Wat was positieve en negatieve lading volgens Benjamin Franklin?

[jkien]

De onhandige afspraak dat de lading van een elektron negatief is, i.p.v. positief, wordt meestal toegeschreven aan Benjamin Franklin, vanwege zijn verslag van een experiment in 1747, bijv. hier. Franklin beschreef zijn experimenten van 1747 tot 1752 (inclusief het nu nog steeds bekende vliegerexperiment, en het idee van bliksemafleiders) in een paar brieven aan een bevriende wetenschapper in Engeland, die ze gebundeld liet publiceren. De makkelijk leesbare bundel vond een groot lezerspubliek, en werd in diverse talen vertaald.

Maar in Franklins verslag van het experiment uit 1747 waarin hij positief en negatief introduceert lees ik een tekenafspraak die eigenlijk betekent dat de lading van het elektron positief genoemd moet worden.

Zie de figuur. Persoon A houdt zijn hand tegen een glazen buis, in de figuur weergegeven als een cirkel (een zijaanzicht). Een assistent laat de buis om zijn as draaien. Het glas onttrekt dan 'elektrisch vuur' aan persoon A, en door een vonk wordt dat overgedragen op persoon B. Na afloop is A negatief, en B positief.

Franklin ani 1405 keer bekeken

Tekenafspraak van Franklin: A krijgt negatieve lading, B positieve lading
 

Franklin schrijft [1]:
 
1. A Person standing on Wax and rubbing the Tube; and another Person on Wax drawing the Fire, they will both of them .. appear to be electrised to a Person standing on the Floor; that is, he will perceive a Spark on approaching each of them.
2. But if the Persons standing on Wax touch one another during the exciting of the Tube, neither of them will appear to be electrised.
3. If they touch one another after exciting the Tube, and drawing the Fire as aforesaid, there will be a stronger Spark between them than was between either of them and the Person on the Floor.
4. After such strong Spark, neither of them discovers any Electricity.

These Appearances we attempt to account for thus. We suppose as aforesaid, That Electrical Fire is a common Element, of which every one ... has his equal Share before any Operation is begun with the Tube. A, who .. rubs the Tube, collects the Electrical Fire from himself into the Glass. B, ... passing his Knuckle along near the Tube, receives the Fire which was collected by the Glass from A. .. 
To C, standing on the Floor, both appear to be electrised; for he having only the middle Quantity of Electrical Fire receives a Spark on approaching B, who has an over-quantity, but gives one to A, who has an under-quantity. If A and B touch each other, the Spark between them is stronger, because the Difference between them is greater. After such Touch, there is no Spark between either of them and C; because the Electrical Fire in all is reduced to the original Equality. If they touch while Electrising, the Equality is never destroyed, the Fire only circulating.

Hence have arisen some new Terms among us. We say B is electrised positively; A negatively. .. These Terms we may use till your Philosophers give us better. ..No more needs to be known than this; that the Parts of the Tube or Sphere, that are rub'd, do, in the Instant of the Friction, attract the Electrical Fire, and therefore take it from the Thing rubbing.

Franklin gebruikt de termen positief en negatief alleen om tot uitdrukking te brengen dat de totale hoeveelheid elektrisch vuur een behouden grootheid is. Hij beschouwt glas als een materiaal dat elektrisch vuur kan onttrekken aan een persoon die wrijft. Er is geen sprake van wrijven met een doekje, kennelijk is het wrijven met de blote hand, d.w.z. droge huid. De triboelektrische reeks was toen nog onbekend (die dateert van 1757), maar achteraf weten we dat glas een elektronenoverschot krijgt van wrijving met droge huid.

Als de tekenafspraak ontleend is aan dit experiment uit 1747 zou de lading van het elektron dus positief genoemd moeten worden.
 

Hawksbees_Electrical_Machine_by_Jean-Antoine_Nollet2 1393 keer bekeken

Elektriseermachine van Hauksbee (1704), die als voorbeeld diende voor Franklin. Het glas wordt elektrisch geladen door wrijving met de hand. Bron: wikipedia.

[klazon]

De onhandige afspraak dat de lading van een elektron negatief is, ....

Wat is daar zo onhandig aan?

[jkien]

Wat is daar zo onhandig aan?

Het belangrijkste dat de natuurkunde de mensheid geleerd heeft is dat alles uit deeltjes bestaat, vond Feynman. Als je dan bij iedere stroomkring moet uitleggen dat de stromende deeltjes tegen de stroom in bewegen is dat best onhandig.

[Benm]

Het is in ieder geval wel tegen-intuitief dat electronen de andere kant op gaan dan electrische stroom. Ik vermoed dan ook dat als men destijds geweten had hoe het zat met electronen, ze de electronen als positief hadden gelabeled zodat ze dezelfde weg als de stroom nemen.

Inmiddels is iedereen er denk ik zodanig aan gewend dat het maar een 'rare boel' zou zijn als je het omdraaide - negatief geladen atoomkernen, Na- en Cl+ ionen, omgedraaide cathodes en anodes...

[klazon]

Als je dan bij iedere stroomkring moet uitleggen dat de stromende deeltjes tegen de stroom in bewegen is dat best onhandig.

Ik weet dat het tegen-intuïtief is, en bij iedere student die hier tegenaan loopt moet even de knop om.

Maar als dat eenmaal is gebeurd, dan is het probleem ook over. Voor rekenwerk aan stroomkringen maakt het helemaal geen bal uit welke stroomrichting je aanneemt. Je moet alleen de eenmaal aangenomen richting vasthouden.

Het zou nog meer verwarring geven als we de boel alsnog zouden omlabelen.

[Bartjes]

Eigenlijk is het vreemd dat de theorie van Franklin direct aan de lading van het elektron wordt gekoppeld. In zijn theorie bezitten alle niet geladen objecten immers al van zichzelf een normale hoeveelheid elektrisch vuur. Het opladen van een voorwerp wil enkel zeggen dat men aan dat voorwerp nog wat extra elektrisch vuur toevoegt, en het ontladen dat men iets van de normale hoeveelheid elektrisch vuur afneemt. Plus en min slaan dus op de afwijking van de normale hoeveelheid elektrisch vuur die ieder object van zichzelf al bezit.

Het is mij alleen nog niet duidelijk hoe Franklin de stromingsrichting van het elektrisch vuur vast stelt.

[Jan van de Velde]

Het is mij alleen nog niet duidelijk hoe Franklin de stromingsrichting van het elektrisch vuur vast stelt.

de richting waarin je een vonk ziet springen als je goed oplet?

maar goed, die springt van - naar + .....

[Bartjes]

de richting waarin je een vonk ziet springen als je goed oplet?

maar goed, die springt van - naar + .....

Interessant is wat je eventueel aan lichteffecten ziet...

Overigens: als we het elektrisch vuur op anachronistische wijze met de elektronen identificeren zou een overschot aan elektrisch vuur door een plusteken moeten worden weergegeven, en dat levert dan inderdaad ook een plusteken voor de lading van het elektron.

[tempelier]

Ik weet dat het tegen-intuïtief is, en bij iedere student die hier tegenaan loopt moet even de knop om.

Maar als dat eenmaal is gebeurd, dan is het probleem ook over. Voor rekenwerk aan stroomkringen maakt het helemaal geen bal uit welke stroomrichting je aanneemt. Je moet alleen de eenmaal aangenomen richting vasthouden.

Het zou nog meer verwarring geven als we de boel alsnog zouden omlabelen.

Sommigen maken dan ook onderscheid in de elektrische stroom en de elektronen stroom.

Of dat minder verwarrend is, daar kan men over twisten omdat de elektronen snelheid meestal heel laag is.

[klazon]

Ik begrijp niet goed wat de elektronensnelheid er toe doet.

[317070]

de richting waarin je een vonk ziet springen als je goed oplet?

Lijkt me niet, dat gebeurt nagenoeg instantaan voor het menselijke oog, en slow-motion camera's komen pas een paar eeuwen later.

Het is mij alleen nog niet duidelijk hoe Franklin de stromingsrichting van het elektrisch vuur vast stelt.

Ik vermoed dat het een vorm van oorzaak-gevolg denken is. De glazen bol is het speciale element in de constructie, en is dus waarschijnlijk ook de oorzaak.

Al personaliseert de tekst objecten natuurlijk. Waarschijnlijk was het gewoon een gok en ging Franklin er niet van uit dat echt iets werd uitgewisseld. "We suppose as ...."

[Benm]

Alsnog omgooien lijkt me geen wenselijke actie - dan zou een idiote discrepantie opleveren tussen alles wat voor na zo'n actie is gepubliceerd, en bovendien zit het concept van 'negatief geladen electronen' inmiddels hard verankerd in het brein van iedere wetenschapper.

Interessant genoeg gaat highspeed filmpen hier ook niet aan helpen: Als je een vonk in lucht laat overspringen is de kans behoorlijk groot dat deze van positief naar negatief gaat, omdat de positieve ionen in lucht het pad openen, niet vrije electronen die uit de negatieve electrode stralen.

Vaak zijn aannames in dit soort verschijnselen heel verradelijk. Veel mensen denken bijvoorbeeld dat onweer altijd van de work naar de grond gaat, terwijl ook dat helemaal niet altijd het geval is. Een bliksemafleider vormt bijvoorbeeld het pad van de grond naar boven en kan daardoor de inslag naar een gewenste plek omleiden. Als het eenrichtingsverkeer de andere kant op was zou zoiets helemaal niet werken.

[jkien]

Een waarneming die Franklin wel gedaan zou kunnen hebben is dat een vlam weggeblazen wordt door de positieve elektrode. Dan had hij kunnen denken dat de positieve elektrode een wind van positieve deeltjes uitzendt naar de negatieve elektrode toe.

Kaarsvlam 1498 keer bekeken

foto: vlam wordt aangezogen door de negatieve elektrode

[Benm]

Dat had gekund, maar ook daaruit was dan gekomen dat electronen negatief zijn - althans, als hij had aangenomen dat de landingsdragende deeltjes de vlam wegblazen en niet aantrekken.

Bedenk wel dat de experimenten van Franklin 50 jaar voor de ontdekking van het atoom, en 150 jaar voor de ontdekking van het electron plaats hadden.

[Bartjes]

Dat had gekund, maar ook daaruit was dan gekomen dat electronen negatief zijn - althans, als hij had aangenomen dat de landingsdragende deeltjes de vlam wegblazen en niet aantrekken.

Bedenk wel dat de experimenten van Franklin 50 jaar voor de ontdekking van het atoom, en 150 jaar voor de ontdekking van het electron plaats hadden.

Dat volg ik niet. Volgens Franklin bezit ieder voorwerp in normale (ongeladen) toestand van zichzelf al een zekere hoeveelheid elektrisch vuur. Maar in bijzondere omstandigheden kan een voorwerp meer of minder dan de normale hoeveelheid elektrisch vuur bevatten. In het eerste geval noemen we het "positief" geladen, en in het tweede geval "negatief" geladen. Dergelijke verstoringen van het natuurlijk evenwicht zullen echter zodra zich de mogelijkheid daartoe voordoet weer worden opgeheven (of althans zo goed mogelijk verminderd). In het voorbeeld van het vlammetje zal het elektrisch vuur zich dus door de lucht van de plus- naar de minpool bewegen. Dat klopt met de stand van de vlam.

Als je de elektronen met het elektrisch vuur identificeert leidt een teveel aan elektronen tot een positieve lading van het voorwerp, en leidt een gebrek aan elektronen tot een negatieve lading van het voorwerp. Daarom zou Franklins afspraak ook volgens mij tot een positieve lading van het elektron moeten leiden.