итальянец основоположник учения об электричестве 6

Сказка об электрической лягушке и итальянском физике Алессандро Вольте, основоположнике учения об электричестве

Журнальный вариант одной из научных сказок из новой книги Ник. Горькавого «Электрический дракон», которая недавно вышла в свет в издательстве «АСТ».

Алессандро Вольта со своим главным изобретением — электрическим столбом, изменившим представление о возникновении электрического заряда. Иллюстрация: Wikimedia Commons / PD

— Жила-была электрическая лягушка. — начала очередную вечернюю сказку принцесса Дзинтара.

— Мама! — воскликнула Галатея. — Ты же в прошлый раз рассказывала об «электрических драконах»! Откуда взялась лягушка?

— Ну. — задумчиво протянула Дзинтара, — электрические лягушки тоже существуют. Без них история об электричестве была бы неполной. Они оказались очень полезными для изучения «электрических драконов». С точки зрения биолога, исследовать лягушку намного удобнее, чем дракона, — меньше кусается. Но сначала я расскажу вам об одном маленьком мальчике.

— Этот мальчик случайно не был электрическим? — спросил Андрей.

— Угадал, малыш был самым «электрическим» из детей! — подтвердила Дзинтара, и её собственные дети недоумённо переглянулись.

— Начну издалека. У подножия Альп, недалеко от швейцарской границы, раскинулось знаменитое в Италии и далеко за её пределами озеро Комо (Лаго-ди-Комо). На его берегах построено множество великолепных дворцов и вилл. Здесь отдыхали от летнего зноя ещё римские патриции. Озеро Комо связано и с историей науки. Итальянская академия наук регулярно проводит здесь, в прибрежной деревушке Варенне, научные школы имени итальянского физика-ядерщика Энрико Ферми, на которые собираются физики со всего мира. Место выбрано не случайно. В середине XVIII века в городке Комо родился будущий знаменитый физик, химик и физиолог Алессандро Вольта.

Вид на озеро и город Комо, где родился Алессандро Вольта. Фото: LiZa / Wikimedia Commons / A-SA-4.0

Алессандро появился на свет от тайного брака дочери местного графа и католического священника, которому церковные правила запрещали иметь семью. Несколько лет мальчик рос под присмотром деревенской кормилицы. Он был весёлым и здоровым, но говорить начал только к семи годам. В это время отец его умер, и Алессандро попал под опеку своего дяди, каноника. Тот решительно взялся за образование племянника. Мальчик изучал латынь, арифметику и историю. Он оказался очень смышлёным, схватывал новые знания на лету, кроме точных наук живо интересовался искусством — живописью и музыкой. В десятилетнем возрасте, узнав об ужасном Лиссабонском землетрясении 1755 года, которое унесло жизни ста тысяч человек, Алессандро поклялся разгадать тайну этого грозного природного явления. В 1758 году произошло ещё одно событие, которое потрясло мальчика и повлияло на его судьбу. В точно рассчитанный английским астрономом Эдмундом Галлеем день и час на ночном небе появилась комета. Небесное тело сияло так ярко, что не увидеть его было невозможно. В честь Галлея комету назвали его именем. Факт предсказания настолько поразил воображение Алессандро, что он обратился к трудам астрономов, к ньютоновской теории тяготения и окончательно связал свою судьбу с физикой. Молнии и электрические явления тоже интересовали молодого учёного, он даже пытался объяснить их природу в стихотворной форме — как великий римский поэт Лукреций, который любил излагать поэтическим языком научные идеи.

Узнав о работах Бенджамина Франклина (см. «Науку и жизнь» № 2, 2017), Алессандро — ему тогда исполнилось 23 года — первым установил в городке Комо молниеотвод с колокольчиками, поразив этим устройством горожан. Вольта написал диссертацию, посвящённую электрическим опытам с лейденскими банками, и в 34 года стал профессором университета в итальянском городе Павии.

Слева: Луиджи Гальвани. Иллюстрация: Wikimedia Commons / PD. Справа: естествоиспытатель Лючия Галеацци Гальвани. Иллюстрация: unibo. it

Однажды Лючия извлекала искры из своего любимого прибора, а ассистент Гальвани готовил препарированную лягушку для одного из опытов. Когда он тронул обнажённый нерв лягушки металлическим скальпелем, её лапка неожиданно задёргалась. Женщина заметила, что в этот момент её машина дала яркую искру, и одновременно между скальпелем и лапкой лягушки, лежащей на другом конце стола, тоже проскочила электрическая искра. Лючия сразу сообщила о своём наблюдении мужу, и тот, забыв о первоначальной цели эксперимента, немедленно приступил к исследованию подмеченного явления. Гальвани обнаружил, что лапка лягушки дёргается и без электрофорной машины, если к ней присоединить цепь из различных металлических предметов, например железный ключ или серебряную монету.

Лаборатория, в которой Луиджи Гальвани проводил свои опыты. Слева на столе — электрофорная машина. Иллюстрация: Wikimedia Commons / PD

Учёный опубликовал свои наблюдения, сделав неожиданный вывод, что искра, на которую отреагировала лапка лягушки, была вызвана «животным электричеством», созданным самой лягушкой. Это заключение выглядело вполне логичным на фоне тогдашних исследований электрических рыб (уже был известен феномен генерации электричества морскими скатами и угрями). Врачи даже прописывали некоторым больным целебные удары током электрического угря, и такая процедура стоила немалых денег. Эксперименты Гальвани вызвали сенсацию среди исследователей.

— И панику среди лягушек, которые вряд ли обрадовались такой новости.

— Гальвани решил, — задумчиво сказал Андрей, — что источником тока является сама лапка лягушки. Но не обратил внимания на наблюдения жены и счёл факт работы рядом с дергающейся лапкой электрофорной машины несущественным.

— Да! Это пренебрежение привело к ошибке, — подтвердила Дзинтара. — Конечно, в живых существах «бродят» электрические токи, но они очень слабы и не могут вызвать такие заметные сокращения мышц у мёртвой лягушки, какие наблюдал Гальвани в своём эксперименте.

Алессандро повторил опыты с лягушкой и не согласился с выводами Гальвани. Он предположил, что лягушачья лапка служит лишь точным электрометром — измерителем тока, а сам ток — внешний, и возникает он при соединении разных металлов.

— Или при действии электрофорной машины, — уточнил педантичный Андрей.

Дзинтара утвердительно кивнула и заметила:

— Меня всегда занимал вопрос, каким образом в голову учёного приходит единственно верная идея? Думаю, ему нужно знать очень многое, чтобы свести разные явления в одну картину. Алессандро Вольта обладал обширными знаниями, в частности читал об опытах швейцарского врача Жан-Жака Зульцера, который установил, что если положить на язык соприкасающиеся кусочки олова и серебра, то во рту появится кислый вкус, в то время как по отдельности олово и серебро такого ощущения не вызывают. Вольта предположил, что во рту происходит тот же электрический процесс, что и в опытах Гальвани, только в роли мёртвой лягушки выступает живой язык. Вольта лично повторил опыт Зульцера и ощутил, как он пишет, «вкус электричества» или «такой же кисловатый вкус, что и при приближении языка к кончику искусственно наэлектризованного проводника. ».

Алессандро начал экспериментировать с серебряными ложками, золотыми монетами, цинковыми и оловянными пластинками. Однажды он поставил четырёх помощников в круг на пол, покрытый изолятором (смолой). Первый помощник взял в мокрую руку цинковую пластинку, а пальцем другой руки прикоснулся к языку второго помощника. Второй помощник приложил мокрый палец к глазному яблоку третьего. Тот вместе с четвёртым помощником держали в руках выпотрошенную лягушку. Четвёртый держал в свободной руке серебряную пластинку, и, когда он прикасался ею к цинковой пластинке в руке первого помощника, лягушка дёргалась, во рту второго помощника появлялся кислый вкус, а третьему казалось, что из его глаз сыплются искры.

— Спасибо Вольте, что не заставил держать дохлую лягушку во рту! — проворчала Галатея.

— Этот эффектный опыт, — продолжила Дзинтара, — показал, что источником электричества стали два соединённых куска разных металлов. Но как сделать эффект сильнее? Вольта опустил в раствор серной кислоты электроды из цинка и меди и соединил их проводом. Цинковый электрод стал растворяться, а возле медного электрода начали подниматься пузырьки. Таким образом Алессандро убедился, что по проводу пошёл ток!

— А почему между пластинками, попавшими в кислоту, возник электрический ток? — удивилась Галатея.

Дзинтара стала объяснять:

— Вот что происходит в растворе серной кислоты, в которую опущены цинковая и медная пластинки, соединённые проводом: молекула серной кислоты H₂SO₄ «плавает» в воде, как хищная рыба. Эта молекула состоит из атома серы, к которому прочно присоединена двойными связями пара атомов кислорода. Ещё два атома кислорода прикреплены к атому серы одинарной связью, и к этим атомам кислорода присоединены два атома водорода. В растворе серной кислоты атомы водорода могут отрываться от молекулы и «плавать» в виде двух положительно заряженных ионов (катионов). Когда молекула кислоты теряет два атома водорода, у неё «портится характер», она становится свободным радикалом или отрицательным ионом — анионом SO₄. Этот анион очень агрессивен: если он встречает на своём пути металлический электрод, то набрасывается на него, как пиранья.

— Как пиранион! — придумала новое слово Галатея.

— Анион, или свободный радикал, орудуя парой свободных связей кислорода как зубами или клешнями, «выкусывает» из металлической стенки положительно заряженный атом металла. Присоединив его к себе, анион «успокаивается», превращаясь в малоактивный сульфат или соль этого металла. Металлический электрод, у которого кислота «откусила» положительный ион, остаётся с парой лишних электронов и оказывается заряженным отрицательно. Благодаря этому электрод притягивает к себе положительные ионы водорода или протоны, отдавая им электрон и превращая их в пузырьки водорода. Поэтому, если положить в серную кислоту кусочек цинка, он начнёт пузыриться водородом. Но ситуация решительно меняется, если в кислоту опустить медную пластинку и присоединить её проводом к цинковому электроду. В такой паре пузырьки водорода выделяются только на медном электроде, в то время как цинковый электрод, разрушаемый кислотой, быстро темнеет.

— А почему водород перестаёт пузыриться на цинковом электроде? — спросил Андрей. — Ведь он выделялся, пока в кислоту не опустили медный электрод.

— Когда медный электрод оказался в растворе кислоты, часть электронов из разрушающегося цинкового электрода перебежала на него, зарядив медь отрицательно. И тогда медь начала притягивать к себе «плавающие» в растворе кислоты ионы водорода и снабжать их электронами, отчего они образовали молекулы водорода и пузырьки.

— Не понимаю, — нахмурилась Галатея. — А почему медный электрод не разрушается в кислоте?

— «Хищные» анионы атакуют оба электрода, но им гораздо легче «откусывать» ионы от цинка или железа, чем от меди или серебра. Поэтому цинковый электрод заряжается быстрее медного и по проводу перебрасывает на него избыток электронов. А отрицательный заряд отталкивает от медного электрода «хищные» анионы, которые тоже заряжены отрицательно.

Чашечная электрическая батарея и «вольтов столб». Рисунок из письма Алессандро Вольты президенту Лондонского королевского общества. Иллюстрация: Wikimedia Commons / PD

Убедившись, что чашка с кислотой и парой электродов даёт ток, Вольта стал экспериментировать с цепью таких чашек, а потом придумал более удобную для опытов конструкцию. Он взял медную и цинковую пластинки, разделил их войлоком, смоченным серной кислотой, и получил простой элемент, вырабатывающий электрический ток. Положив несколько таких элементов друг на друга, Вольта создал конструкцию, которая получила название «вольтов столб», или «вольтова батарея», — первый в мире химический источник тока!

20 марта 1800 года Алессандро Вольта послал письмо президенту Лондонского королевского общества с таким заглавием: «Об электричестве, возбуждаемом простым соприкосновением различных проводящих веществ». В письме Вольта писал: «Имею удовольствие сообщить вам, синьор, а через ваше посредство и Королевскому обществу, о некоторых поразительных результатах, полученных мною. Главный — это создание прибора, который по своим действиям, то есть по сотрясению, испытываемому рукой, и т. п., сходен с лейденской банкой или со слабо заряженной электрической машиной, но который, однако, действует непрерывно, одним словом, даёт непрерывный поток электрического флюида».

Президент Королевского общества баронет Джозеф Бэнкс показал письмо своим друзьям — лондонскому врачу Энтони Карлейлю и инженеру Уильяму Никольсону. Те загорелись идеей Вольты и уже 30 апреля сложили по его описаниям столб из семнадцати пар пластинок и ткани, смоченной серной кислотой. «Сделаем какой-нибудь эксперимент с этим „вольтовым столбом“!» — предложил Энтони. Уильям в это время, чертыхаясь, отмывал под струёй воды обожжённый кислотой палец. Джозеф, спокойно покуривая трубку в удобном кресле, сразу же согласился.

Уильям взял стеклянную трубку с водой, заткнул её с двух сторон пробками, через которые пропустил латунные провода, и присоединил их к разным полюсам «вольтовой батареи». Одна латунная проволочка начала в воде темнеть и покрываться налётом, от другой побежали пузырьки неизвестного газа. «В состав воды входит водород!» — предположил Джозеф. «Ага, — мрачно ответил Уильям. — Я слышал, что он взрывается». «Надо проверить!» — добродушно сказал Джозеф из кресла. Уильям смешал образовавшийся газ с воздухом в равных количествах и поджёг, предварительно отвернувшись. Раздался громкий хлопок, и осколки стеклянной колбы засыпали сердитого экспериментатора.

Результатом этого эксперимента стало выступление Джозефа Бэнкса 26 июня 1800 года на собрании Лондонского королевского общества. Он обнародовал письмо Вольты, а Карлейль с Никольсоном продемонстрировали присутствующим опыт по разложению воды. Раньше для подобного эксперимента требовались электрические искры из лейденских банок, а сейчас процесс шёл непрерывно под действием «вольтова столба», изготовить который было чрезвычайно просто!

Сообщение Вольты опубликовали в трудах Королевского общества, и учёные всего мира узнали, что электрический ток можно получать не только с помощью гроз и трения, но и путём проведения несложных химических реакций.

В 1801 году Алессандро Вольту пригласили в Париж. Его путешествие по Европе стало триумфальным. В каждом городе, где он останавливался, Вольта делал доклад о своём открытии. Парижские академики ещё до его приезда воссоздали «вольтов столб» и повторили все эксперименты, описанные в сообщении. Один из докладов и демонстрация опытов прошли в присутствии императора Наполеона, который осыпал Вольту монаршими милостями, велел выбить медаль в его честь и учредить премию в восемьдесят тысяч экю. Впоследствии Вольта получил титул графа и сенатора Королевства Италия.

Алессандро Вольта демонстрирует «вольтов столб» императору Наполеону в 1801 году. Художник Джузеппе Бертини

— Почему даже император заинтересовался опытами Вольты? — спросила Галатея.

— Наполеон увидел, как электричество приводит в движение лапку мёртвой лягушки, и решил, что оно сможет оживлять погибших на поле боя и вообще сделает человека бессмертным.

— Но электричество не может оживить человека! — возразил Андрей.

— По прошествии времени человечество узнало, что электрический ток может запустить остановившееся сердце, а кардиостимулятор позволяет больному сердцу работать дольше. Так что какая-то доля правды в ожиданиях Наполеона была, хотя, конечно, биологическое бессмертие слишком сложная штука, чтобы обеспечить его с помощью электрической батареи. Но с точки зрения физики работа Вольты была прорывом в будущее. Многочисленные академии мира стали выбирать его в свои члены, а лучшие университеты Европы приглашать на работу.

Новость о «вольтовом столбе» достигла и России. Осенью 1801 года на заседании Академии наук граф А. А. Мусин-Пушкин показал несколько любопытных экспериментов с батареей Вольты, состоящей из 150 элементов. Другой российский профессор физики Василий Владимирович Петров построил батарею из 2100 элементов и впервые получил электрическую дугу.

— Её-то и наблюдал Бенджамин Франклин в своём доме во время грозы! — воскликнула Галатея.

— Да, — ответила Дзинтара, — только прежде это была неуправляемая грозовая, а теперь — полностью укрощённая искусственная дуга.

— Приручённый домашний дракон! — согласилась Галатея.

— В 1808 году такую же мощную вольтову батарею построил британец Хэмфри Дэви, чтобы наблюдать за электрической дугой. С помощью «вольтова столба» Дэви методом электролиза открыл новые металлы — натрий и калий. За эти выдающиеся достижения его возвели в ранг баронета. Вслед за ним исследователи по всему миру стали создавать «вольтовы столбы», и новые открытия в области электричества посыпались как из рога изобилия.

Памятник Алессандро Вольте в городе Комо, где он родился. Фото: Sailco / Wikimedia Commons / CC-BY-2.5

Оглядываясь назад, можно назвать XVIII век веком электрофорных машин, заряженных лейденских банок и шаров. Человек научился создавать и хранить электрические заряды, «высекать» электрические искры и вызывать электрические удары. Это был век электростатики. В 1785 году французский физик Шарль Кулон открыл закон о силе взаимодействия двух заряженных шаров. Он сформулировал его как «Фундаментальный закон электричества. Отталкивающая сила двух маленьких шариков, наэлектризованных электричеством одного рода, обратно пропорциональна квадрату расстояния между центрами двух шариков». Сегодня закон Кулона звучит так: «Сила взаимодействия двух точечных зарядов в вакууме прямо пропорциональна произведению модулей зарядов и обратно пропорциональна квадрату расстояния между ними».

Создание Алессандро Вольтой первой электрической батареи на рубеже XVIII–XIX веков дало толчок электродинамике. Наука получила в своё распоряжение постоянный источник электрического тока, благодаря чему XIX век стал началом электрической эры в истории человечества.

— Значит, Вольта загнал «электрического дракона», как джинна, в бутылку, вернее, в «вольтов столб», и заставил его работать на людей, — подвела итог Галатея.

— И нашёл прекрасный способ изучения этого дракона, — добавил Андрей.

А Дзинтара заключила:

— Наука ещё раз доказала, что природа может хранить свои тайны даже в таких, казалось бы, малозначимых объектах, как мёртвые лягушки. Начавшееся с лёгкого движения лягушачьей лапки электричество проникло во все сферы человеческого бытия, вытеснило паровые машины с заводов и железнодорожных путей, а сейчас теснит автомобили с бензиновыми двигателями.

— Мама, — спросила Галатея. — Но тайну землетрясений Вольта так и не разгадал?

— Нет, не разгадал, — вздохнула Дзинтара. — Клятву, которую дал юный Алессандро, выполнить пока не под силу никому. Мы уже понимаем, откуда землетрясения черпают свою силу, но до сих пор не можем предсказать, когда и где случится следующее. Из-за нашего незнания разрушительная сила подземных толчков и сопутствующих им цунами ежегодно уносит человеческие жизни по всему миру.

По выражению лица Галатеи стало понятно, что она собирается немедленно заняться разгадкой тайны, не решённой самим Алессандро Вольтой.

* Электрофорная машина — устройство для накопления электрического заряда, использующее трение между двумя вращающимися дисками.

Алессандро Вольта (1745–1827) — итальянский физик, химик и физиолог, один из основоположников учения об электричестве. Его именем названа единица измерения электрического напряжения — вольт.

Хэмфри Дэви (1778–1829) — английский химик и физик, один из основателей электрохимии. Обнаружил несколько новых химических элементов.

Эдмунд Галлей (1656–1742) — английский астроном, рассчитавший орбиты 24 комет и верно предсказавший возвращение в 1758 году яркой кометы, которую впоследствии назвали его именем.

Луиджи Гальвани (1737–1798) — итальянский физик и физиолог. Исследователь электрических импульсов в биологических системах.

Лукреций (около 99–55 годов до нашей эры) — римский поэт и философ, последователь материализма и атомизма.

Аполлос Аполлосович Мусин-Пушкин (1760–1805) — русский аристократ, химик, физик и минералог. Известен своими электрическими опытами и новым способом получения платины.

Василий Владимирович Петров (1761–1834) — русский физик и электротехник. В 1802 году создал мощную вольтову батарею в 1700 вольт, открыл явление электрической дуги и показал, что её можно использовать для освещения, а также сварки и плавки металлов.

Энрико Ферми (1901–1954) — итальянский физик, один из создателей ядерного реактора. Лауреат Нобелевской премии по физике 1938 года.

Источник