

真相: 富兰克林的成就实在是数不胜数。他参加起草了《独立宣言》和美国宪法,担任过州长,是美国历史上第一位驻外大使,出版了费城第一份报纸《宾夕法尼亚报》、美国第一本医学专著、第一部小说以及其他很多畅销书,在多个科学领域也有很多贡献。(他甚至成了财富的象征)

富兰克林生前身后自然流传着很多故事,这个带电风筝的故事就是其中之一。作为流传已久的经典传说,很多美国人深信不疑。在国内,作为语文教科书里的“老段子”,同样人尽皆知。可是这到底是个神话还是真有其事呢?

富兰克林是第一个提出用实验来证明天空中的闪电就是电的的科学家,那是在1750年。[1]但是第一个付诸于实践的却是法国科学家——他像图中那样观察到了铁棒上的火花,不过没有用身体近距离去碰铁棒。此后,还有一些研究者也做了类似的实验。在俄罗斯有一位物理学家在模仿这个实验时,因为操作不慎被雷电击死。

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在几年后,有传闻和一些书籍称富兰克林用风筝替代了铁棒,做了这个著名风筝雷电的实验,但是缺乏充足的证据。后来有研究者发现富兰克林本人也从来没有正式承认做过这个实验。[2]尽管对于富兰克林是否做过风筝实验存在争议,但是有一点可以肯定的是,富兰克林即使做过风筝实验,也肯定不会和传说中的一模一样。

实验若成功,富兰克林必死

如果云层上的电荷聚集越来越多,和地面之间形成的电压越来越大,最后它们击穿十几千米厚的空气,形成一条到达地面的导电通道,释放巨大的能量,这就产生了雷电。如果这条通道正好途经某个人的身体,放电电流会很大,数量级达到几十千安甚至百千安以上。那么大的电流流过受害者的躯体,首先伤害的是受害者的大脑和心脏。因为几毫安的电流就足以使人类的心脏发生心室纤维性颤动、停搏。雷电流也会致使呼吸系统麻痹而停止呼吸,从而致人丧命。此外,雷电流的极大的机械效应足以撕裂受害者的皮肤和肌肉,而强烈的热效应也足以烧焦受害者的躯体。这种雷击事故称为“直接雷击”。遭受直接雷击的人十有八九会死亡,即使没有死亡也会重度受伤。[3]如果这条导电通道没有直接通过人体,相隔一段距离,比如击中了附近的一棵树,人体仍然有可能因为感应的电流而触电,称为“感应雷击”。感应雷击有时会比较弱,被击中者无大碍,受雷击大难不死的幸运儿大多数是这种情况。

如果按照故事中的情节,风筝被雷电击中,雷电电流顺着风筝线一直到钥匙,富兰克林的手指与钥匙之间距离很近,而且之间产生了明亮火花。富兰克林这样直接被雷击击中,绝不可能安然无恙。

实验!实验!

为了探明真相,著名实验帝《流言终结者》在第4季第5集里复制了这个流言[4]。他们试图证明三件事:1、风筝能否吸引电流,并且通过长长的风筝线传递到钥匙;2、流入钥匙的电流量是否足以电到富兰克林的手指;3、那股电流是否足以让放风筝者心跳停止。

实验者模仿18世纪时使用的材料制作了一个大风筝和木板棚架。把风筝在天气晴朗的海滩上放飞,在飘扬的海风中,虽然完全没有电闪雷鸣,但空气中的电荷和风筝和风筝线与空气之间的摩擦产生的电荷已经可以使风筝明显地带上静电,风筝线上挂着的钥匙在吱吱响。第一件事很容易地验证了。

接着他们把风筝线弄湿,风筝上的静电量进一步增大。但是把手指靠近钥匙,却并没有出现明显的触电感觉。为了增大电量,终结者找了一个大金属球形状的电荷产生器代替海边的空气作为电荷来源,这个大金属球产生的电荷远远高过空气中的静电产生的电荷,但是比起真正的闪电还是微不足道的。当风筝靠近这个金属球时,就会被击中,如果把一个探头靠近钥匙,可以看到两者之间有微弱的火花。第二件事也证实了。

为了模拟雷电的威力,终结者走进了电力公司的试验中心,这里的高压电可达到100万伏,可是比起真正的雷电1亿伏的电压,也只是1%。他们用组织替代胶制作了一个假人的模型,里面安装了一个模拟的心跳检测器,并用模拟的雨中淋湿的风筝线进行实验。风筝被高压电击中时,在钥匙和假人的“手指”之间出现了明亮的电弧,通过模拟心脏的电流已经超过可以使人心脏停跳的最大电流的很多倍。这个“迷你版本”已经足以让富兰克林英勇牺牲很多次了。由此可见,富兰克林在直接被雷电电后还毫发无损,并且淡定地说“我可以证明闪电是电”是不靠谱的。

结论:谣言粉碎。 富兰克林或许有过风筝实验的想法,即便他真的做过这个实验,也只可能是被风筝上带的一些静电电到。如果被真的雷电电到的话,就不会是手被电麻了,很可能是当场暴毙。

参考资料:
[1] The Lightning Discharge 作者:Martin A. Uman
[3] 雷击人身伤害与防雷知识要点 作者:梅忠恕
[4] 《流言终结者》节目第4季第5集
The End

发布于2011-01-09, 本文版权属于果壳网(guokr.com),禁止转载。如有需要,请联系果壳

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Albert_JIAO

电子工程专业学生,科学松鼠会成员

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