Jump to content

Электростатическая машина Франклина

Электростатическая машина Франклина
на выставке в Институте Франклина

Электростатическая машина Франклина высокого напряжения статическое электричество , — это устройство, генерирующее использовал которое Бенджамин Франклин в середине 18 века для исследования электрических явлений. Его ключевыми компонентами являются стеклянный шар, который вращается вокруг оси с помощью рукоятки , тканевая подушечка, контактирующая с вращающимся шаром, набор металлических игл для отвода заряда, образующегося на шаре в результате его трения о подушечку, и лейденский шарик. банка – высоковольтный конденсатор – для накопления заряда. Эксперименты Франклина с машиной в конечном итоге привели к появлению новых теорий об электричестве и изобретению громоотвода .

Эксперимент с лейденской банкой

Франклин не был первым, кто построил электростатический генератор. Европейские ученые разработали машины для генерации статического электричества десятилетия назад. В 1663 году Отто фон Герике создал статическое электричество с помощью устройства, в котором использовалась сфера из серы. [ 1 ] Фрэнсис Хоксби разработал более совершенный электростатический генератор около 1704 года, используя стеклянную колбу с вакуумом. Позже он заменил глобус стеклянной трубкой длиной около 2,5 футов (0,76 м), из которой вышел воздух. [ 1 ] Стеклянная трубка была менее эффективным генератором статического электричества, чем земной шар, но она стала более популярной, поскольку ее было проще использовать. [ 2 ]

Машины, генерирующие статическое электричество с помощью стеклянного диска, были популярны и широко распространены в Европе к 1740 году. [ 3 ] В 1745 году немецкий священнослужитель Эвальд Георг фон Клейст и голландский учёный Питер ван Мусшенбрук независимо друг от друга обнаружили, что электрический заряд этих машин может храниться в лейденской банке , названной в честь города Лейден в Нидерландах . [ 3 ]

В 1745 году Питер Коллинсон , бизнесмен из Лондона, ведший переписку с американскими и европейскими учёными, подарил немецкую «стеклянную трубку». [ 4 ] вместе с инструкциями по созданию статического электричества — Библиотечной компании Франклина в Филадельфии . [ 5 ] Коллинсон был лондонским агентом библиотеки и предоставлял последние новости технологий из Европы. [ 6 ] [ 7 ] [ 8 ] Франклин написал письмо Коллинсону 28 марта 1747 года: [ 9 ] поблагодарив его и сказав, что трубка и инструкции побудили его и нескольких коллег начать серьезные эксперименты с электричеством. [ 10 ]

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

В 1746 году Франклин начал работать над электрическими экспериментами вместе с Эбенезером Кинерсли после того, как тот купил все электрическое оборудование Арчибальда Спенсера , которое тот использовал в своих лекциях. Позже он также сотрудничал с Томасом Хопкинсоном и Филипом Сингом в экспериментах с электричеством. [ 11 ] [ 12 ] Летом 1747 года они получили электрическую систему от Томаса Пенна . [ 13 ] Хотя не существует записей, точно указывающих, какие части были включены в систему, историк Дж. А. Лео ЛеМэй считает, что это была комбинация электрогенератора, лейденской банки, стеклянной трубки и табурета, электрически изолированного от земли. [ 13 ] [ 14 ] Это дало Франклину полную систему для экспериментов по производству и хранению электроэнергии. [ 7 ]

Когда янтарь , серу или стекло натирают определенными материалами, они производят электрические эффекты. [ 15 ] Франклин предположил, что этот «электрический огонь» каким-то образом был собран из другого материала, а не возник в результате трения объекта. [ 16 ] [ 17 ] Он решил досрочно уйти из полиграфического бизнеса, когда ему было еще чуть за сорок, чтобы уделять больше времени изучению электричества. В 1748 году Франклин передал весь свой полиграфический бизнес своему партнеру Дэвиду Холлу . [ 18 ] Он переехал со своей женой в новый дом в Филадельфии, где построил лабораторию для проведения экспериментов и исследования новых электрических теорий. [ 19 ] [ 20 ] Франклин экспериментировал не только с электростатической машиной со стеклянным шаром, но и с лейденской банкой. [ 21 ] Он вел подробный дневник своих исследований в дневнике под названием «Электрические минуты», который с тех пор был утерян. [ 22 ] Машина Франклина была подарена Библиотечной компании Филадельфии внуком Франклина в 1792 году. [ 4 ] и в настоящее время экспонируется в Институте Франклина .

Стеклянный шар, вращающийся против нижней площадки, создает статический заряд, который отводится металлическими иглами вверху.

Описание

[ редактировать ]

В машине Франклина использовалась система ремня и шкивов , которой мог управлять один человек, поворачивая рукоятку. [ 21 ] К рукоятке был прикреплен большой шкив, а к большому стеклянному шару прикреплен шкив гораздо меньшего размера. Через земной шар прошла железная ось. Это позволило вращать земной шар с высокой скоростью. [ 23 ] Когда рукоятка поворачивалась, стеклянный шар терся о кожаную подушку, создавая большой статический заряд, аналогичный электрическому заряду, который можно создать, потирая стеклянную трубку шерстяной тканью вручную. Эта машина была уникальным усовершенствованием по сравнению с другими машинами, производившимися в Европе в то время, поскольку стеклянный шар можно было вращать быстрее с гораздо меньшими затратами труда. [ 24 ] Достаточно было нескольких оборотов ручки, чтобы зарядить лейденскую банку. [ 24 ] [ 25 ]

Электричество, производимое машиной, в виде искр проходило через набор металлических игл, расположенных рядом с вращающимся земным шаром. Электрический заряд продолжал проходить через железную цепь с бусинами, действовавшую как проводник, к лейденской банке, куда поступал ток. [ 26 ] [ 27 ] [ 28 ] Франклин назвал искры, производимые машиной, «электрическим пожаром». [ 7 ]

Стеклянные шары, известные как «электризирующие шары». [ 29 ] были сделаны из стекла, которое было разработано с научной точки зрения для эффективного производства статического электричества. [ 30 ] Франклин указал материалы, которые будут использоваться в формуле стекла, и глобусы были изготовлены Каспаром Вистаром , близким соратником Франклина. [ 13 ] Wistarburgh Glass Works также производил научное стекло для лейденских банок, которые Франклин использовал в 1750-х годах. [ 13 ] [ 29 ]

Электрические принципы

[ редактировать ]

Эксперименты Франклина с лейденскими банками привели к соединению нескольких лейденских банок в серию, при этом «одна висела на хвосте другой». Все банки серии можно было заряжать одновременно, что многократно усиливало электрический эффект. [ 31 ] Подобный аппарат ранее был создан Даниэлем Гралатом . Франклин назвал это устройство « электрической батареей ». [ 4 ] но позже этот термин приобрел другое значение, обозначая вместо этого набор из одного или нескольких гальванических элементов . В то время слово «батарея» было военным термином, обозначавшим группу пушек . [ 32 ] Франклин был первым, кто применил к электричеству термины «положительное» и «отрицательное».

Благодаря своим исследованиям Франклин был одним из первых, кто доказал электрический принцип сохранения заряда в 1747 году: [ 16 ] [ 24 ] аналогичное открытие было сделано независимо в 1746 году Уильямом Уотсоном . Франклин написал подробные письма и документы о своих экспериментах с электростатической машиной и лейденскими банками. [ 16 ] [ 33 ] [ 34 ] В 1749 году Франклин составил список нескольких сходств молнии с электричеством. [ 35 ] Он пришел к выводу, что молния , по сути, представляет собой не что иное, как гигантские электрические искры, похожие на искры от статических зарядов, создаваемых его электростатической машиной. [ 35 ] Он называл статическое электричество «электрическим огнем», «электрической материей» или «электрической жидкостью». [ 31 ] Термин «электрическая жидкость» был основан на идее о том, что банку можно наполнять и снова наполнять, когда она становится пустой. [ 3 ] Это привело к революционной идее «электрического огня» как типа движения или тока, а не типа взрыва. [ 36 ]

От его имени произошли несколько электрических терминов XVIII века. Например, статическое электричество было известно как «ток Франклина». [ 37 ] и « Франклинизация » — это форма электротерапии , при которой Франклин поражал пациентов сильными статическими зарядами для лечения пациентов с различными заболеваниями. [ 38 ] [ 39 ]

Несколько лейденских банок, соединенных вместе = батарейка. (18 дюймов в ширину × 13 дюймов в глубину × 15 дюймов в высоту)
Музейная этикетка на лейденскую банку «Электрическая батарея»
Батарея из лейденской банки в научном музее Института Франклина и соответствующая музейная этикетка под ней.

Изобретение громоотвода

[ редактировать ]
Кайт-аппарат для безопасного исследования атмосферного электричества и молний.

Франклин изобрел громоотвод на основе того, что он узнал из экспериментов со своей электростатической машиной. [ 11 ] [ 40 ] Франклин и его коллеги заметили, что заостренные предметы более эффективно «оттягивают» и «отбрасывают» искры от статического электричества, чем тупые. [ 12 ] [ 41 ] Об этом открытии впервые сообщил Хопкинсон. [ 19 ] Франклин задавался вопросом, можно ли использовать это открытие в практическом изобретении. [ 42 ] Он думал, что можно сделать что-нибудь, чтобы вытягивать электричество из грозовых облаков, но сначала ему нужно было убедиться, что молнии действительно представляют собой гигантские электрические искры. [ 42 ] Он написал письма Коллинсону и Кадвалладеру Колдену об этой теории: [ 43 ] и он описал эксперимент с воздушным змеем в выпуске Pennsylvania Gazette от 19 октября 1752 года . [ 44 ] [ 45 ] [ 46 ] (Том Такер из Изотермического общественного колледжа , однако, сомневается в этой версии из-за ее двусмысленности и указывает на это в своей книге « Удар судьбы: Бенджамин Франклин и его обман с электрическим змеем» . [ 47 ] [ 48 ] Другие не согласны с этой точкой зрения, утверждая, что Франклин не стал бы выдумывать такую ​​фальшивую историю, потому что ценил честность научного сообщества. [ 49 ] [ 50 ] )

Пример «дома грома»

Чтобы проверить свою теорию, Франклин предложил провести потенциально смертельный эксперимент во время грозы, в котором человек должен был стоять на изолированном табурете внутри сторожевой будки и протягивать длинный заостренный железный стержень, чтобы привлечь молнию. [ 15 ] Похожая, но менее опасная версия этого эксперимента была впервые успешно проведена во Франции 10 мая 1752 года, а затем повторена еще несколько раз по всей Европе, хотя после фатального случая в 1753 году ее пробовали реже. Франклин заявил, что этот «эксперимент с сторожевой будкой» показал, что молния и электричество — одно и то же. [ 15 ]

Франклин понял, что деревянные здания можно защитить от ударов молний и смертельных пожаров, которые часто возникали, если поместить заостренное железо на крышу, а другой конец стержня вставить глубоко в землю. Острый конец громоотвода притягивал электрический разряд из облака, и молния попадала не в деревянное здание, а в железный стержень. Электрический заряд молнии будет течь через стержень прямо в землю, минуя конструкцию и предотвращая пожар. [ 51 ]

Друг Франклина Кинерсли путешествовал по восточной части Соединенных Штатов в 1750-х годах, демонстрируя искусственные «молнии» на моделях громовых домов , чтобы показать, как железный стержень, вставленный в землю, защитит деревянную конструкцию. Он объяснил, что молния действует по тем же принципам, что и искры от электростатической машины Франклина. Эти лекции Кинерсли широко разрекламировались и были одним из способов демонстрации громоотвода Франклина широкой публике. [ 52 ]

Наследие

[ редактировать ]
Одна из работ Джозефа Пристли.
«электростатические машины»

Франклин раздал копии электростатической машины многим своим близким соратникам, чтобы побудить их изучать электричество. [ 13 ] Между 1747 и 1750 годами Франклин отправил своему другу Коллинсону в Лондон множество писем о своих экспериментах с электростатической машиной и лейденской банкой, включая свои наблюдения и теории о принципах электричества. [ 12 ] Эти письма были собраны и опубликованы в 1751 году в книге под названием « Опыты и наблюдения над электричеством» . [ 10 ] [ 53 ] [ 54 ] [ 55 ]

Пока Джозеф Пристли писал об истории электричества, Франклин посоветовал ему использовать электростатическую машину для проведения экспериментов, о которых он писал. Пристли разработал и использовал свои собственные варианты машины Франклина. [ 56 ] При воспроизведении электрических экспериментов некоторые оставшиеся без ответа вопросы побудили Пристли разработать дополнительные эксперименты, которые привели к дополнительным открытиям. В 1767 году он опубликовал 700-страничную книгу о своих открытиях под названием « История и современное состояние электричества» . [ 57 ] [ 58 ]

В научных лабораториях восемнадцатого века обычно имелись какие-либо электростатические машины с ручным управлением. Итальянский учёный Луиджи Гальвани имел в своей лаборатории электростатический генератор, где эксперименты с лягушачьими лапками привели его к выводу, что животные генерируют жизненную силу, животное электричество . [ 59 ] Другой итальянский ученый, Алессандро Вольта , не согласился с утверждением Гальвани о том, что электрические эффекты возникают из-за чего-то особенного в живой материи, и продемонстрировал, что электричество можно генерировать, просто помещая влажный соленый материал между двумя разными металлами. Это привело непосредственно к изобретению первой практической электрической батареи — вольтовой батареи .

После смерти Франклина два знаковых артефакта, ставших результатом его исследований, оригинальная «батарейка» из лейденских банок и «стеклянная трубка», подаренная Коллинсоном в 1747 году, были переданы Королевскому обществу в 1836 году Томаса Хопкинсона внуком Джозефом. Хопкинсона , в соответствии с завещанием Франклина. [ 60 ]

См. также

[ редактировать ]
  1. ^ Jump up to: а б Лемей 2009 , с. 61.
  2. ^ Лемей 2009 , с. 62.
  3. ^ Jump up to: а б с Гримнес 2014 , с. 495.
  4. ^ Jump up to: а б с Тэлботт 2005 , с. 185.
  5. ^ Коэн 1990 , с. 61.
  6. ^ Лемей 2009 , стр. 58–59.
  7. ^ Jump up to: а б с Крейн 1954 , с. 48.
  8. ^ Паслес 2008 , с. 119.
  9. ^ Лемей 2009 , с. 67.
  10. ^ Jump up to: а б «От Бенджамина Франклина Питеру Коллинсону, 28 марта 1747 года» . Национальная комиссия по историческим публикациям и записям . Архивировано из оригинала 28 октября 2016 года . Проверено 15 июля 2015 г.
  11. ^ Jump up to: а б Маклин 1877 , с. 142.
  12. ^ Jump up to: а б с Тэлботт 2005 , с. 182.
  13. ^ Jump up to: а б с д и Лемей 2009 , с. 75.
  14. ^ Гарш 2013 , с. 596.
  15. ^ Jump up to: а б с Коэн 1990 , с. 28.
  16. ^ Jump up to: а б с Тэлботт 2005 , с. 184.
  17. ^ Лемей 2009 , с. 71.
  18. ^ Вальдштрайхер 2005 , стр. 126–127.
  19. ^ Jump up to: а б Палец 2012 , с. 85.
  20. ^ «Громоотвод Франклина» . Институт Франклина . 2016. Архивировано из оригинала 8 января 2019 года . Проверено 7 ноября 2016 г.
  21. ^ Jump up to: а б Такер 2005 , с. 40.
  22. ^ Лемей 2009 , с. 91.
  23. ^ Секор 1975 , с. 214.
  24. ^ Jump up to: а б с Лемей 2009 , с. 72.
  25. ^ Коэн 1956 , с. 440.
  26. ^ МакНикол 2006 , стр. 10–16.
  27. ^ Григорий 1822 , с. 8.
  28. ^ МакГрат 2001 , с. 1335.
  29. ^ Jump up to: а б Брайденбо 2012 , с. 63.
  30. ^ «Вистары и их стаканы 1739–1777» . УитонАртс . 2015 . Проверено 7 ноября 2016 г.
  31. ^ Jump up to: а б Коэн 1956 , с. 460.
  32. ^ Линн 2009 , с. 136.
  33. ^ МакНикол 2006 , с. 16.
  34. ^ Мальмивуо и Плонси 1995 , с. 13.
  35. ^ Jump up to: а б Морган 2003 , с. 12.
  36. ^ Лемей 2009 , стр. 72–75.
  37. ^ Гримнес 2014 , с. 496.
  38. ^ Шиффер 2003 , стр. 136, 137.
  39. ^ «Электротерапия» . Американская энциклопедия: универсальная справочная библиотека, посвященная искусству и науке . Сборочный отдел Scientific American . 1905.
  40. ^ Коулсон 1950 , с. 32.
  41. ^ ЛеМэй 1987 , с. 600.
  42. ^ Jump up to: а б Исааксон 2004 , стр. 137–145.
  43. ^ Лемей 2009 , стр. 86–96.
  44. ^ Исааксон 2004 , с. 141.
  45. ^ Франклин, Бенджамин (19 октября 1752 г.). «Эксперимент с воздушным змеем» . Пенсильванская газета . Архивировано из оригинала 22 сентября 2010 года.
  46. ^ «Кайт-эксперимент» . Историческое общество Бенджамина Франклина . Проверено 1 марта 2022 г.
  47. ^ Такер 2005 .
  48. ^ Мэтьюз 2003 .
  49. ^ Шиффер 2004 .
  50. ^ Бозе 2015 .
  51. ^ Шафер 1992 , с. 58.
  52. ^ Тэлботт 2005 , с. 188.
  53. ^ МакНикол 2006 , с. 19.
  54. ^ Франклин 1751 .
  55. ^ Коэн 1956 , стр. 432, 478.
  56. ^ Пайенсон и Говен 2002 , с. 93.
  57. ^ Джексон 2005 , стр. 64–66.
  58. ^ Шофилд 1997 , стр. 140–150.
  59. ^ Эйвери 2016 , с. 207.
  60. ^ Коэн 1956 , с. 454Б.

Источники

[ редактировать ]
[ редактировать ]
Arc.Ask3.Ru: конец переведенного документа.
Arc.Ask3.Ru
Номер скриншота №: 8f84315661d93b3c4c0610a3c570ddb6__1714523520
URL1:https://arc.ask3.ru/arc/aa/8f/b6/8f84315661d93b3c4c0610a3c570ddb6.html
Заголовок, (Title) документа по адресу, URL1:
Franklin's electrostatic machine - Wikipedia
Данный printscreen веб страницы (снимок веб страницы, скриншот веб страницы), визуально-программная копия документа расположенного по адресу URL1 и сохраненная в файл, имеет: квалифицированную, усовершенствованную (подтверждены: метки времени, валидность сертификата), открепленную ЭЦП (приложена к данному файлу), что может быть использовано для подтверждения содержания и факта существования документа в этот момент времени. Права на данный скриншот принадлежат администрации Ask3.ru, использование в качестве доказательства только с письменного разрешения правообладателя скриншота. Администрация Ask3.ru не несет ответственности за информацию размещенную на данном скриншоте. Права на прочие зарегистрированные элементы любого права, изображенные на снимках принадлежат их владельцам. Качество перевода предоставляется как есть. Любые претензии, иски не могут быть предъявлены. Если вы не согласны с любым пунктом перечисленным выше, вы не можете использовать данный сайт и информация размещенную на нем (сайте/странице), немедленно покиньте данный сайт. В случае нарушения любого пункта перечисленного выше, штраф 55! (Пятьдесят пять факториал, Денежную единицу (имеющую самостоятельную стоимость) можете выбрать самостоятельно, выплаичвается товарами в течение 7 дней с момента нарушения.)