ЭЛЕМЕНТ, БАТАРЕЯ, ЭЛЕКТРИЧЕСКАЯ ДУГА

 

Среди физиков соотечественник Гальвани был Алессандро Вольта. (1745 - 1827). Алессандро Джузеппе Антонио Анастасио Вольта родился 18 февраля 1745 г. в Комо (итальянская провинция Ломбардия). Учился в обычной местной школе, но уже с 14 лет увлекся физикой. Очевидно, свои обширные познания он приобрел самостоятельно, во всяком случае в 1774 г. его назначили профессором физики Высшей школы в Комо.

Вначале он построил электрофорную машину (правда, сам Вольта признавал, что идею позаимствовал у русского ученого академика Эпинуса). Но электрофорная машина давала только разряды статического электричества.

Из учебников физики про Гальвани известно примерно следующее: Гальвани - анатом, резал лягушек и случайно наткнулся на то, что лапка дергается под действием тока, и ничего не понял - не физик, куда ему понимать суть вещей. Вольта – физик. Он все тщательно повторил, все правильно объяснил и даже подтвердил практикой.

Проделав исследования, Вольта пришел к выводу, что лягушка является только «прибором», регистрирующим протекание электричества, что никакого особого «животного электричества» не существует. Вольта повторил опыты Гальвани, а затем решил проверить, как будут себя вести мускулы лягушки, если через них пропустить не «животное электричество», а электричество, полученное каким-либо из известных способов. При этом он обнаружил, что мускулы лягушки так же сокращались, как и в опыте Гальвани.

Вот почему, когда в 1800 году Алессандро Вольта взял в рот две монеты, он изобрел вольтов столб – новый надежный источник невиданного досель электричества. Он увидел главное: электричество появлялось при наличии двух разных металлов. Положив разные монеты в рот одну на, а другую – под язык и соединив их проволочкой, он сразу же почувствовал знакомый характерный привкус. Как только два металла вступали в контакт с помощью проволоки, сразу же во рту ощущался кислый вкус. Когда он менял металлы местами, во рту чувствовалась горечь, характерная для щелочей.

Нужно отметить, что уже Гальвани заметил зависимость силы судорожного сжатия мускулов лягушки от рода металлов, образующих цепь, по которой протекает электричество. Однако Гальвани не обратил на то серьезного внимания. Вольта же, наоборот, усмотрел в нем возможность построения новой теории.

Не согласившись с теорией «животного электричества», Вольта выдвинул теорию «металлического электричества». По этой теории причиной гальванического электричества является соприкосновение различных металлов.

В каждом металле, считал Вольта, содержится электрическая жидкость (флюид), которая, когда металл не заряжен, находится в покое и себя не проявляет. Но если соединить два различных металла, то равновесие электричества внутри них нарушится: электрическая жидкость придет в движение. При этом электрический флюид в некотором количестве перейдет из одного металла в другой, после чего равновесие вновь восстановится. Но в результате этого металлы наэлектризуются: один - положительно, другой - отрицательно.

Эти соображения Вольта подтвердил на опыте. Ему удалось показать, что действительно при простом соприкосновении двух металлов один из них приобретает положительный заряд, а другой отрицательный. Таким образом, Вольта открыл так называемую контактную разность потенциалов. Поскольку электродвижущая сила (ЭДС) одной пары соединенных между собой пластинок из разных металлов очень мала, Вольта сделал батарею из нескольких соединенных последовательно пар. Он установил, что ЭДС резко возрастает, если между разнородными металлами находится раствор какой-либо соли.

Он поставил друг на друга свыше 100 металлических кружков, разделенных бумагой и смоченных соленой водой. Проверив ощущением на языке, Вольта убедился, что в его сооружении электричество присутствует постоянно, не в пример всем прежним опытам со статическим электричеством. Далее Вольта создал первую батарею. Это были последовательно соединенные медные и цинковые пластины, попарно опущенные в сосуды с разбавленной кислотой. Её первое название - «корона сосудов». Это был уже довольно солидный источник электрической энергии. В то же время это был единственный и самый мощный источник. Сегодня же его едва хватило бы, что бы запитать транзисторный радиоприемник. Назвав металлы проводниками первого рода, а растворы солей – проводниками второго рода, Вольта сформулировал следующий закон: система должна содержать, по крайней мере, два проводника первого рода и разделяющий их проводник второго рода. Свое изобретение в честь Л.Гальвани Вольта назвал гальваническим элементом, и это название сохранилось до наших дней несмотря на то, что устройство их претерпело существенные коррективы.

В 1799 г. ученый построил вольтов столб, который состоял из кружков серебра, меди и картона, пропитанного раствором калиевой щелочи. Затем Вольта заменил серебряные кружки цинковыми, а картон – сукном. В результате получилась удобная компактная батарея.

Вольта обнаружил, что при сочетании меди и цинка получаются «сильные» элементы, а из меди и серебра – «слабые». Исследовав многие проводники, он расположил их в ряд, известный впоследствии как ряд Вольта (сейчас его называют рядом напряжений). Чем дальше отстоят друг от друга металлы в этом ряду, тем сильнее будет разряд собранного из них источника тока.

20 марта 1800 года Вольта сообщил о своих исследованиях Лондонскому королевскому обществу. Но наивысших почестей он был удостоен в Париже. Ему покровительствовал сам Наполеон Бонапарт. Вольта стал рыцарем Почетного легиона, Железного Креста, получил звание сенатора и титул графа. Однажды, увидев в библиотеке Академии лавровый венок с надписью «Великому Вольтеру», Наполеон стер две последние буквы. Получилось: Великому Вольте. Здесь мы видим внимание и поддержку ученому со стороны власти. Такое положение не осталось без выдающихся последствий, о чем будет ниже.

Вольта прожил долгую жизнь и оставил богатое научное и материальное наследство. Но все его приборы и 11 папок трудов были уничтожены пожаром на выставке уже после его смерти. И всё же он жив и вечен. В.В.Петров назвал открытую им электрическую дугу – «вольтовой дугой». Единица электрического напряжения последователями ученого и изобретателя названа именем «вольт». У нас в стране в бытовом электроснабжении используется 220 вольт. В линиях электропередачи используется 500 000 вольт и даже больше. Все это – дань памяти человечества гению Вольта.

Из всех форм энергии, используемых человеком, с электрическим током люди познакомились намного позже. И это произошло потому, что что электричество в виде непрерывного тока не проявляется в природе в доступной человеку форме. Теплоту человек знает с незапамятных времен. Её было легко получить, как только человек овладел искусством получать огонь, с которым он встречался в окружающей природе. Механическую силу человек также знал давно в форме, например, мускульной силы. Молнию человек видел раньше, чем научился добывать огонь. Но ему понадобились тысячелетия для накопления знаний, необходимых для искусственного получения электрического тока и его практического использования. Сведения об энергии электрического тока и поиск путей её практического использования стали возможными только тогда, когда появился надежный способ ег получения. Поэтому закономерно считать, что практическая электротехника ведет начало от открытий А. Вольты, который создал первый прибор для получения непрерывного электрического тока. Прибор Вольта дал возможность изучать законы тока, находить способы его использования в практических целях. Овладение приемами получения электрического тока позволило человеку осваивать новую главу знаний об электричестве – электродинамику.

Во многих лабораториях после открытия Вольта началось состязание в построении самой мощной гальванической батареи. Первыми были англичане. В письме президенту Лондонского королевского общества Джозефу Бэнксу (1743–1820) от 20 марта 1820 г. изобретатель описал различные конструкции гальванических элементов. Бэнкс ознакомил с этим посланием своих коллег, и уже в конце апреля того же года Энтони Карлейль (1768–1840) изготовил вольтов столб из 17 соединенных последовательно цинковых кружочков и монет в полкроны (тогда их чеканили массой 14, 1 г из серебра 925-й пробы). Затем число элементов батареи было увеличено до 36. В первых же опытах наблюдалось разложение воды с образованием газов.

Знаменитый английский химик и физик Гемфри Дэви сначала проводил опыты с батареей, подаренной ему самим Вольта, но затем стал изготовлять все более мощные собственные конструкции из медных и цинковых пластинок, разделенных водным раствором аммиака. Если первая его батарея состояла из 60 таких элементов, то выполненная несколько лет спустя – уже из 1000.

Практическая значимость открытий Вольта была немедленно подтверждена работами профессора физики медико-хирургической академии в Санкт-Петербурге Василия Владимировича Петрова. В 1802 году он построил крупнейшую по тем временам гальваническую батарею. Он проводил исследования не только свойств самой батареи, но с помощью получаемого тока исследовал электропроводность различных материалов, электрические явления в различных газовых средах, зависимость силы тока от поперечного сечения проводника, исследовал параллельное и последовательное соединения проводников. Он впервые стал покрывать проводники слоем изоляции. Но главным открытием В.В. Петрова было явление электрической дуги. Оно описано Петровым в его книге «Известия о гальвано-вольтовских опытах, которые производил профессор физики Василий Петров посредством огромной наипаче батареи, состоящкй иногда из 4200 медных и цинковых кружков и находящейся при Санкт- Петербургской Медико-хирургической Академии», вышедшей на русском языке в 1803 году. Это была первая «вольтова дуга», искусственно полученная человеком. Среди руководства Академией оказалось немало недоброжелателей, которые приняли меры к замалчиванию открытия Петрова, и мир узнал об этом лишь в 1887 г. по публикации в журнале «Электричество». Этим было доказано, что первенство открытия дуги принадлежит В.В. Петрову, а не англичанину Г. Деви, как до тех пор считала вся научная общественность. Дополнительным доказательством этого послужила и указанная книга В.Пеирова, которую все-таки разыскали в архивах.

С 1840 года физический кабинет В.В.петрова возглавляли выдающиеся отечественные электротехники Э.Х.Ленц и Б.С.Якоби, о которых речь пойдет ниже.