6.1. Открытие гальванического тока

Казалось бы, XVII век очень немного внес в развитие познания электрических и магнитных явлений, но именно тогда был заложен фундамент и дан мощный импульс исследованиям этих явлений в последующих столетиях.

Во время опытов с электрической машиной, проводимых учеными XVIII века, замечали переход электричества с натираемого стеклянного круга на кондуктор. Много раз пробовали разряжать «лейденскую банку» через длинную цепь взявшихся за руки людей, но никто не высказал ясной мысли о возможности длительного течения электричества по проводникам.

Открытию электрического тока предшествовали опыты итальянского анатома Луиджи Гальвани.

Работая в лаборатории, где проводились опыты с электричеством, Гальвани наблюдал явление, которое было известно многим еще до него. Оно заключалось в том, что если через нерв лягушачьей ножки, соединённой проволочкой с землей, разряжать кондуктор электрической машины, то наблюдались судорожные сокращения её мышц. Но однажды Гальвани заметил, что лапка пришла в движение, когда с ее нервом соприкасался только стальной скальпель. Удивительнее всего было то, что между электрической машиной и скальпелем не было никакого контакта. Это поразительное открытие заставило Гальвани поставить ряд опытов для обнаружения причины наблюдаемого явления. В один из осенних дней 1780 года Гальвани провел эксперимент с целью выяснить, вызывает ли такие же движения в лапке электричество молнии. Для этого Гальвани подвесил на латунных крючках несколько лягушачьих лапок в окне, закрытом железной решеткой. И он обнаружил в противоположность своим ожиданиям, что сокращения лапок происходят в любое время, вне всякой зависимости от состояния погоды. Присутствие рядом электрической машины или другого источника электричества оказалось ненужным. Гальвани установил далее, что вместо железа и латуни можно использовать любые два разнородных металла, причем комбинация меди и цинка вызывала явление в наиболее отчетливом виде. Стекло, резина, смола, камень и сухое дерево вообще не давали никакого эффекта. К сожалению, Гальвани пришел к заключению, что в тканях тела лягушки заключается «животное электричество». Поэтому при соединении проводниками (медь, железо) нерва с мускулами происходит разряд. В результате его современникам понятие «животного электричества» стало казаться гораздо более реальным, чем электричество какого-либо другого происхождения. Обнаружение электрического тока все еще оставалось тайной. Где же появляется ток: только в тканях тела лягушки, только в разнородных металлах или же в комбинации металлов и тканей?

Луиджи Гальвани (1737–1798) – итальянский врач, анатом и физиолог, один из основателей электрофизиологии. Образование получил в Болонском университете, там же преподавал медицину.

Алессандро Вольта (1745–1827) – итальянский физик и физиолог, один из основоположников учения об электричестве. Установил связь между количеством электричества, емкостью и напряжением, изобрел первый химический источник тока на медно-цинковой паре («вольтов столб», или «батарея Вольта»). В апреле 1800 г. в Париже Вольта был принят Первым консулом Франции – Наполеоном. Наполеон интересовался науками, справедливо полагая, что сила государства в новом веке немыслима без процветания просвещения. Продемонстрировав восхищенному Наполеону свои опыты, Вольта стал рыцарем Почетного легиона, получил звание сенатора и графа.

Вольта прожил долгую и счастливую жизнь. К сожалению, почти все его личные вещи, приборы, а также 11 громадных папок его трудов сгорели во время пожара. Но Вольта вечен в вольте – единице электрического напряжения.

Рис. 6.1. «Вольтов столб»К счастью, история распорядилась так, что результаты опытов Гальвани, изложенные им в его знаменитом «Трактате об электрических силах при мышечном движении», увидевшем свет в 1791 году, попались на глаза итальянскому ученому Алессандро Вольта.

Потрясенный Вольта перечитывает трактат и находит в нем то, что ускользнуло от внимания самого автора, – упоминание о том, что эффект содрогания лапок наблюдался лишь тогда, когда лапок касались двумя различными металлами. Вольта решает поставить видоизмененный опыт, но не на лягушке, а на самом себе. «Признаюсь, – писал он, – я с неверием и очень малой надеждой на успех приступил к первым опытам: такими невероятными казались они мне, такими далекими от всего, что нам доселе известно было об электричестве... Ныне я обратился к опытам, сам был очевидцем, сам производил чудное действие и от неверия перешел, может быть, к фанатизму!»

Теперь Вольту можно было увидеть за странным занятием: он брал две монеты – обязательно из разных металлов – и... клал их себе в рот – одну на язык, другую – под язык. Если после этого монеты или кружочки Вольта соединял проволочкой, он чувствовал кисловатый вкус, тот самый вкус, но гораздо слабее, что мы можем чувствовать, лизнув одновременно два контакта батарейки. Из опытов, проведенных раньше с электрофором, Вольта знал, что такой вкус вызывается электричеством. Вольта предположил, что причиной явления, наблюдавшегося Гальвани, служило присутствие двух разных металлов. Руководствуясь этой мыслью, он поставил много опытов и, наконец, сделал важное открытие, о чем сообщил в 1800 году Лондонскому королевскому обществу. Вольта писал, что он нашел новый источник электричества, действующий подобно батарее слабо заряженных «лейденских банок». Однако в отличие от гальванической батареи его прибор заряжается сам собой и разряжается непрерывно. При этом он дал и описание своего прибора.

А. Вольта демонстрирует действие построенной им гальванической батареи Первому консулу Франции, будущему императору Наполеону Бонапарту (по рисунку Бертини)

15 июня 1802 г. во Франции, в то время одной из самых передовых в научном отношении стран, учреждается государственная премия в виде золотой медали и солидной денежной суммы «тому, кто своими открытиями, подобно Вольте и Франклину, продвинет вперед науку об электричестве и магнетизме». Отдавший это распоряжение Первый консул, будущий император Наполеон I, заканчивает свое указание пророческими словами: «Моя цель состоит в поощрении, в привлечении внимания физиков к этому отделу физики, представляющему, как мне чувствуется, путь к великим открытиям». Первым этой награды был удостоен в 1806 г. Гемфри Дэви. Кстати, французская премия была вручена англичанину именно в тот момент, когда эти страны находились в состоянии войны. Однако никакого возмущения общественности не последовало. Со стороны Наполеона I это действительно был поступок, достойный подражания.

Рис. 6.2. Гальваническая батарея Вольта

Вольта устроил свой прибор так. Он поставил друг на друга несколько дюжин попарно собранных цинковых и медных кружков, разделенных бумагой, смоченной соленой водой. Когда экспериментатор прикасался одной рукой к нижнему медному, а другой рукой – к верхнему цинковому кружкам, то испытывал сильный электрический удар. При этом прибор не разряжался, и, сколько бы раз он не касался кружков, удар повторялся, т.е. заряд электричества возникал непрерывно. Таким образом, Вольта получил первый довольно мощный источник электричества – знаменитый «вольтов столб», составивший целую эпоху в истории физики (рис. 6.1).

Так было открыто новое явление – непрерывное движение электричества в проводнике, или электрический ток. Создание первого источника электрического тока сыграло громадную роль в развитии науки об электричестве и магнетизме. Современник Вольта французский ученый Араго считал вольтов столб «самым замечательным прибором, когда-либо изобретенным людьми, не исключая телескопа и паровой машины».

Сразу вслед за этим Вольта сделал еще одно великое изобретение: он изобрел гальваническую батарею, пышно названную «короной сосудов» и состоявшую из многих

последовательно соединенных цинковых и медных пластин, опущенных попарно в сосуды с разбавленной кислотой, – уже довольно солидный источник электрической энергии (рис. 6.2). Можно считать, что с того дня источники постоянного электрического тока

вольтов столб и гальваническая батарея – стали известны многим физикам и нашли широкое применение в последующих исследованиях.

Прибор Вольта побудил ученых к работе над изобретением подобных источников тока. В частности, гальванический элемент был устроен английским химиком Джоном Даниэлем (1790–1845). В элементе Даниэля цилиндрически изогнутая медная пластинка погружена в раствор медного купороса. Цинковая пластинка находится в пористом глиняном сосуде, наполненном разбавленной серной кислотой. По проводнику, соединяющему медную пластинку с цинковой, течет электрический ток. В 1839 году немецкий физик Роберт Бунзен (1811–1899) заменил медную пластинку угольным цилиндриком, погруженным в азотную кислоту. Наконец, парижский химик Лекланше создал очень дешевый и удобный элемент, нашедший широкое применение. В его элементе также есть цилиндрически изогнутая цинковая пластинка и угольный цилиндрик, но они оба погружены в раствор нашатыря.