Атмосферное электричество. Бенджамин Франклин

15 июня 1752 года, американский ученый, исследователь и государственный деятель Бенджамин Франклин (1706 – 1790 гг.) проводил уникальный физический эксперимент, с помощью которого хотел раз и навсегда подтвердить электрическую природу молний, ведь до этого молния считалась чем-то совершенно непостижимым, относящимся к делам исключительно божьим.

 История открытия

Он мыслил следующим образом: если грозовая туча заряжена, то поднятый вверх металлический штырь также получит электрический заряд. Зная о печальном опыте некоторых своих предшественников, он тщательно продумал все детали эксперимента. Кроме всего прочего, возведение длинного штыря стало бы сложной задачей, и Франклин решил пойти другим путем. О деталях этого своего эксперимента он написал Питеру Коллинсону в письме, датируемом 19 октября 1752 года. Коллинсон предоставлял ученому некоторые приборы для экспериментов.

Из двух легких кедровых реек был изготовлен каркас в форме креста, размером с большой шелковый платок. Этот платок был закреплен на каркасе, после чего к конструкции был прикреплен острый медный штырь для более легкого привлечения атмосферного электрического заряда. Получился воздушный змей, которого ученый и планировал запустить в ближайшую грозу. К змею была привязана длинная бечевка, которая должна была намокнуть под дождем и стать проводником электричества. К нижнему концу бечевки Франклин прикрепил ключ в качестве электрода, соединенный проволокой с лейденской банкой, затем привязал к бечевке кусок шелковой ленты с целью обезопасить себя от электрического удара. Уже тогда Франклин четко понимал важную роль заземления.

Эксперимент проводился на одном из полей города Филадельфии, штат Пенсильвания. Франклин позвал в качестве помощника своего 21 летнего сына, который часто изображается ребенком на традиционных иллюстрациях этой легендарной сцены. Он понимал, какому осмеянию подвергались экспериментаторы, поэтому совершенно не афишировал запланированный эксперимент. Во время приближающейся грозы змей был запущен прямо под грозовые облака, а Франклин с сыном укрылись под крышей сарайчика, стоявшего на поле, и внимательно наблюдали за происходящим. Прошло несколько минут, экспериментатор видел, как одно за другим грозовые облака проходят над змеем, но видимых признаков электричества нет. Через некоторое время ученый обратил внимание на то, как кусочки бечевки словно расталкиваются друг от друга, он понял, что это очень похоже на то, как нити расталкиваются, находясь на общем проводе под действием статического электричества. Стало ясно, что лейденская банка заряжена, и чуть приблизив руку к ключу, Франклин получил легкий удар электрического тока. Так была раз и навсегда доказана электрическая природа молнии.

Биография Бенджамина Франклина

Почти каждый из нас знает этого человека в лицо. Но мало кому известно, чем он прославился
Американец Бенджамин Франклин (1706-1790) – одна из самых колоритных личностей в мировой истории. Он был ученым, писателем, дельцом, дипломатом, политическим деятелем. Как многим талантливым людям, ему пришлось пробиваться наверх из бедных слоев общества. Ему помогали в этом природные энергия и смекалка, а еще – умение ладить с людьми, этим качеством он славился всю жизнь. Франклин родился в Бостоне в семье ремесленника, переселившегося из Англии в связи с религиозными преследованиями. В этой многодетной семье он был пятнадцатым ребенком. Его официальное образование закончилось годом учебы в бостонской школе – отец не мог платить за обучение, и подросток пошел работать в типографию к старшему брату. Дело книгопечатания он освоил очень быстро, много читал. Когда брат Джеме начал издавать местную газету, Бенджамин стал активным сотрудником, подавая свои первые рукописи анонимно.
В биографиях великих людей мы часто замечаем некий поворотный момент, который на первый взгляд является неблагополучным, отторгает человека от семьи, постоянного дохода или создает какое-то иное препятствие, чтобы вывести его на самостоятельный жизненный путь. Не то, чтобы старший брат эксплуатировал младшего Бенджамина, он скорее завидовал его таланту, и Франклину пришлось покинуть налаженное дело и несколько лет скитаться в поисках фортуны. Сменив несколько типографий, сначала в Америке, затем в Англии и снова на родине, он наконец заключил договор с капиталистом Мередитом и осел в Филадельфии. Наконец к Франклину пришел его первый жизненный успех: он стал единственным владельцем заведения, начал получать правительственные заказы, ему поручали даже печатать деньги. Разбогатев, он начал издавать продукцию по своему вкусу – газету и календари с полезными сведениями.

Карьера Бенджамина Франклина

Разнообразные творческие интересы уже в то время отличали Франклина от просто владельца производства. Он создал в Филадельфии литературно-научный клуб, собрал вокруг себя людей, интересовавшихся самообразованием, наукой, философским чтением. При клубе возникла публичная библиотека. Это движение распространилось на целый ряд соседних городов. Карьера Франклина начала набирать обороты, он сделался директором пенсильванской почты, затем директором почт всей английской Америки. С 1740-х годов он полностью посвящает себя общественной и научной деятельности. Далекий от совершенства общественный порядок в Филадельфии начал быстро меняться благодаря его организаторскому таланту. Заметив, что люди не хотят совместно делать нечто нужное и полезное или собирать деньги на дело, если инициатива исходила лично от него, он применил другую тактику – отошел в тень, говоря, что инициатива исходит от клуба или группы лиц. Так ему удалось создать в городе постоянную стражу и пожарную команду.

В 1749 г. основал академию – первое учебное заведение, включающее среднюю и высшую школу, созданную на общественные средства – по подписке, устроенной самим Франклином. Через несколько лет он таким же образом открыл общественный госпиталь; организовал пенсильванскую милицию, имевшую в своем распоряжении двенадцать тысяч человек, а также интендантскую часть.
Во время работы конгресса губернаторов колоний Франклин выступил с предложением создания федерации колоний, то есть государства с выбором депутатов от каждой колонии в общее собрание, с назначением президента собрания английским правительством. Конгресс проект одобрил, но английское правительство оставило проект без ответа.

Репутация “опаснейшего врага Англии”

В период обострения отношений между метрополией и колониями в связи с введением разного вида налогов (гербового сбора, налога на сахар, чай, бумагу и даже оконные стекла) Франклин не раз бывал посредником в урегулировании отношений между английским правительством и губернаторами колоний. В конце концов Франклин получил репутацию “опаснейшего врага Англии” за создание ряда памфлетов против притеснения метрополией американских колоний и за обнародование переписки одного из американских губернаторов, свидетельствовавшей о предательстве интересов колоний. В 1775 г. он был избран депутатом в колониальный конгресс и принял участие в разработке декларации независимости, объявившей колонии Соединенными Штатами. Франклину пришлось выступить и в качестве дипломата, выехать во Францию для заключения союза против Англии во время войны за независимость колоний. Там он обрел необычайную популярность – и как борец за независимость, и как крупный ученый. В последние годы войны за независимость он вернулся в Америку, был одним из трех комиссаров, уполномоченных конгрессом вести переговоры о мире. Последние годы жизни он провел мирно, счастливо и безбедно в кругу семьи, живо интересуясь наукой, поддерживая идею федерации при полном самоуправлении американских штатов, борясь за освобождение негров. Он даже направил в конгресс петицию движения аболиционистов за отмену рабовладельчества, которая, правда, осталась без ответа в 1790 г. Вообще счастливый характер Франклина позволил ему не только нажить состояние, плодотворно трудиться с юных лет, но и до старости сохранить способность к творчеству, о чем свидетельствует такой факт – в 83-летнем возрасте он изобрел двухфокусную подзорную трубу.

Считают, что научной деятельностью Франклин занялся, скопив для этого порядочное состояние и пытаясь отойти от общественных дел, что ему удавалось далеко не полностью и на сравнительно короткие сроки. Тем более поразительны результаты, достигнутые этим человеком. Известно, что Франклин изобрел громоотвод и плоский конденсатор, объяснил природу электричества, исследовал течение Гольфстрим, работал в области теплопроводности металлов, изучал распространение звука в воде, внес вклад в геологию и ботанику. В области метеорологии он ввел понятие высокого и низкого атмосферного давления, объяснил природу водяного смерча. Он уделял внимание и медицине, первым исследовав лечебные свойства ревеня и капусты кольраби. Одновременно он оставил свой след и в области гуманитарных наук – философии, политэкономии, внес вклад в методику преподавания истории в средней школе, писал и собственные исторические труды, главным из которых является “Исторический очерк конституции и правительства Пенсильвании”. Он выступал поборником реформы английского языка и письменности.

Исследователям творчества Франклина известны его экспериментальные научные работы, технические изобретения и усовершенствования. В числе последних можно назвать способ противопожарной защиты жилых зданий, использование меди для покрытия крыш, создание очков для людей с различными дефектами зрения. Однако среди самых популярных его изобретений оказался камин, вошедший в употребление как в Новом, так и в Старом свете.

Изобретение громоотвода

Электричеством он заинтересовался в сорокалетнем возрасте, увидев в Бостоне публичные опыты заезжего шотландца. Опыты были крайне несовершенны, но сам предмет изумил Франклина. Имевший к тому времени обширные знакомства, он обратился за помощью к научным кругам Англии. Член Лондонского королевского научного общества Коллинз прислал в адрес филадельфийского библиотечного общества необходимую аппаратуру с подробными инструкциями. Освоив уже известные опыты, он написал лекции-инструкции для одного из друзей, отправив его в турне по стране с платными сеансами. В лекциях указывалось, что природа молнии тождественна природе электричества. Франклин, совершенно не заботясь о собственном приоритете этого открытия и о том, что другой человек будет популяризировать его по всей стране, стремился только к одному – быстрее рассказать людям то интересное, что знал сам.

К Франклину восходит современная терминология по электричеству, понятия – батарея, конденсатор, проводник, заряд, разряд, обмотка, обозначения противоположных зарядов плюсом и минусом. Он сам и открыл эти противоположные полюса, обосновал гипотезу о материальной природе электричества, подошел к пониманию законов электростатического поля.
Франклин полагал, что любое тело является как бы губкой, насыщенной электричеством; наэлектризованное с избытком является положительно заряженным, а имеющее недостаток электрических частиц заряжено отрицательно. Со времен Франклина вошел в обиход и термин “лейденская банка” – обыкновенная закупоренная бутыль с водой, в которую был погружен металлический стержень, пропущенный через пробку. Иногда бутыль заворачивали в металлическую фольгу.

Франклин задался простым вопросом, на который было сложно ответить: где скапливается электричество – в стекле, воде или на металле?

Провел серию опытов, которые показали, что это стекло. Доказательство того, что электрический заряд собирается в диэлектрике, спустя столетие легло в основу работ Максвелла, создавшего теорию электромагнитных волн, которая, в свою очередь, привела к изобретению радио. До Франклина в науке царила теория “смоляного” и “стеклянного” видов электричества. Франклину пришлось доказывать, что нет никаких особых его видов.
Наверное, Франклина можно считать гением популяризации науки. Открыв способ укрощения волнения на воде, он устроил в Лондоне публичную демонстрацию, дождавшись сильного ветра. Он вылил бутыль масла на поверхность волнующегося пруда и показал, как мгновенно успокаивается волнение. Физика представляла для него живое дело, долженствующее иметь общественный резонанс.

Любую новую идею он прежде всего выносил на суд публики, а не на суд коллег-профессионалов. Если это и случалось, то не ждал от них мнений и решений, а предпочитал проводить публичные сеансы по электричеству или заниматься общественной работой. Для демонстрации заряженности тел электричеством он придумал следующий публичный опыт. Два человека становились на восковые подушки-изоляторы. Один трением электризовал стеклянную палочку и касался ею другого человека; оба оказывались наэлектризованными. Люди касались друг друга, сверкала искра, а публика получала доходчивые объяснения. Опыты с лейденскими банками повторяли буквально повсюду, потому что масса людей желала испытать на себе действие электрического разряда. Специально для французского короля на плацу было выстроено 180 гвардейцев, взявшихся за руки. Эта живая цепь при получении легкого электрического удара высоко подпрыгнула в воздух.

Любовь к опыту привела Франклина к идее одного из главных его изобретений – громоотвода. 12 апреля 1753 г. он провел знаменитый опыт со змеем. По углам рамки змея, сделанного из легкого шелкового платка, он поместил острия, исходя из убеждения, что острые предметы притягивают электричество. Змей был запущен в грозу, молнии притягивались остриями и передавались на бечевку, тянущуюся к земле. Чтобы изолировать бечевку от земли, Франклин привязал к ней шелковую ленту. Необходимо было следить, чтобы лента не намокала. Для этого человек, запускавший змея, стоял под крышей. Когда грозовая туча проплывала над змеем, вся система заряжалась электричеством, при этом заметили, что при намокании змея и бечевки их электропроводность сильно увеличивалась. Для накопления электрических зарядов к концу бечевки привязывали металлический ключ. Франклин писал: “Электрический огонь обильно стекает с ключа при приближении вашего пальца”.

Опыт требовал точного расчета и осмотрительности, был связан с риском для жизни. (В этом же году в России во время аналогичных экспериментов погиб Рихман, приблизившийся к наэлектризованному стержню “громовой машины”). Так ученый пришел к выводу, что громоотвод дает возможность отводить электричество по металлическим стержням в землю.
Книга Франклина об электрической природе молнии была переведена на французский, итальянский, немецкий, латинский – международный научный язык того времени. В Париже в присутствии короля и двора были проведены опыты по притяжению молнии из облаков. Франклин был избран членом Королевского общества Великобритании, почетным членом многих академий и ученых обществ зарубежных стран. Современники называли Франклина Ньютоном электричества, новым Прометеем, укротившим небесный огонь.

Однако такое кардинальное, да еще и связанное с опасным делом – электричеством – новшество, не могло быть внедрено в жизнь без острых баталий, дискуссий и курьезов. Когда один из французских домовладельцев водрузил на своем доме остроконечный громоотвод, соседи подали на него в суд. Процесс длился несколько лет. В защиту громоотвода выступил молодой адвокат Максимилиан Робеспьер, а экспертом со стороны истца выступал Жан-Поль Марат, считавший громоотвод вредным и опасным экспериментом.
В России имя Франклина впервые было упомянуто в 1752 г. в газете “Санкт-Петербургские ведомости” в связи с изобретением громоотвода. Он был первым американским ученым, которого избрали иностранным членом Петербургской академии наук по инициативе княгини Екатерины Дашковой. Первые официальные дипломатические российско-американские отношения были налажены также с помощью Бенджамина Франклина. В Париже он встречался с Д. Фонвизиным, переписывался с российским послом в Гааге князем Д. Голицыным. Н. Карамзин писал о Франклине: “Он сделался известен в двух частях света, смирил гордость британцев, даровал вольность почти всей Америке и великими открытиями обогатил науку”.