Franklinsův elektrostatický stroj - Franklins electrostatic machine - Wikipedia

Franklinův elektrostatický stroj
na displeji u Franklin Institute

Franklinův elektrostatický stroj je vysoké napětí statická elektřina -generující zařízení používá Benjamin Franklin v polovině 18. století pro výzkum elektrických jevů. Jeho klíčovými součástmi jsou a sklenka zeměkoule, která se otočila na ose přes a klika, a tkanina podložka v kontaktu s rotující zeměkoulí, sada kov jehly na odvádění nabít vyvinutý na celém světě jeho tření s podložkou a a Leyden jar - vysoké napětí kondenzátor - akumulovat náboj. Franklinovy ​​experimenty se strojem nakonec vedly k novým teoriím o elektřina a vymýšlet bleskosvod.

Pozadí

Hlavní článek: Benjamin Franklin § Vynálezy a vědecké dotazy
Experiment Leyden jar

Franklin nebyl první, kdo postavil elektrostatický generátor. Evropští vědci vyvinuli stroje na výrobu statické elektřiny o několik desítek let dříve. V roce 1663 Otto von Guericke generoval statickou elektřinu zařízením, které používalo sféru síry.[1] Francis Hauksbee vyvinul pokročilejší elektrostatický generátor kolem roku 1704 pomocí skleněné baňky, která měla vakuum. Později nahradil zeměkouli skleněnou trubicí vypouštěnou ze vzduchu asi 0,76 m.[1] Skleněná trubice byla méně účinným statickým generátorem než zeměkoule, ale stala se populárnější, protože se snadněji používala.[2]

Stroje, které generovaly statickou elektřinu skleněným diskem, byly v Evropě populární a rozšířené do roku 1740.[3] V roce 1745 německý duchovní Ewald Georg von Kleist a nizozemský vědec Pieter van Musschenbroek nezávisle objevil, že elektrický náboj z těchto strojů může být uložen v a Leyden jar, pojmenovaný podle města Leidene v Holandsko.[3]

V roce 1745 Peter Collinson, obchodník z Londýna, který si dopisoval s americkými a evropskými vědci, daroval německou „skleněnou trubici“[4] spolu s pokyny, jak vyrobit statickou elektřinu, k Franklinově Library Company of Philadelphia.[5] Collinson byl londýnským agentem knihovny a poskytoval nejnovější technologické novinky z Evropy.[6][7][8] Franklin napsal dopis Collinsonovi 28. března 1747,[9] poděkoval mu a řekl, že trubice a pokyny motivovaly několik jeho kolegů k zahájení vážných experimentů s elektřinou.[10]

Collinsonův dar „skleněné trubice“ používaný k výrobě statické elektřiny

V roce 1746 začal Franklin pracovat na elektrických experimentech s Ebenezer Kinnersley poté, co koupil vše Archibald Spencer elektrické zařízení, které používal na svých přednáškách. Později byl také spojován s Thomas Hopkinson a Philip Syng při experimentování s elektřinou.[11][12] V létě 1747 dostali elektrický systém od Thomas Penn.[13] Ačkoli neexistují žádné záznamy, které by přesně říkaly, jaké části byly do systému zahrnuty, historik J. A. Leo LeMay věří, že se jednalo o kombinaci stroje na výrobu elektřiny, Leydenovy nádoby, skleněné trubice a stoličky, která byla elektricky izolována od země.[13][14] To poskytlo Franklinovi kompletní systém experimentování s výrobou a ukládáním elektřiny.[7]

Když jantar, síra nebo sklenka jsou otřeny určitými materiály, vytvářejí elektrické efekty.[15] Franklin teoretizoval, že tento „elektrický oheň“ byl nějak shromážděn z tohoto jiného materiálu a nebyl vytvořen třením o objekt.[16][17] Rozhodl se předčasně odejít ze svého polygrafického podnikání, ještě mu bylo čtyřicet, a strávil více času studiem elektřiny. V roce 1748 Franklin předal celé své tiskové podnikání svému partnerovi David Hall.[18] Se svou ženou se přestěhoval do nového domova ve Filadelfii, kde vybudoval laboratoř pro experimenty a výzkum nových elektrických teorií.[19][20] Franklin experimentoval nejen s elektrostatickým strojem se skleněnou koulí, ale také s Leydenskou nádobou.[21] Podrobný deník svého výzkumu si vedl do deníku s názvem „Elektrické minuty“, který se od té doby ztratil.[22] Franklinův stroj dostal Library Company of Philadelphia Franklinovým vnukem v roce 1792,[4] a je aktuálně zobrazen na Franklin Institute.

Skleněná koule rotující proti spodní podložce vyvíjí statický náboj, který je odváděn kovovými jehlami nahoře.

Popis

Franklinův stroj používal a systém řemenů a řemenic která by mohla být ovládána jednou osobou otočenou klikou.[21] K klikě byla připevněna velká řemenice a mnohem větší řemenice byla připevněna k velké skleněné kouli. Zeměkoule prošla železná náprava. To umožnilo rotaci zeměkoule vysokou rychlostí.[23] Když se klika otočila, skleněná koule se třela o koženou podložku, která generovala velký statický náboj, podobný elektrickému náboji, který mohl být vytvořen ručním třením skleněné trubice vlněným hadříkem. Stroj byl jedinečným vylepšením oproti ostatním v té době vyrobeným v Evropě, protože skleněný glóbus se mohl točit rychleji a mnohem méně práce.[24] K nabití leydenské nádoby stačilo několik otáček rukojeti.[24][25]

Elektřina vyrobená strojem ve formě jisker prošla sadou kovových jehel umístěných blízko rotující zeměkoule. Elektrický náboj dál procházel železným řetězem, který fungoval jako vodič, do leydenské nádoby, která dostávala elektřinu.[26][27][28][29] Franklin nazval jiskry produkované strojem „elektrický oheň“.[7]

Franklin pomohl postavit svůj stroj. Základní mechanickou konstrukci vyvinul Philip Syng.[24] Dřevěný rám pravděpodobně vyrobil Franklinův přítel Benjamin Loxley, tesař z Filadelfie, který vyráběl podobné stroje pro Lewis Evans v roce 1751.[13] Skleněné koule, známé jako „elektrizující koule“,[30] byly vyrobeny ze skla, které bylo vědecky navrženo pro efektivní výrobu statické elektřiny.[31] Franklin specifikoval materiály, které mají být použity ve skleněném vzorci, a globusy byly vyrobeny společností Caspar Wistar, blízký spolupracovník Franklina.[13] Sklárny Wistarburgh také vyráběl vědecké sklo pro sklenice Leyden, které Franklin používal v 50. letech 20. století.[13][30]

Elektrické principy

Franklinovy ​​experimenty se sklenicemi Leyden postupovaly k propojení několika sklenic Leyden dohromady v sérii, přičemž „jeden visel na konci druhého“. Všechny nádoby v sérii mohly být nabíjeny současně, což znásobilo elektrický účinek.[32] Podobný aparát vytvořil dříve Daniel Gralath. Franklin byl první, kdo zařízení nazval „elektrická baterie ".[4] V té době bylo slovo „baterie“ vojenským výrazem pro a skupina děl.[33] Franklin byl první, kdo použil „kladný“ a „záporný“, jak se aplikoval na elektřinu, která se někdy označuje jako „plus“ a „minus“.

Prostřednictvím svého výzkumu byl Franklin mezi prvními, kdo dokázal elektrický princip zachování poplatku v roce 1747:[16][24] podobný objev učinil nezávisle v roce 1746 William Watson. Franklin psal podrobné dopisy a dokumenty o svých experimentech s elektrostatickým strojem a Leydenovými nádobami.[16][34][35] V roce 1749 Franklin vytvořil seznam několika způsobů, jakými byl blesk podobný elektřině.[36] Dospěl k závěru, že Blesk nebylo v podstatě nic jiného než obrovské elektrické jiskry, podobné jiskrám ze statických nábojů produkovaných jeho elektrostatickým strojem.[36] Statickou elektřinu označoval jako „elektrický oheň“, „elektrická hmota“ nebo „elektrická tekutina“.[32] Termín „elektrická kapalina“ byl založen na myšlence, že nádobu lze naplnit a znovu naplnit, když se vyprázdní.[3] To vedlo k revoluční myšlence „elektrického ohně“ jako typu pohybu nebo proudu, spíše než typu výbuchu.[37]

Od jeho jména bylo odvozeno několik elektrických termínů z 18. století. Například statická elektřina byla známá jako „Franklinův proud“, [38] a "Franklinizace "je forma elektroterapie kde Franklin šokoval pacienty silnými statickými náboji, léčit pacienty s různými nemocemi.[39][40]

Several Leyden jars connected together = a battery. (18 inches wide × 13 inches deep × 15 inches high)
Museum label for Leyden jar
Baterie Leyden jar na Franklin Institute muzeum vědy a související označení muzea, které je pod ním

Vynález bleskosvodu

Kite zařízení pro bezpečné studium atmosférické elektřiny a blesků
Viz také: Thunder dům

Franklin vynalezl bleskosvod na základě toho, co se naučil z experimentů se svým elektrostatickým strojem. [11][41] Franklin a jeho spolupracovníci zjistili, že špičaté předměty byly při „odtahování“ a „odhazování“ jisker ze statické elektřiny účinnější než tupé předměty.[12][42] O tomto objevu poprvé informoval Hopkinson.[19] Franklin uvažoval, zda by tento objev mohl být použit v praktickém vynálezu. [43] Myslel si, že by bylo možné něco udělat, aby přilákal elektřinu z bouřkových mraků, ale nejprve musel ověřit, že blesky jsou opravdu obrovské elektrické jiskry.[43] Psal Collinsona a Cadwallader Colden dopisy o této teorii.[44] 1752 Franklinův dopis Collinsonovi z 19 kite experiment uvádí historik LeMay jako základ toho, jak dokázal, že blesk je elektřina.[45] Tom Tucker z Izotermická komunitní vysoká škola pochybuje však o účtu kvůli nejasnostem v účtu a poukazuje na to ve své knize Bolt of Fate: Benjamin Franklin a jeho Electric Kite Hoax.[46][47] Jiní s tímto názorem nesouhlasí a tvrdí, že Franklin by nevymyslel takový falešný příběh, protože si vážil integrity vědecké komunity.[48][49]

Příklad „hromového domu“

Aby Franklin svou teorii otestoval, navrhl potenciálně smrtící experiment, který by měl být proveden během bouřky, kdy by člověk stál na izolované stoličce uvnitř strážní skříňky a držel dlouhý špičatý železný prut, aby přilákal blesk.[15] Podobná, ale méně nebezpečná verze tohoto experimentu byla nejprve úspěšně provedena ve Francii 10. května, 1752, a později ještě několikrát opakován po celé Evropě, i když po a osudovost v roce 1753 bylo to méně často zkoušeno. Franklin prohlásil, že tento „hlídkový experiment“ ukázal, že blesk a elektřina jsou jedno a totéž.[15]

Franklin si uvědomil, že dřevěné budovy lze chránit před údery blesku a smrtícími požáry, které často vznikly, umístěním špičatého železa na střechu, přičemž druhý konec tyče byl položen hluboko do země. Ostrý hrot bleskosvodu přilákal elektrický výboj z mraku a blesk zasáhl železnou tyč namísto dřevěné budovy. Elektrický náboj z blesku by protékal tyčí přímo do země, obcházel by konstrukci a bránil požáru.[50]

Franklinův přítel Kinnersley cestoval v 50. letech 17. století po východních Spojených státech a na modelu předvedl umělý „blesk“ hromové domy ukázat, jak železná tyč umístěná do země chrání dřevěnou konstrukci. Vysvětlil, že blesk se řídil stejnými principy jako jiskry z Franklinova elektrostatického stroje. Tyto Kinnersleyovy přednášky byly široce inzerovány a byly jedním ze způsobů, jak byla Franklinova hromosvod předvedena široké veřejnosti.[51]

Dědictví

Jeden z Josepha Priestleyho
"elektrostatické stroje"
Hlavní články: Luigi Galvani a Joseph Priestley

Franklin distribuoval kopie elektrostatického stroje mnoha svým blízkým spolupracovníkům, aby je povzbudil ke studiu elektřiny.[13] V letech 1747 až 1750 poslal Franklin svému příteli Collinsonovi v Londýně mnoho dopisů o svých experimentech s elektrostatickým strojem a Leydenskou nádobou, včetně jeho pozorování a teorií o principech elektřiny.[12] Tyto dopisy byly shromážděny a publikovány v roce 1751 v knize s názvem Experimenty a pozorování elektřiny.[10][52][53][54]

Zatímco Joseph Priestley Když psal o historii elektřiny, Franklin ho povzbudil, aby k provádění experimentů, o kterých psal, používal elektrostatický stroj. Priestly navrhl a použil své vlastní varianty Franklinova stroje.[55] Při replikaci elektrických experimentů některé nezodpovězené otázky přiměly Priestly navrhnout další experimenty, které vedly k dalším objevům. V roce 1767 vydal 700stránkovou knihu o svých zjištěních Historie a současný stav elektřiny.[56][57]

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 zvířecí elektřina.[58] Další italský vědec, Alessandro Volta, nesouhlasil s některými Galvaniho myšlenkami, a tento vědecký argument motivoval Voltu k vývoji prvního bez žab galvanický článek, a vedl přímo k vynálezu první praktické elektrické baterie, galvanická hromada.

Po Franklinově smrti byly dány dva ikonické artefakty z jeho výzkumu, originální „baterie“ Leydenových nádob a „skleněná trubice“, která byla darem Collinsona v roce 1747. královská společnost v roce 1836 Thomas Hopkinson je vnuk Joseph Hopkinson, v souladu s Franklinovou vůlí.[59]

Viz také

Reference

Citace

  1. ^ A b Lemay 2009, str. 61.
  2. ^ Lemay 2009, str. 62.
  3. ^ A b C Grimnes 2014, str. 495.
  4. ^ A b C Talbott 2005, str. 185.
  5. ^ Cohen 1990, str. 61.
  6. ^ Lemay 2009, str. 58–59.
  7. ^ A b C Jeřáb 1954, str. 48.
  8. ^ Pasles 2008, str. 119.
  9. ^ Lemay 2009, str. 67.
  10. ^ A b „Od Benjamina Franklina po Petera Collinsona, 28. března 1747“. Národní komise pro historické publikace a záznamy. Archivovány od originál dne 28. října 2016. Citováno 15. července 2015.
  11. ^ A b Maclean 1877, str. 142.
  12. ^ A b C Talbott 2005, str. 182.
  13. ^ A b C d E F Lemay 2009, str. 75.
  14. ^ Garche 2013, str. 596.
  15. ^ A b C Cohen 1990, str. 28.
  16. ^ A b C Talbott 2005, str. 184.
  17. ^ Lemay 2009, str. 71.
  18. ^ Waldstreicher 2005, str. 126–127.
  19. ^ A b Prst 2012, str. 85.
  20. ^ „Franklinův bleskozvod“. Franklinův institut. 2016. Citováno 7. listopadu 2016.
  21. ^ A b Tucker 2005, str. 40.
  22. ^ Lemay 2009, str. 91.
  23. ^ Secor 1975, str. 214.
  24. ^ A b C d Lemay 2009, str. 72.
  25. ^ Cohen 1956, str. 440.
  26. ^ McNichol 2011, s. 10–16.
  27. ^ „Elektrostatická zařízení“. Science Encyclopedia. Čistá odvětví. 2016. str. 2393. Citováno 16. listopadu 2016.
  28. ^ Gregory 1822, str. 8.
  29. ^ McGrath 2001, str. 1335.
  30. ^ A b Bridenbaugh 2012, str. 63.
  31. ^ „The Wistars and their Glass 1739 - 1777“. WheatonArts. 2015. Citováno 7. listopadu 2016.
  32. ^ A b Cohen 1956, str. 460.
  33. ^ Lynn 2009, str. 136.
  34. ^ McNichol 2011, str. 16.
  35. ^ Malmivuo & Plonsey 1995, str. 13.
  36. ^ A b Morgan 2003, str. 12.
  37. ^ Lemay 2009, str. 72–75.
  38. ^ Grimnes 2014, str. 496.
  39. ^ Schiffer 2003, str. 136, 137.
  40. ^ "Elektroléčba". Encyclopedia Americana: Univerzální referenční knihovna zahrnující umění a vědy. Scientific American Oddělení sestavování. 1905.
  41. ^ Coulson 1950, str. 32.
  42. ^ LeMay 1987, str. 600.
  43. ^ A b Isaacson 2004, str. 137–145.
  44. ^ Lemay 2009, str. 86–96.
  45. ^ Lemay 2009, str. 104-116.
  46. ^ Tucker 2005.
  47. ^ Matthews 2003.
  48. ^ Schiffer 2004.
  49. ^ Boese 2015.
  50. ^ Schafer 1992, str. 58.
  51. ^ Talbott 2005, str. 188.
  52. ^ McNichol 2011, str. 19.
  53. ^ Franklin 1751.
  54. ^ Cohen 1956 432, 478.
  55. ^ Pyenson & Gauvin 2002, str. 93.
  56. ^ Jackson 2005, str. 64–66.
  57. ^ Schofield 1997, str. 140–150.
  58. ^ Avery 2016, str. 207.
  59. ^ Cohen 1956, str. 454B.

Zdroje

externí odkazy