Электростатическая машина Франклина - Franklin's electrostatic machine

Электростатическая машина Франклина
на выставке в Институте Франклина

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

Лейденская банка эксперимент

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.

Дар Коллинсона «стеклянная трубка», используемая для производства статического электричества.

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 .

Стеклянный шар, вращающийся о нижнюю подушку, создает статический заряд, который отводится металлическими иглами наверху.

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.

Несколько соединенных вместе лейденских банок = батарея.  (18 дюймов в ширину × 13 дюймов в глубину × 15 дюймов в высоту)
Музейная этикетка к лейденской банке "Электрическая батарея".
Батарея лейденской банки в научном музее Института Франклина и соответствующая музейная этикетка, которая находится под ней

Изобретение громоотвода

Воздушный змей для безопасного исследования атмосферного электричества и молний

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.

Пример "громового дома"

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

Одна из
«электростатических машин» Джозефа Пристли.

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

внешние ссылки