Franklins elektrostatische Maschine - Franklin's electrostatic machine

Franklins elektrostatische Maschine
im Franklin Institute ausgestellt

Franklins elektrostatische Maschine ist eine Hochspannungs - statische Elektrizität - Gerät Erzeugung von benutzt Benjamin Franklin in der Forschung Mitte des 18. Jahrhunderts in elektrische Phänomene. Seine Hauptkomponenten sind eine Glaskugel , die auf einer Achse über eine einge Kurbel , einen Tuchunterlage in Kontakt mit dem drehenden Globus, ein Satz von Metall Nadeln die abzuführen Ladung auf der Kugel durch seine entwickelte Reibung mit dem Kissen, und eine Leyden jar  - ein Hochspannungskondensator  - die Ladung zu akkumulieren. Franklins Experimente mit der Maschine führten schließlich zu neuen Theorien über Elektrizität und die Erfindung des Blitzableiters .

Hintergrund

Leydener Glasexperiment

Franklin war nicht der Erste, der einen elektrostatischen Generator baute. Europäische Wissenschaftler entwickelten Jahrzehnte zuvor Maschinen zur Erzeugung statischer Elektrizität. 1663 erzeugte Otto von Guericke mit einem Gerät, das eine Schwefelkugel verwendete, statische Elektrizität. Francis Hauksbee entwickelte um 1704 einen fortschrittlicheren elektrostatischen Generator, der einen Glaskolben verwendet, der ein Vakuum hatte. Später ersetzte er den Globus durch eine luftleere Glasröhre von etwa 2,5 Fuß (0,76 m). Das Glasrohr war ein weniger effektiver statischer Generator als der Globus, aber es wurde beliebter, weil es einfacher zu verwenden war.

Maschinen , die statische Elektrizität erzeugte mit einer Glasscheibe von 1740. 1745 deutschen Kleriker in Europa populär und weit verbreitet war Ewald Georg von Kleist und niederländischen Wissenschaftlern Pieter van Musschenbroek entdeckten unabhängig voneinander , dass die elektrische Ladung von diesen Maschinen in einer gespeichert werden könnte Leidener Flasche , benannt nach der Stadt Leiden in den Niederlanden .

1745 schenkte Peter Collinson , ein Geschäftsmann aus London, der mit amerikanischen und europäischen Wissenschaftlern korrespondierte, eine deutsche "Glasröhre" zusammen mit Anweisungen zur Herstellung statischer Elektrizität an Franklin's Library Company of Philadelphia . Collinson war der Londoner Agent der Bibliothek und lieferte die neuesten Technologienachrichten aus Europa. Franklin schrieb am 28. März 1747 einen Brief an Collinson, in dem er ihm dankte und sagte, die Röhre und die Anweisungen hätten mehrere Kollegen und ihn motiviert, ernsthafte Experimente mit Elektrizität zu beginnen.

Collinson Geschenk einer "Glasröhre", die zur Erzeugung statischer Elektrizität verwendet wird

1746 begann Franklin mit Ebenezer Kinnersley an elektrischen Experimenten zu arbeiten, nachdem er alle elektrischen Geräte von Archibald Spencer gekauft hatte , die er in seinen Vorlesungen verwendete. Später war er auch mit Thomas Hopkinson und Philip Syng beim Experimentieren mit Elektrizität verbunden. Im Sommer 1747 hatten sie von Thomas Penn eine elektrische Anlage erhalten . Obwohl es keine Aufzeichnungen gibt, die genau sagen, welche Teile in dem System enthalten waren, glaubt der Historiker JA Leo LeMay, dass es sich um eine Kombination aus einer Stromerzeugungsmaschine, einem Leydener Glas, einer Glasröhre und einem elektrisch vom Boden isolierten Hocker handelte. Dies gab Franklin ein komplettes System, um mit der Erzeugung und Speicherung von Strom zu experimentieren.

Wenn Bernstein , Schwefel oder Glas mit bestimmten Materialien gerieben werden, erzeugen sie elektrische Effekte. Franklin vermutete, dass dieses "elektrische Feuer" irgendwie von diesem anderen Material gesammelt wurde und nicht durch die Reibung am Objekt erzeugt wurde. Er beschloss, sich mit Anfang 40 vorzeitig aus seiner Druckerei zurückzuziehen, um mehr Zeit mit dem Studium der Elektrizität zu verbringen. 1748 übergab Franklin seine gesamte Druckerei an seinen Partner David Hall . Er zog mit seiner Frau in ein neues Haus in Philadelphia, wo er ein Labor baute, um Experimente durchzuführen und neue elektrische Theorien zu erforschen. Franklin experimentierte nicht nur mit der elektrostatischen Maschine mit der Glaskugel, sondern auch mit dem Leydener Glas. Er führte ein ausführliches Tagebuch über seine Forschungen in einem Tagebuch namens "Electrical Minutes", das inzwischen verloren gegangen ist. Franklins Maschine wurde 1792 von Franklins Enkel an die Library Company of Philadelphia geschenkt und ist derzeit im Franklin Institute ausgestellt .

Die sich gegen das Bodenpolster drehende Glaskugel entwickelt statische Aufladung, die oben durch Metallnadeln abgeleitet wird.

Beschreibung

Franklins Maschine verwendete ein Riemen- und Riemenscheibensystem , das von einer Person bedient werden konnte, die eine Kurbel drehte. An der Kurbel war eine große Riemenscheibe befestigt, und eine viel kleinere Riemenscheibe wurde an einer großen Glaskugel befestigt. Eine eiserne Achse ging durch den Globus. Dadurch konnte der Globus mit hoher Geschwindigkeit gedreht werden. Beim Drehen der Kurbel rieb die Glaskugel an einem Lederpolster, wodurch eine große statische Aufladung erzeugt wurde, ähnlich der elektrischen Aufladung, die durch Reiben eines Glasrohres mit einem Wolltuch von Hand erzeugt werden könnte. Die Maschine war eine einzigartige Verbesserung gegenüber anderen, die damals in Europa hergestellt wurden, da die Glaskugel mit viel weniger Arbeitsaufwand schneller gedreht werden konnte. Um ein Leydener Glas aufzuladen, genügten ein paar Umdrehungen des Griffs.

Der von der Maschine erzeugte Strom in Form von Funken strömte durch eine Reihe von Metallnadeln, die sich in der Nähe der sich drehenden Kugel befanden. Die elektrische Ladung ging weiter durch eine perlenförmige Eisenkette, die als Leiter fungierte, zu einem Leydener Gefäß, das den Strom aufnahm. Franklin nannte die von der Maschine erzeugten Funken "elektrisches Feuer".

Franklin hatte Hilfe beim Bau seiner Maschine. Das grundlegende mechanische Design wurde von Philip Syng entwickelt . Der Holzrahmen wurde wahrscheinlich von Franklins Freund Benjamin Loxley hergestellt , einem Tischler aus Philadelphia, der 1751 ähnliche Maschinen für Lewis Evans herstellte. Franklin spezifizierte die Materialien, die in der Glasformel verwendet werden sollten, und die Globen wurden von Caspar Wistar , einem engen Mitarbeiter von Franklin, hergestellt. Wistarburgh Glass Works stellte auch wissenschaftliches Glas für die Leyden-Gläser her, die Franklin in den 1750er Jahren verwendete.

Elektrische Prinzipien

Franklins Experimente mit Leyden-Gläsern führten dazu, dass mehrere Leyden-Gläser in einer Reihe miteinander verbunden wurden, wobei "einer am Schwanz des anderen hängt". Alle Gläser der Serie konnten gleichzeitig geladen werden, was den elektrischen Effekt vervielfachte. Ein ähnlicher Apparat war zuvor von Daniel Gralath geschaffen worden . Franklin war der erste, der das Gerät als „ elektrische Batterie “ bezeichnete. Damals war das Wort "Batterie" ein militärischer Begriff für eine Gruppe von Kanonen . Franklin war der erste, der "positiv" und "negativ" in Bezug auf Elektrizität verwendete, was manchmal als "Plus" und "Minus" bezeichnet wird.

Durch seine Forschungen war Franklin einer der ersten, der 1747 das elektrische Prinzip der Ladungserhaltung bewies: Eine ähnliche Entdeckung wurde 1746 unabhängig von William Watson gemacht . Franklin schrieb ausführliche Briefe und Dokumente über seine Experimente mit der elektrostatischen Maschine und den Leyden-Gläsern. Im Jahr 1749 erstellte Franklin eine Liste mit verschiedenen Arten, in denen Blitze der Elektrizität ähnlich waren. Er kam zu dem Schluss, dass Blitze im Wesentlichen nichts anderes als riesige elektrische Funken waren, ähnlich den Funken der statischen Ladungen, die von seiner elektrostatischen Maschine erzeugt wurden. Er bezeichnete statische Elektrizität als "elektrisches Feuer", "elektrische Materie" oder "elektrische Flüssigkeit". Der Begriff „elektrische Flüssigkeit“ basierte auf der Idee, dass ein Gefäß gefüllt und wiederbefüllt werden konnte, wenn es leer war. Dies führte zu der revolutionären Idee des "elektrischen Feuers" als eine Art Bewegung oder Stromfluss und nicht als eine Art Explosion.

Mehrere elektrische Begriffe aus dem 18. Jahrhundert wurden von seinem Namen abgeleitet. Zum Beispiel war statische Elektrizität als "Franklin-Strom" bekannt, und " Franklinisierung " ist eine Form der Elektrotherapie, bei der Franklin Patienten mit starken statischen Aufladungen schockte, um Patienten mit verschiedenen Krankheiten zu behandeln.

Leydener Glasbatterie im Wissenschaftsmuseum des Franklin Institute und das dazugehörige Museumsetikett, das sich darunter befindet

Erfindung des Blitzableiters

Drachengerät zum sicheren Studium von atmosphärischer Elektrizität und Blitzen

Franklin erfand den Blitzableiter basierend auf dem, was er aus Experimenten mit seiner elektrostatischen Maschine lernte. Franklin und seine Mitarbeiter stellten fest, dass spitze Gegenstände beim „Abziehen“ und „Abwerfen“ von Funken durch statische Elektrizität effektiver waren als stumpfe Gegenstände. Diese Entdeckung wurde zuerst von Hopkinson berichtet. Franklin fragte sich, ob diese Entdeckung in einer praktischen Erfindung verwendet werden könnte. Er dachte, dass man etwas machen könnte, um die Elektrizität aus Gewitterwolken zu ziehen, aber zuerst musste er überprüfen, dass Blitze wirklich riesige elektrische Funken sind. Er schrieb Collinson und Cadwallader Colden Briefe über diese Theorie. Der Brief von Franklin aus dem Jahr 1752 an Collinson vom 19. Oktober über das Drachenexperiment wird vom Historiker LeMay als Grundlage dafür erwähnt, dass er bewies, dass Blitze Elektrizität sind. Tom Tucker vom Isothermal Community College bezweifelt die Darstellung jedoch aufgrund von Unklarheiten in der Darstellung und weist in seinem Buch Bolt of Fate: Benjamin Franklin and his Electric Kite Hoax darauf hin. Andere stimmen dieser Ansicht nicht zu und argumentieren, dass Franklin eine solche Fake-Geschichte nicht erfinden würde, weil er die Integrität der wissenschaftlichen Gemeinschaft schätzte.

Ein "Donnerhaus"-Beispiel

Um seine Theorie zu testen, schlug Franklin ein potenziell tödliches Experiment vor, das während eines Gewitters durchgeführt werden sollte, bei dem eine Person auf einem isolierten Hocker in einem Wachposten stand und einen langen, spitzen Eisenstab hochhielt, um einen Blitz anzuziehen. Eine ähnliche, aber weniger gefährliche Version dieses Experiments wurde erstmals am 10. Mai 1752 in Frankreich erfolgreich durchgeführt und später in ganz Europa mehrmals wiederholt, obwohl es nach einem Todesfall 1753 weniger häufig versucht wurde. Franklin erklärte, dass dieses „Wachposten-Experiment“ gezeigt habe, dass Blitz und Elektrizität ein und dasselbe seien.

Franklin erkannte, dass Holzgebäude vor Blitzeinschlägen und den oft daraus resultierenden tödlichen Bränden geschützt werden konnten, indem ein spitzes Eisen auf ein Dach gelegt und das andere Ende der Stange tief in den Boden gesteckt wurde. Die scharfe Spitze des Blitzableiters würde die elektrische Entladung aus der Wolke anziehen, und der Blitz würde den Eisenstab anstelle des Holzgebäudes treffen. Die elektrische Ladung des Blitzes würde durch den Stab direkt in die Erde fließen, die Struktur umgehen und ein Feuer verhindern.

Franklins Freund Kinnersley reiste in den 1750er Jahren durch den Osten der Vereinigten Staaten und demonstrierte an Modellen von Donnerhäusern künstliche "Blitze", um zu zeigen, wie eine in den Boden gesteckte Eisenstange eine Holzkonstruktion schützen würde. Er erklärte, dass Blitze denselben Prinzipien folgen wie die Funken von Franklins elektrostatischer Maschine. Diese Vorträge von Kinnersley wurden weithin bekannt gemacht und waren eine der Möglichkeiten, wie Franklins Blitzableiter der breiten Öffentlichkeit vorgeführt wurde.

Erbe

Eine von Joseph Priestleys
"elektrostatischen Maschinen"

Franklin verteilte Kopien der elektrostatischen Maschine an viele seiner engen Mitarbeiter, um sie zu ermutigen, Elektrizität zu studieren. Zwischen 1747 und 1750 schickte Franklin seinem Freund Collinson in London viele Briefe über seine Experimente mit der elektrostatischen Maschine und dem Leydener Gefäß, einschließlich seiner Beobachtungen und Theorien über die Prinzipien der Elektrizität. Diese Briefe wurden gesammelt und 1751 in einem Buch mit dem Titel Experiments and Observations on Electricity veröffentlicht .

Während Joseph Priestley über die Geschichte der Elektrizität schrieb, ermutigte ihn Franklin, eine elektrostatische Maschine zu verwenden, um die Experimente, über die er schrieb, durchzuführen. Priester entwarf und verwendete seine eigenen Variationen von Franklins Maschine. Bei der Wiederholung der elektrischen Experimente veranlassten einige unbeantwortete Fragen Priestly, zusätzliche Experimente zu entwerfen, die zu weiteren Entdeckungen führten. 1767 veröffentlichte er ein 700-seitiges Buch über seine Erkenntnisse mit dem Titel The History and Present State of Electricity .

Wissenschaftliche Laboratorien des 18. Jahrhunderts enthielten normalerweise irgendeine Form von handbetriebenen elektrostatischen Maschinen. Der italienische Wissenschaftler Luigi Galvani hatte einen elektrostatischen Generator in seinem Labor, wo Experimente mit Froschschenkeln zur Entdeckung der tierischen Elektrizität führten . Ein anderer italienischer Wissenschaftler, Alessandro Volta , widersprach einigen Ideen von Galvani, und dieses wissenschaftliche Argument motivierte Volta, die erste froschfreie galvanische Zelle zu entwickeln , und führte direkt zur Erfindung der ersten praktischen elektrischen Batterie, der Voltaischen Säule .

Nach Franklins Tod wurden der Royal Society 1836 von Thomas Hopkinsons Enkel Joseph zwei ikonische Artefakte aus seiner Forschung geschenkt, die ursprüngliche "Batterie" von Leyden-Gläsern und die "Glasröhre", die Collinson 1747 geschenkt hatte Hopkinson , in Übereinstimmung mit Franklins Willen.

Siehe auch

• Glashütte Wistarburgh
• Corbetts elektrostatische Maschine
• Van de Graaff-Generator

Verweise

Zitate

Quellen

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Externe Links

• Benjamin Franklins elektrischer Apparat (elektrostatische Maschine) im Smithsonian National Museum of American History
• The Amazing Adventures of Ben Franklin – Scientist & Inventor / Opposites Attract mit Bild der Glaskugel oben
• Informationen zu Franklins Electrostatic Generator und Bild von der University of Maryland Electrical and Computer Engineering Dept.