Опыты Франклина

В ходе экспериментов было установлено, что если проводник изолировать с помощью стекла, смолы или воздушной прослойки и предотвратить потерю электричества, то величину электрического заряда можно довести до весьма больших значений. Наиболее известное устройство такого типа называется лейденской банкой. Впервые его изготовил в 1745 году немецкий естествоиспытатель Е. фон Клейст, но свою известность оно получило благодаря работам, выполненным в Лейденском университете (Голландия), где его независимым образом сконструировал и испытал другой ученый, П. Муссенброк. Лейденская банка - пример того, что мы теперь называем конденсатор, то есть представляет собой две проводящие поверхности, разделенные тонким слоем изолятора, на которых может накапливаться и храниться электрический заряд.

В лейденской банке заряд собирался на двух листах оловянной фольги, которыми большая стеклянная банка была обложена изнутри и снаружи, заряд на пластины подавался через медные цепочки. Если прикоснуться к заряженной банке, можно получить сильный электрический удар. С помощью такого устройства можно получить и электрическую искру. Чем больше накопленный заряд, тем больше вероятность, что заряженное тело разрядится. Сила, под действием которой электроны перетекают из области избыточного заряда (отрицательный полюс) в область дефицита заряда (положительный полюс), называется электродвижущей силой (ЭДС), или электрическим потенциалом. Если электрический потенциал слишком высок, электроны могут пробить слой изолятора между полюсами. Этот процесс сопровождается яркой искрой и громким треском. Искра вызвана одновременным столкновением множества электронов с молекулами воздуха, а треск - мгновенным расширением нагретого воздуха, после которого следует хлопок холодного воздуха, врывающегося в образовавшееся разреженное пространство.
 
Возникло намерение проверить, не теми ли причинами обусловлен блеск молнии и раскаты грома во время грозы. Такое предположение первым высказал британский ученый В. Уолл В 1708 году. Чтобы проверить эту идею, в 1752 году Б. Франклин поставил свой знаменитый опыт. Во время разыгравшейся грозы он запустил воздушного змея с острым проводом (антенна), удерживая его, привязав электропроводной шелковой нитью. Стоило Франклину приблизить свою руку к металлическому ключу, который он привязал к шелковой нити, как тут же появлялась яркая искра. Тем самым Франклин продемонстрировал, что грозовые облака накапливают мощный электрический заряд, а молнии и гром вызваны "лейденской банкой в небе", где одним полюсом служит заряженное облако, а другим - земная поверхность.
 
Франклину здорово повезло, что он остался в живых после своего смелого эксперимента. Некоторые, другие исследователи, пытавшиеся повторить его опыт, погибли на месте от прошившего их тело мощного электрического разряда.

После своего опыта Франклин изобрел молниеотвод: обычный железный стержень устанавливался на самой высокой точке строительной конструкции и скреплялся с металлическим проводом, конец которого был зарыт в землю. Торчащий конец стержня притягивал к себе заряд, стекающий с грозовых облаков, а в случае молнии электрический заряд безопасно отводился в землю.

В результате массовой установки таких молниеотводов по всему миру резко уменьшилось количество человеческих жертв и пожаров, вызванных грозами. Достаточно сказать, что каждый год на Земле наблюдается до 2 миллиардов вспышек молнии, от которых погибает около 20, а получают увечья до 80 человек ежедневно!

Опыт Франклина имел два "электрифицирующих" эффекта. Во-первых, во всем мире резко поднялся интерес к практическому использованию электрической энергии. А во-вторых, американские колонии заявили о себе в масштабе общемировой культуры. Когда четверть века спустя Франклин представлял в Версале новорожденные Соединенные Штаты Америки и просил о поддержке юного государства, то завоевал заслуженное уважение не только как политик, но и как ученый.

После опытов Франклина исследования в области электричества приняли лавинообразный характер. 

Описание этого классического опыта, чтобы избежать неточностей и искажений, приводим, цитируя знаменитого французского астронома Камилла Фламмариона по его книге «Атмосфера», изданной в 1900 г. [49].
«Франклин, действительно, возымел дерзкую мысль искать молнии в облаках, так как убедился еще предварительно, что остроконечный металлический шест, поднятый на большую высоту, привлекает электричество из грозовой тучи. Он с большим нетерпением ждал постройки высокой колокольни в Филадельфии; но, наконец, это ему надоело, и он решил попробовать другое средство, более подручное и не менее действенное. Так как дело было только в том, чтобы поднять металлическое острие на большую высоту, к самым грозовым облакам, то Франклину пришло в голову, что простой бумажный змей, которым играют дети, вполне и с выгодой может заменить собою колокольню. Взяв с собой поэтому шелковый платок, две крестообразно связанные палочки и длинную веревку, он вместе с сыном отправился за город попытать счастья. Из опасения быть осмеянным, как это всегда случается при неудачах, он хранил свое предприятие в строгой тайне. Пустили змея. Многообещавшие облака, которые в это время проходили, не произвели никакого эффекта. Все было покойно – ни искры, никаких проявлений электричества. После долговременного ожидания, однако же, волокна веревки стали то подниматься, то опускаться, как бы притягиваемые и отталкиваемые. Ободренный этим, Франклин подставил палец к концу веревки и получил искру, за которою последовали другие. Таким образом, в первый раз гений человека поймал молнию».
Мысли Франклина об электрическом происхождении молнии настолько увлекли современников, что опыты по извлечению молнии с облаков стали проводиться повсеместно.
Французский чиновник де Рома в том же июне 1752 г., ничего не зная об опыте Франклина, повторил его, причем поступил еще правильнее (но и опаснее!). Он проложил в веревку своего воздушного змея тонкую железную проволоку длиной 260 м и получил очень большие искры. Во время грозы эти искры были настоящими молниями. «Представьте себе, – писал он, – языки пламени в 9 – 10 футов длины в 1 дюйм ширины, сопровождаемые звуком, похожим на пистолетный выстрел!»
Как тут никого не убило – просто диву даешься! А ведь при опытах было много зевак. Один раз де Рома был даже опрокинут сильным разрядом, но жив остался.

 А вот российскому ученому, члену Петербургской академии наук, другу Ломоносова Г. В. Рихману не повезло – он был убит разрядом, пришедшим с облаков. Он провел в свой кабинет с крыши дома изолированный железный шест, конец которого упирался в пол, будучи вставленным в стеклянный сосуд. Рихман ежедневно измерял напряжение на этом шесте. 6 августа 1753 г. во время сильнейшей грозы он стоял неподалеку от места, избегая крупных искр и проводя измерения. Вдруг в комнату вошел его знакомый; желая оградить его от приближения к смертоносному шесту, Рихман сам приблизился к нему на недозволенное расстояние. По описанию знакомого, из шеста вырвался огненный шар синеватого цвета, который ударил ученого в лоб и убил его. Заряд вышел через ногу Рихмана, пробив туфлю. Эта ужасная сцена изображена на старинной гравюре (рис. 301). Еще в древности люди пытались отвести от себя удары молний. Жрецы Древнего Египта ставили возле храмов обитые медью высокие шесты. Храм Мединет-Абу, например, еще при Рамзесе Третьем имел громоотвод из золотого стержня на высоком шесте. Знаменитый храм в Иерусалиме еще 1 500 лет назад снабдили для той же цели кольями в крыше. Но неграмотно выполненные громоотводы только увеличивали опасность удара молнии. Металлический стержень громоотвода должен быть очень хорошо заземлен, чего древние не могли знать.