一、法拉第的笼子实验
18世纪中叶富兰克林首先创立了正、负电荷的表示法，但是他又认为电是一种没有重量的流质，渗透在整个空间和一切物体之中。物体上的电流质密度同外界一样时，物体就不显电性；电流质多了就带正电；电流质少了就带负电。这种看法是否正确？让我们回顾一下19世纪上半叶，在科学史上一直传为佳话的法拉第的笼子实验吧。
他用木条钉了一个笼子，上面贴了许多条跟地面绝缘的锡箔。锡箔之间互相接通，并且和起电机相连。笼子里面放一个很灵敏的验电器。
实验时，摇动起电机，使锡箔带电。把一个跟地面连接的导体移到笼子外表面附近，笼子和导体之间就出现电火花，表明锡箔确实带了电。然而，笼子里的验电器锡箔却始终合拢不动，说明笼子里没有电荷。法拉第为了证实这个事实，他自己钻进了笼子里进行研究，结果也是一样。这个实验表明，笼子上的电荷全部分布在笼子的外表面，而不进入内表面。这就彻底地推翻了富兰克林的错误观点。
法拉第的笼子实验，同时具有重要的实际意义。由于金属网罩既能“遮住”罩外带电体产生电场，使罩里的带电体不受外界电场的影响，又能“阻挡”罩里的带电体所产生的电场对外界产生的影响，故可以作为静电屏蔽。比如，有些电子仪器里的电子管用金属套罩起来，电缆外面包一层铅皮，传输线外面用金属丝编织的隔离线包起来，就是应用静电原理，防止外界电场的干扰。进行高压带电作业的工人穿的工作服，包括衣服、裤子、手套、袜子等，是用细钢丝纤维编织而成的。工人操作时穿上它们，好像钻进了金属网罩里一样，再接触高压设备就不会有危险了。
（一）雪会使铁丝网带电
在风沙和风雪的天气里铁丝网经常带电，例如在美国科罗拉多的落矾山地区的风雪天气里，在山地附近的平原上，铁丝网向地面附近的物体爆发出火花。居民发现这些火花偶尔会跳出铁丝网达1米左右（跃出约3厘米的火花就会击倒人，并使人难受几小时之久）。这是由于飞雪和铁丝网、飞机以及类似的金属物体相碰时，雪粒易失去电子，而金属就把这些失落的电子收集起来而带负电，金属中的电荷积累到一定程度，就产生放电现象。
（二）油罐车为什么拖根链条？
装运汽油的油罐车总拖着一条接地的链子，跟着汽车跑起来铿锵作响，这是为了防止静电产生的火花放电而安装的特殊设置。轮胎与路面接触由于摩擦而使轮胎带负电，当轮胎因转动而变得均匀地带电时，金属车厢和车架上的负电被轮胎排斥，则靠近轮胎的车身部分就会带正电。因而车体的某些部件与附近的地面间或者与带相反电荷的物体之间，就有可能发生火花放电。这种火花放电足以使油罐车里的汽油着火，接地的铁链会使车身向地面泄放一些电子，但是这样并不能使油罐车保持中性而安全，因为油车还可以带正电，故仍容易发生火花放电。由此看来拖铁链也不是万全之策。
二、闪电的成因
电闪雷鸣在夏天是司空见惯的事。但是，你可知道闪电是怎样生成的吗？在一个闪电放电中至少有几次闪击？电光为什么总是弯弯曲曲的呢？……在正常情况下，云里的电荷是按层分布的，少量的正电荷在云的底部，大量的负电荷在中下部，另外大量的正电荷在顶部。闪电是由云的底部和中下部之间的放电开始的，放电时电子沿云层呈“阶梯状”跳跃着下降，每次梯级跳跃约50米，暂停50微秒，然后再向下跳跃。不过每一梯级的运动是如此之快，以致整个过程看起来都是紧紧地衔接在一起的，可谓稍纵即逝。
闪电之所以是弯弯曲曲的，是因为下降的负电荷受空气中带正电荷的小区域的作用所发生的偏折。如果一个小区域里的正电荷足够多，则下降的闪电可以转为水平方向。这样从整个放电过程来看就是弯曲的了。
事实上，每一个闪电放电中至少有两次闪击，经常是先有一次“先导闪击”，然后再有一次“回击”，当先导闪击接近地面的时候，一些尖端附近的电场非常强，就发生电击穿，一个正电的回击开始上升与先导闪击相遇，相遇处强烈地发光，在带负电的先导闪击被中和时，它的电子便流入地下，强烈发光的大电流区域沿着先导闪击的闪道向上传播，一直达到云上，但观察者不能分辨这样快的移动，所看到的只是一条连续发光的闪道。
（一）闪电的形状
上面谈到的云地间的雷电不是闪电的唯一类型，闪电还有几种奇怪的形状。比如，云同空气间的闪电终止在半空中贮存正电荷的小区域里，这时云如果离我们太远而看不清楚时，便会受到所谓的“晴天霹雳”的惊吓。有时还会见到几条平行的闪电，宛如一条缎带从云端倒挂下来。这是由于风很强足以使每次闪击之间的电离通道发生显著的移动，而云与地之间若不止一个“先导闪电”和“回击”时，就发生带状闪电。
然而，最激动人心和令人捉摸不定的闪电可能是“珠状闪电”了。它看起来像是用弯曲的银丝连起来的一串耀眼的珠子。不过这种闪电是否存在尚有争议，据说有少数人看到过，但也有些人说“珠状闪电”是一种幻觉，看见的不过是一个耀眼的闪光后造成的残留影像。
据报道，明亮而无声的光球在空气中飘过，或缓慢地飞舞着，持续约数秒钟。有时它们能穿过玻璃窗而无损坏的痕迹；而在另一些时候，它们可能会打碎玻璃。可以在任何建筑物（甚至在飞机的座舱里）内看到它们，也可在室外看到它们。虽然它们往往是无声的，但它的消失却伴有一阵爆破声。有时，它们可以使人致命。里奇曼（G.W.Richmann）在试图重复富兰克林的风筝实验时，就是不幸的丧命者。一个拳头般大小的淡蓝色的火球离开他的实验室的避雷针，无声无息地飘浮到里奇曼的脸上，而后发生爆炸。里奇曼倒在房间里的地上死了，在他的前额上留下一个红斑，而他的一只鞋底上有两个洞眼。
珠状闪电的本质仍在研究之中，到目前为止，较好的解释是认为此光球是一个由外部的电磁波供给能量的等离子体球。某种雷暴雨、闪电或尖端放电产生的电活动会促使空气或蒸汽电离。由于电离气体总体呈电中性，并能从自然界的无线电波中吸取能量，它将增大到某个平衡尺度。这种无线电波是在强烈的电暴过程中，在云里或在地面上产生的。球体的周围对无线电波有约束作用，形成驻波，球体就从这驻波的一个波腹中吸取能量。由于珠状闪电的发光时间长达数秒钟，因此人们认为这种电光来自外部的驻波能源是合乎道理的。如果电光来自珠状闪电内部的话，以及如果把珠状闪电当做小的原子核火球来估计其内部能源的上限，那么球体发出辉光的持续时间就不能超过0.01秒，而不是所报道的好几秒钟了，因此这种推断和实际情况不符。
避雷针的发明及作用
富兰克林在做了风筝实验之后，便写了一篇《论闪电和电气的相同》的论文，阐述了雷电的本质。他明确指出：雷电现象不是“雷公雷母在发怒”，它是自然界的一种大规模的放电现象，耀眼的火花就是闪电，震耳欲聋的声音就是打雷。闪电不但可以在天空中离得很近的带异种电荷的云块之间发生，也可以在云地之间发生。当云地之间发生闪电的时候，在很强的闪电的通路上，树木、房屋、人畜等就被击毁或者烧焦。为此，富兰克林还根据风筝上的细铁丝能够吸收天电的发现，提出了创造避雷针的设想，使建筑物免遭雷击。
但是，当富兰克林的论文在英国皇家学会上宣读的时候，引起的反应，只是一阵轻蔑的嘲讽，被看成是痴人说梦。有一个权威看了富兰克林的论文集，甚至怀疑是否真有其人，硬说那些文章是反对他的人伪造虚构出来的，以达到推翻他的学说为目的。教会也出来反对富兰克林，说他在亵渎上帝。为此，他遭到来自各方面的攻击和谩骂。然而，真理在握的富兰克林毫不畏惧，据理力争。他的观点，终于被人们接受；他发明的避雷针也逐渐被采用，傲然站立在一些高大的建筑物上。
避雷针发明之后，虽然获得了广泛的应用，但是对于它的作用却引起热烈的争论。有人认为避雷针有助于当云越过针上方时的放电，因而避免了闪电引起的严重破坏。另外一些人则认为，避雷针是在为云地间的放电提供了一条安全到达地面的通道。
其实，避雷针的确是为电流提供了一条连通地的途径。尖端周围有很强的电场，因此能开出一条向上的通路，与下行的先导闪击相遇。一旦接触发生，电流就从电离通道流向避雷针到达埋入避雷针的地下。因此，电击与避雷针相连的建筑物的可能性就减少了。避雷针不能避免使经过的云发生闪电的放电，这是因为避雷针的放电太慢的缘故。
最近一家公司在避雷针的顶端装上一个放射源，这种设计以为放射源有助于空气电离，因而进一步诱使通过避雷针放电，而不使建筑物遭到电击。安设这种放射源是没有效用的。如闪电击毁了放射源的话，可能会造成更大的危险。
（二）易遭雷击的树
不同的树木受雷击的程度是不同的，全世界每年由于雷电袭击而引起的森林火灾是不胜枚举的。如果树是全湿的，树身电阻较小，是电的良导体，电流通过时不会产生很多热量。如树皮光滑的树就是这样的，遭雷雨后树皮一直湿到地面，则不易遭雷击而起火。如果树皮很粗糙，如橡树，树皮一时很难湿透，树的电阻很大，不易导电。这时电流通过时便会产生大量的热，致使树身膨胀而爆裂，即所谓遭雷击。电流大到一定程度便起火燃烧，再殃及其他树木，酿成熊熊森林大火。因此有闪电专门寻找橡树的传说。其实，和橡树相类似的树木，大都成了易受雷击的对象。
（三）闪电与飞机
在雷雨季节，人们以为飞机在天空飞行时遇到闪电是很危险的事。的确，飞机遭到电击是常有的事，但是除了在飞机上留下几个小洞之外，几乎没有其他损坏，阿波罗12号发射后不久，曾受到两次电击，但均未对飞船和宇航员造成明显的威胁。
这是由于在电击时火花放电所产生的高频电流不能穿透飞机和宇航船等类物体的金属外壳，只能局限在金属的外层，这是趋肤效应的结果。同样，汽车的外壳也有类似的作用。除穿孔后触发燃料而引起爆炸外，在这类金属封闭舱中的乘员甚至可能根本不知道他们已被闪电轰击过。
（四）闪电后的雷阵雨
你可曾注意到过，在雷雨中闪电过后会突然迸发一阵暴雨或刹那间的冰雹。它们之间是有密切的联系呢，或者仅仅是一种巧合而已？
云里的小水滴有一部分有时因局部电场的作用而悬浮着。闪电的发生可以减弱这样的电场，于是小水滴平衡的条件被破坏了，随即水滴下落，便迸发出一阵暴雨。当电场恢复它原有的强度后，降雨量又减少了，此乃形成雷阵雨的原因之一。
（五）闪电落地后的电场
大家知道在雷雨的天气里，不宜在高大的树木下或其他建筑物下避雨，那么遇到这种情况应该怎么办呢？原来落雷着地后，在地面产生分布电压，闪电的电流就散开，一部分电流在一定的范围内就沿水平方向传播，如果这时人和牲畜进入这个范围，比如牛进入后，在跨步电压的作用下，地面电流就会从牛的前腿进后腿出，于是牛便触电死亡。
对人而言不应卧倒，因为这时头部和脚部之间的电势差会从地面导出足够的电流而击毙你。也不应该站着，最好的姿势是蹲着。这样，既可以使头部的位置很低，同时从接触的一侧到另一侧可能存在的电势差是最小的，于是从地面导出的电流也就减少。
三、地球的电场是怎样产生的？
前面曾经提到，在发生闪击时，在空间产生很强的电场，正、负电荷在电场里中和，产生强光，那么在地球表面和云层之间的电场是怎样形成的呢？
地球的电场位于带负电的地球表面和带正电的高层大气之间，它是由于宇宙线和地球天然放射性的活动，造成了空气分子持续不断地电离而形成的，它大约每隔5分钟或不到5分钟就发生一次放电。电离产生的一些电子向高层大气移动，聚集在海拔高度约50千米处，致使大气的导电性是如此之好，以至这部分大气基本上是一个球形导体。上升的电子会中和这个带正电的导体，同样电离产生的一些正离子下降到带负电的地面使地面中和。不过在频繁的闪电中，虽然正、负电荷不断中和，然而由于空气被电离，故地球又重新带电。就这样，在带负电的地球表面和带正电的高层大气之间产生了电场。
在这样的电场里，人的脚跟和鼻子之间可以有200伏的电势差。不过你不用担心，由于人体是电的良导体，因而身体各部分的电势基本是相同的。因此，你身体上部和脚之间不会存在明显的电势差。
