آلة فرانكلين الكهروستاتيكية

آلة فرانكلين الكهروستاتيكية هي جهاز لتوليد الكهرباء الساكنة عالية الجهد ، استخدمه بنيامين فرانكلين في منتصف القرن الثامن عشر للبحث في الظواهر الكهربائية. مكوناتها الرئيسية هي كرة زجاجية تدور حول محور عبر مرفق ، ووسادة قماشية على اتصال بالكرة الدوارة، ومجموعة من الإبر المعدنية لتوصيل الشحنة التي تطورت على الكرة عن طريق احتكاكها بالوسادة، وجرة ليدن - مكثف  عالي الجهد  - لتجميع الشحنة. أدت تجارب فرانكلين مع الآلة في النهاية إلى نظريات جديدة حول الكهرباء واختراع قضيب الصواعق .

لم يكن فرانكلين أول من بنى مولدًا كهروستاتيكيًا. فقد طور العلماء الأوروبيون آلات لتوليد الكهرباء الساكنة قبل عقود من الزمان. ففي عام 1663، ولّد أوتو فون جيريكه الكهرباء الساكنة بجهاز يستخدم كرة من الكبريت. ^{[1] طوَّر} فرانسيس هاوكسبي مولدًا كهروستاتيكيًا أكثر تقدمًا حوالي عام 1704 باستخدام مصباح زجاجي به فراغ. ثم استبدل الكرة لاحقًا بأنبوب زجاجي يبلغ طوله حوالي 2.5 قدم (0.76 متر) فارغ من الهواء. ^[1] كان الأنبوب الزجاجي مولدًا ساكنًا أقل فعالية من الكرة، لكنه أصبح أكثر شيوعًا لأنه كان أسهل في الاستخدام. ^[2]

كانت الآلات التي تولد الكهرباء الساكنة باستخدام قرص زجاجي شائعة ومنتشرة على نطاق واسع في أوروبا بحلول عام 1740. ^[3] في عام 1745، اكتشف رجل الدين الألماني إيفالد جورج فون كلايست والعالم الهولندي بيتر فان موشنبروك بشكل مستقل أنه يمكن تخزين الشحنة الكهربائية من هذه الآلات في جرة ليدن ، والتي سميت على اسم مدينة ليدن في هولندا . ^[3]

في عام 1745، تبرع بيتر كولينسون ، وهو رجل أعمال من لندن كان يتراسل مع علماء أمريكيين وأوروبيين، بـ"أنبوب زجاجي" ألماني ^[4] مع تعليمات حول كيفية صنع الكهرباء الساكنة، لشركة مكتبة فرانكلين في فيلادلفيا . ^[5] كان كولينسون وكيل المكتبة في لندن وقدم أحدث أخبار التكنولوجيا من أوروبا. ^{[6] [7] [8]} كتب فرانكلين رسالة إلى كولينسون في 28 مارس 1747، ^[9] يشكره فيها، ويقول إن الأنبوب والتعليمات حفزت العديد من الزملاء وهو لبدء تجارب جادة على الكهرباء. ^[10]

في عام 1746، بدأ فرانكلين العمل على التجارب الكهربائية مع إبينيزار كينرسلي بعد أن اشترى جميع المعدات الكهربائية التي استخدمها أرشيبالد سبنسر في محاضراته. وفي وقت لاحق، ارتبط أيضًا بتوماس هوبكنسون وفيليب سينج في إجراء التجارب على الكهرباء. ^{[11] [12]} في صيف عام 1747، تلقوا نظامًا كهربائيًا من توماس بن . ^[13] وبينما لا توجد سجلات لإخبار الأجزاء المضمنة في النظام على وجه التحديد، يعتقد المؤرخ جيه إيه ليو ليماي أنه كان مزيجًا من آلة توليد الكهرباء وجرة ليدن وأنبوب زجاجي وكرسي معزول كهربائيًا عن الأرض. ^{[13] [14]} وقد أعطى هذا فرانكلين نظامًا كاملاً للتجربة في توليد وتخزين الكهرباء. ^[7]

عندما يتم فرك العنبر أو الكبريت أو الزجاج بمواد معينة، فإنها تنتج تأثيرات كهربائية. ^[15] افترض فرانكلين أن "النار الكهربائية" هذه تم جمعها من هذه المادة الأخرى بطريقة ما، ولم يتم إنتاجها عن طريق الاحتكاك بالجسم. ^{[16] [17]} قرر التقاعد مبكرًا من عمله في الطباعة، وهو لا يزال في أوائل الأربعينيات من عمره، لقضاء المزيد من الوقت في دراسة الكهرباء. في عام 1748، سلم فرانكلين عمله في الطباعة بالكامل لشريكه ديفيد هول . ^[18] انتقل إلى منزل جديد في فيلادلفيا مع زوجته، حيث بنى مختبرًا لإجراء التجارب والبحث في النظريات الكهربائية الجديدة. ^{[19] [20]} لم يجرب فرانكلين فقط الآلة الكهروستاتيكية مع الكرة الزجاجية، ولكن أيضًا مع جرة ليدن. ^[21] احتفظ بمذكرات مفصلة لأبحاثه في مذكرات تسمى "الدقائق الكهربائية" والتي ضاعت منذ ذلك الحين. ^[22] تم التبرع بآلة فرانكلين لشركة مكتبة فيلادلفيا من قبل حفيد فرانكلين في عام 1792، ^[4] وهي معروضة حاليًا في معهد فرانكلين .

استخدمت آلة فرانكلين نظام حزام وبكرة يمكن تشغيله بواسطة شخص واحد يدير مرفقًا. ^[21] تم ربط بكرة كبيرة بمقبض المرفق، وتم ربط بكرة أصغر بكثير بكرة زجاجية كبيرة. مر محور حديدي عبر الكرة. سمح هذا للكرة بالدوران بسرعة عالية. ^[23] عندما تم تدوير المرفق، احتكت الكرة الزجاجية بلوحة جلدية، مما أدى إلى توليد شحنة ثابتة كبيرة، مماثلة للشحنة الكهربائية التي يمكن إنشاؤها عن طريق فرك أنبوب زجاجي بقطعة قماش صوفية باليد. كانت الآلة تحسينًا فريدًا من نوعه على غيرها المصنوعة في أوروبا في ذلك الوقت، حيث يمكن تدوير الكرة الزجاجية بشكل أسرع وبجهد أقل بكثير. ^[24] كانت بضع دورات من المقبض كل ما هو مطلوب لشحن جرة ليدن. ^{[24] [25]}

كانت الكهرباء التي تنتجها الآلة، في هيئة شرارات، تمر عبر مجموعة من الإبر المعدنية الموضوعة بالقرب من الكرة الدوارة. واستمرت الشحنة الكهربائية في المرور عبر سلسلة حديدية مرصعة بالخرز، والتي كانت تعمل كموصل، إلى جرة ليدن التي استقبلت الكهرباء. ^{[26] [27] [28]} أطلق فرانكلين على الشرارات التي تنتجها الآلة اسم "النار الكهربائية". ^[7]

كانت الكرات الزجاجية، المعروفة باسم "الكرات الكهربائية"، ^[29] مصنوعة من زجاج مصمم علميًا لإنتاج الكهرباء الساكنة بشكل فعال. ^[30] حدد فرانكلين المواد التي سيتم استخدامها في تركيبة الزجاج، وتم تصنيع الكرات بواسطة كاسبار ويستار ، وهو زميل مقرب من فرانكلين. ^{[13] كما صنعت} شركة Wistarburgh Glass Works زجاجًا علميًا لجرار ليدن التي استخدمها فرانكلين في خمسينيات القرن الثامن عشر. ^{[13] [29]}

تقدمت تجارب فرانكلين مع جرار ليدن إلى ربط العديد من جرار ليدن معًا في سلسلة، مع "تعليق واحدة على ذيل الأخرى". يمكن شحن جميع الجرار في السلسلة في وقت واحد، مما يضاعف التأثير الكهربائي. ^[31] تم إنشاء جهاز مماثل في وقت سابق بواسطة دانييل جرالات . أطلق فرانكلين على هذا الجهاز " بطارية كهربائية "، ^[4] لكن هذا المصطلح أصبح له معنى مختلف فيما بعد، مشيرًا بدلاً من ذلك إلى مجموعة من خلية جلفانية واحدة أو أكثر . في ذلك الوقت، كانت كلمة "بطارية" مصطلحًا عسكريًا لمجموعة من المدافع . ^[32] كان فرانكلين أول من طبق مصطلحي "إيجابي" و"سلبي" على الكهرباء.

من خلال أبحاثه، كان فرانكلين من أوائل من أثبتوا المبدأ الكهربائي لحفظ الشحنة في عام 1747: ^{[16] [24]} تم اكتشاف مماثل بشكل مستقل في عام 1746 من قبل ويليام واتسون . كتب فرانكلين رسائل ووثائق مفصلة حول تجاربه مع الآلة الكهروستاتيكية وجرار ليدن. ^{[16] [33] [34]} في عام 1749، وضع فرانكلين قائمة بالعديد من الطرق التي يتشابه فيها البرق مع الكهرباء. ^[35] وخلص إلى أن البرق لم يكن في الأساس أكثر من شرارات كهربائية عملاقة، تشبه الشرارات من الشحنات الساكنة التي تنتجها آلته الكهروستاتيكية. ^[35] وأشار إلى الكهرباء الساكنة باسم "النار الكهربائية" أو "المادة الكهربائية" أو "السائل الكهربائي". ^[31] استند مصطلح "السائل الكهربائي" إلى فكرة أنه يمكن ملء الجرة وإعادة تعبئتها عندما تصبح فارغة. ^[3] أدى ذلك إلى الفكرة الثورية المتمثلة في "النار الكهربائية" كنوع من الحركة أو تدفق التيار بدلاً من نوع من الانفجار. ^[36]

اشتُقت العديد من المصطلحات الكهربائية في القرن الثامن عشر من اسمه. على سبيل المثال، عُرفت الكهرباء الساكنة باسم "تيار فرانكلين"، ^[37] و" الفرانكلينية " هي شكل من أشكال العلاج الكهربائي حيث صعق فرانكلين المرضى بشحنات ساكنة قوية لعلاج المرضى المصابين بأمراض مختلفة. ^{[38] [39]}

اخترع فرانكلين قضيب الصواعق بناءً على ما تعلمه من التجارب التي أجراها على آلته الكهروستاتيكية. ^{[11] [40]} لاحظ فرانكلين وزملاؤه أن الأشياء المدببة كانت أكثر فعالية من الأشياء غير الحادة في "سحب" و"إلقاء" الشرارات من الكهرباء الساكنة. ^{[12] [41]} تم الإبلاغ عن هذا الاكتشاف لأول مرة من قبل هوبكنسون. ^[19] تساءل فرانكلين عما إذا كان يمكن استخدام هذا الاكتشاف في اختراع عملي. ^[42] لقد اعتقد أنه يمكن صنع شيء لجذب الكهرباء من سحب العاصفة، ولكن كان عليه أولاً التحقق من أن صواعق البرق هي في الواقع شرارات كهربائية عملاقة. ^[42] كتب رسائل إلى كولينسون وكادوالادر كولدن حول هذه النظرية، ^[43] ووصف تجربة الطائرة الورقية في عدد 19 أكتوبر 1752 من جريدة بنسلفانيا جازيت . ^{[44] [45] [46]} (يشكك توم تاكر من كلية المجتمع الأيزوثرمية في الرواية، ومع ذلك، بسبب الغموض في الرواية ويشير إلى ذلك في كتابه Bolt of Fate: Benjamin Franklin and his Electric Kite Hoax . ^{[47] [48]} يختلف آخرون مع هذا الرأي، بحجة أن فرانكلين لن يختلق مثل هذه القصة المزيفة لأنه يقدر نزاهة المجتمع العلمي. ^{[49] [50]} )

لاختبار نظريته، اقترح فرانكلين تجربة مميتة محتملة، ليتم إجراؤها أثناء عاصفة كهربائية، حيث يقف الشخص على كرسي معزول داخل صندوق حراسة، ويمد قضيبًا حديديًا طويلًا مدببًا لجذب صاعقة. ^[15] تم إجراء نسخة مماثلة ولكنها أقل خطورة من هذه التجربة لأول مرة بنجاح في فرنسا في 10 مايو 1752، وتكررت لاحقًا عدة مرات أخرى في جميع أنحاء أوروبا، على الرغم من أنه بعد وفاة شخص في عام 1753 تم تجربتها بشكل أقل. أعلن فرانكلين أن "تجربة صندوق الحراسة" هذه أظهرت أن البرق والكهرباء هما نفس الشيء. ^[15]

أدرك فرانكلين أن المباني الخشبية يمكن حمايتها من ضربات الصواعق والحرائق المميتة التي غالبًا ما تنتج عنها، وذلك بوضع قضيب حديدي مدبب على سطح المبنى، مع وضع الطرف الآخر من القضيب عميقًا في الأرض. ستجذب النقطة الحادة لقضيب الصواعق التفريغ الكهربائي من السحابة، وستضرب صاعقة البرق قضيب الحديد بدلاً من المبنى الخشبي. ستتدفق الشحنة الكهربائية من الصاعقة عبر القضيب مباشرة إلى الأرض، متجاوزة الهيكل، ومنع نشوب حريق. ^[51]

سافر صديق فرانكلين كينرسلي عبر شرق الولايات المتحدة في خمسينيات القرن الثامن عشر ليُظهر "البرق" الذي صنعه الإنسان على نماذج لمنازل الرعد لإظهار كيف يمكن لقضيب حديدي موضوع في الأرض أن يحمي هيكلًا خشبيًا. وأوضح أن البرق يتبع نفس المبادئ التي تتبعها الشرارات من آلة فرانكلين الكهروستاتيكية. تم الإعلان عن هذه المحاضرات التي ألقاها كينرسلي على نطاق واسع، وكانت إحدى الطرق التي تم بها عرض قضيب الصواعق الذي ابتكره فرانكلين للجمهور العام. ^[52]

قام فرانكلين بتوزيع نسخ من الآلة الكهروستاتيكية على العديد من زملائه المقربين لتشجيعهم على دراسة الكهرباء. ^[13] بين عامي 1747 و1750، أرسل فرانكلين العديد من الرسائل إلى صديقه كولينسون في لندن حول تجاربه مع الآلة الكهروستاتيكية وجرة ليدن، بما في ذلك ملاحظاته ونظرياته حول مبادئ الكهرباء. ^[12] تم جمع هذه الرسائل ونشرها في عام 1751 في كتاب بعنوان تجارب وملاحظات حول الكهرباء . ^{[10] [53] [54] [55]}

بينما كان جوزيف بريستلي يكتب عن تاريخ الكهرباء، شجعه فرانكلين على استخدام آلة كهروستاتيكية لإجراء التجارب التي كان يكتب عنها. صمم بريستلي واستخدم نسخته الخاصة من آلة فرانكلين. ^[56] أثناء تكرار التجارب الكهربائية، دفعت بعض الأسئلة التي لم تتم الإجابة عليها بريستلي إلى تصميم تجارب إضافية، مما أدى إلى اكتشافات إضافية. في عام 1767، نشر كتابًا من 700 صفحة عن اكتشافاته بعنوان تاريخ وحالة الكهرباء الحالية . ^{[57] [58]}

كانت المختبرات العلمية في القرن الثامن عشر تحتوي عادةً على شكل من أشكال الآلات الكهروستاتيكية التي تعمل يدويًا. كان لدى العالم الإيطالي لويجي جالفاني مولد كهروستاتيكي في مختبره، حيث قادته التجارب التي أجراها على أرجل الضفادع إلى استنتاج أن الحيوانات تولد قوة حيوية، وهي الكهرباء الحيوانية . ^[59] اختلف عالم إيطالي آخر، أليساندرو فولتا ، مع ادعاء جالفاني بأن التأثيرات الكهربائية كانت بسبب شيء غريب في المادة الحية، وأثبت أنه يمكن توليد الكهرباء بمجرد وضع مادة مبللة ومالحة بين معدنين مختلفين. أدى هذا مباشرة إلى اختراع أول بطارية كهربائية عملية، وهي البطارية الفولتية .

بعد وفاة فرانكلين، تم التبرع باثنين من القطع الأثرية المميزة من أبحاثه، "البطارية" الأصلية لجرار ليدن، و"الأنبوب الزجاجي" الذي كان هدية من كولينسون في عام 1747، إلى الجمعية الملكية في عام 1836 من قبل حفيد توماس هوبكنسون جوزيف هوبكنسون ، وفقًا لوصية فرانكلين. ^[60]

• مصنع ويستاربورج للزجاج
• آلة كوربيت الكهروستاتيكية
• مولد فان دي جراف

• أفيري، جون سكيلز (2016). العلم والمجتمع. مجلة العلوم العالمية . رقم ISBN 978-981-3147-73-7.
• بويز، أليكس (2015). "خدعة الطائرة الورقية الكهربائية". متحف الخدع . تم الاسترجاع في 6 فبراير 2017 .
• بريدنباو، كارل (2012). الحرفي الاستعماري. شركة كورير . رقم الكتاب المعياري الدولي 978-0-486-14473-3.
• كوهين، آي. برنارد (1956). فرانكلين ونيوتن: تحقيق في العلوم التجريبية النيوتونية المضاربة وعمل فرانكلين في الكهرباء كمثال عليها . مطبعة جامعة هارفارد .
• كوهين، آي. برنارد (1990). علم بنيامين فرانكلين . مطبعة جامعة هارفارد . ص. 61. ISBN 978-0-674-06659-5. أنبوب زجاجي من بيتر كولينسون هدية فرانكلين.
• كولسون، توماس (1950). جوزيف هنري: حياته وعمله . مطبعة جامعة برينستون . لقد منحته أجواء فيلادلفيا وزملاءه فرصة استثنائية لممارسة مهاراتهم مع الآلة الكهروستاتيكية. ونتيجة لذلك، كانت العديد من تجاربهم ذات طابع أصلي. مكنت تجربة الطائرة الورقية الشهيرة مجموعة فيلادلفيا من إثبات ما افترضه الآخرون، وهو أن البرق مطابق للشحنة الخفيفة من الكهرباء الناتجة عن احتكاك الآلة الكهروستاتيكية. اخترع فرانكلين قضيب الصواعق، الذي سجل في التاريخ باعتباره أول اختراع كهربائي عملي.
• كرين، فيرنر وينسلو (1954). بنيامين فرانكلين وشعب صاعد . ليتل، براون وشركاه .
• فينجر، ستانلي (2012). طب الدكتور فرانكلين. مطبعة جامعة بنسلفانيا . ISBN 978-0-8122-0191-8.
• فرانكلين، بنيامين (1751). "التجارب والملاحظات على الكهرباء". إي. كيف . تم الاسترجاع في 28 أكتوبر 2016 - عبر مكتبات سميثسونيان .
• جارشي، يورجن (2013). موسوعة مصادر الطاقة الكهروكيميائية. نيونس . ISBN 978-0-444-52745-5.
• جريجوري، جورج (1822). قاموس الفنون والعلوم. كولينز وشركاه .
• Grimnes, Sverre (2014). أساسيات المعاوقة الحيوية والكهرباء الحيوية. Academic Press . ISBN 978-0-12-411533-0.
• إيزاكسون، والتر (2004). بنيامين فرانكلين: حياة أمريكية. سايمون وشوستر . ISBN 978-0-7432-5807-4.
• جاكسون، جو (2005). العالم يحترق. فايكنج . رقم ISBN 978-0-670-03434-5.
• ليماي، جا ليو (1987). بنجامين فرانكلين: كتابات. مجموعة البطريق الولايات المتحدة الأمريكية . رقم ISBN 978-0-940450-29-5.
• Lemay, JA Leo (2009). حياة بنيامين فرانكلين، المجلد 3: الجندي، والعالِم، والسياسي، 1748-1757 . مطبعة جامعة بنسلفانيا . ISBN 978-0-8122-4121-1.
• لين، باري سي. (2009). محاصرون: الرأسمالية الاحتكارية الجديدة واقتصاد الدمار . جون وايلي وأولاده . رقم ISBN 978-0-470-55703-7.
• ماكلين، جون (1877). تاريخ كلية نيوجيرسي: من نشأتها في عام 1746 إلى افتتاحها في عام 1854. ليبينكوت .
• ماثيوز، روبرت (1 يونيو 2003). "تجربة طائرة ورقية مزيفة لبنجامين فرانكلين". صحيفة التلغراف . تم الاسترجاع في 6 فبراير 2017 .
• ماكجراث، كيمبرلي أ. (2001). موسوعة جيل للعلوم: الكارثية-حقيقيات النوى . مجموعة جيل . رقم ISBN 978-0-7876-4372-0.
• ماكنيكول، توم (2006). AC/DC: The Savage Tale of the First Standards War. John Wiley & Sons . ISBN 978-1-118-04702-6.
• مورجان، إدموند سيرز (2003). بنيامين فرانكلين . مطبعة جامعة ييل . ISBN 978-0-300-10162-1.
• Malmivuo, Jaakko; Plonsey, Robert (1995). Bioelectromagnetism: Principles and Applications of Bioelectric and Biomagnetic Fields. Oxford University Press . ISBN 978-0-19-505823-9.
• باسلز، بول سي. (2008). أرقام بنيامين فرانكلين: ملحمة رياضية غير معروفة. مطبعة جامعة برينستون . رقم ISBN 978-0-691-12956-3.
• باينسون، لويس. جوفين، جان فرانسوا (2002). فن تدريس الفيزياء. Les Éditions du Septentrion . رقم ISBN 978-2-89448-320-6.
• شافر، لاري إي. (1992). تولي المسؤولية: مقدمة إلى الكهرباء. دار نشر إن إس تي إيه . رقم ISBN 978-0-87355-110-6.
• شيفر، مايكل ب. (2003). ارسم البرق. مطبعة جامعة كاليفورنيا . ISBN 0-520-23802-8.
• شيفر، مايكل ب. (2004). "صاعقة القدر: بنيامين فرانكلين وخدعة الطائرة الورقية الكهربائية (مراجعة)". التكنولوجيا والثقافة . 45 (4): 839-840. doi :10.1353/tech.2004.0202. S2CID  109344397.
• سكوفيلد، روبرت إي. (1997). التنوير عند جوزيف بريستلي. مطبعة ولاية بنسلفانيا . رقم ISBN 0-271-04083-1.
• سيكور، روبرت (1975). بنسلفانيا: 1776. مطبعة جامعة ولاية بنسلفانيا . رقم ISBN 978-0-271-01217-9.
• تالبوت، بيج (2005). البحث عن عالم أفضل. مطبعة جامعة ييل . رقم ISBN 978-1-4379-6732-6.
• تاكر، توم (2005). صاعقة القدر. الشؤون العامة . رقم ISBN 978-0-7867-3942-4.
• والدستريشر، ديفيد (2005). أمريكا الهاربة. فارار وستراوس وجيرو . رقم ISBN 978-0-8090-8315-2.

• جهاز بنيامين فرانكلين الكهربائي (آلة كهروستاتيكية) في متحف سميثسونيان الوطني للتاريخ الأمريكي
• المغامرات المذهلة لبن فرانكلين – عالم ومخترع / الأضداد تتجاذب مع صورة كرة زجاجية في الأعلى
• معلومات وصور عن مولد فرانكلين الكهروستاتيكي من قسم الهندسة الكهربائية والحاسوب بجامعة ماريلاند. محفوظ في 2016-12-06 على موقع واي باك مشين