Benjamin Franklins arbejde med elektricitet

1. Franklinstavlen

På trods af navnet er Franklinstavlen opfundet af en dr. Bevis, men det var Franklin, der først undersøgte den nærmere. Vi viser tavlen på billedet til venstre. Den består af en kvadratisk glasplade på en isolerende fod; på hver side af pladen sidder der et lidt mindre stykke tinfolie, sølvpapir. Bevis satte så sølvpapiret på den ene side i forbindelse med + siden af en elektrisermaskine, og samtidig forbandt han den anden side med jorden. Så fjernede han de to forbindelser, og opdagede at når han rørte ved begge sider samtidig, så fik han et elektrisk stød. Mere fandt Bevis ikke ud af. På billedet er der ophængt en let hyldemarvskugle i en kort silkesnor. Hvis den viste side af tavlen er opladt med positiv elektricitet, strømmer en lille smule af den positive elektricitet over på hyldemarvskuglen, og den bliver så frastødt af elektriciteten på sølvpapiret. På den måde kan man se, om der er ladning på tavlen. Der sætter sig let fugtighed på glas. Derved bliver glassets overflade ledende, og franklinstavlens ladning kan forsvinde. Derfor skal man fernisere den del af glasset, som der ikke er sølvpapir på.

På billedet ovenfor er A og B to kvadratiske metalplader. De bæres af isolerede holdere. A er forbundet til en elektricermaskine og B er forbundet til jorden. Lad os sige, at A bliver opladet med positiv elektricitet. Denne elektricitet tiltrækker negativ elektricitet på pladen B. De to elektriciteter sætter sig på den side af pladen, der vender hen mod den anden plade, og de holder hinanden fast der. Højre side af B bliver så så positivt ladet, men det forhindres straks af jordforbindelsen. Venstre side af A bliver tilsvarende negativt ladet, men det forhindres straks af forbindelsen til elektricermaskinen. Hvis man så fjerner begge kæder, har man et apparat, der kan opbevare elektricitet. Det kaldes en kondensator. Elektriciteten forsvinder nok lige så stille via luften i mellemrummet.

Her har vi så fyldt mellemrummet mellem A og B ud med en kvadratisk glasplade. Den er større end A og B og den bæres af en isolerende stang, der ses forneden. Nu har man så skabt en franklinstavle. Selv om glas er en isolator viser det sig, at ladningerne på A og B skaber elektricitet på glaspladen, negativ på dens venstre side og positiv på dens højre side. Hvis man rykker A og B væk fra glaspladen bliver elektriciteten på den. Men da elektricitet ikke kan strømme på glas, kan glaspladen ikke afledes af en enkelt jordforbindelse. Hvis man prikker på den med en finger, får man hver gang et lille stød, men det meste af elektriciteten bliver på pladen. Men det forholder sig anderledes, hvis glaspladen er i klemme mellem A og B. Så kan elektriciteten udlades på én gang hvis man laver en forbindelse mellem A og B. Og den udladning er så voldsom, at den må stamme fra en ladning, der er måske 10 gange så stor, som den der var på metalpladerne. Det opdagede Franklin, men han kunne hverken forklare eller beregne fænomenet.

2. Leydnerflasken

I det følgende vil vi holde os til Dufays opdagelse af, at der er to slags elektricitet. Se nærmere i linket foroven. Der er der også et link til en beskrivelse af opfindelsen af leydnerflasken.

På billedet til højre viser vi en leydnerflaske. Det er en glasflaske, der både på ydersiden og indersiden er beklædt med tinfolie, en slags sølvpapir. Sølvpapiret dækker også både ydersiden og indersiden af bunden. Opad strækker sølvpapiret sig ca 2/3 op ad flaskens sider. Ovenover beklædningen er glasset ferniseret, så glasset ikke kan lede elektricitet. Der er en isolerende prop i flasken. Proppen fastholder en metalstang, der foroven afsluttes i en metalkugle, og som inde i flasken ved en metalkæde er bragt i ledende forbindelse med den indvendige beklædning i bunden. Når leydnerflasken skal oplades går man således frem: Kuglen foroven bringes med en kæde i ledende forbindelse med en elektrisermaskine, og samtidig skal yderbeklædningen med en anden kæde bringes i ledende forbindelse med jorden. Når man så fjerner begge kæder, er der en masse elektricitet i leydnerflasken. I tørre omgivelser kan elektriciteten gemmes i månedsvis.

Nu tænker vi os, at flasken er opladet med positiv elektricitet. Så vil der sidde negativ elektricitet på ydersiden af leydnerflasken. Det kan man let kontrollere med en opladet hyldemarvskugle ophængt i en silketråd. Så kunne det f.eks. være interessant at måle, hvor lange gnister, der kunne frembringes ved udladning af flasken. Det kunne gøres ved, at man samtidig berørte metalstangen og ydersiden. Men det kan være meget ubehageligt. På billedet til højre viser vi, at det i stedet kan gøres med en hængslet metalstang med to isolerede håndtag. Resultatet kunne være en gnistlængde på nogle få cm skabt af en spænding på hvad vi i dag kalder nogle få tusinde volt. - Med tegningen her har vi faktisk illustreret Benjamin Franklins opfattelse af leydnerflasken. Principielt adskiller franklinstavlen sig ikke fra leydnerflasken: Bortset fra flaskens form, er den jo opbygget på samme måde: to lag metal, der sidder på hver sin side af glas.

En af de første egenskaber man opdagede ved leydnerflasken, var at man kunne tage proppen og jernstangen og kæden op mens man stod med jordforbindelse uden at det svækkede den elektricitet, man kunne iagttage, når man satte det hele på plads igen.

I de første år efter opfindelsen af leydnerflasken havde man vand i flasken. Et af de spørgsmål, som Franklin fandt svaret på, var følgende: Befinder elektriciteten sig det vand, der er i flasken? Herunder følger en oversættelse af Franklins egen beskrivelse af, hvordan han fandt svaret på spørgsmålet:

Først ville vi undersøge, hvor i den den opladede flaske elektriciteten befinder sig. Vi løsnede proppen og stillede flasken på en glasplade. Dernæst fjernede vi proppen og kæden. Så tog vi flasken i den ene hånd, og holdt en finger på en anden hånd tæt hen over flaskens munding. Så sprang der en gnist op fra vandet, og stødet var lige så voldsomt, som da proppen sad i. Dette viste at kraften ikke kom fra kæden. Så ville vi finde ud af, om den stammede fra vandet, som elektriciteten kunne være mast ned i. Her kunne den være indespærret af glasset, det havde vi tidligere troet. Så vi opladede flasken igen, stillede den på glas, og fjernede igen prop, stang og kæde. Så hældte vi alt vandet ned i en anden leydnerflaske, som også stod på glas. Så ventede vi, at kraften var nede i vandet, og at vi kunne få stød fra det. Men det kunne vi ikke. Så måtte elektriciteten enten være forsvundet ved at vi flyttede vandet, eller den måtte være i den flaske, som vi startede med. Det sidste viste sig at være sandt, skønt vi havde fyldt den op med uelektrisk vand fra en tepotte.

Hermed havde Franklin påvist, at der ikke er nogen grund til, at der er vand i leydnerflasken, så herefter var der ikke vand i leydnerflasker.

En egentlig forståelse og forklaring får man først i begyndelsen af 1900 - tallet med opdagelsen af at atomer har positive kerner og negative, letbevægelige elektroner.

3. Et forsøg, der illustrerer leydnerflaskens virkemåde

På animationen viser vi et af Franklins forsøg. En hyldemarvskugle er ophængt i en silketråd, så den kan bevæge sig frem og tilbage mellem leydnerflaskens yderside og kuglen, der sidder på den metalstang, der fører ned i flaskens indre. Hvis man starter med at lade hyldemarvskuglen røre ved den positive kugle, så bliver den positivt opladet og derfor frastødt af den positive kugle. På vej over mod flasken bliver den positive kugle tiltrukket af den negative flaske. Når den så rører ved flasken, bliver kuglen negativt opladet og frastødt. Den bevæger sig så over mod den positive kugle igen, og så fortsætter det på denne måde. Ved hver svingning bliver der ført en lille portion positiv ladning fra flaskens inderside til dens yderside til og dernæst en lille smule negativ ladning fra flaskens yderside til dens inderside. Der foregår en stilfærdig afladning af flasken. Det et bliver ved, indtil der ikke er nævnrværdig ladning tilbage i flasken. Det er nok denne iagttagelse, der motiverede Franklin til at konstatere, at de to ladninger på indersiden og ydersiden er lige store, men med hver sit fortegn.

5. Udladning fra spidser

En af de vigtige opdagelser Franklin gjorde, handlede om udladning fra spidser. Han opdagede, at når man satte en spids metalstang på konduktoren til en elektricermaskine, så strømmede der luft og gnister væk fra spidsen. Billedet til venstre viser, hvordan det tager sig ud i dagslys, når man retter spidsen mod flammen på et stearinlys. I mørke kunne man se gnister bevæge sig væk fra spidsen. Det virker også den anden vej: Hvis man holder en spids metalstang hen mod en positiv konduktor, så vil konduktoren trække negativ elektricitet ud fra spidsen. Franklin fortæller, at han med en strikkepind trak elektricitet ud fra en opladet kugle på en afstand af en fod, dvs ca 30 cm. På billedet til venstre smider spidserne luft og gnister væk fra sig. Derved trykkes der på spidserne og møllen drejer sig rundt, så de forreste spidser drejer mod venstre. Verdens første elektromotor!

6. Lynaflederen

Allerede omkring år 1700 lykkedes det for en engelsk forsker at elektricere et stykke rav så stærkt, at når han nærmede en finger til det, sprang der en gnist over på fingeren, ledsaget af et lille knald. Da han beskrev fænomenet sammenlignede han det med lyn og torden. Forsøgene med leydnerflasken gav større gnister og højere lyde, men noget egentligt argument for at lyn og torden er elektriske fænomener havde man ikke. Franklin foreslog i 1750 at man burde undersøge sagen nærmere, ved at anbringe en spids metalstang højt oppe i tordenvejr, og så se, om man kunne trække elektriske gnister ud af stangen. Franklin var ikke selv den første, der lavede forsøget. To franskmænd, D´Alibard og Georges-Louis Lecler oversatte Franklins forslag til fransk, og D´Alibard udførte forsøget i 1752. Vi viser, hvordan han gik frem, på billedet til højre. D´Alibard brugte vinflasker til at isolere metalstangen, det kan man se på billedet. Stilladset er 12 meter højt og det bliver afstivet af reb i 2 nivauer. For at undgå at elektriciteten gennem de våde reb løb ned i jorden, har D´Alibard anbragt 6 regntætte skærme over de yderste ender af rebene. Den 10. maj 1752 var der tordenvejr på stedet, og D´Alibard kunne trække 4 cm lange gnister ud af stangen. Forsøget var livsfarligt. En professor Richmann i St.Petersborg havde stukket en jernstang gennem sit tag og ned til soveværelset. En dag med et kraftigt tordenvejr slog lynet ned i stangen og dræbte professor Richmann. Det skabte selvfølgelig opmærksomhed om den elektriske stang, og Franklins navn var på alles læber.

Før han hørte om de europæiske forsøg, var Franklin klar over, at det kunne være farligt at holde en jernstang højt op i tordenvejr. Han bestemte sig derfor til at bruge en drage af silkestof i stedet for et stillads. Dragesnoren blev først ledende, når den blev våd, og for at undgå at få stød bandt han en nøgle (eller et andet stykke metal med hul i) i enden af dragesnoren. Han bandt så en silkesnor, som han holdt tør, i nøglen og bandt snoren fast, f.eks. til en pæl, banket ned i jorden. Så forbandt han nøglen til en leydnerflaske med en metalkæde. Og selv om der under et tordenvejr ikke skete et lynnedslag i dragen, konstaterede han, at leydnerflasken blev opladet. Heraf sluttede han korrekt, at der måtte være elektricitet oppe i luften. Lynnedslag er altså en elektrisk gnist. Ved gentagne forsøg viste det sig, at nogle gange blev leydnerflasken positivt ladet, andre gange negativt. Så der måtte være både positivt og negativt ladede skyer.

Franklin var godt klar over, at elektriciteten fortrinsvis gik gennem gode ledere. Hvis en stang skulle bruges som lynafleder, skulle den ikke alene placeres højt. Den skulle også med et metalkabel være godt forbundet med fugtige, ledende lag i jorden. I praksis gravede man i reglen en galvaniseret jernplade ned i jorden, og forbandt metalkablet til den. Stangen, som Franklin rejste på sit eget hus, blev jordforbundet til en pumpe af jern, som stod i hans brønd.

Der var endnu på denne tid religiøse indvendinger mod lynaflederen: Da lyn og torden er Vorherres straf over ugudelige mennesker, er det upassende at undgå straffen med en lynafleder.

Ved Franklins indsats skiftede begrebet elektricitet fra at være overklasseunderholdning til at være et begreb, der i højere grad interesserede almindelige mennesker.

Hvis du støder på et ord, hvis betydning du ikke kender, så søg på ordet.