Из истории электричества
Когда появился знаменитый "Трактат" Гальвани, Александр Вольта, занимавшийся в первый период своей научной деятельности преимущественно исследованием газов, сделал уже несколько выдающихся работ в области учения об электричестве.
В начале Вольта был убежден в правильности взглядов Гальвани. Мышечные сокращения, по его мнению, происходят от диспропорции между электричеством мышцы и электричеством нерва. Цель металлического соединения заключается только в том, чтобы восстановить электрическое равновесие. Однако, через несколько лет Вольта убедился, что не может быть и речи о сравнении мышцы с лейденской банкой. Дело в том, что лягушечья ножка начинала сокращаться даже тогда, когда электрический разряд проходил только через нервы, а мышцы находились совершенно вне цепи проводников.
Вольта сумел вызвать при помощи двух различных металлов, приложенных соответственно ко рту и к глазу, не только вкусовое ощущение, но и световое.
Этот фундаментальный опыт, показавший, что электрический разряд способен вызвать не только мышечные сокращения, но и раздражение чувствительных нервов, Вольта производил следующим образом. На кончик языка он клал большой кусок фольгового листка, а к тыльной части языка прикладывал серебряную монету. Соединив оба металла при помощи медной проволоки, Вольта почувствовал очень кислое ощущение. При отсутствии медной проволоки, если соединяли между собой непосредственно только серебро и фольгу, результат был тот же самый. Для этого Вольта взял вместо монеты серебряную ложку, приложил ее к тыльной части языка и касался ее фольговым листиком, лежащим на кончике языка.
Чтобы доказать, что световое ощущение можно вызвать гальваническим электричеством, Вольта составлял дугу из различных металлов и приводил её в соприкосновение со лбом и нёбом. В момент прикосновения глаз испытывал ощущение яркого света.
Таким образом у Вольта всё больше укреплялось убеждение, что металлы в рассматриваемых опытах являются не просто проводниками, но истинными возбудителями электричества. Поэтому около 1792 года Вольта под влиянием только что упомянутых физиологических опытов изменил свои первоначальные взгляды.
Ясно, — утверждал он, — что при этих опытах нервы только приводятся в состояние возбуждения и что причина электрического тока, вызывающего это возбуждение, заключается в самих металлах.
Именно они, — говорит он, — являются в настоящем смысле слова возбудителями электричества, между тем как нервы играют чисто пассивную роль.
В это самое время Вольта сделал важное открытие, что при гальванических опытах можно брать уголь вместо металлов.
Я нашел, — говорит он, — что древесный уголь, уже ранее считавшийся хорошим проводником, мало или вовсе не уступает металлам и, подобно последним, является возбудителем электричества.
Контактное электричество Вольта
Вольта изучал труды итальянского анатома Л. Гальвани, который ранее обнаружил сокращение мышц лягушки при соприкосновении их с различными металлами. Гальвани назвал это явление «животное электричество». Вольта предположил, что электричество вырабатывает не ткань лягушки, а контакт различных металлов в определенной среде.
Вольта провел такой эксперимент. Он использовал четырех человек. Первый держал в руке мокрую цинковую пластину, второй рукой он касался языка второго человека, второй человек касался другой рукой глаза третьего человека, третий человек держал в руке разрезанную лягушку, четвертый держал лягушку в одной руке и серебряную пластину в другой. Первый и четвертый человек касались разными пластинами. В момент контакта пластин второй человек ощущал кислый вкус на языке, третий видел яркий свет в глазу, а тело лягушки начинало сокращаться.
Алессандро Вольта назвал это явление «контактным электричеством». Вольта пришел к выводу, что для появления электричества необходима и жидкость, которая воздействует на металлы. Вольт ввел классификацию проводников. Металлы он отнес к проводникам первого класса, а жидкости — к проводникам второго класса.
Вольтов ряд электрических напряжений
В одном сочинении от 1794 года Вольта открыто выступает противником учения о животном электричестве. Для обозначения относящихся сюда явлений он отныне начинает употреблять выражение "металлическое электричество". Все описанные действия происходят от металлов, от их прикосновения к какому-нибудь влажному телу, благодаря чем возникает ток электричества.
Если ток этот проходит через нервы, в которых теплится остаток жизни, то повинующиеся нервам мышцы начинают сокращаться. Эти движения и описанные выше вкусовые и световые ощущения оказывались весьма различными, в зависимости от природы тех металлов, которыми Вольта пользовался в исследованиях.
Вызывавшиеся металлами действия были тем энергичнее, чем дальше эти металлы отстояли друг от друга в нижеследующем, установленном Вольтой в 1799 году ряду: цинк, олово, свинец, железо, медь, платина, золото, серебро, графит, древесный уголь.
К этому первому ряду Вольты вскоре было прибавлен много новых членов, ибо в него были включены также минералы, как например, серный колчедан, свинцовый блеск, медный колчедан.
Затем Вольта постарался исключить из своих опытов действие нервов и мышц. Для этого он приводил металлы в соприкосновение со всевозможными влажными веществами, как например, бумагой, сукном и т.д. Чтобы обнаружить бесспорным образом происходящий здесь электрический разряд — разряд, выражавшийся в прежних опытах в сокращении мышц, — он прибег к конденсатору с помощью которого можно было доказать наличие ничтожнейших количеств электричества.
На мысль об устройстве конденсатора, который мог бы служить прибором для накопления электричества, Вольту навели продолжительные занятия электрофором. В одной из работ от 1771 г. он описывает под названием electrophoro perpetuo ( вечный электрофор ) прибор, известный в том же самом виде еще и ныне под названием электрофора. Он состоит из металлической пластинки, укрепленной на изолирующих шелковых шнурках. Чтобы получить непроводящий диск, Вольта растопил вместе три части терпентина, две части смолы и одну часть воска. Подобно электрическим машинам, электрофоры достигали в 18 веке колосальных размеров до 7 футов в диаметре (около 213 см). Способ действия электрофора заключается в том, что сообщенное изолирующему диску электричество индуцирует крышку, оттолкнутое электричество, которое удаляется при помощи короткого прикосновения к ней пальцем. Таким образом электрофор совпадает по существу, как показал Вльке, с франклиновой доской ( доски Франклина — конденсаторы, впервые сделанные Б.Франклиным в середине XVIII ).
Электрофор, после того как наэлектризовали диск из непроводящего вещества, становился "неисчерпаемым" источником электричества. Действительно, можно было, удалив у крышки ее электричество, снова зарядить ее при помощи прикосновения к диску из смолы, причем количество электричества последнего от этого не уменьшалось.
Имея на руках электрофор, Вольта построил в 1782 году прибор для накопления электричества, названный им конденсатором. Конденсатор есть по существу электрофор с крайне тонким слоем смолы вместо употреблявшейся до тех пор толстой смоляной пластины. Если на этот тонкий слой смолы клали крышку и приводили последнюю в соприкосновение с очень слабым источником электричества (например разряженной лейденской банкой), в котором нельзя было другими средствами обнаружить присутствие электричества, то крышка после того как ее поднимали, обнаруживала заметные следы электричества. На этом основании Вольта назвал прибор конденсатором. При пользовании конденсатором важно было перед началом каждого опыта разряжать слой смолы. При решении этой задачи Вольта открыл один важный факт взаимодействия между электричеством и светом. Именно он нашел, что если выставить слой смолы на солнце, то разряжение происходит быстро и полностью.
Работая над своим конденсатором, Вольта под конец придал ему ту форму, в которой им пользуются еще и в настоящее время. Две одинаковые металлические пластинки, из которых одна непосредственно соединялась с электроскопом, были покрыты тонким, по возможности равномерным слоем лака. Действия этого прибора объясняется законами электрической индукции, открытыми Эпинусом и Вильке. Если верхней пластинке сообщить, например, положительное количество электричества и затем положить её на нижнюю пластинку, от которой она отделена двойным слоем лака, то на обращенной к верхней пластинке стороне нижней пластинки получится отрицательное электричество, а на сторон противоположной — положительное электричество, которое отводят. Если теперь поднять верхнюю пластинку (называемую также коллектором), то отрицательное электричество распространится по всему нижнему так называемому конденсаторному диску. Поступая так несколько раз, можно накопить отрицательное электричество на нижней пластинке и значительно усилить действие соединенного с ней электроскопа.
Только эти предварительные опыты дали Вольте возможность произвести свой знаменитый основной опыт с контактным электричеством. Опыт этот заключался в том, что получали противоположные электричества путем простого соприкосновения двух металлов, без посредства какого бы то ни было промежуточного влажного вещества — безразлично животного или иного происхождения.
Опыт этот, для производства которого Вольта пользовался только пластинками из различных металлов с изолирующими рукоятками, конденсатором и электрометром с листочками из тончайшего сусального золота, Вольта описывает в следующих выражениях:
Если приложить находившиеся раньше в соприкосновении между собой пластинки к головке очень чувствительного электрометра, то золотые листочки его несколько разойдутся, свидетельствуя этим о наличии некоторого количества электричества, положительного или отрицательного (главное, что расходятся одноименные заряды), в зависимости от природы испытуемого металла, а также природы того металла, с которым первый находился раньше в соприкосновении.
Когда Вольта брал, например, цинковую и медную пластинки, то после соприкосновения первая из них оказывалась заряженной положительно, а вторая - отрицательно. Когда приводили в соприкосновение медь с оловом или железом, то медь опять-таки заряжалась отрицательным образом, но в значительно меньшей степени, между тем как олово и железо получали положительный заряд. Наконец, если в контакт вступали медь с золотом или серебром, то первая заряжалась на этот раз положительным образом, золото же и серебро - получали отрицательный заряд.
Свой основной опыт Вольта описывает в одном письме от 1797 года. Получение такого значительного количества электричества путем простого соприкосновения различных металлов, прибавляет Вольта, представляет нечто удивительное.
Чтобы узнать каким электричеством заряжаются металлы после соприкосновения, Вольта приближал к электрометру, которому он сообщил предварительно электричество, натертую стеклянную или смоляную палочку и наблюдал, увеличивается или уменьшается расхождение золотых листочков. Если в соприкосновение между собой приводились цинк и медь, то после отделения их цинк заряжался положительным образом, ибо при приближении положительной стеклянной палочки расхождение листочков увеличилось , между тем как при приближении отрицательно заряженной смоляной палочки оно уменьшалось.
Изменяя на всевозможный лад свой основной опыт, Вольта получил следующий ряд электрических напряжений:
Графит и наиболее известные металлы расположены в этом ряжу в таком порядке, что каждый предыдущий член его, приведенный в соприкосновение со следующим за ним членом, заряжается положительным образом, между тем как последующий член заряжается отрицательным образом. При этом путем измерения с помощью электрометра с соломинками удалось установить, что разность электрического состояния между любыми двумя членами этого ряда тем больше, чем более они удалены друг от друга. Так для первых четырех членов ряда получились следующие числа:
Цинк / Свинец = 5
Свинец / Олово = 1
Олово / Железо = 3
Для разности напряжения цинк/железо получилось значение 9 = (5+1+3). Таким образом был найден закон, что разность электрических напряжений двух членов ряда равна сумме разностей напряжений всех лежащих между ними членов.
Значит, в замкнутой цепи металлов, в которой, например, цинк соединен со свинцом, свинец с соловом, олово с железом, а последнее снова с цинком, электрические разности выравниваются, и напряжение вследствие этого равно нулю.
Риттер установил, что ряд электрических напряжений металлов соответствует тому ряду, в который располагаются металлы, если принимать во внимание их свойства вытеснять друг друга из химических соединений.
В ряду + цинк, свинец, медь, ртуть - каждый предыдущий вытесняет следующие за ним из их растворов. Вследствие тождества этих рядов, построенных на основании гальванических и химических свойств металлов, Риттер назвал вытеснение одного металла другим гальваническим процессом. Риттер допускал при этом также, что источник гальванизма кроется в химических процессах. Гипотеза эта, находившаяся в противоречии с вольтовой теорией контакта, вначале не имела успеха, пока впоследствии она не получила опоры в исследованиях Фарадея.
На основании своих опытов Вольта принимал первоначально, что порождающая электричество сила пребывает исключительно в месте соприкосновения металлов, и что животные и иные жидкости служат только проводниками. Но дальнейшие опыты убедили его в том, что и при соприкосновении между металлами и жидкостями возникает электродвижущая сила. Он приводил в соприкосновени изолированные серебряные, оловянные, цинковые пластинки с влажным деревом, бумагой или кирпичами. После отделения металлические пластинки оказались заряженными отрицательным электричеством. Металлы были названы им электровозбудителями первого класса, жидкости же, которых нельзя было включать в ряд электрических напряжений, — электровозбудителями или проводниками второго класса.
Соприкосновение различных проводников, — говорит Вольта в одном письме от 1796 года, — которые я называю сухими проводниками, или проводниками первого класса, с мокрыми, или проводниками второго класса, порождает электрическую жидкость и дает ей некоторый толчок. Не спрашивайте еще, как это происходит: пока достаточно знать, что это происходит и что мы здесь имеем дело с некоторым универсальным явлением.
Изобретение Вольтова столба
Вольта показал, что в цепи, состоящей только из электровозбудителей первого класса, не происходит движения электричеств, не возникает тока. Он показал далее, что ток можно вызвать, если два электровозбудителя первого класса соединены с влажным проводником второго класса и друг с другом непосредственно или при помощи третьего проводника, образуя таким образом цепь из проводников. Такая комбинация была названа гальваническим элементом. Для усиления действия последнего Вольта соединил между собой большое количество таких элементов в "столб".
Вольта изготовил один из первых гальванических элементов, состоящий из металлических пластин и жидкости. Вольта использовал несколько цинковых и медных пластин цилиндрической формы и суконные круги, пропитанные кислотным раствором. Чередуя металлические пластины и и суконные круги, он получил вертикальный гальванический элемент. На концах этой конструкции возникал электрический ток. Это устройство было названо «Вольтовым столбом».
В то время еще не удалось дать химическое объяснение этому процессу. Сам Вольта объяснял появление электричества соприкосновением двух металлов, которое вызывало электродвижущую силу, при этом электричество накапливалось на концах различных пластин.
Вольта понял, что процесс создания электричества возможен только в присутствии жидкости, без жидкости пластины не давали тока. Вольта предположил, что жидкость выполняет роль разделителя между металлами, не давая развиваться встречному потоку частиц. Так и был изобретен первый гальванический элемент.
Применялся этот прибор на заре электроники для получения электричества. Алессандро Вольта в 1799 году опустил в банку с кислотой две пластинки и соединил их проволокой. Одна пластинка была из меди, другая из цинка. После соединения цинковая пластинка начала растворяться, а на медной стали выделяться пузырьки газа. Вольта предположил и доказал, что по проволоке течет электрический ток.
Это был первый гальванический элемент, элемент Вольта. Для удобства и компактности Вольта придал ему форму вертикального цилиндра (столба), который состоял из соединенных между собой пластин (дисков) из цинка, меди и сукна, пропитанного кислотой. Вольтов столб высотою в 50 см создавал напряжение, которое мог почувствовать человек, если бы замкнул рукой крайние провода.
Вольта развивал и модернизировал свое изобретение. Электрическая мощность столба напрямую зависела от количества использованных элементов. Самым лучшим по мощности и устойчивости «столбом» оказался «прибор из цепи чашек». Чашки были заполнены электролитом (состоящим из соленой воды), и между собой чашки соединялись медными и цинковыми дугами. Фактически, он выполнял последовательное соединение гальванических элементов. На концах такой системы возникал достаточно сильный ток. Вольта придумал и другие варианты соединения элементов столба или нескольких столбов в одну систему.
До нашего времени сохранились некоторые приборы, построенные по принципу Вольтова столба. Сам Вольта получил всемирное признание за изобретение, которое изменило мир.
Какую пользу это принесло развитию науки?
Благодаря этим первым батареям постоянного тока были немедленно сделаны два выдающихся открытия.
1. Электролиз. В 1800 году Николсон и и Карлайл разложили воду на водород и кислород , а Дэви в 1807 году открыл металлический калий.
2. Электрическая дуга. В 1803 году физик Василий Петров создал самый мощный в мире вольтов столб, составленный из 4 200 медных и цинковых кругов и развивающий напряжение до 1700 вольт. С помощью этого прибора ему удалось открыть такое важное явление, как электрическая дуга, применяемая в электросварке; а в российской армии стал применяться электрический запал пороха и взрывчатки .
Physics.Math.Code в контакте (VK)
Physics.Math.Code в telegram
Physics.Math.Code в YouTube
