Франклин Беллс

Иллюстрация набора колокольчиков Франклина, напечатанная в « Лекциях Джорджа Адамса по естественной и экспериментальной философии» .

Колокола Франклина (также известные как колокола-молнии) — ранняя демонстрация электрического заряда, предназначенная для работы с лейденской банкой или громоотводом . Колокола Франклина являются лишь качественным индикатором электрического заряда и использовались для простых демонстраций, а не для исследований. Колокола представляют собой адаптацию первого устройства, которое преобразовывало электрическую энергию в механическую энергию в форме непрерывного механического движения: в данном случае движение колокольчика вперед и назад между двумя противоположно заряженными колоколами.

История

Научное исследование явления молнии берет свое начало с Бенджамина Франклина . Он накопил аналогичные доказательства в пользу предположения, что молния должна быть электрическим разрядом большого масштаба. В середине 18 века удары молний были серьезной проблемой для зданий и сооружений, вызывая разрушения, а иногда даже пожары. Франклин намеревался понять природу молнии и найти способы защитить здания от ее разрушительного воздействия. Свои исследования он начал с наблюдения за тем, как удары молний влияют на различные типы зданий. Он заметил, что некоторые здания более уязвимы для ударов молний, ​​чем другие, и что здания с острыми заостренными крышами подвергаются ударам с большей вероятностью, чем здания с плоскими крышами. Он также заметил, что молния, похоже, движется по проводящим путям, таким как металлические стержни или провода, и что эти пути можно использовать для отвода ударов молнии от зданий.

На основе этих наблюдений Франклин разработал идею громоотвода . Молниеотвод состоит из металлического стержня или проводника, обычно изготовленного из меди или алюминия, который устанавливается на крыше здания и соединяется с землей с помощью токопроводящего провода. При ударе молнии стержень обеспечивает путь наименьшего сопротивления для электрического заряда, позволяя ему безопасно провести его к земле, а не проходить через здание и наносить ущерб. Изобретение громоотвода стало значительным прорывом в области электротехники и спасло бесчисленное количество зданий и жизней от разрушительного воздействия ударов молний.

Колокола Франклина были названы в честь Бенджамина Франклина, одного из первых, кто использовал их во время своих экспериментов с электричеством. Его предшественник был изобретен шотландским изобретателем Эндрю Гордоном профессором естественной философии Эрфуртского университета , в Германии . В 1742 году он изобрел устройство, известное как «электрические куранты», широко описанное в учебниках по электричеству. Франклин воспользовался идеей Гордона, подключив один колокол к своему остроконечному громоотводу , прикрепленному к дымоходу, а второй колокол — к земле. В одной из его статей есть следующее описание:

В сентябре 1752 года я установил железный стержень, чтобы притягивать молнию в свой дом, чтобы провести над ним некоторые эксперименты, с двумя колокольчиками, чтобы извещать, когда стержень должен быть наэлектризован.Я обнаружил, что колокола звонили иногда, когда не было ни молнии, ни грома, а только темная туча над стержнем; что иногда после вспышки молнии они вдруг останавливались; а в другое время, когда они прежде не звонили, они после вспышки вдруг начинали звонить; что электричество иногда было очень слабым, так что, когда появлялась маленькая искра, другую нельзя было получить некоторое время спустя; в других случаях искры следовали очень быстро, а однажды у меня появился непрерывный поток от колокола к колоколу размером с воронье перо. Даже во время одного и того же порыва наблюдались значительные изменения.

Благодаря этому эксперименту Франклин смог продемонстрировать, что электричество ведет себя как жидкость, текущая через проводящие материалы и вызывающая на своем пути различные эффекты. Эксперимент Франклина с колоколами и громоотводом был новаторским для своего времени, поскольку наглядно продемонстрировал природу электричества и его свойства. Это помогло сформировать понимание электричества как жидкости, текущей через проводящие материалы, и послужило основой для дальнейших экспериментов и открытий в этой области.

Эксперименты Франклина с колоколом сыграли решающую роль в открытии того, что электричество существует вне молний и гроз. Странные свойства колоколов заинтриговали Франклина и породили новые гипотезы.

Конструкция и эксплуатация

Колокола состоят из металлической подставки с перекладиной, на которой свисают три колокола. Два внешних колокола подвешены на проводящих металлических цепях, а центральный колокол — на непроводящей нити. В промежутках между этими колоколами на токопроводящих нитях висят две металлические хлопушки — небольшие маятники. С центрального колокола свисает короткая металлическая цепочка.

Система работы часов Франклина предполагает, что электростатическая сила, создаваемая электрическим полем, используется для перемещения маятников, ударяющих в два металлических колокола. Колокола Франклина используют металлический стержень в качестве громоотвода для притягивания тока. Один колокол соединен с громоотводом, а другой – с землей. Между двумя колоколами на изолированном проводе подвешен металлический таран. Отрицательно заряженные облака перед грозой делают молниеотвод отрицательно заряженным, а также делают отрицательно заряженным подключенный к нему колокол. Металлический шарик притягивается и врезается в полностью заряженный колокол. Когда мяч попадает в первый колокол, он заряжается тем же потенциалом и поэтому снова отталкивается. Поскольку противоположный колокол заряжен обратно, это тоже притянет к нему шарик. Когда шарик попадает во второй колокол, заряд передается и процесс повторяется до тех пор, пока заряды снова не уравновесятся. Перед грозой устройство звонило, напоминая Франклину, который был одержим изучением молний, ​​призывая его преследовать молнию.

Современное воздействие

Бенджамина Франклина Эксперимент с колоколами и громоотводом остается популярным примером электрических явлений в наше время. Эксперимент был адаптирован и обновлен, и теперь он широко используется в классах и демонстрациях для иллюстрации различных концепций, связанных с электричеством.

Например, эксперимент можно использовать для демонстрации концепции электрического тока и того, как он течет через проводник. Соединив колокола металлическими проводами и зарядив громоотвод, учащиеся могут увидеть поток электрических зарядов по проводам и наблюдать возникающие в результате электромагнитные эффекты, которые заставляют колокольчики звонить.

Этот эксперимент также можно использовать для иллюстрации свойств статического электричества и того, как его можно проводить через металлические провода для создания электрического тока. Потирая воздушный шар или другой предмет, чтобы создать статический заряд, а затем используя этот заряд для активации колокольчиков, учащиеся могут увидеть эффекты статического электричества и узнать, как его можно обуздать и использовать. Колокол Франклина теперь является обычным демонстратором электрических экспериментов в средней школе и на вводных курсах физики в колледжах.

См. также

• Oxford Electric Bell , набор электростатических колоколов в Оксфордском университете, непрерывно звонит с 1840 года.
• Система прогнозирования молний
• Громоотвод

Внешние ссылки

• Колокола молний Бена Франклина (Институт Франклина)
• Колокола Франклина (Колокола Гордона) (PV Scientific Instruments)
• «Колокола Франклина» и транспорт заряда в студенческой лаборатории (Американский журнал физики)
• Колокола Франклина (исследовательские СМИ и кибернетика)