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流体電気理論[ 1 ] [ 2 ]は、電磁気学の歴史において多くの電気現象の原因と考えられていた1つ以上の電気流体を仮定した時代遅れの理論です。シャルル・フランソワ・ド・システルネ・デュ・フェイによって提唱された「2流体」電気理論は、電気は2つの電気「流体」の相互作用であると仮定しました。ベンジャミン・フランクリンは、より単純な代替理論として、単一流体電気理論を提唱しました。この理論は、電気は実際には1つの流体であり、物体に過剰に存在するか、または存在しないことで、その電荷を説明できると主張しました。フランクリンの理論は、電荷がどのように消散するか（ライデン瓶など）、また電荷がどのように人々の連鎖を通して伝わるかを説明しました。流体電気理論は、最終的に磁気の影響と電子（発見後）を含めるように更新されました。
1700年代には、多くの物理現象がエーテルという概念で捉えられていました。エーテルとは、物質を透過できる流体のことです。この考え方は何世紀にもわたって用いられており、電気などの物理現象を液体として考える基礎となっていました。18世紀におけるその他の非物質流体モデルの例としては、ラヴォアジエの熱量論や、クーロンとエピヌスの磁気流体などが挙げられます。
18世紀までに、観測された電気現象を説明する数少ない理論の1つが二流体理論でした。この理論は一般的にシャルル・フランソワ・ド・システルネ・デュ・フェイに帰せられています。デュ・フェイの理論は、電気は固体の中を流れることができる2つの液体で構成されていることを示唆しました。一方の液体は正の電荷を帯び、もう一方の液体は負の電荷を帯びています。これら2つの液体が互いに接触すると、中性の電荷が生じます。[ 3 ]この理論は、物体がどのように帯電または放電されるかではなく、主に電気的な引力と斥力を説明することに関係していました。
デュ・フェイは、オットー・フォン・ゲーリケが考案した実験を再現している際に、この現象を観察した。その実験では、羽や葉のような薄い素材が、帯電した物体に接触すると反発する。デュ・フェイは、「金箔はまず管に引き寄せられ、管に近づくと帯電し、その結果、すぐに管に反発される」と観察した。[ 3 ]このことから、デュ・フェイは、電気の「電流」が葉の周りや中を流れることで葉が押されていることを確信した。
デュ・フェイは、さらなる実験を通して、物体はガラス電気または樹脂電気の2種類の電気のいずれかを保持できることを突き止めた。彼は、ガラス電気を持つ物体は別のガラス物体を反発するが、樹脂電気を持つ物体には引き寄せられることを発見した[ 4 ]。
二流体理論のもう一人の支持者はクリスティアン・ゴットリープ・クラッツェンシュタインであった。彼はまた、電荷はこれら2つの流体中の渦によって運ばれると推測した。[ 5 ]
1746年、ウィリアム・ワトソンは単一流体理論を提唱した。
1747年7月11日、ベンジャミン・フランクリンは、自身の新しい理論の概要を記した手紙を書いた。これが彼の理論の最初の記録である。[ 6 ]フランクリンはこの理論を主に物体の帯電と放電に焦点を当てて発展させたが、デュ・フェイは主に電気的な引力と反発力に焦点を当てていた。[ 6 ]
フランクリンの理論では、電気は2つの液体の相互作用ではなく、単一の液体の動きとして考えるべきだとされました。物体は、この液体が多すぎるか少なすぎる場合に電気の兆候を示します。したがって、中性の物体は「正常な」量の液体を含んでいると考えられました。フランクリンはまた、正と負の2つの帯電状態を概説しました。彼は、正に帯電した物体は液体が多すぎ、負に帯電した物体は液体が少なすぎると主張しました。[ 7 ]フランクリンはこの考え方を応用して、コンデンサに似た基本的な電荷蓄積装置であるライデン瓶など、当時の説明のつかない現象を説明することができました。彼は、ワイヤーと内面が正に帯電し、外面が負に帯電すると主張しました。これにより液体のバランスが崩れ、瓶の両方の部分に触れると液体が正常に流れるようになりました。[ 6 ]
より単純な理論であるにもかかわらず、電気が1つの流体で構成されているのか2つの流体で構成されているのかについては、1世紀にわたって激しい議論が交わされた。[ 7 ]
単一流体理論は、科学界が電気について考える方法に大きな変化をもたらした。フランクリンの理論以前には、電気の働き方について多くの競合する理論が存在していた。フランクリンの理論はすぐに当時最も広く受け入れられるようになった。フランクリンの理論は、電気を物体内に既に存在する物質の励起ではなく、他の場所からの「電荷」の蓄積と捉えた最初の理論であるという点でも注目に値する。[ 6 ]
フランクリンの理論は、電流を正電荷の移動と捉える従来の考え方の基礎も提供している。フランクリンは、電気流体を正電荷を持つものと恣意的に考え、そのため、すべての思考は正の流れという枠組みの中で行われた。この考え方は科学界に深く浸透し、最も一般的な導体である金属を流れる電気は電子、つまり負の粒子によって行われるという証拠があるにもかかわらず、今でも電気は正電荷の流れだと考えられている。
フランクリンは、雷が実は電気現象であると最初に提唱した人物でもあった。彼は、雷は帯電した物体同士の間に発生する小さな火花を大きくしたものだと考え、尖った導体を使えば雷の形を変えたり、方向を変えたりできると予測した。これが、彼の有名な凧を使った実験の基礎となった。
単一流体理論は電気に関する議論において大きな進歩をもたらしたが、いくつかの欠点もあった。フランクリンはこの理論を、それまでほとんど無視されていた放電現象を説明するために考案した。この理論は放電現象をうまく説明できたものの、電気的な引力と斥力を完全に説明することはできなかった。流体が多すぎる2つの物体が互いに反発し合うこと、そして流体の量が大きく異なる2つの物体が互いに引き合うことは理にかなっていた。しかし、流体が全くない2つの物体が互いに反発し合うことは理にかなっていなかった。流体が少なすぎると反発が生じるはずがない。[ 3 ]
この電気モデルのもう一つの問題点は、電気と磁気の相互作用を無視している点である。当時、この関係は十分に研究されていなかったものの、両現象の間には何らかの関連性があることは知られていた。フランクリンのモデルはこれらの力について一切言及しておらず、説明しようともしていない。
流体理論は一時期主流の見解であったが、最終的にはより現代的な理論、特に電流が流れる導線間の引力に関する観察を利用してそれらの間の磁気効果を説明する理論に取って代わられた。[ 4 ]
デュ・フェイもフランクリンも、それぞれの理論の中で磁気の影響については触れておらず、両者とも電気的な影響のみに関心を寄せていた。しかし、磁気に関する理論は、電気に関する理論と非常によく似たパターンをたどった。シャルル・クーロンは、磁石には磁気流体であるオーラルとボリアルの2種類が含まれており、これらが組み合わさって磁気的な引力と斥力を説明できると説明した。関連する磁気の1流体理論はフランツ・エピヌスによって提唱され、磁石には多すぎるか少なすぎる磁気流体が含まれていると説明した。[ 7 ]
電気と磁気の理論は、ハンス・クリスチャン・エルステッドが、コンパスの針を電流の近くに置くと磁北から偏向することに気づくまで、2つの別々の現象と考えられていました。このことから、彼は電気と磁気は相互に関連しており、互いに影響し合う可能性があるという理論を発展させました。 [ 8 ]エルステッドの研究は、フランスの物理学者アンドレ＝マリー・アンペールによる、磁気と電気の関係を統一する理論の基礎となりました。 [ 9 ]