Электростатическая машина Франклина - Franklin's electrostatic machine
Электростатический машин Франклина является высоковольтным статическим электричеством - генерируя устройство , используемое Бенджамин Франклина в середине 18-го века для исследования электрических явлений. Его ключевыми компонентами являются стеклянный шар, который вращается вокруг оси с помощью кривошипа , тканевая прокладка, контактирующая с вращающимся глобусом, набор металлических игл для отвода заряда, образовавшегося на глобусе в результате его трения о подушечку, и лейденский шарик. банка - высоковольтный конденсатор - для накопления заряда. Эксперименты Франклина с машиной в конечном итоге привели к новым теориям об электричестве и изобретению громоотвода .
Фон
Франклин не был первым, кто построил электростатический генератор. Европейские ученые разработали машины для генерации статического электричества десятилетиями раньше. В 1663 году Отто фон Герике генерировал статическое электричество с помощью устройства, в котором использовалась сфера из серы. Фрэнсис Хоксби разработал более совершенный электростатический генератор около 1704 года, используя стеклянную колбу с вакуумом. Позже он заменил земной шар стеклянной трубкой длиной около 0,76 м, в которой не было воздуха. Стеклянная трубка была менее эффективным статическим генератором, чем глобус, но стала более популярной, потому что ее было проще использовать.
Машины, сгенерированные статическое электричество со стеклянным диском были популярны и широко распространены в Европе 1740. В 1745 году немецкий клирик Эвальд Георг фон Клейст и голландский ученый Мушенбрук обнаружил самостоятельно , что электрический заряд из этих машин может храниться в лейденской банке , назван в честь города Лейден в Нидерландах .
В 1745 году Питер Коллинсон , бизнесмен из Лондона, который переписывался с американскими и европейскими учеными, подарил немецкую «стеклянную трубку» вместе с инструкциями по созданию статического электричества библиотечной компании Франклина в Филадельфии . Коллинсон был агентом библиотеки в Лондоне и предоставлял последние новости технологий из Европы. Франклин написал письмо Коллинсону 28 марта 1747 года, поблагодарив его и заявив, что трубка и инструкции побудили его и нескольких коллег начать серьезные эксперименты с электричеством.
В 1746 году Франклин начал работать над электрическими экспериментами с Эбенезером Киннерсли после того, как он купил все электрическое оборудование Арчибальда Спенсера, которое он использовал в своих лекциях. Позже он также был связан с Томасом Хопкинсоном и Филипом Сингом в экспериментах с электричеством. Летом 1747 года они получили электрическую систему от Томаса Пенна . Хотя не существует никаких записей, чтобы точно сказать, какие части были включены в систему, историк JA Leo LeMay полагает, что это была комбинация генератора электричества, лейденской банки, стеклянной трубки и стула, электрически изолированного от земли. Это дало Франклину полную систему для экспериментов с генерированием и хранением электроэнергии.
Когда янтарь , сера или стекло натирают определенными материалами, они вызывают электрические эффекты. Франклин предположил, что этот «электрический огонь» каким-то образом образовался из этого другого материала, а не возник в результате трения о предмет. Он решил рано уйти из своего полиграфического бизнеса, когда ему было чуть за сорок, чтобы больше времени уделять изучению электричества. В 1748 году Франклин передал весь свой полиграфический бизнес своему партнеру Дэвиду Холлу . Он переехал в новый дом в Филадельфии со своей женой, где построил лабораторию для проведения экспериментов и исследования новых электрических теорий. Франклин экспериментировал не только с электростатической машиной со стеклянным шаром, но и с лейденской банкой. Он вел подробный журнал своих исследований в дневнике под названием «Электрические минуты», который с тех пор был утерян. Машина Франклина была подарена Филадельфийской библиотечной компании внуком Франклина в 1792 году и в настоящее время выставлена в Институте Франклина .
Описание
В машине Франклина использовалась система ремня и шкива, которой мог управлять один человек, поворачивая кривошип. Большой шкив был прикреплен к рукоятке кривошипа, а шкив гораздо меньшего размера был прикреплен к большому стеклянному шару. Через земной шар прошла железная ось. Это позволяло вращать земной шар с большой скоростью. При повороте рукоятки стеклянный шар терся о кожаную подушку, что генерировало большой статический заряд, подобный электрическому заряду, который можно было бы создать, если вручную протереть стеклянную трубку шерстяной тканью. Эта машина была уникальным усовершенствованием по сравнению с другими, производившимися в то время в Европе, поскольку стеклянный шар можно было вращать быстрее и с гораздо меньшими трудозатратами. Для зарядки лейденской банки потребовалось всего несколько оборотов ручки.
Электроэнергия, производимая машиной в виде искр, проходила через набор металлических игл, расположенных рядом с вращающимся глобусом. Электрический заряд продолжал проходить через железную цепь из бисера, которая действовала как проводник, к лейденской банке, которая получала электричество. Франклин назвал искры, производимые машиной, «электрическим огнем».
Франклину помогли построить его машину. Базовая механическая конструкция была разработана Филипом Сингом . Деревянный каркас, вероятно, был изготовлен другом Франклина Бенджамином Локсли , плотником из Филадельфии, который в 1751 году изготовил аналогичные машины для Льюиса Эванса . Стеклянные шары, известные как «электрические шары», были сделаны из стекла, которое с научной точки зрения было разработано для эффективного производства статического электричества. Франклин указал материалы, которые будут использоваться в формуле стекла, и глобусы были изготовлены Каспаром Вистаром , близким соратником Франклина. Wistarburgh Glass Works также производила научное стекло для лейденских кувшинов, которые Франклин использовал в 1750-х годах.
Электрические принципы
Эксперименты Франклина с лейденскими сосудами привели к соединению нескольких лейденских сосудов в серию, при этом «одна висит на хвосте другой». Все банки в серии можно было заряжать одновременно, что увеличивало электрический эффект. Подобный аппарат ранее был создан Дэниелом Гралатом . Франклин первым назвал устройство « электрической батареей ». В то время слово «батарея» было военным термином для обозначения группы пушек . Франклин был первым, кто использовал «положительный» и «отрицательный» применительно к электричеству, который иногда называют «плюсом» и «минусом».
Благодаря своим исследованиям Франклин был одним из первых, кто доказал электрический принцип сохранения заряда в 1747 году: подобное открытие было независимо сделано в 1746 году Уильямом Ватсоном . Франклин написал подробные письма и документы о своих экспериментах с электростатической машиной и лейденскими банками. В 1749 году Франклин составил список нескольких причин, по которым молния была похожа на электричество. Он пришел к выводу, что молния, по сути, была не чем иным, как гигантскими электрическими искрами, похожими на искры от статических зарядов, создаваемых его электростатической машиной. Он называл статическое электричество «электрическим огнем», «электрической материей» или «электрической жидкостью». Термин «электрическая жидкость» основан на идее, что банку можно наполнять и снова наполнять, когда она становится пустой. Это привело к революционной идее «электрического огня» как типа движения или потока тока, а не как типа взрыва.
От его имени произошло несколько электрических терминов 18-го века. Например, статическое электричество было известно как «ток Франклина», а « франклинизация » - это форма электротерапии, при которой Франклин поражал пациентов сильными статическими зарядами для лечения пациентов с различными заболеваниями.
Изобретение громоотвода
Франклин изобрел громоотвод, основываясь на том, что он узнал из экспериментов со своей электростатической машиной. Франклин и его соратники заметили, что заостренные предметы более эффективны, чем тупые предметы, при «оттягивании» и «отбрасывании» искр от статического электричества. Об этом открытии впервые сообщил Хопкинсон. Франклин задался вопросом, можно ли использовать это открытие в практическом изобретении. Он подумал, что можно сделать что-то, чтобы притягивать электричество из грозовых облаков, но сначала ему нужно было убедиться, что молнии действительно представляют собой гигантские электрические искры. Он написал письма Коллинсону и Кадвалладеру Колдену об этой теории. Письмо Франклина Коллинсону от 19 октября 1752 года об эксперименте с воздушным змеем было отмечено историком ЛеМэем как основание для доказательства того, что молния была электричеством. Том Такер из Изотермического общественного колледжа сомневается в этом из-за двусмысленности в описании и указывает на это в своей книге « Болт судьбы: Бенджамин Франклин и его обман с электрическим воздушным змеем». Другие не согласны с этой точкой зрения, утверждая, что Франклин не стал бы сочинять такую фальшивую историю, потому что ценил целостность научного сообщества.
Чтобы проверить свою теорию, Франклин предложил провести потенциально смертельный эксперимент во время грозы, когда человек будет стоять на изолированном стуле внутри сторожевой будки и протягивать длинный заостренный железный стержень, чтобы привлечь удар молнии. Подобная, но менее опасная версия этого эксперимента была впервые успешно проведена во Франции 10 мая 1752 года, а затем повторилась еще несколько раз по всей Европе, хотя после гибели человека в 1753 году ее пытались реже. Франклин заявил, что этот «эксперимент с будкой» показал, что молния и электричество - одно и то же.
Франклин понял, что деревянные здания можно защитить от ударов молнии и смертельных пожаров, которые часто возникали, если положить на крышу остроконечное железо, а другой конец стержня поместить глубоко в землю. Острый конец громоотвода будет притягивать электрический разряд из облака, и молния ударит по железному стержню, а не по деревянному зданию. Электрический заряд от молнии будет течь через стержень прямо в землю, минуя конструкцию и предотвращая возгорание.
Друг Франклина Киннерсли путешествовал по восточной части Соединенных Штатов в 1750-х годах, демонстрируя искусственные «молнии» на моделях громовых домов, чтобы показать, как железный стержень, помещенный в землю, защищает деревянную конструкцию. Он объяснил, что молния следовала тем же принципам, что и искры от электростатической машины Франклина. Эти лекции Киннерсли широко рекламировались и были одним из способов демонстрации громоотвода Франклина широкой публике.
Наследие
Франклин раздал копии электростатической машины многим своим близким сотрудникам, чтобы побудить их изучать электричество. Между 1747 и 1750 годами Франклин отправил своему другу Коллинсону в Лондон много писем о своих экспериментах с электростатической машиной и лейденской банкой, включая свои наблюдения и теории о принципах электричества. Эти письма были собраны и опубликованы в 1751 году в книге под названием « Эксперименты и наблюдения над электричеством» .
Пока Джозеф Пристли писал об истории электричества, Франклин призвал его использовать электростатическую машину для проведения экспериментов, о которых он писал. Пристли разработал и использовал свои собственные вариации машины Франклина. При воспроизведении электрических экспериментов некоторые оставшиеся без ответа вопросы побудили Пристли разработать дополнительные эксперименты, приведшие к дополнительным открытиям. В 1767 году он опубликовал 700-страничную книгу о своих открытиях под названием «История и современное состояние электричества» .
В научных лабораториях восемнадцатого века обычно имелись электростатические машины с ручным управлением. Итальянский ученый Луиджи Гальвани имел электростатический генератор в своей лаборатории, где эксперименты с лягушачьими лапками привели к открытию электричества животных . Другой итальянский ученый Алессандро Вольта , не согласен с некоторыми из идей Гальвани, и это научный аргумент мотивировано Вольта разработать первую лягушку свободной гальванический элемент , и непосредственно привели к изобретению первого практического электрической батареи, в вольтовой кучу .
После смерти Франклина два знаковых артефакта из его исследований, оригинальная «батарея» лейденских кувшинов и «стеклянная трубка», подаренная Коллинсоном в 1747 году, были переданы Королевскому обществу в 1836 году внуком Томаса Хопкинсона Джозефом. Хопкинсона , согласно завещанию Франклина.
Смотрите также
использованная литература
Цитаты
Источники
- Эйвери, Джон Скейлс (2016). Наука и общество . World Scientific . ISBN 978-981-3147-73-7.
- Бозе, Алекс (2015). "Электрический воздушный змей-мистификация" . Музей мистификаций . Проверено 6 февраля 2017 года .
- Бриденбо, Карл (2012). Колониальный мастер . Курьерская корпорация . ISBN 978-0-486-14473-3.
- Коэн, И. Бернар (1956). Франклин и Ньютон: исследование спекулятивной ньютоновской экспериментальной науки и работа Франклина в области электричества как пример этого . Издательство Гарвардского университета .
-
Коэн, И. Бернард (1990). Наука Бенджамина Франклина . Издательство Гарвардского университета . п. 61 . ISBN 978-0-674-06659-5.
Стеклянная трубка Питера Коллинсона, подарок Франклина.
-
Колсон, Томас (1950). Джозеф Генри: его жизнь и работа . Издательство Принстонского университета .
Атмосфера Филадельфии дала ему и его сотрудникам исключительную возможность отработать свои навыки работы с электростатической машиной. В результате многие их эксперименты носили оригинальный характер. Знаменитый эксперимент с воздушным змеем позволил филадельфийской группе установить то, что предполагали другие, что молния идентична слабому электрическому заряду, производимому трением электростатической машины. Франклин изобрел громоотвод, который вошел в историю как первое практическое электрическое изобретение.
- Крейн, Вернер Уинслоу (1954). Бенджамин Франклин и восходящие люди . Литтл, Браун и компания .
- Палец, Стэнли (2012). Медицина доктора Франклина . Университет Пенсильвании Press . ISBN 978-0-8122-0191-8.
- Франклин, Бенджамин (1751). «Эксперименты и наблюдения над электричеством» . E. Пещера . Проверено 28 октября 2016 г. - через библиотеки Смитсоновского института .
- Гарче, Юрген (2013). Энциклопедия электрохимических источников энергии . Newnes . ISBN 978-0-444-52745-5.
- Грегори, Джордж (1822). Словарь искусств и наук . Коллинз и компания .
- Гримнес, Сверре (2014). Биоимпеданс и основы биоэлектричества . Академическая пресса . ISBN 978-0-12-411533-0.
- Исааксон, Уолтер (2004). Бенджамин Франклин: американская жизнь . Саймон и Шустер . ISBN 978-0-7432-5807-4.
- Джексон, Джо (2005). Мир в огне . Викинг . ISBN 978-0-670-03434-5.
- ЛеМэй, Дж. А. Лео (1987). Бенджамин Франклин: Сочинения . Penguin Group США . ISBN 978-0-940450-29-5.
- Лемей, Дж. А. Лео (2009). Жизнь Бенджамина Франклина, том 3: солдат, ученый и политик, 1748–1757 . Университет Пенсильвании Press . ISBN 978-0-8122-4121-1.
- Линн, Барри С. (2009). Загнанный в угол: новый монополистический капитализм и экономика разрушения . Джон Вили и сыновья . ISBN 978-0-470-55703-7.
- Маклин, Джон (1877). История колледжа Нью-Джерси: от его возникновения в 1746 году до начала 1854 года . Липпинкотт .
- Мэтьюз, Роберт (1 июня 2003 г.). «Бенджамин Франклин„подделать кайт эксперимент “ » . Телеграф . Проверено 6 февраля 2017 года .
- МакГрат, Кимберли А. (2001). Энциклопедия науки Gale: Catastrophism-Eukaryotae . Гейл Групп . ISBN 978-0-7876-4372-0.
- МакНикол, Том (2011). Savage Tale Первая война стандартов . Джон Вили и сыновья . ISBN 978-1-118-04702-6.
- Морган, Эдмунд Сирс (2003). Бенджамин Франклин . Издательство Йельского университета . ISBN 978-0-300-10162-1.
- Мальмивуо, Яакко; Плонси, Роберт (1995). Биоэлектромагнетизм: принципы и применение биоэлектрических и биомагнитных полей . Издательство Оксфордского университета . ISBN 978-0-19-505823-9.
- Паслес, Пол К. (2008). Числа Бенджамина Франклина: невоспетая математическая одиссея . Издательство Принстонского университета . ISBN 978-0-691-12956-3.
- Пиенсон, Льюис; Говен, Жан-Франсуа (2002). Искусство преподавания физики . Les Éditions du Septentrion . ISBN 978-2-89448-320-6.
- Шафер, Ларри Э. (1992). Взять на себя ответственность: введение в электричество . NSTA Press . ISBN 978-0-87355-110-6.
- Шиффер, Майкл Б. (2003). Нарисуйте молнию вниз . Калифорнийский университет Press . ISBN 0-520-23802-8.
- Шиффер, Майкл Б. (2004). «Болт судьбы: Бенджамин Франклин и его обман с электрическим воздушным змеем (обзор)». Технологии и культура . 45 (4): 839–840. DOI : 10.1353 / tech.2004.0202 . S2CID 109344397 .
- Шофилд, Роберт Э. (1997). Просвещение Джозефа Пристли . Penn State Press . ISBN 0-271-04083-1.
- Секор, Роберт (1975). Пенсильвания: 1776 . Издательство Пенсильванского государственного университета . ISBN 978-0-271-01217-9.
- Талботт, Пейдж (2005). В поисках лучшего мира . Издательство Йельского университета . ISBN 978-1-4379-6732-6.
- Такер, Том (2005). Болт судьбы . PublicAffairs . ISBN 978-0-7867-3942-4.
- Вальдштрайхер, Дэвид (2005). Сбежавшая Америка . Фаррар, Штраус и Жиру . ISBN 978-0-8090-8315-2.
внешние ссылки
- Электрический аппарат Бенджамина Франклина (электростатическая машина) в Смитсоновском национальном музее американской истории
- Удивительные приключения Бена Франклина - ученого и изобретателя / Противоположности притягивают с изображением стеклянного шара наверху
- Информация и изображение об электростатическом генераторе Франклина, предоставленные кафедрой электротехники и вычислительной техники Мэрилендского университета.