Điện học

Franklin là một nhà phát minh phi thường. Trong số những phát minh của ông có cột thu lôi, đàn armonica, bếp lò Franklin, kính hai tròng, và ống thông tiểu mềm. Franklin không bao giờ xin bản quyền cho phát minh của mình; trong tự truyện ông đã viết, "Vì chúng ta đang hưởng thụ nhiều sự tân tiến có được từ phát minh của những người khác, chúng ta cần phải sung sướng khi có cơ hội phục vụ những người khác bằng những phát minh của mình; và chúng ta phải làm điều đó một cách thoải mái và hào phóng."[10]

Năm 1743, Franklin lập ra Hội Triết học Mỹ để làm nơi thảo luận các khám phá cho những nhà khoa học. ông bắt đầu tiến hành nghiên cứu về điện, và công việc này cùng với những công trình khoa học khác của ông, sẽ tiếp tục theo ông cả cuộc đời, giữa những khoảng thời gian dành cho chính trị và kiếm tiền.[5]

Năm 1748, ông thôi nghề in và chuyển sang ngành kinh doanh khác. Ông liên kết với vị đốc công của mình là, David Hall, người đã chia nửa số lợi tức từ gian hàng với Franklin trong 18 năm. Công việc kinh doanh nhiều lợi nhuận này khiến ông có thời gian cho nghiên cứu, và trong vài năm ông đã có nhiều phát minh mang lại danh tiếng cũng như học vị trên khắp châu Âu, và đặc biệt là tại Pháp.

Trong số đó có nghiên cứu của ông về điện. Franklin cho rằng điện phát ra từ "thủy tinh" và "nhựa cây" không phải là những kiểu "chất lưu điện" (như điện được gọi thời ấy) khác nhau, mà cùng là một chất lưu điện dưới những áp lực khác nhau. Ông là người đầu tiên đặt tên cho chúng là dương và âm,[11] và ông cũng là người đầu tiên khám phá ra nguyên lý bảo toàn điện tích.[12] Năm 1750, ông xuất bản một bài viết đề xuất một cuộc thí nghiệm để chứng minh rằng sét là điện bằng cách thả một chiếc diều trong cơn bão có vẻ sẽ trở thành một cơn bão sét. Ngày 10 tháng 5 năm 1752, Thomas-François Dalibard nước Pháp đã tiến hành thí nghiệm của Franklin (sử dụng một cột thu lôi thép cao 40 foot thay cho chiếc diều) và đã thu được những tia lửa điện từ một đám mây. Ngày 15 tháng 6, Franklin tiến hành cuộc thí nghiệm với diều nổi tiếng của mình tại Philadelphia và cũng thu được những tia lửa điện từ một đám mây (không hề biết rằng Dalibard cũng đã làm điều đó, từ 36 ngày trước). Thí nghiệm của Franklin không được viết ra cho tới khi cuốn Lịch sử và Tình trạng Hiện tại của Điện của Joseph Priestley được xuất bản năm 1767; bằng chứng cho thấy Franklin đã chuẩn bị cách diện (không phải chạm trực tiếp vào đường dẫn, bởi ông có thể gặp nguy hiểm vì điện giật khi sét đánh). (Những người khác, như Giáo sư Georg Wilhelm Richmann tại St. Petersburg, Nga, đã bị giật chết vài tháng sau cuộc thí nghiệm của Franklin.) Trong giấy tờ ghi chép của mình, Franklin chỉ ra rằng ông nhận thức được những nguy hiểm và đã sử dụng những cách khác để chứng minh rằng sét là điện, như được thể hiện trong việc ông dùng tiếp đất. Nếu Franklin thực sự có tiến hành thí nghiệm này, ông cũng không làm nó theo cách thường được miêu tả, thả diều và chờ bị giật khi sét đánh, (bởi điều đó có thể gây nhiều xúc cảm nhưng sẽ dẫn tới tử vong). Thay vào đó ông dùng diều để có được điện thế từ một đám mây bão, việc này đồng nghĩa với sét là điện.

Ngày 19 tháng 10 trong một bức thư gửi tới Anh để hướng dẫn thực hiện lại thí nghiệm đó, Franklin đã viết:

"Khi mưa đã làm ướt sợi dây diều tới mức nó có thể dẫn điện tự do, bạn sẽ thấy nó phát ra thành tia lửa điện từ chiếc chìa khóa khi để khuỷu tay gần lại, và nếu chiếc khóa đó là một lọ nhỏ, hay một bình Leiden, nó có thể tích điện: and from electric fire thus obtained spirits may be kindled, và all other electric experiments [may be] performed which are usually done by the help of a rubber glass globe hoặc tube; and therefore the sameness of the electrical matter with that of lightening completely demonstrated."[13]

Những cuộc thí nghiệm điện của Franklin đã đưa tới phát minh ra cột thu lôi. Ông đã lưu ý rằng cột thu lôi nên có đầu nhọn chứ không phải đầu tròn để có thể thu điện một cách yên lặng, và thu được ở khoảng cách xa hơn. Ông phỏng đoán rằng phát minh này sẽ được dùng để bảo vệ các tòa nhà khỏi sét, bằng cách lắp các "cột thu lôi thép thẳng đứng, nhọn như một cây kim và được sơn phủ tránh gỉ, và có một hệ thống dây dẫn bên ngoài tòa nhà nối chân những cột thu lôi đó dẫn xuống đất;...Những cột thu lôi sẽ có thể dẫn điện một cách êm ái từ đám mây xuống đất trước khi nó đủ lớn để thành sét đánh, và nhờ thế sẽ cứu chúng ta khỏi sự nguy hiểm bất ngờ và kinh khủng đó!" Sau một loạt những thí nghiệm tại chính nhà của Franklin, các cột thu lôi đã được lắp đặt trên Hàn lâm viện Philadelphia (sau này là Đại học Pennsylvania) và Tòa Thị chính Pennsylvania (sau này là Independence Hall) năm 1752.[14]

Để ghi nhận những nghiên cứu trong lĩnh vực điện của ông, Franklin đã nhận được Huy chương Copley của Royal Society năm 1753, và vào năm 1756 ông trở thành một trong số ít người Mỹ ở thế kỷ mười tám được bầu làm Fellow of the Society. Đơn vị cgs của electric charge đã được đặt theo tên ông: một franklin (Fr) tương đương một statcoulomb.

Khí tượng học

Ngày 21 tháng 10 năm 1743, một cơn bão tràn vào từ hướng tây nam khiến Franklin mất một cơ hội quan sát nguyệt thực. Franklin nhận thấy gió ưu thế thực tế tới từ phía đông bắc, trái ngược với điều ông từng nghĩ. Trao đổi thư từ với anh/em trai mình, Franklin biết rằng cơn bão đó đã không tràn vào Boston cho tới sau thời điểm nguyệt thực, dù trên thực tế Boston ở phía đông bắc Philadelphia. Ông suy luận rằng những cơn bão không phải luân luôn đi theo hướng gió chủ đạo, một quan niệm có ảnh hưởng rất lớn trong khí tượng học.[15]

Nguyên lý làm lạnh

Franklin cũng đã nhận thấy nguyên lý làm lạnh khi quan sát trong một ngày trời rất nóng, ông thấy lạnh hơn khi mặc một chiếc áo ướt trong gió nhẹ so với khi mặc chiếc áo khô. Để hiểu hiện tượng này rõ hơn, Franklin tiếp tục tiến hành thí nghiệm. Trong một ngày ấm áp tại Cambridge, Anh, năm 1758, Franklin và một người bạn là nhà khoa học John Hadley thí nghiệm liên tục làm ẩm bình chứa thủy ngân của nhiệt kế bằng ether và dùng ống thổi để làm bay hơi ether. Với mỗi lần bay hơi, nhiệt kế lại chỉ mức nhiệt độ thấp hơn, cuối cùng xuống mức 7 °F (-14 °C). Một nhiệt kế khác thể hiện nhiệt độ phòng là 65 °F (18 °C). Trong bức thư "Làm lạnh bằng Bay hơi" của minh, Franklin đã lưu ý rằng "ta có thể thấy khả năng một người bị lạnh đến chết trong một ngày mùa hè ấm áp". Mỗi năm ngành công nghiệp thực phẩm bảo quản lạnh trao một Giải thưởng Franklin Award để ghi nhớ người đã quan sát thấy hiện tượng này.