フランクリンベル（雷ベルとも呼ばれる）は、ライデン瓶や避雷針を用いて電荷の測定を行う初期の実験装置です。フランクリンベルは電荷の定性的な指標に過ぎず、研究というよりは単純な実験に用いられました。このベルは、電気エネルギーを機械エネルギーに変換する最初の装置を改良したもので、連続的な機械的運動、つまりベルクラッパーを2つの反対の電荷を持つベルの間を往復させることによって実現しました。[1]
歴史
雷の現象に関する科学的研究は、ベンジャミン・フランクリンに始まる。彼は、雷は大規模な放電であるという仮説を支持する類推的証拠を蓄積した。[2] : 148 18世紀半ば、落雷は建物や構造物にとって深刻な問題であり、損害や、時には火災さえも引き起こした。フランクリンは、雷の性質を理解し、その破壊的な影響から建物を守る方法を見つけようとした。[3]彼は、落雷が様々なタイプの建物にどのような影響を与えるかを観察することから研究を始めた。彼は、建物によっては他の建物よりも落雷に対して脆弱であること、そして、尖った屋根の建物は平らな屋根の建物よりも落雷される可能性が高いことに気づいた。また、雷は金属棒や電線などの導電路に沿って進むようで、これらの経路を利用して落雷を建物から逸らすことができることを観察した。[4]
これらの観察に基づき、フランクリンは避雷針というアイデアを考案しました。避雷針は、通常銅またはアルミニウム製の金属棒または導体で構成され、建物の屋根に設置され、導線によって地面に接続されます。雷が落ちると、避雷針は電荷にとって抵抗が最も少ない経路を提供し、電荷が建物を通過して損傷を引き起こすのではなく、安全に地面に伝導されます。避雷針の発明は電気工学分野における画期的な進歩であり、数え切れないほどの建物と人命を落雷の破壊的な影響から救ってきました。[4]
フランクリンベルは、電気実験の際にこのベルを早期に導入したベンジャミン・フランクリンにちなんで名付けられました。[2] : 143 その前身は、ドイツのエアフルト大学の自然哲学教授でスコットランドの発明家アンドリュー・ゴードンによって発明されました。[5] 1742年、彼は「電気チャイム」として知られる装置を発明し、これは電気の教科書に広く記載されています。フランクリンはゴードンのアイデアを利用し、1つのベルを煙突に取り付けた先の尖った避雷針に接続し、もう1つのベルを地面に接続しました。彼の論文の1つには、次のような記述があります。
1752年9月、私は雷を家の中に引き寄せる鉄棒を立て、いくつかの実験を行いました。鉄棒に電流を流すタイミングを知らせるベルも2つ付けました。すると、雷鳴や雷鳴がなく、鉄棒の上に暗い雲がかかっているだけの時でもベルが鳴ることがありました。また、稲妻が走った後、突然ベルが鳴らなくなることもあれば、それまで鳴らなかったのに、稲妻が走った後、突然ベルが鳴り始めることもありました。電気は非常に微弱な時もあり、小さな火花が散っても、しばらくは再び火花が散りません。また、火花が非常に速く飛ぶ時もあり、ある時は、カラスの羽根ほどの大きさの火花がベルからベルへと絶え間なく流れました。同じ突風の中でも、ベルの電流にはかなりの変動がありました。[6]
この実験を通して、フランクリンは電気が流体のように振る舞い、導電性物質を流れ、その過程で様々な作用を引き起こすことを実証しました。フランクリンの鐘と避雷針を用いた実験は、当時としては画期的なものでした。電気の性質とその特性を明確に示し、この分野における更なる実験と発見の基礎を築いたからです。[7]
フランクリンの鐘を使った実験は、雷や雷雨以外にも電気が存在することを発見する上で極めて重要な役割を果たしました。鐘の奇妙な性質はフランクリンの興味を掻き立て、さらなる仮説を導きました。
設計と運用
鐘は、横木が付いた金属製の台座から成り、そこから3つの鐘が吊り下げられています。外側の2つの鐘は導電性の金属鎖で吊り下げられ、中央の鐘は非導電性の糸で吊り下げられています。これらの鐘の間には、非導電性の糸に吊り下げられた2つの金属製の拍子木（小さな振り子）が吊り下げられています。中央の鐘からは短い金属製の鎖が吊り下げられています。
フランクリン時計の動作システムは、電界によって発生する静電気力を使用して、2つの金属製のベルを叩く振り子を動かすことを想定しています。[8] [9]フランクリンベルは、電流を引き付けるために金属棒を避雷針として使用します。 1つのベルは避雷針に接続され、もう1つのベルは地面に接続されます。 金属製の破城槌が絶縁電線で2つのベルの間に吊り下げられています。 雷雨の前の負に帯電した雲は、避雷針を負に帯電させ、それに接続されたベルも負に帯電させます。 金属ボールは引き寄せられ、完全に充電されたベルに衝突します。 ボールが最初のベルに当たると、同じ電位で充電されるため、再び反発します。 反対側のベルは逆方向に帯電しているため、これもボールを引き付けます。 ボールが2番目のベルに当たると、電荷が移動し、電荷が再びバランスするまでこのプロセスが繰り返されます。[10] [11]嵐の前に、この装置は雷の研究に夢中になっていたフランクリンに雷を追いかけるよう促すために鳴った。
現代の衝撃
ベンジャミン・フランクリンのベルと避雷針を使った実験は、現代においても電気現象の代表的な例として広く知られています。この実験は改良・改良を重ね、現在では電気に関する様々な概念を説明するために、教室や実演で広く用いられています。[1]
例えば、この実験は電流の概念と、それが導体をどのように流れるかを示すのに使えます。ベルを金属線でつなぎ、避雷針に電荷を流すことで、生徒たちは金属線を通る電荷の流れを観察し、その結果生じる電磁気効果によってベルが鳴る様子を観察することができます。[5]
この実験は、静電気の性質や、金属線を通して静電気がどのように伝導し、電流を発生させるかを説明するのにも使えます。風船などの物体をこすって静電気を発生させ、その静電気でベルを鳴らすことで、生徒たちは静電気の影響を実際に見て、静電気をどのように利用し、制御できるかを学ぶことができます。[5]フランクリンベルは現在、高校や大学の物理学入門コースでよく使われる電気実験のデモンストレーションとなっています。
参照
- オックスフォード大学にある静電ベルのセットであるオックスフォード電気ベルは、1840年から鳴り続けています。
- 雷予測システム
参考文献
- ^ ab Krotkov, RV; Tuominen, MT; Breuer, ML (2001). 「フランクリンの鐘」と電荷輸送の学部生実験としての利用」 American Journal of Physics . 69 (1): 50– 55. Bibcode :2001AmJPh..69...50K. doi :10.1119/1.1313519. ISSN 0002-9505.
- ^ ab コーエン、I. バーナード (1995).科学と建国の父. ノートン. ISBN 0-393-03501-8。
- ^ コーエン、I. バーナード (1952). 「ベンジャミン・フランクリンの2つの雷実験と避雷針の導入から200周年」アメリカ哲学会報. 96 (3): 331– 366. ISSN 0003-049X. JSTOR 3143838.
- ^ ab Krider, E. Philip (2006). 「ベンジャミン・フランクリンと避雷針」. Physics Today . 59 (1): 42– 48. Bibcode :2006PhT....59a..42K. doi : 10.1063/1.2180176 . ISSN 0031-9228. S2CID 110623159.
- ^ abc コリンズ、ニック (2013).電子音楽. マーガレット・シェデル、スコット、11月26日 - ウィルソン、ケンブリッジ、p. 26. ISBN 978-1-107-01093-2. OCLC 822560190。
{{cite book}}: CS1 メンテナンス: 場所の発行元が見つかりません (リンク) - ^ フランクリン、ベンジャミン（1753年9月）。「ベンジャミン・フランクリンからピーター・コリンソンへ、1753年9月」国立公文書館。
- ^ オライリー、マイケル・フランシス（1909年）『電気の創造者たち』インターネットアーカイブ、ニューヨーク：フォーダム大学出版局。
{{cite book}}: CS1 maint: 発行者の所在地 (リンク) - ^ Resnick, R.、Halliday, D.、Krane, KS、Física Vol.2、5 編(CECSA メキシコ、2004)
- ^ シアーズ、FW、ゼマンスキー、MW、ヤング、HD、フリードマン RA: Física Universitaria、12 Édición.Vol. 1 年 2. (アディソン・ウェスリー・ロングマン/ピアソン教育、1980)
- ^ SC Firmenich、「フランクリンのベル：電気エネルギーを連続的な機械運動に変換する」、2021 IEEE Integrated STEM Education Conference (ISEC)、プリンストン、ニュージャージー州、米国、2021年、pp. 222-222、doi :10.1109/ISEC52395.2021.9763971
- ^ Castro-Arce, L., Isasi-S, LF, Figueroa-N, C., Molinar-T, ME, & Campos-G, JC (2015). フランクリンベルをベースとした放電システム. Journal of Multidisciplinary Engineering Science and Technology (JMEST), 2(6), 1567. http://www.jmest.org/wp-content/uploads/JMESTN42350860.pdf より取得
外部リンク
- ベンジャミン・フランクリンの稲妻の鐘（フランクリン研究所）
- フランクリンの鐘（ゴードンの鐘） 2013年8月9日アーカイブ - Wayback Machine (PV Scientific Instruments)
- 「フランクリンの鐘」と電荷輸送に関する学部実験（アメリカ物理学ジャーナル）
- フランクリンの鐘（リサーチメディア＆サイバネティクス）
