6.3. о животном электричестве и вольтовых столбах

6.4. О «животном электричестве» и вольтовых столбах
Во многих странах установлены памятники собакам, которые
вполне заслужили таких почестей своим беззаветным служением
человечеству. Памятник, хотя бы один, надо непременно поставить бесхвостым амфибиям, именуемым в просторечии лягушками. Потому что история лягушек и история науки об электричестве на определённом временном интервале тесно переплелись. Лягушка, можно сказать, по воле случая была востребована передовой наукой и стала на короткий, но чрезвычайно плодотворный
промежуток времени центром внимания многих учёных мужей.
Рис.6.17 Rana sylvatica
Вставляя химический источник тока (батарейку) в любое бытовое
светящее или играющее устройство уместно иногда вспомнить добрым словом этих бесхвостых
амфибий. Но, обо всём по порядку.
Вот выдержка из старой энциклопедии конца XVIII века [13]: «В течение целых тысячелетий
холоднокровное племя лягушек беззаботно совершало свой жизненный путь, как наметила его
природа, зная одного только врага, господина аиста, да ещё, пожалуй, терпя урон от гурманов, которые требовали для себя жертвы в виде пары лягушачьих лапок со всего несметного рода. Но в
исходе столетия наступил злосчастный век для лягушек. Злой рок воцарился над ними, и вряд ли
когда – либо когда-либо лягушки от него освободятся. Затравлены, схвачены, замучены, скальпированы, убиты, обезглавлены, − но и со смертью не пришёл конец их бедствиям. Лягушка стала
физическим прибором, отдала себя в распоряжение науке. Срежут ей голову, сдерут с неё кожу,
расправят мускулы и проткнут проволокой спину, а она всё же не смеет уйти к месту вечного успокоения; повинуясь приказанию физиков и физиологов, нервы её придут в раздражение и мускулы будут сокращаться, пока не высохнет последняя капля «живой воды». И всё это лежит на совести у Алоизо Луиджи Гальвани (1737 − 1798)».
Существует две версии возникновения интереса Луиджи Гальвани (рис. 6.18) к лягушкам. По
одной из них, в конце 1780 г. профессор анатомии занимался по обыкновению препарированием
оной из представительниц лягушачьего племени исключительно с целью удовлетворения
Рис. 6.18. Луиджи Гальвани и его эксперименты [31]
собственного любопытства о её внутреннем устройстве. По другой версии Гальвани потрошил
лягушек для того, чтобы сварить больной жене целебный лягушачий бульон. Обе версии заканчиваются одинаково. В комнату, где профессор занимался со своим ассистентом − физиком расчленением очередной бесхвостой амфибии, вошла жена, и тут же поспешила упасть в обморок. Когда
анатом и физик привели её в чувства, она с явно выраженным на лице ужасом показала на отре-
45
занную лапку лягушки, которая лежала на столе электрической машины и дёргалась, во время касания лежавшего рядом металлического скальпеля − как живая.
Тут было чему удивиться и двум мужественным учёным, которые, оставив свои прежние намерения, на целых 11 лет сосредоточились на всестороннем исследовании этого феномена.
О своём открытии Гальвани позже напишет так: «Я разрезал и препарировал лягушку, как
указано на фигуре (Рис.1.19), и поместил ее на стол, на котором находилась электрическая машина, при полном разобщении от кондуктора последней и на довольно большом расстоянии от него.
Когда один из моих помощников острием скальпеля случайно очень легко коснулся внутренних
бедренных нервов этой лягушки, то немедленно все мышцы конечностей начали так сокращаться,
что казались впавшими в сильнейшие тонические судороги. Другой же из них, который помогал
нам в опытах по электричеству, заметил, как ему казалось, что это удается тогда, когда из кондуктора машины извлекается искра. Удивленный новым явлением, он тотчас же обратил на него мое
внимание, хотя я замышлял совсем другое и был поглощен своими мыслями. Тогда я зажегся
страстным желанием исследовать это явление и вынести на свет то, что было в нем скрытного».
Сочинение Гальвани «Трактат о силах электричества при мышечном движении» увидевшее свет в
1791 г. сводилось, в конечном счёте, к тому, что электричество «живёт» в теле лягушки. С лёгкой
руки Гальвани учёные и обыватели активно заговорили о «живом электричестве». Сам Луиджи об
этом писал так: «Из того, что мы до сих пор узнали и исследовали, можно, я полагаю, с достаточным основанием заключить, что животным присуще электричество, которое мы позволили себе
обозначить вместе с Бертолонием и другими некоторым общим названием «животного». А почему
бы нет? Существуют же электрические скаты и угри, почему бы не быть электрическим лягушкам,
правда менее выраженным.
Рис. 6.19. Первые опыты Гальвани с «живым электричеством»[17]
К сожалению Луиджи Гальвани и его ассистент Бертолоний не придали значения тому факту,
что сокращение мышечных тканей лягушачьих лапок происходило только в тех случаях, когда
металлический предмет касался оголённого нерва.
Самой большой заслугой Гальвани является то, что на проблему его «живого электричества»
обратили внимание серьёзные учёные и продолжили путь развития методов получения электрических источников энергии. Своё открытие Гальвани сделал своевременно. Это к тому, что за сто с
лишним лет до Гальвани в далёком 1678 г.[57] учёный Шввамердам демонстрировал герцогу Тосканскому конвульсии лягушачьих лапок, подвешенных на серебряной проволоке. В Швеции в
1752 г. философ Иоганн Георг Зульцер среди прочих своих наблюдений, опубликовал следующее
сообщение: «Если два куска металла, один − оловянный, другой − серебряный, соединить и при-
46
ложить к их языку, то последний будет ощущать некоторый вкус, довольно похожий на вкус железного купороса, в то время как каждый кусок металла в отдельности не даёт и следа этого вкуса». Марко Кальдани в 1756 году тоже препарировал бедных пресмыкающихся и тоже заметил,
что тело мёртвой лягушки вблизи электрофорной машины содрогается, но не придал, в отличие от
Гальвани, этому факту никакого значения. Яичко дорого к христову дню.
Внимательно ознакомившись с работами Луиджи Гальвани
итальянский физик Алесcандро Вольта (1745 − 1827) усомнился в
правильности выводов о происхождении электричества в теле лягушек и начал развивать эту тему в несколько ином направлении.
Алессандро Вольта родился 18 февраля в городке Комо [2,3], который был расположен близ Милана в знатной дворянской семье с
вековыми традициями. Как и многие гениальные люди, он по рождении был слаб и тщедушен, угрожающе долго не говорил. Первое слово «нет» Алессандро произнёс в четыре года. После пяти лет развитие
малыша пошло очень быстро. В восемнадцать лет Вольта на равных
активно переписывался с аббатом Ноле, который демонстрировал на
мушкетёрах электрические эффекты с лейденской банкой [50,57].
Первые научные успехи и широкая известность в узких научных круРис. 6.20. А. Вольта
гах пришла к нему после изобретения электрофорной машины, которая в настоящее время является непременным атрибутом многих школьных кабинетов физики.
Вольта первым из миланской профессуры начал преподавать физику не на латыни, а на родном
итальянском языке.
Трактат Гальвани «Трактат о силах электричества при мышечном движении» потряс Вольта
настолько, что он перечитал его несколько раз и обнаружил то, что ускользнуло от внимания автора. Он установил, следуя подробнейшим описаниям экспериментов Гальвани, что все эффекты
происходили, как отмечалось выше, при контакте лягушачьего нерва с металлическими инструментами, выполненными из разнородных металлов. Вот оно озарение гениального человека. Тысячи читали трактат Гальвани, а этот пустячок упустили. Алессадро Вольта ставит серию опытов,
заменив пресмыкающихся своим языком. Вот как описывает это сам Вольта: «Признаюсь, я с неверием и очень малой надеждой на успех приступил к первым опытам: такими невероятными казались мне, таким далёким от всего, что нам доселе известно об электричестве… Ныне я обратился, сам был очевидцем, сам производил чудное действие и от неверия перешёл, может быть, к фанатизму!». Профессор Вольта брал две монеты из разных металлов: одну подкладывал под язык, а
другую − на язык. Соединяя монеты проволочкой он временами чувствовал солоноватый вкус.
Каждый может ощутить этот вкус, если коснётся языком современного химического источника
тока (батарейки), наиболее ярко действие электрического тока на язык проявляется при подобном
испытании плоских батареек, с напряжением на электродах ε = 4,5 В. Касаться клемм автомобильного аккумулятора могут себе позволить только люди с устоявшейся нервной системой. Но Алессандро Вольта сумел почувствовать на порядок меньший, еле уловимый «вкус» электрического
тока. А параллельно Вольта в своей университетской лаборатории повторял опыты Гальвани и всё
более убеждаясь, что причины возникновения эклектических явлений не физиологического, а физического и химического характера. Наука об электричестве претерпела очередной раскол. Образовались два научных клана: «вольтианцы» и «гальванианцы». Первые во всех опытах с лягушками и другими животными начисто отметали животных − как источник электрического тока; вторые, наоборот, считали что «животное электричество» существует и мышечные ткани способны
его вырабатывать.
Параллельно с «борьбой» со сторонниками физиологических причин электрических явлений,
Алессандро Вольта проводит серию экспериментов, направленных на усиление обнаруженного им
эффекта возникновения электрического тока в щелочной среде (слюне). Вольта испытал на себе
все доступные ему металлы и выстроил ряд их активности, так называемый ряд напряжений металлов: Zn, Cu, Ag. Чем дальше друг от друга отстоят металлы, тем более они эффективны при
производстве электрического тока. Конечно современный ряд несколько длиннее вольтова (Zn, Fe,
Sn, Pb, Cu, Ag, Pt, C), но не надо забывать, что Вольта был первый. Вольта выбрал два металла −
цинк и серебро и продолжил свои поиски способов дальнейшего усиления эффекта.
Итоги своих поисков вольта изложил в 1800 г. в письме президенту Лондонского королевского общества сэру Джозефу Бэнксу: «Да, устройство о котором я говорю и которое непременно
привело бы Вас в изумление, представляет собой нечто иное, как некоторое число хороших про-
47
водников, расположенных друг за другом в определённой последовательности. 30, 40, 60 и более
пластин из меди, лучше из серебра, каждая из которых сложена с пластинкой из олова, но гораздо
лучше из цинка, и столь же большое число прослоек из воды или любой другой жидкости, проводящей лучше, чем обыкновенная вода, например солёная вода, щёлок и т.п., или куски бумаги или
кожи и т.п., пропитанные указанными жидкостями. Эти куски вставляются между пластинами каждой пары или в каждый контакт двух различных металлов. Такое чередование проводников трёх
родов, всегда в одной и той же последовательности, − всё из чего состоит новый прибор, который,
как уже говорилось, производит действие такого же рода, как лейденские банки…». В этой записке Вольта описывает свой знаменитый Вольтов столб, т.е. последовательное соединение ячеек,
состоящих из пластинок разнородных металлов и прокладок, пропитанных растворами кислот или
щелочей. Но столб появился позже, вначале прибор для производства электричества, описанный в
трактате «Об электричестве, возбуждаемом простым соприкосновением различных проводящих
веществ» [3], представлял собой довольно громоздкое сооружение (Рис.6.21), в котором вместо
прокладок из кожи или картона использовались специальные деревянные сосуды. В сосудах, заполненных проводящими жидкостями, помещались пластины, выполненные из цинка и серебра.
Рис.6.21. Установка Вольты для производства электричества [17]
Когда габариты батареи уменьшились до размеров, соизмеримых с размерами стола, Вольта
решился продемонстрировать своё творение консулу Франции Наполеону Бонапарту (Рис.6.22)
Совершенствуя конструкцию источника тока Вольта пришёл к идее столба, когда кружки разноимённых металлов, разделенные войлочными промежутками и соединённые последовательно,
помещались в цилиндрические стеклянные или деревянные банки, наполняемые растворами кислоты или щёлочи. Это был, так называемый, Вольтов столб − прообраз современных химических
источников электрического тока, самого распространённого и теперь для питания всевозможных
малогабаритных электрических и электронных устройств.
Рис. 6.22. Вольта демонстрирует свой прибор Наполеону [32]
Вольтов столб принёс своему создателю заслуженную славу и почёт. Французы, весьма революционно во всех отношениях настроенная в то время нация, обрушивает на Вольту град внимания. В его честь чеканится медаль, а первый консул Директории небезызвестный генерал Бонапарт
основал фонд в 200000 франков для "гениальных первооткрывателей" в области электричества и
48
первую премию вручает автору столба. Помимо прочего Вольта становится рыцарем Почетного
легиона, Железного креста, получает звание сенатора и графа, становится членом Парижской и
Петербургской академий наук, членом Лондонского Королевского общества, которое награждает
его Золотой медалью Коплея. Вольта в естествознании являет собой редкий случай учёного, когда
ему воздаётся по заслугам его ещё при жизни.
Историки и учёные едины во мнении, что создание "вольтова столба" было, как бы сказали современные политики, судьбоносным событием в электрической науке, оно стало прочным фундаментом для целого ряда современных естественнонаучных отраслей, прежде всего для современной электротехники и электроники, оказав, трудно сравнимое с чем-нибудь другим, влияние
на всю историю человеческой цивилизации. Неудивительно, что современник Вольты французский академик Доминик Франсуа Жан Араго (1786 − 1853) считал открытие Вольты «... самым
замечательным прибором, когда-либо созданным людьми, не исключая телескопа и паровой машины».
Как только в распоряжении учёных попал источник постоянного тока, который мог по началу
несколько минут обеспечивать на своих клеммах относительно постоянную разность потенциалов,
открытия новых свойств и возможностей электричества стали появляться на страницах научных,
технических и популярных журналов с невиданно часто. Вольтовы столбы строили в Европе, Азии
и Америке. Их усовершенствовали, их делали более удобными, но идеология была всё та же.
Одним из самых известных энтузиастов модернизации химических источников тока был профессор физики петербургской Медико-хирургической академии
Василий Петров (1761 − 1834). Василий Владимирович
родился в г. Обояни, что под Курском, в семье приходского священника. Учился в Харькове, потом преподавал математику и физику, а в 1833 г. стал вначале экстраординарным, а затем и ординарным профессором
медико-хирургической академии. Научные интересы
Петрова простирались на метеорологию, химию и физику. Первая его научная работа «Собрание новых фиРис. 6.23 Современный
зико-химических опытов и наблюдений», вышедшая в
химический источник тока [21]
свет в 1801 г. привлекла внимание серьёзных учёных
обоснованной критикой теории флогистона (теплорода), особой жидкости, ответственной за передачу и преобразование тепла. Петров экспериментально доказал, что процесс горения возможен
только в присутствии кислорода, флогистон тут не причём.
В 1802 г. он изготовил источник тока высокого напряжения (около 1700 В), состоящий из
2100 медно-цинковых элементов. Грандиозность реализованного профессором Петровым замысла
становится понятной, если учесть что в Европе строили источники, состоящие из 15 − 20 элементов. Вскоре после ввода батареи в эксплуатацию в 1803 г. Петров опубликовал в работе «Известие
о «гальвани -вольтовских опытах» сообщение о наблюдаемой им электрической дуге, которую
назвали «вольтовой». Профессор писал о чрезвычайно ярком свете, подобном солнечному
«…тёмный покой довольно ясно освещён быть может…» и высокой температуре в зоне электрического разряда. Петров один из первых экспериментально подтвердил химическую природу нового источника энергии. Петров в своих опытах использовал медно-цинковые элементы (Рис.
6.24), помещённые в раствор серной кислоты. Если посмотреть на отработавший некоторое время
элемент, то пластина или стержень, выполненные из цинка разрушены гораздо более, чем медные.
Это говорит о том, что цинковая пластина растворяется быстрее. Положительно заряженные ионы
цинка (Zn++), переходя в раствор
серной кислоты, делают электрод
заряженным отрицательно. Молекула серной кислоты H2SO4 в воде
тоже распадается на два иона H+ и
SO4++
H 2SO 4 → 2H + + SO 4−− .
Положительные ионы цинка,
при переходе в раствор, создают
потенциал, под действием которого
Рис. 6.24 Химический элемент тока [30]
ионы водорода из раствора оттес-
49
няются к медной пластине. В окрестностях меди ион водорода приобретает электрон и становится
нейтральным атомом. Два таких нейтрала, соединяясь, образуют молекулу газообразного водорода H2. При всех этих превращениях медная пластина становится заряженной положительно, т.к.
именно с неё поступают в раствор электроны. Если электроды не соединены электрически, то как
только медная пластина заряжается положительно, она начинает отталкивать от своей поверхности водородные ионы Н+, которые в свою очередь блокируют перемещение Zn++ в раствор. Цинковая пластина прекращает растворяться. Наступает равновесие, при котором на цинковой пластине
имеется избыток электронов, а на медной − наоборот, недостаток. В состоянии равновесия цинковая пластина оказывается заряженной положительно, а медная отрицательно. Между электродами,
таким образом существует разность потенциалов ϕZn- ϕСu ≅1,1 В. Разность потенциалов не зависит
от площади пластин, а определяется только свойствами, используемых материалов. Площадь пластин определяет мощность источника. При замыкании электродов через соответствующую нагрузку (спираль, лампочка, звонок и т.п.) электроны придут в движение, перемещаясь с отрицательно заряженной цинковой пластины к положительно заряженной медной пластине. В цепи потечёт электрический ток. Элемент начнёт совершать превращение электрической энергии в другие, более низшие виды.
Вольта прожил 82 года, ему посчастливилось ощутить всю великую роль сделанных им открытий для развития стратегических направлений нынешней цивилизации. Человечеству пришлось ждать 142 года до появления атомного котла − аппарата, рождение которого по своим последствиям можно, весьма условно сравнить с изобретением вольтова столба. Экология и безопасность, дамы и господа!!!!!!!!
50