フランクリンの静電機械

フランクリンの静電機械は、 18 世紀半ばにベンジャミン フランクリンが電気現象の研究に使用した高電圧の静電気発生装置です。その主要部品は、クランクを介して軸を中心に回転するガラス球、回転する球と接触する布パッド、パッドとの摩擦によって球に発生した電荷を伝導する金属針のセット、および電荷を蓄積する 高電圧コンデンサであるライデン瓶です。フランクリンのこの機械の実験は、最終的に電気 に関する新しい理論と避雷針の発明につながりました。

フランクリンは、静電発生装置を最初に作ったわけではない。ヨーロッパの科学者たちは、何十年も前に静電気を発生させる機械を開発していた。1663年、オットー・フォン・ゲーリケは、硫黄の球を使った装置で静電気を発生させた。^[1] フランシス・ホークスビーは、1704年頃に、真空のガラス球を使ったより高度な静電発生装置を開発した。彼は後に、球を空気を抜いた約2.5フィート（0.76メートル）のガラス管に置き換えた。^[1]ガラス管は、球よりも効果の低い静電気発生装置だったが、使いやすいため、より人気が高まった。^[2]

ガラスの円盤で静電気を発生させる機械は、1740年までにヨーロッパで普及しました。^[3] 1745年、ドイツの聖職者エヴァルト・ゲオルク・フォン・クライストとオランダの科学者ピーテル・ファン・ムッシェンブロークはそれぞれ独立して、これらの機械から発生する電荷を、オランダのライデン市にちなんで名付けられたライデン瓶に蓄えることができることを発見しました。^[3]

1745年、アメリカやヨーロッパの科学者と文通していたロンドンのビジネスマン、ピーター・コリンソンは、ドイツの「ガラス管」 ^[4]と静電気の作り方の説明書をフィラデルフィアのフランクリン図書館会社に寄贈した。^[5]コリンソンは図書館のロンドン代理人で、ヨーロッパの最新技術ニュースを提供していた。^{[6] [7] [8]}フランクリンは1747年3月28日にコリンソンに手紙を書き、^[9]感謝し、ガラス管と説明書が数人の同僚と彼に電気に関する本格的な実験を始める動機を与えたと述べた。^[10]

1746年、フランクリンは講義で使用していたアーチボルド・スペンサーの電気機器をすべて購入し、エベネザー・キナーズリーと電気実験に取り組み始めた。後に、トーマス・ホプキンソンやフィリップ・シングとも電気実験に関わった。^{[11] [12]} 1747年の夏、彼らはトーマス・ペンから電気システムを受け取っていた。^[13]システムにどのような部品が含まれていたかを正確に示す記録は存在しないが、歴史家J・A・レオ・ルメイは、発電機、ライデン瓶、ガラス管、および地面から電気的に絶縁された椅子の組み合わせであったと考えている。^{[13] [14]}これにより、フランクリンは電気の発生と貯蔵の実験を行うための完全なシステムを手に入れた。^[7]

琥珀、硫黄、ガラスを特定の物質でこすると、電気効果が発生します。^[15]フランクリンは、この「電気火」は物体の摩擦によって生成されたものではなく、何らかの形で他の物質から集められたものだと理論づけました。^{[16] [17]}彼は、まだ40代前半でしたが、電気の研究にもっと時間を費やすために、印刷業を早期に引退することにしました。1748年、フランクリンは印刷業のすべてをパートナーのデイビッド・ホールに譲り渡しました。^[18]彼は妻とともにフィラデルフィアの新しい家に移り、実験を行う研究室を建設し、新しい電気理論を研究しました。^{[19] [20]}フランクリンは、ガラス球を使った静電機械だけでなく、ライデン瓶でも実験しました。^[21]彼は「電気の記録」と呼ばれる日記に研究の詳細な記録をつけていましたが、これはその後失われました。^[22]フランクリンの機械は1792年にフランクリンの孫によってフィラデルフィア図書館会社に寄贈され、 ^[4]現在はフランクリン研究所に展示されている。

フランクリンの機械は、一人でクランクを回すだけで操作できるベルトと滑車のシステムを採用していた。 ^[21]大きな滑車がクランクハンドルに取り付けられ、それよりはるかに小さな滑車が大きなガラス球に取り付けられていた。鉄の車軸が球体を貫通していた。これにより、球体を高速で回転させることができた。^[23]クランクを回すと、ガラス球が革のパッドに擦れ、大きな静電気が発生した。これは、手でウールの布でガラス管をこすったときに発生する電荷に似ている。この機械は、当時ヨーロッパで作られた他の機械に比べてユニークな改良で、ガラス球をより速く、はるかに少ない労力で回転させることができた。^[24]ハンドルを数回回転させるだけで、ライデン瓶に充填できた。^{[24] [25]}

機械によって生成された電気は火花の形で、回転する球体の近くに配置された一連の金属針を通過しました。電荷は導体として機能するビーズ状の鉄の鎖を通過し、電気を受け取るライデン瓶に流れ続けました。^{[26] [27] [28]}フランクリンは、機械によって生成された火花を「電気火災」と呼びました。^[7]

「帯電球」として知られるガラス球^[29]は、効果的に静電気を発生させるように科学的に設計されたガラスで作られていました。^[30]フランクリンはガラスの配合に使用する材料を指定し、球はフランクリンの側近であるカスパー・ウィスターによって製造されました。 ^[13] ウィスターバーグ・グラス・ワークスは、フランクリンが1750年代に使用したライデン瓶用の科学用ガラスも製造していました。^{[13] [29]}

フランクリンのライデン瓶の実験は、複数のライデン瓶を直列に接続し、「1つがもう1つの瓶の尾にぶら下がる」という形にまで発展しました。直列に接続されたすべての瓶は同時に充電できるため、電気効果が倍増しました。^{[31]同様の装置は、}ダニエル・グララスによって以前に作成されていました。フランクリンはこの装置を「電気バッテリー」と呼びましたが、^{[4]この用語は後に別の意味を持つようになり、1つまたは複数の}ガルバニ電池のセットを指すようになりました。当時、「バッテリー」という言葉は、大砲のグループを指す軍事用語でした。^[32]フランクリンは、電気に「プラス」と「マイナス」という用語を適用した最初の人物でした。

フランクリンは研究を通じて、 1747年に電荷保存の電気原理を最初に証明した一人となった。^{[16] [24]}同様の発見は、1746年にウィリアム・ワトソンによって独立してなされた。フランクリンは、静電機械とライデン瓶を使った実験について詳細な手紙や文書を書いた。^{[16] [33] [34]} 1749年、フランクリンは雷が電気に似ているいくつかの点をリスト化した。^[35]彼は、雷は本質的には、静電機械によって生成された静電荷からの火花に似た巨大な電気火花にすぎないと結論付けた。^[35]彼は静電気を「電気火」、「電気物質」、または「電気流体」と呼んだ。^[31]「電気流体」という用語は、瓶が満たされ、空になったら再び満たされるという考えに基づいていた。^[3]これは、「電気火」を爆発の一種ではなく、運動または電流の流れの一種とする革命的な考えにつながった。^[36]

18世紀の電気用語のいくつかは彼の名前に由来している。例えば、静電気は「フランクリン電流」として知られていた。^[37]また、「フランクリン化」は、フランクリンがさまざまな病気の患者を治療するために、強い静電気で患者にショックを与える電気療法の一種である。 ^{[38] [39]}

フランクリンは、静電機械の実験から学んだことを基に避雷針を発明した。 ^{[11] [40]}フランクリンと彼の仲間は、静電気による火花を「引き寄せる」および「放つ」のに、先の尖った物体の方が鈍い物体よりも効果的であることを観察した。^{[12] [41]}この発見は、ホプキンソンによって最初に報告された。^[19]フランクリンは、この発見が実用的な発明に利用できるのではないかと考えた。^[42]彼は、嵐の雲から電気を引き寄せる何かを作ることができると考えたが、まずは稲妻が本当に巨大な電気火花であることを確認する必要があった。^[42]彼はコリンソンとキャドワラダー・コールデンにこの理論に関する手紙を書き、^[43]凧の実験について1752年10月19日のペンシルバニア・ガゼット紙で説明した。^{[44] [45] [46] （しかし、}アイソサーマル・コミュニティ・カレッジのトム・タッカーは、この説明には曖昧さがあるため疑念を抱いており、著書『運命のボルト：ベンジャミン・フランクリンと彼の電気凧の偽情報』でその点を指摘している。^{[47] [48]}他の人はこの見解に反対し、フランクリンは科学界の誠実さを重視していたため、このような偽の話をでっち上げることはないと主張している。^{[49] [50]}）

フランクリンは理論を検証するために、雷雨の際に行われる、死に至る可能性のある実験を提案した。それは、人が哨舎内の絶縁された椅子の上に立ち、長くて尖った鉄の棒を差し出して雷を引き寄せるという実験である。^{[15]この実験の類似した、しかし危険性の低いバージョンは、1752年}5月10日にフランスで初めて成功し、その後ヨーロッパ中で数回繰り返されたが、1753年に死亡事故が発生して以降、あまり頻繁には行われなくなった。フランクリンは、この「哨舎実験」は雷と電気が同一であることを示していると宣言した。^[15]

フランクリンは、屋根の上に先の尖った鉄の棒を置き、その棒のもう一方の端を地中深くに差し込むことで、木造の建物を落雷と、落雷によってしばしば発生する致命的な火災から守ることができることに気づいた。避雷針の鋭い先端が雲からの放電を引き寄せ、雷は木造の建物ではなく鉄の棒に落ちる。雷の電荷は棒を通って直接地面に流れ、建物を迂回して火災を防ぐ。^[51]

フランクリンの友人キナーズリーは1750年代にアメリカ東部を旅し、模型の避雷器で人工の「雷」を実演し、地面に埋めた鉄の棒が木造建築物を保護する仕組みを示した。彼は雷がフランクリンの静電機械の火花と同じ原理に従うと説明した。キナーズリーのこれらの講義は広く宣伝され、フランクリンの避雷針が一般大衆に実演された方法の1つであった。^[52]

フランクリンは、電気の研究を奨励するために、多くの親しい仲間に静電機械のコピーを配布しました。^[13] 1747年から1750年の間に、フランクリンはロンドンの友人コリンソンに、静電機械とライデン瓶の実験について、電気の原理に関する観察と理論を含む多くの手紙を送りました。^{[12]これらの手紙は集められ、1751年に}「電気に関する実験と観察」と題された本に出版されました。^{[10] [53] [54] [55]}

ジョセフ・プリーストリーが電気の歴史について執筆していたとき、フランクリンは彼に、執筆中の実験を静電機械を使って行うよう勧めた。プリーストリーはフランクリンの機械を独自に改良した機械を設計し、使用した。^[56]電気実験を再現するなかで、いくつかの未解決の疑問がプリーストリーにさらなる実験を設計するよう促し、さらなる発見につながった。1767年、彼は自身の発見をまとめた700ページの本「電気の歴史と現状」を出版した。^{[57] [58]}

18世紀の科学実験室には、通常、何らかの手動の静電機械が備え付けられていた。イタリアの科学者ルイージ・ガルヴァーニは、実験室に静電発生装置を備え、カエルの足を使った実験から、動物は生命力、つまり動物電気を発生させると結論付けた。^[59]もう一人のイタリア人科学者アレッサンドロ・ボルタは、電気効果は生物特有の何かによるものだというガルヴァーニの主張に同意せず、2つの異なる金属の間に湿った塩分を含む物質を置くだけで電気を発生できることを実証した。これが、最初の実用的な電池であるボルタ電池の発明に直接つながった。

フランクリンの死後、彼の研究からの2つの象徴的な遺物、ライデン瓶のオリジナルの「電池」と、1747年にコリンソンから贈られた「ガラス管」が、フランクリンの遺言に従って、トーマス・ホプキンソンの孫ジョセフ・ホプキンソンによって1836年に王立協会に寄贈されました。 ^[60]

• ウィスターバラ グラス ワークス
• コーベットの静電機械
• ヴァンデグラフ発電機

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• スミソニアン国立アメリカ歴史博物館にあるベンジャミン・フランクリンの電気装置（静電機械）
• ベンジャミン・フランクリンの驚くべき冒険 - 科学者と発明家 / 反対のものが引き合う、ガラスの地球儀の絵が上に描かれている
• フランクリンの静電発電機の情報と写真はメリーランド大学電気・コンピュータ工学部より。2016-12-06にWayback Machineでアーカイブされました。