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 .
Фон
[ редактировать ]
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 ]
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 .
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 ]
Изобретение громоотвода
[ редактировать ]
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 ] )

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 ]
«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 ]Ссылки
[ редактировать ]Цитаты
[ редактировать ]- ^ Jump up to: а б Лемей 2009 , с. 61.
- ^ Лемей 2009 , с. 62.
- ^ Jump up to: а б с Гримнес 2014 , с. 495.
- ^ Jump up to: а б с Тэлботт 2005 , с. 185.
- ^ Коэн 1990 , с. 61.
- ^ Лемей 2009 , стр. 58–59.
- ^ Jump up to: а б с Крейн 1954 , с. 48.
- ^ Паслес 2008 , с. 119.
- ^ Лемей 2009 , с. 67.
- ^ 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.
- ^ Jump up to: а б Маклин 1877 , с. 142.
- ^ Jump up to: а б с Тэлботт 2005 , с. 182.
- ^ Jump up to: а б с д и Лемей 2009 , с. 75.
- ^ Гарш 2013 , с. 596.
- ^ Jump up to: а б с Коэн 1990 , с. 28.
- ^ Jump up to: а б с Тэлботт 2005 , с. 184.
- ^ Лемей 2009 , с. 71.
- ^ Вальдштрайхер 2005 , стр. 126–127.
- ^ Jump up to: а б Палец 2012 , с. 85.
- ^ «Громоотвод Франклина» . Институт Франклина . 2016. Архивировано из оригинала 8 января 2019 года . Проверено 7 ноября 2016 г.
- ^ Jump up to: а б Такер 2005 , с. 40.
- ^ Лемей 2009 , с. 91.
- ^ Секор 1975 , с. 214.
- ^ Jump up to: а б с Лемей 2009 , с. 72.
- ^ Коэн 1956 , с. 440.
- ^ МакНикол 2006 , стр. 10–16.
- ^ Григорий 1822 , с. 8.
- ^ МакГрат 2001 , с. 1335.
- ^ Jump up to: а б Брайденбо 2012 , с. 63.
- ^ «Вистары и их стаканы 1739–1777» . УитонАртс . 2015 . Проверено 7 ноября 2016 г.
- ^ Jump up to: а б Коэн 1956 , с. 460.
- ^ Линн 2009 , с. 136.
- ^ МакНикол 2006 , с. 16.
- ^ Мальмивуо и Плонси 1995 , с. 13.
- ^ Jump up to: а б Морган 2003 , с. 12.
- ^ Лемей 2009 , стр. 72–75.
- ^ Гримнес 2014 , с. 496.
- ^ Шиффер 2003 , стр. 136, 137.
- ^ «Электротерапия» . Американская энциклопедия: универсальная справочная библиотека, посвященная искусству и науке . Сборочный отдел Scientific American . 1905.
- ^ Коулсон 1950 , с. 32.
- ^ ЛеМэй 1987 , с. 600.
- ^ Jump up to: а б Исааксон 2004 , стр. 137–145.
- ^ Лемей 2009 , стр. 86–96.
- ^ Исааксон 2004 , с. 141.
- ^ Франклин, Бенджамин (19 октября 1752 г.). «Эксперимент с воздушным змеем» . Пенсильванская газета . Архивировано из оригинала 22 сентября 2010 года.
- ^ «Кайт-эксперимент» . Историческое общество Бенджамина Франклина . Проверено 1 марта 2022 г.
- ^ Такер 2005 .
- ^ Мэтьюз 2003 .
- ^ Шиффер 2004 .
- ^ Бозе 2015 .
- ^ Шафер 1992 , с. 58.
- ^ Тэлботт 2005 , с. 188.
- ^ МакНикол 2006 , с. 19.
- ^ Франклин 1751 .
- ^ Коэн 1956 , стр. 432, 478.
- ^ Пайенсон и Говен 2002 , с. 93.
- ^ Джексон 2005 , стр. 64–66.
- ^ Шофилд 1997 , стр. 140–150.
- ^ Эйвери 2016 , с. 207.
- ^ Коэн 1956 , с. 454Б.
Источники
[ редактировать ]- Эйвери, Джон Скейлс (2016). Наука и общество . Всемирная научная . ISBN 978-981-3147-73-7 .
- Бозе, Алекс (2015). «Мистификация с электрическим змеем» . Музей мистификаций . Проверено 6 февраля 2017 г.
- Брайденбо, Карл (2012). Колониальный ремесленник . Курьерская компания . ISBN 978-0-486-14473-3 .
- Коэн, И. Бернард (1956). Франклин и Ньютон: исследование спекулятивной ньютоновской экспериментальной науки и работы Франклина в области электричества как ее пример . 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.
- Коулсон, Томас (1950). Джозеф Генри: Его жизнь и работа . Издательство Принстонского университета .
Атмосфера Филадельфии дала ему и его коллегам исключительную возможность проявить свои навыки работы с электростатической машиной. В результате многие их эксперименты носили оригинальный характер. Знаменитый эксперимент с воздушным змеем позволил группе из Филадельфии установить то, что предполагали другие: молния идентична небольшому заряду электричества, производимому трением электростатической машины. Франклин изобрел громоотвод, вошедший в историю как первое практическое электрическое изобретение.
- Крейн, Вернер Уинслоу (1954). Бенджамин Франклин и восходящий народ . Литтл, Браун и компания .
- Фингер, Стэнли (2012). Лекарство доктора Франклина . Издательство Пенсильванского университета . ISBN 978-0-8122-0191-8 .
- Франклин, Бенджамин (1751 г.). «Опыты и наблюдения по электричеству» . Э. Кейв . Проверено 28 октября 2016 г. - через Смитсоновские библиотеки .
- Гарче, Юрген (2013). Энциклопедия электрохимических источников энергии . Ньюнес . ISBN 978-0-444-52745-5 .
- Грегори, Джордж (1822). Словарь искусств и наук . Коллинз и компания .
- Гримнес, Сверре (2014). Основы биоимпеданса и 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 . Группа Пингвин США . ISBN 978-0-940450-29-5 .
- Лемей, Дж. А. Лео (2009). Жизнь Бенджамина Франклина, Том 3: Солдат, ученый и политик, 1748–1757 гг . Издательство Пенсильванского университета . ISBN 978-0-8122-4121-1 .
- Линн, Барри К. (2009). В углу: новый монополистический капитализм и экономика разрушения . Джон Уайли и сыновья . ISBN 978-0-470-55703-7 .
- Маклин, Джон (1877). История колледжа Нью-Джерси: от его зарождения в 1746 году до начала 1854 года . Липпинкотт .
- Мэтьюз, Роберт (1 июня 2003 г.). «Бенджамин Франклин «фальсифицировал эксперимент с воздушным змеем» » . Телеграф . Проверено 6 февраля 2017 г.
- МакГрат, Кимберли А. (2001). Научная энциклопедия Гейла: Катастрофизм-эукариоты . Группа Гейл . ISBN 978-0-7876-4372-0 .
- МакНикол, Том (2006). AC/DC: Дикая история Первой войны за стандарты . Джон Уайли 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 .
- Пьенсон, 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 . НСТА Пресс . ISBN 978-0-87355-110-6 .
- Шиффер, Майкл Б. (2003). Нарисуйте молнию вниз . Издательство Калифорнийского университета . ISBN 0-520-23802-8 .
- Шиффер, Майкл Б. (2004). «Удар судьбы: Бенджамин Франклин и его мистификация с электрическим змеем (обзор)». Технологии и культура . 45 (4): 839–840. дои : 10.1353/tech.2004.0202 . S2CID 109344397 .
- Шофилд, Роберт Э. (1997). Просветление Джозефа Пристли . Пенн Стейт Пресс . ISBN 0-271-04083-1 .
- Секор, Роберт (1975). Пенсильвания: 1776 год . Издательство Пенсильванского государственного университета . ISBN 978-0-271-01217-9 .
- Тэлботт, Пейдж (2005). Поиск лучшего мира . Издательство Йельского университета . ISBN 978-1-4379-6732-6 .
- Такер, Том (2005). Болт Судьбы . Общественные дела . ISBN 978-0-7867-3942-4 .
- Вальдштрайхер, Дэвид (2005). Беглая Америка . Фаррар, Штраус и Жиру . ISBN 978-0-8090-8315-2 .
Внешние ссылки
[ редактировать ]- Электрический аппарат Бенджамина Франклина (электростатическая машина) в Смитсоновском национальном музее американской истории.
- Удивительные приключения Бена Франклина – ученого и изобретателя / Противоположности притягиваются, наверху – изображение стеклянного шара
- Информация об электростатическом генераторе Франклина и изображение из кафедры электротехники и вычислительной техники Университета Мэриленда. Архивировано 6 декабря 2016 г. на Wayback Machine.