Franklinův elektrostatický stroj - Franklin's electrostatic machine

Franklinův elektrostatický stroj
vystavený ve Franklinově institutu

Elektrostatický stroj Franklinova je vysokonapěťový statická elektřina - generování zařízení podle použitého Benjamina Franklina v polovině 18. století pro výzkum do elektrických jevů. Jeho klíčovými součástmi jsou skleněná koule, která se otáčela na ose klikou , látková podložka v kontaktu s rotující koulí, sada kovových jehel k odvádění náboje vyvinutého na zeměkouli třením o podložku a Leyden jar -vysokonapěťový kondenzátor -k akumulaci náboje. Franklinovy experimenty se strojem nakonec vedly k novým teoriím o elektřině a vynalezení hromosvodu .

Pozadí

Leyden jar experiment

Franklin nebyl první, kdo sestrojil elektrostatický generátor. Evropští vědci vyvinuli stroje na generování statické elektřiny o desítky let dříve. V roce 1663 generoval Otto von Guericke statickou elektřinu pomocí zařízení, které používalo sféru síry. Francis Hauksbee vyvinul pokročilejší elektrostatický generátor kolem roku 1704 pomocí skleněné baňky, která měla vakuum. Později nahradil zeměkouli skleněnou trubicí asi 0,76 m vyprázdněnou vzduchem. Skleněná trubice byla méně účinným generátorem statické elektřiny než zeměkoule, ale stala se populárnější, protože se snáze používala.

Stroje, které generovaly statickou elektřinu pomocí skleněného disku, byly v Evropě populární a rozšířené do roku 1740. V roce 1745 německý duchovní Ewald Georg von Kleist a nizozemský vědec Pieter van Musschenbroek nezávisle zjistili, že elektrický náboj z těchto strojů může být uložen v nádobě Leyden , pojmenoval podle města Leiden v Nizozemsku .

V roce 1745 Peter Collinson , obchodník z Londýna, který si dopisoval s americkými a evropskými vědci, daroval německé „skleněné trubici“ spolu s pokyny, jak vyrobit statickou elektřinu, společnosti Franklin's Library Company ve Philadelphii . Collinson byl agentem knihovny v Londýně a poskytoval nejnovější technologické novinky z Evropy. Franklin napsal 28. března 1747 dopis Collinsonovi, poděkoval mu a řekl, že trubice a pokyny motivovaly několik jeho kolegů a jeho, aby zahájil vážné experimenty s elektřinou.

Collinsonův dar „skleněné trubice“ sloužící k výrobě statické elektřiny

V roce 1746 začal Franklin pracovat na elektrických experimentech s Ebenezerem Kinnersleyem poté, co koupil veškeré elektrické vybavení Archibalda Spencera , které používal při svých přednáškách. Později byl také spojován s Thomasem Hopkinsonem a Philipem Syngem při experimentování s elektřinou. V létě 1747 obdrželi od Thomase Penna elektrický systém . Přestože neexistují žádné záznamy, které by přesně říkaly, jaké části byly do systému zahrnuty, historik JA Leo LeMay věří, že šlo o kombinaci stroje na výrobu elektřiny, Leydenovy nádoby, skleněné trubice a stolice, která byla elektricky izolována od země. To dalo Franklinovi kompletní systém pro experimentování s výrobou a skladováním elektřiny.

Když jsou jantar , síra nebo sklo potírány určitými materiály, vytvářejí elektrické efekty. Franklin se domníval, že tento „elektrický oheň“ byl nějakým způsobem shromážděn z tohoto jiného materiálu a nevznikl třením o předmět. Rozhodl se předčasně odejít do důchodu ze svého polygrafického podnikání, ještě po čtyřicítce, aby trávil více času studiem elektřiny. V roce 1748 předal Franklin celý svůj polygrafický obchod svému partnerovi Davidu Hallovi . Se svou ženou se přestěhoval do nového domu ve Philadelphii, kde vybudoval laboratoř pro provádění experimentů a výzkumu nových elektrických teorií. Franklin experimentoval nejen s elektrostatickým strojem se skleněnou koulí, ale také s nádobou Leyden. Vedl si podrobný deník svého výzkumu do deníku s názvem „Elektrické minuty“, který byl od té doby ztracen. Franklinův stroj dostal v roce 1792 Franklinův vnuk Library Company of Philadelphia a v současné době je vystaven ve Franklinově institutu .

Skleněná koule otáčející se proti spodní podložce vyvíjí statický náboj, který je svrchu odváděn kovovými jehlami.

Popis

Franklinův stroj používal systém řemenů a kladek, který mohl ovládat jeden člověk otáčející klikou. Na kliku kliky byla připevněna velká kladka a na velkou skleněnou kouli mnohem menší kladka. Zeměkoulí prošla železná náprava. To umožnilo otáčet zeměkouli vysokou rychlostí. Když byla klika otočena, skleněná koule se otřela o koženou podložku, což generovalo velký statický náboj, podobný elektrickému náboji, který mohl vzniknout ručním třením skleněné trubice vlněným hadříkem. Stroj byl jedinečným vylepšením oproti jiným v té době vyráběným v Evropě, protože skleněný glóbus se dal otáčet rychleji s mnohem menší pracností. K nabití leydenské nádoby stačilo několik otáček držadla.

Elektřina vyrobená strojem ve formě jisker procházela sadou kovových jehel umístěných blízko rotující zeměkoule. Elektrický náboj dále procházel korálkovým železným řetězem, který fungoval jako vodič, do nádoby Leyden, která přijímala elektřinu. Franklin nazval jiskry produkované strojem „elektrický oheň“.

Franklin měl pomoc při stavbě svého stroje. Základní mechanickou konstrukci vyvinul Philip Syng . Dřevěný rám vyrobil pravděpodobně Franklinův přítel Benjamin Loxley , tesař z Philadelphie, který vyrobil podobné stroje pro Lewise Evanse v roce 1751. Skleněné koule, známé jako „elektrizující glóby“, byly vyrobeny ze skla, které bylo vědecky navrženo tak, aby efektivně produkovalo statickou elektřinu. Franklin specifikoval materiály, které mají být použity ve skleněné formuli, a glóby byly vyrobeny Casparem Wistarem , blízkým spolupracovníkem Franklina. Wistarburgh Glass Works také vyrobil vědecké sklo pro Leydenské sklenice, které Franklin používal v 50. letech 17. století.

Elektrické principy

Franklinovy experimenty se sklenicemi Leyden postupovaly ke spojení několika sklenic Leyden dohromady v sérii, přičemž „jedna visí na ocase druhé“. Všechny nádoby v sérii bylo možné nabíjet současně, což znásobilo elektrický efekt. Podobný aparát vytvořil dříve Daniel Gralath . Franklin jako první nazval zařízení „ elektrickou baterií “. V té době bylo slovo „baterie“ vojenským výrazem pro skupinu děl . Franklin byl první, kdo používal „kladné“ a „záporné“, pokud jde o elektřinu, která se někdy označuje jako „plus“ a „mínus“.

Prostřednictvím svého výzkumu byl Franklin mezi prvními, kdo dokázal elektrický princip zachování náboje v roce 1747: podobný objev učinil nezávisle v roce 1746 William Watson . Franklin napsal podrobné dopisy a dokumenty o svých experimentech s elektrostatickým strojem a nádobami Leyden. V roce 1749 Franklin vytvořil seznam několika způsobů, kterými byl blesk podobný elektřině. Došel k závěru, že blesky nejsou v podstatě nic jiného než obří elektrické jiskry, podobné jiskrám ze statických nábojů produkovaných jeho elektrostatickým strojem. Statickou elektřinu označoval jako „elektrický oheň“, „elektrická hmota“ nebo „elektrická tekutina“. Termín „elektrická tekutina“ byl založen na myšlence, že sklenici lze naplnit a znovu naplnit, když se vyprázdní. To vedlo k revoluční myšlence „elektrického ohně“ jako druhu pohybu nebo proudu, nikoli typu výbuchu.

Z jeho jména bylo odvozeno několik elektrických termínů z 18. století. Například statická elektřina byla známá jako „Franklinův proud“ a „ Franklinizace “ je forma elektroléčby, při které Franklin šokoval pacienty silnými statickými náboji a léčil pacienty s různými nemocemi.

Baterie Leyden jar ve vědeckém muzeu Franklin Institute a související muzejní štítek, který je pod ní

Vynález hromosvodu

Kite aparát pro bezpečné studium atmosférické elektřiny a blesků

Franklin vynalezl hromosvod na základě toho, co se naučil z experimentů se svým elektrostatickým strojem. Franklin a jeho spolupracovníci poznamenali, že špičaté předměty byly při „odtahování“ a „odhazování“ jisker od statické elektřiny účinnější než tupé předměty. Tento objev poprvé oznámil Hopkinson. Franklina napadlo, zda by tento objev mohl být použit v praktickém vynálezu. Myslel si, že je možné vyrobit něco, co by přilákalo elektřinu z bouřkových mraků, ale nejprve musel ověřit, že blesky jsou skutečně obrovské elektrické jiskry. O této teorii napsal dopisy Collinsona a Cadwalladera Coldena . Dopis Franklina z roku 1752 Collinsonovi z 19. října z experimentu s drakem uvádí historik LeMay jako základ toho, že dokázal, že blesky jsou elektřina. Tom Tucker z Isothermal Community College o účtu však pochybuje, protože v účtu je nejednoznačný, a upozorňuje na to ve své knize Bolt of Fate: Benjamin Franklin and his Electric Kite Hoax. Jiní s tímto názorem nesouhlasí a tvrdí, že Franklin by takový falešný příběh nevymyslel, protože si vážil integrity vědecké komunity.

Příklad „hromového domu“

Aby otestoval svou teorii, Franklin navrhl potenciálně smrtelný experiment, který by měl být proveden během elektrické bouře, kde by člověk stál na izolované stoličce uvnitř strážní skříně a podržel dlouhou špičatou železnou tyč, aby přitáhl blesk. Podobná, ale méně nebezpečná verze tohoto experimentu byla poprvé úspěšně provedena ve Francii 10. května 1752 a později se v Evropě opakovala ještě několikrát, i když po smrtelné nehodě v roce 1753 se již zkoušela méně často. Franklin prohlásil, že tento „strážní experiment“ ukázal, že blesky a elektřina jsou jedno a totéž.

Franklin si uvědomil, že dřevěné budovy lze chránit před údery blesku a smrtelnými požáry, které často vyúsťují, tím, že na střechu položíte špičaté železo, přičemž druhý konec tyče je umístěn hluboko do země. Ostrý hrot hromosvodu by přitahoval elektrický výboj z oblaku a blesk zasáhl železnou tyč místo dřevostavby. Elektrický náboj z blesku by proudil tyčí přímo do země, obešel konstrukci a zabránil požáru.

Franklinův přítel Kinnersley v 50. letech 17. století cestoval po východních Spojených státech a předváděl „blesky“ vytvořené lidmi na modelových hromových domech, aby ukázal, jak železná tyč umístěná do země chrání dřevěnou konstrukci. Vysvětlil, že blesky se řídí stejnými principy jako jiskry z Franklinova elektrostatického stroje. Tyto přednášky Kinnersleyho byly široce propagovány a byly jedním ze způsobů, jak byl Franklinův hromosvod předveden široké veřejnosti.

Dědictví

Jeden z
„elektrostatických strojů“ Josepha Priestleyho

Franklin distribuoval kopie elektrostatického stroje mnoha svým blízkým spolupracovníkům, aby je povzbudil ke studiu elektřiny. Mezi lety 1747 a 1750 poslal Franklin svému příteli Collinsonovi do Londýna mnoho dopisů o jeho experimentech s elektrostatickým strojem a nádobou Leyden, včetně jeho pozorování a teorií o principech elektřiny. Tyto dopisy byly shromážděny a publikovány v roce 1751 v knize s názvem Experimenty a pozorování elektřiny .

Zatímco Joseph Priestley psal o historii elektřiny, Franklin ho povzbudil, aby k provádění experimentů, o kterých psal, použil elektrostatický stroj. Priestly navrhl a použil vlastní variace Franklinova stroje. Při replikaci elektrických experimentů některé nezodpovězené otázky přiměly Priestlyho navrhnout další experimenty, které vedly k dalším objevům. V roce 1767 vydal 700stránkovou knihu o svých zjištěních s názvem Historie a současný stav elektřiny .

Vědecké laboratoře osmnáctého století obvykle obsahovaly nějakou formu ručně ovládaného elektrostatického stroje. Italský vědec Luigi Galvani měl ve své laboratoři elektrostatický generátor, kde experimenty s žabími nohami vedly k objevu živočišné elektřiny . Další italský vědec Alessandro Volta s některými Galvaniho nápady nesouhlasil a tento vědecký argument motivoval Voltu k vývoji prvního galvanického článku bez žab a vedl přímo k vynálezu první praktické elektrické baterie, voltaické hromady .

Po Franklinově smrti byly dva ikonické artefakty z jeho výzkumu, původní „baterie“ lahví Leyden a „skleněná trubice“ darem od Collinsona v roce 1747, předány Královské společnosti v roce 1836 vnukem Thomase Hopkinsona Josepha Hopkinson , v souladu s Franklinovou vůlí.

Viz také

Reference

Citace

Prameny

Avery, John Scales (2016). Věda a společnost . World Scientific . ISBN 978-981-3147-73-7.
Boese, Alex (2015). „Hoax elektrického draka“ . Muzeum podvodů . Citováno 6. února 2017 .
Bridenbaugh, Carl (2012). Koloniální řemeslník . Courier Corporation . ISBN 978-0-486-14473-3.
Cohen, I. Bernard (1956). Franklin a Newton: Vyšetřování spekulativní newtonovské experimentální vědy a Franklinova práce v elektřině jako její příklad . Harvard University Press .
Cohen, I. Bernard (1990). Věda Benjamina Franklina . Harvard University Press . p. 61 . ISBN 978-0-674-06659-5. Skleněná trubice Peter Collinson Franklin dárek.
Coulson, Thomas (1950). Joseph Henry: Jeho život a dílo . Princeton University Press . Atmosféra Philadelphie dala jemu a jeho spolupracovníkům výjimečnou příležitost uplatnit své dovednosti na elektrostatickém stroji. Výsledkem bylo, že mnoho z jejich experimentů mělo originální charakter. Slavný experiment s drakem umožnil skupině Philadelphia zjistit, co ostatní předpokládali, že blesk je totožný s mírným nábojem elektřiny produkované třením elektrostatického stroje. Franklin vynalezl hromosvod, který vešel do historie jako první praktický elektrický vynález.
Crane, Verner Winslow (1954). Benjamin Franklin a vycházející lidé . Little, Brown and Company .
Prst, Stanley (2012). Doktor Franklinova medicína . University of Pennsylvania Press . ISBN 978-0-8122-0191-8.
Franklin, Benjamin (1751). „Experimenty a pozorování elektřiny“ . E. Jeskyně . Citováno 28. října 2016 - prostřednictvím Smithsonian Libraries .
Garche, Jürgen (2013). Encyklopedie elektrochemických zdrojů energie . Newnes . ISBN 978-0-444-52745-5.
Gregory, George (1822). Slovník umění a věd . Collins a společnost .
Grimnes, Sverre (2014). Bioimpedance a základy bioelektřiny . Akademický tisk . ISBN 978-0-12-411533-0.
Isaacson, Walter (2004). Benjamin Franklin: Americký život . Simon a Schuster . ISBN 978-0-7432-5807-4.
Jackson, Joe (2005). Svět v plamenech . Viking . ISBN 978-0-670-03434-5.
LeMay, JA Leo (1987). Benjamin Franklin: Spisy . Penguin Group USA . ISBN 978-0-940450-29-5.
Lemay, JA Leo (2009). The Life of Benjamin Franklin, Volume 3: Soldier, Scientist, and Politician, 1748–1757 . University of Pennsylvania Press . ISBN 978-0-8122-4121-1.
Lynn, Barry C. (2009). Cornered: The New Monopoly Capitalism and the Economics of Destruction . John Wiley & Sons . ISBN 978-0-470-55703-7.
Maclean, John (1877). Historie College of New Jersey: Od jejího vzniku v roce 1746 do zahájení roku 1854 . Lippincott .
Matthews, Robert (1. června 2003). „Benjamin Franklin‚ předstíraný experiment s drakem ‘ “ . The Telegraph . Citováno 6. února 2017 .
McGrath, Kimberley A. (2001). The Gale Encyclopedia of Science: Catastrophism-Eukaryotae . Gale Group . ISBN 978-0-7876-4372-0.
McNichol, Tom (2011). Savage Tale First Standards War . John Wiley & Sons . ISBN 978-1-118-04702-6.
Morgan, Edmund Sears (2003). Benjamin Franklin . Yale University Press . ISBN 978-0-300-10162-1.
Malmivuo, Jaakko; Plonsey, Robert (1995). Bioelektromagnetismus: Principy a aplikace bioelektrických a biomagnetických polí . Oxford University Press . ISBN 978-0-19-505823-9.
Pasles, Paul C. (2008). Čísla Benjamina Franklina: neopěvovaná matematická odysea . Princeton University Press . ISBN 978-0-691-12956-3.
Pyenson, Lewis; Gauvin, Jean-François (2002). Umění učit fyziku . Les Éditions du Septentrion . ISBN 978-2-89448-320-6.
Schafer, Larry E. (1992). Taking Charge: Úvod do elektřiny . NSTA Stiskněte . ISBN 978-0-87355-110-6.
Schiffer, Michael B. (2003). Nakreslete Lightning Down . University of California Press . ISBN 0-520-23802-8.
Schiffer, Michael B. (2004). „Bolt of Fate: Benjamin Franklin and His Electric Kite Hoax (recenze)“. Technologie a kultura . 45 (4): 839–840. doi : 10.1353/tech.2004.0202 . S2CID 109344397 .
Schofield, Robert E. (1997). Osvícení Josepha Priestleyho . Penn State Press . ISBN 0-271-04083-1.
Secor, Robert (1975). Pensylvánie: 1776 . Pennsylvania State University Press . ISBN 978-0-271-01217-9.
Talbott, Page (2005). Hledání lepšího světa . Yale University Press . ISBN 978-1-4379-6732-6.
Tucker, Tom (2005). Bolt of Fate . PublicAffairs . ISBN 978-0-7867-3942-4.
Waldstreicher, David (2005). Uprchlá Amerika . Farrar, Straus a Giroux . ISBN 978-0-8090-8315-2.

Languages

In other projects