В чем заключались опыты вольта. Аллесандро Вольта и первый электрохимический генератор (Вольтов столб)

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:

1. Попарно брались цинковые и медные кружки в плотном соприкосновении друг с другом.
2. 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.

Вольта и Гальвани

В 1801 году в Париже произошло яркое событие, неоднократно описанное историками науки: в присутствии Наполеона Бонапарта состоялось представление работы Алессандро Вольты «Искусственный электрический орган, имитирующий натуральный электрический орган угря или ската» с демонстрацией модели этого органа. Наполеон щедро наградил автора: в честь ученого была выбита медаль и учреждена премия в 80 000 экю. А однажды Наполеон, увидев в библиотеке Французской академии лавровый венок с надписью «Великому Вольтеру», стер последние буквы таким образом, чтобы получилось: «Великому Вольте»… Все ведущие научные общества того времени, включая Петербургскую академию наук, изъявили желание видеть Вольту в своих рядах, а лучшие университеты Европы были готовы предоставить ему свои кафедры.

Изобретение Вольты, которое он скромно предлагал назвать «искусственным электрическим органом», а современники единодушно окрестили «вольтовым столбом», - прообраз всех современных батарей и аккумуляторов. Современник Вольты французский ученый Араго считал «вольтов столб» «самым замечательным прибором, когда-либо изобретенным людьми, не исключая телескопа и паровой машины».

Путь, который привел Вольта к созданию его изобретения, начинается со знаменитых опытов Луиджи Гальвани, который открыл иную возможность получения электричества, нежели с помощью электризации трением. Почему же он не был осыпан почестями в первую очередь или по меньшей мере рядом с Вольтой? Причина отнюдь не в том, что Гальвани к тому времени уже скончался, - будь он жив, наполеоновская награда, скорее всего, все равно досталась бы Вольте. Да и не в Наполеоне дело - в последующие годы не он один возвышал Вольту. И на то были свои резоны. Это долгая и интересная история. Расскажем ее вкратце.

Известность Гальвани принесли опыты по изучению мышечного сокращения. В 1771 году он открыл феномен сокращения мышц препарированной лягушки под действием электрического тока, о чем мы сказали в первой главе. А вот как это произошло в описании, приведенном в книге К. Фламмариона: «Все, конечно, помнят знаменитый бульон из лягушек, приготовленный для г-жи Гальвани в 1791 году. Гальвани женился на хорошенькой дочери своего бывшего профессора Лючии Галеоцци и нежно любил ее. Она заболела чахоткой и умирала в Болонье. Врач предписал ей питательный бульон из лягушек, кушанье очень вкусное, надо заметить. Гальвани непременно пожелал приготовить его собственноручно. Сидя на своем балконе, он очистил несколько штук лягушек и развесил их нижние конечности, отделенные от туловища, на железную решетку балкона при помощи медных крючков, употреблявшихся им при опытах. Вдруг он заметил с немалым удивлением, что лапки лягушек конвульсивно содрогаются каждый раз, когда случайно прикасаются к железу балкона. Гальвани, бывший в то время профессором физики в Болонском университете, подметил это явление с редкой сметливостью и вскоре открыл все условия для его воспроизведения.

Если взять задние лапки со снятой кожей, можно заметить чресленные нервы. Обернув обнаженные нервы лапок в жесть и поставив сами лапки на медную полосу, надо привести жестяную пластину в соприкосновение с медной. В результате мускулы лапок сократятся и пластинка, в которую они упираются, опрокидывается с порядочной силой» . Но мы-то уже знаем, кто, скорее всего, подметил сокращение лапок лягушки. Впрочем, в любом случае следует заметить, что наблюдения болонского физика были встречены хохотом и только несколько серьезных ученых оказали им должное внимание. Бедный ученый сильно огорчился. «На меня нападают, - писал он в 1792 году, - две совершенно различные секты: ученые и невежды. И те и другие смеются надо мной и называют лягушачьим танцмейстером. А между тем я убежден, что открыл одну из сил природы» .

Однако возникновение тока еще оставалось тайной. Где же появляется ток - только в тканях тела лягушки, только в разнородных металлах или же в комбинации металлов и тканей? К сожалению, Гальвани пришел к заключению, что ток возникает исключительно в тканях тела лягушки. В результате его современникам понятие «животного электричества» стало казаться гораздо более реальным, чем электричества какого-либо другого происхождения. Широкими мазками набрасывает он картину возможных методов электромедицины и, главное, роли электричества в функционировании живого. Результаты наблюдений и теорию «животного электричества» он изложил в 1791 году в работе «Трактат о силах электричества при мышечном движении» (De Viribus Electricatitis in Motu Musculari Commentarius).

Открытие Гальвани произвело сенсацию. Появление «Трактата» вызвало огромный интерес в самых разных странах. Уже в следующем году выходит его второе издание. Гальвани на короткое время становится знаменит. По всей Европе поднялась волна экспериментов, наладивших прямую связь между биологическими лабораториями, мясными лавками, гильотинами и кладбищами. С электродом в руке Вольта заставлял шевелиться отрубленный бараний язык и петь обезглавленных кузнечиков. Дзанетти в течение двух часов наблюдал за сокращением каждого из кусков змеи, разрубленной натрое. А что случится, думали они, если пропустить ток через труп человека? Племянник Гальвани - Джованни Альдини отправился в поездку по Европе, во время которой он предлагал публике тошнотворное зрелище. Его самая выдающаяся демонстрация произошла 17 января 1803 года, когда он подсоединял полюса 120-вольтного аккумулятора к телу казненного убийцы Джорджа Форстера. Когда Альдини помещал провода на рот и ухо, мышцы лица начинали подергиваться и появлялась гримаса боли. Левый глаз открывался, как будто хотел посмотреть на своего мучителя. Показ торжественно завершался тем, что Альдини подсоединял один провод к уху, а другой засовывал в прямую кишку. Труп пускался в омерзительный пляс. Газета «London Times» писала: «Несведущей части публики могло показаться, что несчастный вот-вот оживет».

Бесчисленное количество людей стали проделывать опыты по методике Гальвани. Вот что писали об этом в одной из старых энциклопедий: «В течение целых тысячелетий хладнокровное племя лягушек беззаботно совершало свой жизненный путь, как наметила его природа, свободно росло и наслаждалось земными благами, зная одного только врага, господина аиста, да еще, пожалуй, терпя урон от гурманов, которые требовали для себя жертвы в виде пары лягушачьих лапок со всего несметного рода. Но в исходе позапрошлого столетия наступил злосчастный век для лягушек. Злой рок воцарился над ними, и вряд ли когда-либо лягушки от него освободятся. Затравлены, схвачены, замучены, скальпированы, убиты, обезглавлены, но и со смертью не пришел конец их бедствиям. Лягушка стала физическим прибором, отдала себя в распоряжение науки. Срежут ей голову, сдерут с нее кожу, расправят мускулы и проткнут спину проволокой, а она все же не смеет уйти к месту вечного упокоения; повинуясь приказанию физиков или физиологов, нервы ее придут в раздражение и мускулы будут сокращаться, пока не высохнет последняя капля „живой воды“» .

Вполне естественно, что физиолог Гальвани пришел к выводу о существовании «животного электричества». Вся обстановка опытов толкала к этому. Он был убежден, что им разгадана причина мышечных сокращений, которая для всех естествоиспытателей доныне оставалась «погребенной в глубокой тьме». Понять, почему лапки мертвых лягушек дергаются, Гальвани не было суждено. Это сделал соотечественник Гальвани, который одним из первых пустился по его горячим следам. Это был Алессандро Вольта. Он был на восемь лет моложе Гальвани, но последний в своем трактате называет его знаменитейшим и изготовляет приборы, следуя опубликованным рекомендациям Вольты. Вольта происходил из более знатной семьи, чем Гальвани, получил прекрасное образование, был лично знаком со многими авторитетными физиками Европы, состоял в переписке с английским Королевским обществом и, будучи принятым в его ряды, явно хотел быть в нем заметным. В отличие от Гальвани он легко шел на контакт с новой пронаполеоновской властью Италии, отрешившей Гальвани в последние годы его жизни от кафедры.

Вольта познакомился с работой Гальвани, и вот его первая реакция на трактат: «Я должен, однако, признаться, что я приступил к первым опытам с недоверием и без больших надежд на успех: настолько поразительными казались мне описанные явления, которые если и не противоречили, то слишком превосходили все то, что до сих пор было известно об электричестве, такими чудесными они мне казались. За это мое недоверие и как бы упорное предубеждение, которого я не стыжусь, я прошу прощения у автора открытия и считаю теперь своей славной обязанностью в такой же мере почтить его после того, как я видел и трогал рукой то, чему столь трудно было поверить до того, как потрогать и увидеть. Однако после того, как я сам стал очевидцем и творцом всех этих чудес, я наконец обратился и перешел от недоверия, может быть, к фанатизму» . В это время (1792 год) Вольта был уже известным физиком, профессором университета в Павии, членом лондонского Королевского общества. К этому времени он изобрел новый чувствительный электроскоп, электрический конденсатор и ряд других приборов. Он тоже производил опыты с препарированной лягушкой и наблюдал те же эффекты, что и Гальвани.

Эти опыты полностью подтвердили результаты Гальвани, но Вольта задался целью внести меру в эту новую область науки, то есть провести количественное изучение «животного электричества», измерить электрометрами его величину и величину заряда, необходимого для вызова сокращения мышцы. «Ведь никогда нельзя сделать ничего ценного, если не сводить явлений к градусам и измерениям, особенно в физике», - писал он. Вольта тщательно анализирует опыты и приходит к выводу, что электрический ток в опытах Гальвани вызывает не непосредственно сокращение мышцы, а лишь возбуждение нерва, который далее неизвестным образом действует на мышцу. И кроме того, на основании множества опытов Вольта приходит к убеждению, что обкладки из двух разных металлов являются не простыми проводниками, а «настоящими возбудителями и двигателями электрического флюида» .

Первые опыты Вольты очень просты. Он брал две монеты из разных металлов и одну из них клал на язык, а другую - под него; при соединении их проволокой ощущался кислый вкус - такой же, как при «пробовании на язык» проводов от известных в то время источников электричества. Если Гальвани считал, что ткани организма лягушки, которую он препарировал, касаясь их разнородными металлами, являются источником электричества, то Вольта убедился в том, что эти ткани - индикатор электричества, возникающего при контакте разнородных металлов. Так была открыта контактная разность потенциалов.

Вольта доказал, что именно ток, вырабатываемый при контакте двух различных металлов, вызывает сокращение мышц в лягушачьих лапках. Этим он опроверг предположение Гальвани о том, что электричество вырабатывается в мышцах. Для того чтобы доказать свою точку зрения, он наполнил соляным раствором две чаши и соединил их металлическими дугами. Один конец этих дуг был медный, а другой цинковый. Они были установлены так, что в каждой чаше было по одному электроду каждого типа. Эта конструкция и стала первой батареей, вырабатывающей электричество за счет химического взаимодействия двух металлов в растворе. В 1800 году он усовершенствовал ее, создав свой знаменитый «вольтов столб», первый источник постоянного тока. Он представлял собой 20 пар кружочков, изготовленных из двух различных металлов, проложенных кусочками кожи или ткани, смоченными в соляном растворе.

Теперь можно ответить на вопрос - почему Гальвани не был осыпан почестями в первую очередь или по меньшей мере рядом с Вольтой? Причина отнюдь не в том, что Гальвани к тому времени уже скончался. Гальвани подошел к факту не как физик, а как физиолог, его заинтересовала способность мертвого препарата проявлять себя как живой материал (очень похоже на историю Майера и Джоуля, см. ниже), и он с величайшей тщательностью исследовал этот феномен, меняя самые разные параметры. Гальвани объяснил это явление существованием «животного электричества», благодаря которому мышцы заряжаются подобно лейденской банке. Понять, почему лапки мертвых лягушек дергаются, Гальвани не было суждено. Лишь великий Алессандро Вольта понял, что соединение разных металлических проводников (у Гальвани медная проволока была привязана к железному балкону) само по себе вызывает появление на их концах электрических зарядов. Если замкнуть концы через тело лягушки, образуется электрический ток, который является не кратковременным, как при «страшных опытах» Отто фон Герике, а длительным. То, что два разнородных металла могут быть источником электричества, - для Вольты и других физиков был шокирующий переворот в физических представлениях.

Спор между Гальвани и Вольтой, а также их последователями - это спор о «животном» и «металлическом» электричестве. Весь мир тогда разделился на два лагеря. Одни поддерживали Гальвани, а другие - Вольту. И трудно сказать сегодня, чем бы кончился этот спор, поскольку оба ученых были по-своему правы. Сегодня мы знаем, что в мускулах животных действительно возникает электричество. В то же время электричество может рождаться и без участия животных, из одних лишь разнородных металлов, которые заряжается в результате контакта. Да, Гальвани ошибался в своих взглядах на «животное» электричество, но его ошибки исправил Вольта. И все же Гальвани является основоположником учения об электричестве, его опыты положили начало новому научному направлению - электрофизиологии. Опыты Гальвани стоят в начале долгого пути исследований электрических токов в теле человека. Если, например, сокращается мышца, то в ней постепенно возникает и угасает электрическое напряжение, правда очень слабое и трудноуловимое. Впрочем, врачам и инженерам удалось создать аппарат, который благодаря разности этого электрического напряжения устанавливает, здорово ли сердце, или в нем есть какие-то пороки. Этот аппарат называется «электрокардиограф».

В истории науки имена Гальвани и Вольты стоят рядом. Но они не соратники, а оппоненты в знаменитом споре о животном электричестве. Гальвани, несмотря на ряд выдающихся физических открытий, не был признан как физик, да и вряд ли стремился к этому. Физиком же считается Вольта, повторивший опыты Гальвани и давший им иное толкование. Триумф «вольтова столба» обеспечил безоговорочную победу Вольты над Гальвани. Исключив жизнь - это сложнейшее явление природы - из науки об электричестве, придав физиологическим действиям лишь пассивную роль реагента, Вольта обеспечил быстрое и плодотворное развитие этой науки. Но вот что забавно: когда речь идет об областях не физических, термины, связанные с именем Гальвани, вполне приемлемы: гальванотерапия, гальваническая ванна, гальванотаксис. Если же дело касается физики, то на всякий гальванический термин есть термин антигальванический: не гальванометр, а амперметр; не гальванический ток, а ток проводимости; не гальванический элемент, а химический источник тока.

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.

Появление «Трактата...» вызвало огромный интерес в самых разных странах. Уже в следующем году выходит его второе издание. Гальвани на короткое время становится знаменит. Многие крупные ученые занялись повторением его опытов и проверкой результатов. Среди них был и итальянский физик Алессандро Вольта, в юности заочный ученик аббата Нолле.

В это время (1792 г.) Вольта был уже известным физиком, профессором университета в Павии, членом Лондонского Королевского общества. К этому времени он изобрел новый чувствительный электроскоп, электрический конденсатор и ряд других приборов. Его научные интересы всю жизнь были в основном связаны с электричеством, и работа Гальвани произвела на него огромное впечатление.

В первые же 10 дней после получения «Трактата...» он ставит массу новых опытов, полностью подтверждает результаты Гальвани и задается целью внести меру в эту новую область науки, т. е. провести количественное изучение «животного электричества», измерить электрометрами его величину и величину заряда, необходимого для вызова сокращения мышцы, («Ведь никогда нельзя сделать ничего ценного, если не сводить явлений к градусам и измерениям, особенно в физике» - писал Вольта.).

В первых же опытах он обнаруживаем что препарат лягушки крайне чувствителен к электрическому разряду и сокращение возникает при столь слабых зарядах лейденской банки, которые не обнаруживаются самыми лучшими электрометрами.

Гальвани во всех своих опытах прикладывал один конец металлического проводника к нерву, а другой - к мышце. Это было связано с его идеей о том, что мышца - лейденская банка, которая разряжается через нерв.

Вольта разнообразит условия опытов, делает разные препараты, прикладывает проводник различными способами. Его интересует количественная сторона дела, поэтому он ищет такие условия, при которых минимальный заряд вызывает сокращение мышц. При этом он выясняет, что лучше всего сокращение возникает тогда, когда внешним проводником замыкаются два разных участка хорошо отпрепарованного нерва. Отсюда он делает вывод, что вовсе не мышца разряжается через провод и нерв, а, напротив, нерв, который более чувствителен к раздражению, возбуждается и что-то передает в мышцу.

Итак, вера Вольта в теоретические взгляды Гальвани уже сильно поколеблена. Если Гальвани мог ошибиться, считая именно мышцу источником «животного электричества», то он мог сделать и другие ошибки. И вот у Вольта возникает сомнение в самой основе работы Гальвани - в существовании «животного электричества».

Он ставит вопрос, почему между двумя близкими точками одного и того же нерва, которые во всем похожи, происходит разряд, когда их замыкают проводником? Это противоречит принципу причинности. А почему замыкающий проводник для успеха опыта должен состоять из двух разных металлов? Ведь роль этого проводника, согласно взглядам Гальвани, лишь в том, чтобы замкнуть цепь. Но для замыкания цепи достаточно одного вида металла.

Вольта начинает детально изучать этот вопрос. Он пробует сочетания разных пар металлов. Если эти металлы играют роль простого проводника, то их природа не должна иметь значения. Но если эти металлы почему-то сами являются источником электричества (вот новая революционная идея Вольта, которому удалось преодолеть авторитет Джильберта!), то сила источника может зависеть от сочетания металлов. И Вольта находит такую зависимость.

Действие двух различных веществ на препарат лягушки тем сильнее, чем дальше отстоят они друг от друга в следующем ряду: цинк, олово, свинец, железо, латунь, бронза, медь, платина, золото, серебро, ртуть, графит, уголь.

Из этого перечисления, приведенного в работе 1794 г., видно, как активно экспериментирует Вольта. У него все более крепнет уверенность, что источником электричества в опытах Гальвани была не мышца лягушки, а те два металла, которыми Гальвани к ней прикасался.

Но ведь Гальвани наблюдал сокращения мышц и при использовании всего одного металла! Вольта подробно изучает и этот случай и показывает, что два куска меди могут содержать разные примеси, что достаточно загрязнить один конец проволоки, чтобы она действовала как два разных металла, достаточно небольшой разницы температур на противоположных краях одного и того же куска металла, чтобы он играл роль раздражителя и т, д.

Наконец, Вольта делает окончательный вывод: контакт двух разных металлов является новым источником электричества, на которое реагирует «живой» электроскоп. Именно этим объясняются опыты Гальвани!

Этот вывод Вольта подкрепляет еще целым рядом разнообразных экспериментов. Например, Вольта берет проволочки из серебра и олова, одни концы этих проволочек соединяет между собой, а другими концами касается языка: одним металлом самого кончика, а другим чуть дальше.

Он обнаруживает, что если к кончику языка приложено серебро, то чувствуется щелочной вкус, а если олово - то кислый. Если бы источником электричества была сама мышца языка, то вкус не должен был бы меняться от изменения замыкающего металла,- рассуждает Вольта. Но если роль источника электричества играют два разнородных металла, тогда ясно, что, меняя их местами, мы меняем положение «плюса» и «минуса». В одних случаях электрический флюид входит в нервы кончика языка, а в другом - выходит из них. Это и вызывает разный вкус. Может быть работа всех органов чувств связана с электричеством? - спрашивает Вольта (и как мы теперь знаем, это именно так).

Вы помните, что в описываемую нами эпоху было модно ставить эффектные опыты. Такой опыт придумал Гальвани - «электрический нервный маятник»,- когда лапка лягушки, подвешенная на медном крючке, касалась серебряной шкатулки. (Все дело тут в меди и серебре! - сказал бы Вольта.) И Вольта тоже придумал эффектный опыт.

Четыре человека «...образуют друг с другом цепь, причем один прикасается пальцем к кончику языка соседа, другой таким же образом к поверхности глазного яблока своего другого соседа, а двое остальных держат мокрыми пальцами один за лапку, а другой за спину свежепрепарованную... лягушку.

Наконец, первый в ряду держит также в мокрой руке цинковую пластинку, а последний держит серебряную пластинку, и затем они приводят эти пластинки во взаимное соприкосновение.

В тот же момент на верхушке языка, к которой прикасается человек, держащий в руке цинк, появится ощущение кислого вкуса; в глазу? к которому прикасается палец соседа, появится ощущение вспышки света; и в то же время лапки лягушки, находящиеся в двух руках, начнут сильно сокращаться».

Все нервы, оказавшиеся на пути электрического флюида - нервы языка, нервы глаза, нервы лягушки,- являются просто очень чувствительными электрометрами, а металлы, от соприкосновения которых и возникает эффект, не простые проводники, а «двигатели» электричества.

«Таким образом, вместо того, чтобы говорить о животном электричестве, можно было бы с большим правом говорить о металлическом электричестве» (Вольта, 1794 г.). Ведь если люди в той цепи из четырех человек не будут держать серебро и цинк, а просто коснутся руками друг друга, то ничего не произойдет. По Гальвани, разряд «живой лейденской банки», которая находится в лягушке, должен произойти еще успешнее, ведь замыкающая цепь стала короче из нее убрали участок, ничего не прибавив; но эффекта нет. Значит, причина не в лягушке, а в металлах - в контакте серебра и цинка.

Уже из приведенных примеров ясно, что Вольта был прав. В знаменитом трактате Гальвани нет никаких доказательств существования «животного электричества».

Наблюдение, сделанное Гальвани 26 сентября 1786 г., в день рождения электробиологии, имело причиной чисто физическое явление, на основе которого Вольта изобрел источник постоянного тока: гальванический элемент, или вольтов столб.

Это изобретение приведет к интенсивному развитию учения об электричестве и электротехнике и сделает XIX век веком не только пара, но и электричества.

Несмотря на помощь друзей и последователей, поддержку таких крупных естествоиспытателей, как А. Гумбольдт, Гальвани проиграл спор с Вольта. Аргументы Вольта казались вполне убедительными. В 1797 г наступает окончательный крах: по политическим мотивам Гальвани выгнали из университета. Он лишился возможности работать и через год умер.

Однако на этот раз Вольта ошибся. Во всех трех описанных выше опытах Гальвани действительно имел дело с «животным электричеством», которое ему наконец-то удалось открыть.

После изобретения источника постоянного тока Вольта становится знаменит и всеми признан. В 1801 г, Наполеон приглашает его в Париж, где в Академии наук он демонстрирует свой знаменитый вольтов столб» Умер Вольта в 1827 г, в возрасте 82 лет, овеянный славой.

Беркинблит М. Б., Глаголева Е. Г. "Электричество в живых организмах"