Лауреаты конкурса «Свободный полёт - 2013»

    О фонде  Конкурс Свободный полёт  Конкурс творческих идей  Собрание конкурсных работ  Физика  Математика  Это интересно 

Обнаружение «животного электричества» Л. Гальвани.
Изобретение вольтова столба. Первые гипотезы об электрическом токе.

Дата: 1791 (животное электричество), 1800 (вольтов столб)

Методы: качественный и полуколичественный анализ, использование биологических датчиков.

Прямота эксперимента: непосредственное измерение.

Искусственность изучаемых условий: условия хоть и были достаточно специфическими (в рамках физиологии у Гальвани и чистое изобретение у Вольта), но гипотезы об электрическом токе, которые в них косвенно проявлялись, имели общий характер.

Исследуемые фундаментальные принципы: аддитивность напряжения.

Как ни странно, в самых первых опытах с электричеством немаловажную роль сыграли подопытные животные, в частности, лягушки. Луиджи Гальвани (1737–1798; портрет выше) обнаружил, что если соединить металлическим проводником мышцы и спинной мозг только что препарированной лягушки, то мышцы сократятся. С современной точки зрения это означает, что в спинном мозге генерируются нервные импульсы, которые имеют электрическую природу и передаются по проводнику, почти как по нейрону, приводя к мышечной реакции.

Однако Гальвани заметил, что, если его рука, держащая соединяющий проводник, касалась другого металлического предмета, то есть была заземлена, то сокращений мышц не происходило. Далее он заметил, что источником сокращения мышц может являться контакт двух разных металлов: он прижимал конечности лягушки к металлической пластине латунными крючками.

На основе своих наблюдений Гальвани предположил, что в мышечной ткани животных существует «животное электричество», которое разряжается через проводник, когда на него замыкается мышца. Более того, он считал, что в мышцах при их сокращении течет ток некоторого электрического флюида. Его исследования продолжил Алессандро Вольта (1745–1827; портрет ниже), производя эксперименты с проводниками из разных металлов. Во-первых, он пришел к тому же выводу, что и Б. Франклин: существует два рода флюида — положительный и отрицательный — причем когда они уравновешены, тело нейтрально и не проявляет электрической активности. Во‑вторых, Вольта выявил, что настоящими источниками тока в экспериментах с мышцами лягушки являются контакты двух различных металлов, а не сама мышечная ткань. Этот вывод был противоположен сделанному Гальвани.

Вольта ввел в науку понятие напряжения, а также создал прибор для его измерения. Стоит обратить внимание на это изобретение, поскольку в его времена не были известны ни закон Ома, ни закон магнитного действия тока Ампера, которые могли бы позволить измерять напряжение. Первый вольтметр представлял из себя электроскоп, соединенный параллельно с конденсатором (см. рис. справа; вторая пластинка конденсатора удерживалась за изолирующую ручку над первой). Как мы знаем, заряд конденсатора прямо пропорционален приложенному напряжению — а заряд уже можно измерить с помощью электроскопа. Более того, регулируя расстояние между пластинами конденсатора и, следовательно, его емкость, можно было изменять чувствительность прибора по отношению к напряжению. С помощью своего прибора Вольта показал, что контактные разности потенциалов различаются у разных пар металлов, находясь в следующих отношениях:

U(Ag-Cu) : U(Cu-Fe) : U(Fe-Sn) : U(Sn-Pb) : U(Pb-Zn) : U(Zn-Ag) = 1 : 2 : 3 : 1 : 5 : 12.

Тут Вольта заметил, что последняя разность потенциалов на контакте цинковой и серебряной пластинок получается также, если сложить все остальные пластины вместе: Ag-Cu-Fe-Sn-Pb-Zn. Более того, в замкнутой цепи напряжение отсутствовало. Таким образом, Вольта показал аддитивность напряжений: напряжение в цепи ABC равно сумме напряжений на участках AB и BC. Финалом исследований контактных разностей потенциалов стал вольтов столб (1800 г., см. рис. справа) — цилиндрический столбик, составленный из медных и цинковых пластинок, между которыми лежали разделители из ткани, смоченной в растворе электролита (кислоты). Каждая пара пластинок называется гальваническим элементом.

Изобретение вольтова столба породило и другие открытия: в том же 1800 году Никольсон и Карлайл открыли электролиз, разложив воду на кислород и водород, а Дэви в 1807 г. открыл металлический калий. Законы электролиза Фарадея также обязаны своим открытием изобретениям Вольты. В 1803 г. В. Петров довел напряжение вольтова столба до 2500 вольт (при 4200 парах металлических пластинок), благодаря чему наблюдал электрическую дугу — вещество в устойчивом плазменном состоянии.

Между прочим, термин «гальванизм» ввел сам Вольта и отнес его ко всем химическим источникам ЭДС. Кроме того, гальванический элемент не был создан самим Гальвани — он лишь первым наблюдал гальваническое электричество (контактное ЭДС), хотя и неточно его охарактеризовал, связав с живой тканью.

<<К предыдущему эксперименту  |  Электродинамика  |  К следующему эксперименту>>