Луиджи Гальвани (1737-1798) итальянский учёный, закончил медицинский факультет Болонского университета и стал его преподавателем, а позже профессором, и с 1780 г изучал нервы и мышцы животных.
Ещё до опытов Гальвани было известно, что мышцы лягушки сокращаются (дёргаются) при пропускании через них электрического заряда. В середине 18 века многие увлекались опытами с электричеством, и Гальвани не был исключением. На его столе стояла электрическая машина, при вращении рукоятки которой можно было заряжать различные предметы и получать большие электрические искры. Выполняя свои опыты, Гальвани заметил, что мышцы лягушки сокращаются, если при этом проскакивают искры электрической машины. Его удивило, что мышцы сокращались тогда, когда они не касались машины. Значит, электричество может распространяться по воздуху? И в 1786 году Гальвани начал серию опытов, решив изучить действие на мышцы лягушки атмосферного электричества, которое образуется в грозовую погоду.
Он подвесил лапки лягушки к железной решётке балкона своего дома, используя медные крючки. Но мышцы не сокращались ни при ясной погоде, ни при грозе. А сократились они, когда при порыве ветра лапки коснулись железной решётки балкона. Это вновь удивило Гальвани и, как упорный учёный, он вернулся в лабораторию. Он положил лягушачьи лапки на железную пластинку и, прижав к пластине и лапкам медные крючки, наблюдал сокращение мышц. Гальвани провёл опыты с различными металлами. Сокращения были в одних случаях сильнее, в других - слабее.
Результаты экспериментов Гальвани опубликовал в 1791 году в «Трактате о силах электричества при мышечном движении». В нём он писал: «Если держать висящую лягушку пальцами за одну лапку так, чтобы медный крючок, проходящий через спинной мозг, касался серебряной пластинки, а другая лапка свободно могла касаться той же пластинки, то как только лапка касается указанной пластинки, мышцы начинают сокращаться». Гальвани заключил, что электрические заряды вырабатываются вследствие каких-то жизненных процессов в лапке лягушки, поскольку в то время учёные-физики (в том числе Гальвани) считали, что металлы могут быть только проводниками и не могут создавать электрический ток.
В данном выводе усомнился итальянский профессор Павийского университета Алессандро Вольта (1745-1827). Он провёл серию опытов, пробуя различные сочетания металлов, и пришёл к заключению, что контакт двух разных металлов, соприкасающихся с жидкостью в мышцах лягушки, является источником электричества. На него и реагирует лягушачья лапка. Вольта утверждал, что причиной сокращения мышц служит не «животное электричество», а наличие именно двух различных металлов (например, меди и железа или цинка и серебра и др.) А влажная лапка лягушки служит проводником и чувствительным электрометром.
Для доказательства своей правоты Вольта использовал два разнородных металла, положив их на язык. Роль электропроводящей жидкости играла слюна языка, но сокращения мышц языка не было - Вольта лишь чувствовал «электрическое пощипывание» на поверхности языка, где он касался металлов. Важно, что пощипывание отсутствовало, если два металла были одинаковыми! Тем самым Вольта доказал, что не мышца, а именно два разных металла являются возбудителями электричества.
Доводы Вольты разрушали надежды Гальвани на создание нового «электрического» направления в медицине. Поэтому он направляет все усилия на то, чтобы доказать свою правоту. Он проводит серию опытов, в которых не использует металлы, а лишь стеклянные палочки, и находит, что между нормальным и повреждённым участками нерва любых животных течёт электрический ток. Так Гальвани открыл «животное» электричество.
Итак, многолетний спор закончился - оба его участника оказались правы. Биолог Гальвани стал первопроходцем в изучении биологического электричества, а физик Вольта - создателем химического источника тока, которому современники дали название «вольтова столба» (см. рисунок). Этот простой прибор сослужил огромную роль в физике и технике, но это - тема отдельной увлекательной статьи из истории физики.
Гальванический элемент – это источник электрической энергии, принцип действия основан на химических реакциях. Большинство современных батареек и аккумуляторов подпадает под определение и относится к рассматриваемой категории. Физически гальванический элемент состоит из проводящих электродов, погруженных в одну или две жидкости (электролиты).
Общая информация
Гальванические элементы делятся на первичные и вторичные в соответствии со способностью вырабатывать электрический ток. Оба вида считаются источниками и служат для различных целей. Первые вырабатывают ток в ходе химической реакции, вторые функционируют исключительно после зарядки. Ниже обсудим обе разновидности. По количеству жидкостей различают две группы гальванических элементов:
Непостоянство источников питания с единственной жидкостью заметил Ом, открыв неприемлемость гальванического элемента Волластона для экспериментов по исследованию электричества. Динамика процесса такова, что в начальный момент времени ток велик и вначале растёт, потом за несколько часов падает до среднего значения. Современные аккумуляторы капризны.
История открытия химического электричества
Мало известен факт, что в 1752 году гальваническое электричество упоминалось Иоганном Георгом. Издание Исследование происхождения приятных и неприятных ощущений, выпущенное Берлинской академией наук, даже придавало явлению вполне правильное толкование. Опыт: серебряную и свинцовую пластины соединяли с одного конца, а противоположные с разных сторон прикладывались к языку. На рецепторах наблюдается вкус железного купороса. Читатели уже догадались, описанный способ проверки батареек часто использовали в СССР.
Объяснение явления: видимо, имеются некие частицы металла, раздражающие рецепторы языка. Частицы испускаются одной пластиной при соприкосновении. Причём один металл при этом растворяется. Собственно, налицо принцип действия гальванического элемента, где цинковая пластина постепенно исчезает, отдавая энергию химических связей электрическому току. Объяснение сделано за полвека до официального доклада Королевскому обществу Лондона Алессандро Вольта об открытии первого источника питания. Но, как происходит часто с открытиями, к примеру, электромагнитным взаимодействием, опыт остался незамечен широкой научной общественностью и не исследован должным образом.
Добавим, это оказалось связано с недавней отменой преследования за колдовство: немногие решались после печального опыта «ведьм» на изучение непонятных явлений. Иначе обстояло дело с Луиджи Гальвани, с 1775 года работающим на кафедре анатомии в Болонье. Его специализаций считались раздражители нервной системы, но светило оставил значимый след не в области физиологии. Ученик Беккарии активно занимался электричеством. Во второй половине 1780 года, как следует из воспоминаний учёного (1791, De Viribus Electricitatis in Motu Muscylary: Commentarii Bononiensi, том 7, стр. 363), в очередной раз производилось препарирование лягушки (опыты и потом длились долгие годы).
Примечательно, что необычное явление подмечено ассистентом, в точности, как с отклонением стрелки компаса проводом с электрическим током: открытие сделали лишь косвенно связанные с научными исследованиями люди. Наблюдение касалось подергиваний нижних конечностей лягушки. В ходе опыта ассистент задел внутренний бедренный нерв препарируемого животного, ножки дёрнулись. Рядом, на столе стоял электростатический генератор, на приборе проскочила искра. Луиджи Гальвани немедленно загорелся идеей повторить опыт. Что удалось. И опять на машине проскочила искра.
Образовалась параллель связи с электричеством, и Гальвани возжелал узнать, станет ли на лягушку действовать подобным образом гроза. Оказалось, что природные катаклизмы не оказывают заметного воздействия. Лягушки, прикреплённые медными крючками за спинной мозг к железной ограде, дёргались вне зависимости от погодных условий. Опыты не удавалось реализовать со 100-процентной повторяемостью, атмосфера воздействия не оказывала. В итоге Гальвани нашёл сонм пар, составленных из разных металлов, которые при соприкосновении между собой и нервом вызывали подёргивание лапок у лягушки. Сегодня явление объясняют различной степенью электроотрицательности материалов. К примеру, известно, что нельзя алюминиевые пластины клепать медью, металлы составляют гальваническую пару с ярко выраженными свойствами.
Гальвани справедливо заметил, что образуется замкнутая электрическая цепь, предположил, что лягушка содержит животное электричество, разряжаемое подобно лейденской банке. Алессандро Вольта не принял объяснения. Внимательно изучив описание экспериментов, Вольта выдвинул объяснение, что ток возникает при объединении двух металлов, непосредственно или через электролит тела биологического существа. Причина возникновения тока кроется в материалах, а лягушка служит простым индикатором явления. Цитата Вольты из письма, адресованного редактору научного журнала:
Проводники первого рода (твёрдые тела) и второго рода (жидкости) при соприкосновении в некоторой комбинации рождают импульс электричества, сегодня нельзя объяснить причины возникновения явления. Ток течёт по замкнутому контуру и исчезает, если целостность цепи нарушена.
Вольтов столб
Лепту в череду открытий внёс Джованни Фаброни, сообщивший, что при размещении двух пластинок гальванической пары в воду, одна начинает разрушаться. Следовательно, явление имеет отношение к химическим процессам. А Вольта тем временем изобрёл первый источник питания, долгое время служивший для исследования электричества. Учёный постоянно искал способы усиления действия гальванических пар, но не находил. В ходе опытов создана конструкция вольтова столба:
- Попарно брались цинковые и медные кружки в плотном соприкосновении друг с другом.
- Полученные пары разделялись мокрыми кружками картона и ставились друг над другом.
Легко догадаться, получилось последовательное соединение источников тока, которые суммируясь, усиливали эффект (разность потенциалов). Новый прибор вызывал при прикосновении ощутимый для руки человека удар. Подобно опытам Мушенбрука с лейденской банкой. Однако для повторения эффекта требовалось время. Стало очевидно, что источник энергии имеет химическое происхождение и постепенно возобновляется. Но привыкнуть к понятию нового электричества оказалось непросто. Вольтов столб вёл себя подобно заряженной лейденской банке, но…
Вольта организует дополнительный эксперимент. Снабжает каждый из кружков изолирующей ручкой, приводит в соприкосновение на некоторое время, потом размыкает и проводит исследование электроскопом. К тому времени уже стал известен закон Кулона, выясняется, что цинк зарядился положительно, а медь – отрицательно. Первый материал отдал электроны второму. По указанной причине цинковая пластина вольтова столба постепенно разрушается. Для изучение работы назначили комиссию, которой представили доводы Алессандро. Уже тогда путём умозаключений исследователь установил, что напряжение отдельных пар складывается.
Вольта объяснил, что без мокрых кружков, прокладываемых между металлами, конструкция ведёт себя как две пластинки: медная и цинковая. Усиления не происходит. Вольта нашёл первый ряд электроотрицательности: цинк, свинец, олово, железо, медь, серебро. И если исключить промежуточные металлы между крайними, «движущая сила» не изменяется. Вольта установил, что электричество существует, пока соприкасаются пластины: сила не видна, но легко чувствуется, следовательно, она истинна. Учёный 20 марта 1800 года пишет президенту Королевского общества Лондона сэру Джозефу Бэнксу, к которому обращался впервые и Майкл Фарадей.
Английские исследователи быстро обнаружили: если на верхнюю пластину (медь) капнуть воды, в указанной точке в районе контакта выделяется газ. Они проделали опыт с обоих сторон: провода подходящей цепи заключили в колбы с водой. Газ исследовали. Оказалось, что газ горючий, выделяется лишь с единственной стороны. С противоположной заметно окислилась проволока. Установлено, что первое является водородом, а второе явление происходит вследствие избытка кислорода. Установлено (2 мая 1800 года), что наблюдаемый процесс — разложение воды под действием электрического тока.
Уильям Крукшенк немедленно показал, что аналогичное допустимо проделать с растворами солей металлов, а Волластон окончательно доказал идентичность вольтова столба статическому электричеству. Как выразился учёный: действие слабее, но обладает большей продолжительностью. Мартин Ван Марум и Христиан Генрих Пфафф зарядили от элемента лейденскую банку. А профессор Хампфри Дэви установил, что чистая вода не может служить в этом случае электролитом. Напротив, чем сильнее жидкость способна окислять цинк, тем лучше действует вольтов столб, что вполне согласовывалось с наблюдениями Фаброни.
Кислота намного улучшает работоспособность, ускоряя процесс выработки электричества. В конце концов Дэви создал стройную теорию вольтова столба. Он пояснил, что металлы изначально обладают неким зарядом, при замыкании контактов вызывающим действие элемента. Если электролит способен окислять поверхность донора электронов, слой истощённых атомов постепенно удаляется, открывая новые слои, способные давать электричество.
В 1803 году Риттер собрал столб из чередующихся кружков серебра и мокрого сукна, прообраз первого аккумулятора. Риттер зарядил его от вольтова столба и наблюдал процесс разрядки. Правильное толкование явлению дал Алессандро Вольта. И лишь в 1825 году Огюст де ла Рив доказал, что перенос электричества в растворе осуществляется ионами вещества, наблюдая образование оксида цинка в камере с чистой водой, отделённой от соседней мембраной. Заявление помогло Берцелиусу создать физическую модель, в которой атому электролита представлялись составленными из двух противоположно заряженных полюсов (ионов), способных диссоциировать. В результате получилась стройная картина переноса электричества на расстояние.
Принято думать, что сделавшие эпоху в развитии учения об электричестве открытия Гальвани были плодом случая. Вероятно, такое мнение основано на начальных словах трактата Гальвани: "Я разрезал и препарировал лягушку... и, имея в виду совершенно другое, поместил её на стол, на котором находилась электрическая машина... Один из моих помощников остриём скальпеля случайно очень легко коснулся внутренних бедренных нервов этой лягушки... Другой заметил... что это удаётся тогда, когда из кондуктора машины извлекается искра... Удивлённый новым явлением, он тотчас же обратил на него моё внимание, хотя я замышлял совсем другое и был поглощён своими мыслями".
Однако случайность открытия была очень незначительной, тот же Гальвани или кто-либо другой непременно пришли бы к открытию явления. Не случайно у Гальвани стояла электрическая машина, так же как и не случайным было то,что он задумал какой-то эксперимент с препаратом. Несомненно, что идеи французских материалистов о материальности психических процессов толкали научную мысль на раскрытие в первую очередь физической природы ощущения, а успехи, достигнутые физиологами, микроскопистами и химиками в понимании таких важных жизненных процессов, как кровообращение, пищеварение, дыхание, стимулировали такие поиски. Изучение электрических явлений, уже сведшее с высот на землю гром и молнию, дало материал ля вывода о важной роли электричества в биологии. Сокращение мышц при электрическом разряде ("электрический удар") приближало мысль, что и в поведении электрических скатов, угрей, сомов мы имеем дело также с электрическим ударом. И, действительно, опыты Джона Уолша (Walsh) и Ларошели доказали электрическую природу удара ската, а анатом Гунтер дал точное описание электрического органа этого животного. Исследования Уолша и Гунтера были опубликованы в "Phil. Trans." в 1773 г. Случайное открытие философа Зульцера в 1752 г., что прикосновение к кончику языка двух разнородных металлов вызывает своеобразное кислое вкусовое ощущение, было им описано, ибо автор чувствовал научный интерес этого открытия в эпоху изучения действия физических раздражителей. В числе этих физических раздражителей первое место занимало электричество, и практическая медицина возлагала большие надежды на электрические методы лечения.
О степени интереса к электрическим методам лечения можно судить, например, по письму Марата к Руму де-Сен-Лорен от 9 ноября 1783 г., в котором он сообщает о своих физических исследованиях и об отношении к ним академии. Из письма и приложенных к нему документов, между прочим, видно, что врач и физик Марат, будущий знаменитый "друг народа", с успехом применял физические методы лечения и разработал интересную методику экспериментального исследования природы огня, света и электричества. Опыты Марата привлекали большое внимание, в том числе и таких деятелей, как Франклин. Специально по вопросу об электромедицине Марат говорит в этом письме о своём намерении "заняться электричеством в области медицины, наукой, которая так сильно интересует общество" . Критикуя премированную работу аббата Бертелона, который "выдаёт электризацию за универсальное средство от всех болезней", Марат сообщает о своей работе, получившей премию Руанской академии, предложившей конкурсную тему: "Определить степень и условия, при которых можно рассчитывать на электричество в лечении болезней". Как видим, интерес к электромедицине в эпоху Гальвани был значительным.
Письмо Марата, в котором он обвиняет академию в невнимании к его научным заслугам, интересно и в другом отношении. Разработанная Маратом методика наблюдений в тёмной комнате позволила, по его утверждению, видеть материю огня и электричества, наблюдать дифракцию у краёв призмы. Эти идеи Марата - несомненный отзвук увлечения различными "флюидамрг", в том числе и психическими флюидами. Академия, не нашедшая возможным проверить опыты Марата, оказалась вынужденной образовать авторитетную комиссию для проверки опытов заведомого шарлатана Месмера. Месмер, прибывший в Париж в 1771 г., ловко использовал модные научные теории об огненных, электрических, магнитных и других флюидах и утверждал, что им открыт новый вид тонкого агента - "животный магнетизм". "Животный магнетизм,- говорил Месмер,- может скопляться, концентрироваться и переноситься без помощи тел посредствующих; он отражается, как свет...". Само собой разумеется, что "животный магнетизм есть универсальное лекарство и спаситель человеческого рода". Месмер имел большой успех, его поклонники собирали ему огромные суммы денег, преследовали противников месмеризма вплоть до нападения на Бертолле; король предлагал ему пожизненную пенсию в 20 тысяч франков за раскрытие секрета.
После его отъезда из Франции была образована правительственная комиссия в составе четырёх медиков и академиков - Леруа, Бори, Лавуазье и Бальи. Бальи представил доклад комиссии в августе 1784 г. Этот доклад вызвал протесты и возражения со стороны месмеристов, так как комиссия после тщательного анализа фактов пришла к выводу, что постоянного агента не существует и что случаи излечения им нервных трансов имеют своим источником воображение. Вообще говоря, в донесении комиссии не говорится о невозможности животного магнетизма, такая гипотеза не противоречила научным воззрениям того времени, но она не обнаружила неизменного действия в проверенных ею фактах, а потому и констатировала отсутствие физического агента в этих фактах.
Таким образом, ко времени начала опытов Гальвани (1786) не было недостатка в попытках физической трактовки психических и физиологических явлений. Практическая медицина сделала свои выводы из успехов естествознания и из научных воззрений эпохи, почва для возникновения учения о животном электричестве была вполне подготовлена.
Нет ничего удивительного в том, что профессор анатомии и медицины Болонского университета Луиджи Гальвани (родился 19 сентября 1737 г., умер 4 декабря 1798 г.) был необычайно поражён наблюдением, сделанным его сотрудниками, с описания которого начинается его знаменитый трактат "О силах электричества при мышечном движении". Как справделйво указал впоследствии Вольта, в самом факте вздрагивания лапки препарированной лягушки при электрическом разряде с физической точки зрения не было ничего нового: это явление электрической индукции, а именно явление так называемого возвратного удара, разобранного Магоном в 1779 г. Но Гальвани подошёл к факту не как физик, а как физиолог, его заинтересовала способность мёртвого препарата проявлять жизненные сокращения под влиянием электричества.
Он с величайшим терпением и искусством исследовал эту способность, изучая её локализацию в препарате, условия возбудимости, действие различных форм электричества и в частности атмосферного электричества. Классические опыты Гальвани сделали его отцом электрофизиологии, значение которой в наше время трудно переоценить. Но Гальвани во время исследования действия атмосферы на препарат пришёл к замечательному открытию. Тщетно ожидая сокращения мышц в ясную погоду, он, "утомлённый... тщетным ожиданием... начал прижимать медные крючки, воткнутые в спинной мозг, к железной решетке" * ... "Хотя я,- говорит он далее,- нередко наблюдал сокращения, но ни одно не соответствовало перемене в состоянии атмосферы и электричества... Когда же я перенёс животное в закрытую комнату, поместил на железной пластине и стал прижимать к ней проведённый через спинной мозг крючок, то появились такие же сокращения, такие же движения". Отсюда Гальвани, осуществив ряд экспериментов, приходит к выводу о существовании нового источника и нового вида электричества. Его приводят к такому выводу опыты составления замкнутой цепи из проводящих тел и металлов и лягушечного препарата. Особенно эффектен следующий опыт: "если держать висящую лягушку пальцами за одну лапку так, чтобы крючок, проходящий через спинной мозг, касался бы какой-нибудь серебряной пластинки, а другая лапка свободно могла бы касаться той же пластинки, то как только эта лапка касается указанной пластинки, мышцы начинают немедленно сокращаться. При этом лапка встаёт и поднимается и затем, вновь упав на пластинку, вместе с тем приходит в соприкосновение с последней, снова по той же причине поднимается вверх, и, таким образом, продолжает далее попеременно подниматься и падать, так что эта лапка, к немалому восхищению и радости наблюдающего за ней, начинает, кажется, соперничать с каким-то электрическим маятником".
* (В первоначальном рассказе Гальвани (см. Розенбергер, П) упоминание о медных крючках отсутствует и появилось позднее в его трактате,откуда и цитируется при ведённая нами выдержка. )
В такой сложной форме был открыт новый источник электричества, создающий в проводящей замкнутой цепи длительный разряд. Естественно, что физиолог Гальвани не мог допустить и мысли, что причина явления кроется в контакте разнородных металлов, и предложил, что мышца является своеобразной батареей лейденских банок, непрерывно возбуждаем эй действием мозга, которое передаётся по нервам.
Теория животного электричества подводила базу под практическую электромедицину, и открытие Гальвани произвело сенсацию. В числе ревностных адептов новой теории оказался и знаменитый Вольта, не замедливший приступить к проверке и к тщательному количественному исследованию явления. Это исследование он предпринял во всеоружии современной ему электрометрической техники. В первых своих статьях ("О животном электричестве", письмо доктору Баронио отЗ апреля 1792 г., и двух статьях "О животном электричестве", напечатанных в "Физико-медицинском журнале" Брунвелли) Вольта разделяет точку зрения Гальвани. Однако уже здесь намечается будущий отход, от этой теории, выдвигаются на первый план физические моменты эффекта. Прежде всего Вольта устанавливает, что соответствующим образом "препарированная лягушка представляет, если можно так выразиться, животный электрометр, несравненно более чувствительный, чем всякий другой самый чувствительный электрометр".
Затем Вольта устанавливает важность контакта разнородных металлов. "Такое различие металлов безусловно необходимо; если же обе обкладки из одного и того же металла, то следует, чтобы они отличались, по крайней мере, по способу их приложения..." (т. е. по состоянию контактной поверхности). Далее Вольта показывает, что ток электрического флюида обусловлен контактом разнородных металлов и может производить не только мышечные сокращения, но и другие раздражения нервов. В частности Вольта повторяет опыт Зульцера (не зная пока, что этот опыт был уже осуществлён) и обращает внимание, "что этот вкус продолжает ощущаться и даже усиливается в продолжение всего времени, пока эти два металла, олово и серебро, остаются приложенными один к кончику языка, другой к другим частям последнего и пока они соприкасаются друг с другом, составляя некоторую проводящую дугу. Это доказывает, что переход электрического флюида с одного места на другое совершается постоянно и беспрерывно". Наконец, Вольта устанавливает полярность эффекта: перемена обкладок местами вызывает изменение вкуса с кислого на щелочной. В свете этих фактов теория мышечной лейденской банки Вольта представляется несостоятельной.
В последующих статьях: "Описание открытий Гальвани" (два письма к члену Королевского общества - Кавалло), "Третья статья о животном электричестве" (письмо к проф. Альдини - племяннику Гальвани) и "Новая статья о животном электричестве" (три письма к Вассали - профессору Туринского университета), Вольта полностью порывает с теорией животного электричества и даёт физическую трактовку эффекта. Во втором письме к Кавалло Вольта пишет: "... я открыл новый весьма замечательный закон, который относится собственно не к животному электричеству, а к обычному электричеству, так как этот переход электрического флюида, переход, который не является моментальным, каким был бы разряд, но постоянным и продолжающимся всё время, пока сохраняется сообщение между обеими обкладками,имеет место независимо от того,наложена ли эта обкладка на живое или мёртвое животное вещество, или на другие не металлические, но достаточно хорошие проводники, как, например, на воду или на смоченные ею тела". А первое письмо к Вассали (от 10 февраля 1794 г.) Вольта прямо начинает вопросом: "Что вы думаете о так называемом животном электричестве? Что касается меня, то я давно убеждён, что всё действие возникает первоначально вследствие прикосновения металлов к какому-нибудь влажному телу или самой воде".
Физиологические раздражения нервов являются результатом проходящего тока, и эти раздражения "тем сильнее, чем дальше отстоят друг от друга применённые два металла в том ряду, в каком они поставлены нами здесь: цинк, оловянная фольга, обыкновенное олово в пластинках, свинец, железо, латунь и различного качества бронза, медь, платина, золото, серебро, ртуть, графит". Этот знаменитый ряд напряжений Вольта и открытый им закон напряжений составляют ядро всего эффекта. Животные органы, по Вольта, "являются чисто пассивными, простыми, очень чувствительными электрометрами, и активны не они, а металлы, т. е. что от соприкосновения последних и происходит первоначальный толчок электрического флюида, одним словом, что такие металлы не простые проводники или передатчики тока, но настоящие двигатели электричества..." . В одном из примечаний к этой статье Вольта вновь подчёркивает, что к идее о контактном напряжении он пришёл уже более трёх лет тому назад и уже в 1793 г. дал свой ряд металлов.
Таким образом, суть эффекта заключается, по мнению Вольта, в свойстве проводников "вызывать и приводить в движение электрический флюид там, где несколько таких проводников разного класса и сорта встречаются и соприкасаются между собою".
"Отсюда и получается, что если из них три и больше, и притом различные, составляют вместе проводящую цепь, если, например, между двумя металлами - серебром и железом, свинцом и латунью, серебром и цинком и т. д.- ввести один или более проводников, именно из того класса, который назван классом влажных проводников, так как они представляют жидкую массу или содержат некоторую влагу (к ним причисляются животные тела и все их свежие и сочные части), если, говорю я, проводник этого второго класса находится в середине и соприкасается с двумя проводниками первого класса из двух различных металлов, то вследствие этого возникает постоянный электрический ток того или иного направления, смотря по тому, с какой из сторон действие на него оказывается сильнее в результате такого соприкосновения".
Так ясно и чётко Вольта сформулировал условия возникновения постоянного тока: наличие замкнутой цепи из различных проводников, причём по крайней мере один должен быть проводником второго класса и соприкасаться с различными проводниками первого класса. Когда гальванисты возражали опытами, в которых мышечные движения возбуждались дугой из однородного проводника и даже, как в опытах Валли, соприкосновениями различных препаратов без металлического проводника, то Вольта указывал, что и в этих опытах имеется неоднородность. Концы одной проводящей дуги различны, осуществить их полную однородность почти невозможно, контактная разность может возникнуть и при соприкосновении различных проводников второго класса. "... Неметаллические проводники, проводники жидкие или содержащие в себе в той или иной мере влагу, те, которые мы называем проводниками второго класса, и они одни, сочетаясь друг с другом, будут являться возбудителями, как металлы, или проводники первого класса в сочетании с проводниками второго класса...".
В дальнейшем Вольта в целях устранения всяких сомнений в не физиологической, а чисто физической сути дела исключает животные препараты, служившие до тех пор индикаторами тока. Он разрабатывает методику измерений контактных разностей потенциалов своим конденсаторным электрометром. Об этих классических опытах Вольта сообщает в письме к Грену 1795 г. и Альдини в 1798 г.
20 марта 1800 г. Вольта написал свое знаменитое письмо Бенксу с описанием своего столба,- изобретения, произведшего подлинную революцию в науке об электричестве. В письме к Барту от 29 августа 1801 г. Вольта сообщает о найденном им законе напряжения для проводников первого класса . 7 и 21 ноября 1801 г. в Париже он прочитал две лекции о своем столбе и законе напряжений. Первое сообщение об этих лекциях было опубликовано Пфаффом в IX томе гильбертовских "Анналов" за 1801 г., второе - Био в X томе тех же "Анналов". Так завершилась история выдающегося открытия и вместе с тем история научной деятельности Гальвани и Вольта * .
* (Александр Вольта родился в Комо 19 февраля 1745 г. Уже с 18 лет ведёт переписку с Нолле по вопросам физики, на девятнадцатом году написал латинскую поэму о современных физико-химических открытиях. Первая работа 1764 г. посвящена лейденской банке, следующая работа 1771 г.- "Эмпирические исследования способов возбуждения электричества и улучшение конструкции машины". С 1774 г.- преподаватель физики в Комо. В 1777 г. изобретает электрофор, затем конденсатор и электрофор с конденсатором. Занимаясь исследованием горючего газа, изобретает электрический пистолет, водородную лампу, эвдиометр. С 1777 г.- профессор физики в Павии. В 1793 г. занимается опытами по расширению газов. В восьмидесятых годах изобретает пламенный зонд. За изобретение столба получил награду от Наполеона, был избран членом Института. После своего знаменитого изобретения отошёл от научной работы и только в 1817 г. опубликовал два исследования о граде и о периодичности гроз. В 1819 г. оставил профессорскую кафедру. Умер 5 марта 1827 г. в один день с Лапласом. )
Природа открытого эффекта была очень сложна, и при тогдашнем уровне физико-химических наук и физиологии раскрыть картину явления было невозможно. В споре о природе явления по существу оказались правы обе стороны. Гальвани стал основоположником электрофизиологии, а Вольта - основоположником учения об электричестве. В лабиринте противоречивых опытов и наблюдений Вольта нащупал правильный путь, нашёл опытный физический закон напряжений, дал правильное описание цепи электрического тока. Впереди ещё предстояли большие споры по вопросу о причине и природе контактной разности потенциалов, но в её существовании уже сомнений не оставалось, а в вольтовом столбе наука получила мощное орудие исследования, которым она и не замедлила воспользоваться.
Вольта указывал, что его электрофор "продолжает работать даже спустя три дня после зарядки". И далее: "Моя машина дает возможность получить электричество во всякую погоду и производит эффект более превосходный, чем лучшие дисковые и шаровые (электростатические - прим. авт.) машины". Итак, электрофор - прибор, позволяющий получать мощные разряды статического электричества. Вольта извлекал из него "искры в десять или двенадцать толщин пальцев и даже более... ".
Электрофор Вольты послужил основой для сооружения целого класса индукционных, так называемых "электрофорных", машин.
В 1776 г. Вольта изобрел газовый пистолет - "пистолет Вольты", в котором газ метан взрывался от электрической искры.
В 1779 г. Вольту пригласили занять кафедру физики в университете с тысячелетней историей в городе Павия, где он проработал 36 лет.
Прогрессивный и смелый профессор, он порывает с латинским языком и учит студентов по книгам, написанным на итальянском.
Вольта много путешествует: Брюссель, Амстердам, Париж, Лондон, Берлин. В каждом городе его приветствуют собрания ученых, отмечают почестями, вручают Золотые медали. Однако "звездный час" Вольты еще впереди, он настанет через два с лишним десятилетия. А пока на целых пятнадцать лет он отдаляется от исследований электричества, живет размеренной профессорской жизнью и занимается различными интересующими его вещами. В возрасте сорока с лишним лет Вольта женился на знатной Терезе Пеллегрине, которая родила ему трех сыновей.
И вот - сенсация! Профессору попадается на глаза только что вышедший трактат Гальвани "О силах электрических при мышечном движении". Интересна трансформация позиции Вольты. Вначале он воспринимает трактат скептически. Затем повторяет опыты Гальвани и уже 3 апреля 1792 г. пишет последнему: "... с тех пор, как я стал очевидцем и наблюдал эти чудеса, я, пожалуй, перешел от недоверия к фанатизму. "
Однако это состояние длилось недолго. 5 мая 1792 г. в своей университетской лекции он превозносит опыты Гальвани, но уже следующую лекцию - 14 мая проводит в полемическом плане, высказывая мысль, что лягушка скорее всего - только индикатор электричества, "электрометр, в десятки раз более чувствительный, чем даже самый чувствительный электрометр с золотыми листочками."
Вскоре острый взгляд физика подмечает то, что не привлекло внимания физиолога Гальвани: содрогание лапок лягушки наблюдается лишь тогда, когда ее касаются проволоками из двух различных металлов. Вольта предполагает, что мышцы не участвуют в создании электричества, а их сокращение - вторичный эффект, вызываемый возбуждением нерва. Для доказательства он ставит знаменитый опыт, в котором обнаруживается кисловатый привкус на языке при приложении к его кончику оловянной или свинцовой пластинки, а к середине языка или к щеке - серебряной или золотой монеты и соединении пластинки и монеты проволочкой. Аналогичный вкус мы ощущаем, лизнув одновременно два контакта батарейки. Кисловатый привкус переходит в "щелочной", т. е. отдающий горечью, если поменять на языке местами металлические предметы.
В июне 1792 г., всего через три месяца после того, как Вольта начал повторять опыты Гальвани, у него уже не оставалось никаких сомнений: "Таким образом, металлы - не только прекрасные проводники, но и двигатели электричества; они не только предоставляют легчайший путь прохождению электрического
флюида, ... но сами же вызывают такое же нарушение равновесия тем, что извлекают этот флюид и вводят его, подобно тому, как это происходит при натирании идиоэлектриков" (так называли во времена Вольты тела, электризующиеся при трении - прим. авт.) .
Так Вольта установил закон контактных напряжений: два разнородных металла вызывают "нарушение равновесия" (по-современному - создают разность потенциалов) между обоими, после чего предложил называть полученное таким путем электричество не "животным", а "металлическим". С этого начался его семилетний путь к подлинно великому творению.
Первая серия уникальных экспериментов по измерению контактной разности потенциалов (КРП) завершилась составлением известного "ряда Вольты", в котором элементы располагаются в следующей последовательности: цинк, оловянная фольга, свинец, олово, железо, бронза, медь, платина, золото, серебро, ртуть, графит (Вольта ошибочно отнес графит к металлам - прим. авт.) .
Каждый из них, придя в соприкосновение с любым из последующих членов ряда, получает положительный заряд, а этот последующий - отрицательный. Например, железо (+) / медь (-); цинк (+) / серебро (-) и т. п. Силу, возникающую при контакте двух металлов, Вольта назвал электровозбудительной, или электродвижущей силой. Эта сила перемещает электричество так, что получается разность напряжений между металлами. Далее Вольта установил, что разность напряжений будет тем больше, чем дальше расположены металлы один от другого. Например, железо/медь - 2, свинец/олово - 1, цинк/серебро - 12.
В 1796-1797 гг. был выявлен важный закон: разность потенциалов двух членов ряда равна сумме разностей потенциалов всех промежуточных членов:
А/В + В/С + C/D + D/E + E/F = A/F.
Действительно, 12 = 1 + 2 + 3 + 1 + 5.
Кроме того, опыты показали, что разности напряжений в "замкнутом ряду" не возникает: А/В + В/С + C/D + D/A = 0 . Это означало, что посредством нескольких чисто металлических контактов нельзя достичь больших напряжений, чем при непосредственном контакте только двух металлов.
С современной точки зрения теория контактного электричества, предложенная Вольтой, была ошибочной. Он рассчитывал на возможность непрерывного получения энергии в виде гальванического тока без затраты на это какого-либо другого вида энергии.
Все-таки в конце 1799 г. Вольте удается добиться желаемого. Сначала он установил, что при соприкосновении двух металлов один получает большее напряжение, чем другой. Например, при соединении медной и цинковой пластин медная имеет потенциал 1, а цинковая 12. Последующие многочисленные эксперименты привели Вольту к выводу, что непрерывный электрический ток может возникнуть лишь в замкнутой цепи, составленной из различных проводников - металлов (которые он называл проводниками первого класса) и жидкостей (названных им проводниками второго класса).
Таким образом, Вольта, сам того до конца не осознавая, пришел к созданию электрохимического элемента, действие которого основывалось на превращении химической энергии в электрическую.
В 1790 г. итальянский ученый Л. Гальвани (1737 - 1798), медик по образованию, экспериментируя с мышцами лягушки, заметил, что сокращение мышц происходит в момент разряда электрической машины, имеющейся в его лаборатории. Он установил, что сокращение мышцы происходит и без разряда и опубликовал результаты своих экспериментов в книге «Трактат о силах электричества при мышечном движении», вышедшей в 1791 г.
Гальвани сообщал: «Когда я перенес лягушку в комнату и положил на железную дощечку и когда я прижал медный крючок, который был продет через спинной нерв, к дощечке, те же спазматические содрогания были налицо. Я производил опыты с разными металлами в различные часы дня в разных местах - результаты были одни и те же, разница была в том, что содрогания были более сильные при одних металлах, чем при других.
Затем я испытывал различные тела, которые не являются проводниками электричества, например, стекло, смолу, резину, камень и сухое дерево. Явления не было. Это было несколько неожиданно и заставило меня предположить, что электричество находится внутри животного».
Из ясных, вполне однозначных опытов Гальвани сделал неправильные выводы. Он считал, что источником электричества в наблюдаемом им явлении служит мышца. Это отразилось и в названии открытого им феномена - «животное электричество».
Ознакомившись с описанием опытов своего соотечественника, А. Вольта (1745 - 1827) повторил их, постепенно отходя от несущественного. Результаты многочисленных экспериментов привели исследователя к очень важным выводам. Так, Вольта убедился, что ответственными за появление электричества оказываются металлы различной природы, которые замыкаются жидкостью, содержащейся в мышце лягушки. В подтверждение этого Вольта провел опыт с двумя различными металлами, используя вместо мышц воду или слабый раствор кислоты. Эффект не только проявился, но и заметно усилился. В письме от 10 февраля 1794 г., адресованном аббату А. М. Вассали, занимавшему должность профессора физики в Туринском университете, Вольта пишет: «Что касается меня, то я давно убежден, что все действие возникает вследствие прикосновения металлов к какому-нибудь влажному телу или к самой воде. В силу такого соприкосновения, электрический флюид гонится в это влажное тело или в воду от самих металлов, от одного больше, от другого меньше (больше всего от цинка, меньше всего от серебра)». Отвлекаясь от идеи «животного электричества», которую так горячо и не без некоторого основания отстаивал Гальвани, Вольта приходит к конструкции первого источника тока, источника электрической энергии, названного современниками «вольтовым столбом».
20 марта 1800 г. Вольта в письме президенту Лондонского Королевского общества сэру И. Бэнксу пишет, что им создан прибор, «который по своим действиям, то есть по сотрясению, испытываемому рукой и т. п., сходен с лейденской банкой, или, еще лучше, со слабо заряженной батареей, но который, однако, действует непрерывно, то есть его заряд после каждого разряда восстанавливается сам собой; одним словом, этот прибор создает неуничтожаемый заряд, дает непрерывный импульс электрическому флюиду».
Значение этого открытия Вольта часто сравнивают по его последствиям с запуском ядерного реактора, который был осуществлен 142 года спустя. Из рук Вольта ученые получили источник электрической энергии, который давал возможность проводить систематические исследования в области электричества. Дешевизна и доступность в изготовлении элементов Вольта способствовали вовлечению в электрические исследования еще большего количества ученых, что не замедлило сказаться и на количестве научных сообщений в этой области знаний. Далее приведем только краткий перечень важнейших исследований в области электричества, вызванных открытием Вольта.