富兰克林的雷电实验

来源:中国天气网   编辑:成都市环境生态气象中心   发布时间:2014-12-25

18世纪随着物质电性质的发现,一些科学家注意到电火花发出的声音和表现类似于闪电和雷声,虽然自然雷电现象要更加强烈。所以他们提出雷暴以某种方式产生电,再通过闪电形式放电。富兰克林(Benjamin Franklin)在1751年建议利用高的金属杆把云中的电引下来,他设计的方案见图11a,图中金属杆与地绝缘,观测者手持的地线接近金属杆,当雷雨云经过头顶时在金属杆与地线之间有电火花跳过。之后法国皇家宫廷决定进行富兰克林所描述的实验,检验云是不是带电,1752年5月10日实验成功了。1752年6月富兰克林也成功地进行了著名的风筝雷电实验,几乎同时还有其他科学家利用金属杆、风筝和气球继续进行这一实验,俄罗斯科学家里赫曼(Richman)在实验现场遭雷击牺牲。

接着在1752年9月富兰克林又设计和进行了获得雷暴电极性的实验, 他在他的房顶安装了3 m高的闪电柱(lightning rod),柱的下端连接一个铃;地线跟闪电柱间距15 cm,顶端也设置一个铃;在柱和地线之间吊挂一个金属球。当雷暴云过头顶时,闪电柱下端铃上带有云感应电荷,悬挂的金属球受到静电感应并被吸引向右侧运动,与右侧铃接触,得到同极性电荷,受到排斥再向左摆动;又与左侧铃接触,释放电荷后,便继续在左右两个铃之间往返摆动,发出铃声,警示主人自己正临近雷暴。而且只要再用一个带已知极性电荷的小球靠近悬挂的金属球,便能够决定雷暴云感应电荷的极性。(提醒读者:这个装置是早期实验用的,有遭受雷击的危险,不能简单地模仿试验!)富兰克林在实验研究的基础上进一步提出了利用闪电柱(即避雷针)的防雷方法,其基本原理沿用至今。另外,几乎在同时代,一些法国和意大利科学家观测揭示了大气存在晴天电场。

正是18世纪以富兰克林为代表的一批杰出科学家进行的大量开创性科学实验,初步揭示了雷电是雷暴云放电的本质,自远古时期就弥漫在人类心头对雷电的迷惑开始散去,初步奠定了雷电科学的基础。由于观测手段的局限性,此后的一个多世纪,〖JP+1〗科学界对于自然雷电特性和规律的认识没有实质性进展。雷电科学知识的下一个新飞跃是在20世纪高速照相技术和新的大气电场观测技术发明以后,尤其是20世纪最后二三十年内,随着微电子技术、计算机技术以及卫星遥感技术相继应用到雷电的观测研究中,对雷电特征和规律性的认识有了很大的丰富和深化,雷电监测和防护技术有了很大的发展,但是对于雷暴云起电机制、闪电启动和传播规律以及接地过程和防护方法仍然存在许许多多需要深入研究的课题。

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