本杰明·富蘭克林在雷電（Lightning閃電）方面的工作為他贏得了全世界的聲譽(yù)和尊重。
我們知道，雷電放電由帶電的雷云引起，在特定的大氣條件下，形成云間或?qū)Φ氐幕鸹ǚ烹?，空氣急劇膨脹振?dòng)發(fā)生轟鳴。對(duì)地放電的雷云大多數(shù)帶負(fù)電，形成的雷電流也為負(fù)極性，負(fù)極性雷電流占90%左右。
200年前，第一次雷電探索并不是家喻戶曉的富蘭克林風(fēng)箏實(shí)驗(yàn)，而是不為人知的崗?fù)?shí)驗(yàn)。
崗?fù)?shí)驗(yàn)
1752年5月10日，在法國(guó)國(guó)王路易十五的倡導(dǎo)下，托馬斯·弗朗索瓦·狄阿里巴在巴黎附近的馬利花園做了一次公開(kāi)的科學(xué)實(shí)驗(yàn)。當(dāng)天，正好有雷雨云經(jīng)過(guò)，在一個(gè)干燥的崗?fù)?nèi)豎起一根長(zhǎng)長(zhǎng)的鐵桿，鐵桿與大地絕緣，站在地面的人用絲綢接觸鐵桿而出現(xiàn)電火花 (見(jiàn)圖1)。實(shí)驗(yàn)證實(shí)了雷雨云有電氣化的特性，表明閃電的本質(zhì)是一種放電，實(shí)驗(yàn)證實(shí)了雷雨云有電氣化的特性，這就是著名的崗?fù)?shí)驗(yàn)。
圖1 崗?fù)ぴ囼?yàn)
注：圖中的“崗?fù)?shí)驗(yàn)”于1752年發(fā)生在法國(guó)的馬利花園，實(shí)驗(yàn)是基于本杰明·富蘭克林的建議，用于驗(yàn)證雷雨云是否帶電。圖中出現(xiàn)了一段絲綢繩和瓶子（萊頓瓶），以及13m長(zhǎng)并與大地絕緣的鐵桿。人站在地上用絲綢接觸鐵桿而獲得電火花，或者能為萊頓瓶充電。
崗?fù)?shí)驗(yàn)是根據(jù)本杰明·富蘭克林的論文《電的實(shí)驗(yàn)與觀察》中的描述進(jìn)行的實(shí)驗(yàn)，是人類歷史上第一次對(duì)雷電的科學(xué)探索。這個(gè)結(jié)論在十八世紀(jì)中期一度聳人聽(tīng)聞，然而，很快得到歐洲其他相關(guān)實(shí)驗(yàn)證實(shí)。
防雷應(yīng)用
不久以后，1752年6月，富蘭克林在風(fēng)箏上掛一串鑰匙成功地進(jìn)行了另一個(gè)實(shí)驗(yàn)，就是所謂的風(fēng)箏試驗(yàn)。風(fēng)箏試驗(yàn)的過(guò)程被寫(xiě)入一封信中，傳播開(kāi)來(lái)，但并沒(méi)有其他目擊者。富蘭克林在注意到雷電放電和電火花之間的顯著相似之后，發(fā)明了避雷針，此后，利用避雷針（即接閃桿）保護(hù)建筑物開(kāi)始應(yīng)用起來(lái)，見(jiàn)圖2。1753年，富蘭克林發(fā)明了一種防雷方法：將一個(gè)長(zhǎng)鐵桿固定在房屋上，鐵桿一端安裝在潮濕的地面上1m處，另一端在建筑的最高部位上方1.8~2.4m。在桿的上部0.3m鍍了黃銅，端部磨得尖銳。如果房子很長(zhǎng)，可能兩端各設(shè)一個(gè)長(zhǎng)鐵桿，屋脊上再設(shè)一根連接電線。這樣能保證房子不被雷擊，閃電會(huì)通過(guò)金屬進(jìn)入地面而不會(huì)造成傷害。類似地，在船的桅桿頂部設(shè)一根尖的鐵桿，用一根鐵絲繞著帆布引到周圍的水里，也能避免雷擊。
圖2 一座十八世紀(jì)的房子，帶有富蘭克林1762年設(shè)計(jì)的避雷針
富蘭克林認(rèn)為，一個(gè)高的導(dǎo)體能為閃電提供接閃機(jī)會(huì)，而接地的導(dǎo)體會(huì)為閃電電流流入地面提供一個(gè)安全的路徑，見(jiàn)圖3。
圖3 費(fèi)城的獨(dú)立大廳
（修復(fù)過(guò)程中，在塔樓西北角的內(nèi)墻上發(fā)現(xiàn)原始接地導(dǎo)體）
討論
01
富蘭克林在防雷方面的貢獻(xiàn)具有開(kāi)創(chuàng)性，他認(rèn)為，高的絕緣棒可以用來(lái)確定雷云是否帶電，而接地可以防止閃電造成傷害。
02
富蘭克林通過(guò)觀察和研究認(rèn)為，“雷雨云最常見(jiàn)的是負(fù)極性，有時(shí)也有正極性”。所有的放電都從正到負(fù)，他得出結(jié)論，雷擊大部分情況是雷云到大地，而不是大地到雷云。但是，無(wú)論電流的方向如何，雷擊的影響幾乎相同。這比現(xiàn)代的研究成果早了170年。
03
富蘭克林的防雷系統(tǒng)有三個(gè)關(guān)鍵因素：金屬棒、屋頂水平導(dǎo)線（現(xiàn)在稱為接閃桿和接閃帶）、垂直引下導(dǎo)線（即引下線）與大地（接地體）連接。富蘭克林認(rèn)為閃電擊中高的金屬棒可以提供保護(hù)，接地能提高放電效果。富蘭克林還建議，接地棒要涂漆，以減少銹蝕。這些研究比現(xiàn)在的防雷標(biāo)準(zhǔn)早200多年。
04
富蘭克林還提出了一些實(shí)際經(jīng)驗(yàn)，如，雷雨時(shí)應(yīng)避免孤立的樹(shù)下躲雨，而蹲在開(kāi)闊的田野相對(duì)安全；雷雨期間，人在戶外衣服變濕也會(huì)提供一條雷電傳導(dǎo)路徑。