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.
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.
К новым экспериментам его подтолкнули электрические опыты итальянца Луиджи Гальвани, профессора Болонского университета.
Гальвани был физиологом и физиком одновременно.
На его лабораторном столе рядом находились и препарированные лягушки, и электрические устройства. Луиджи был женат на дочери своего учителя — Лючии Галеацци. Она с детства привыкла к научным экспериментам в доме отца и охотно посещала лабораторию мужа. Препарировать лягушек ей не нравилось, а вот ручку электрофорной машины*, которая давала яркие электрические искры, крутила с удовольствием.
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.
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.
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!
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.
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.
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.
* Электрофорная машина — устройство для накопления электрического заряда, использующее трение между двумя вращающимися дисками.
Вольтов столб это прибор, который был изобретен известным итальянским физиком Алессандро Вольта в 1799 году.
Википедия о приборе Вольтов столб
Вот, что пишет народная энциклопедия о Вольтовом столбе.
«Так был изобретён „элемент Вольта“ — первый гальванический элемент. Для удобства Вольта придал ему форму вертикального цилиндра (столба), состоящего из соединённых между собой колец цинка, меди и сукна, пропитанных кислотой. Вольтов столб высотою в полметра развивал напряжение, чувствительное для человека».
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.
Изобретение Вольтова столба
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.
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.
Гальвани и Вольта
Вплоть до конца XVIII века физики, изучавшие электрические явления, имели в своем распоряжении лишь источники статического электричества — куски янтаря, шары из плавленой серы, электрофорные машины, лейденские банки. С ними экспериментировали многие ученые, начиная с английского физика и врача Уильяма Гильберта (1544–1603). Имея в распоряжении такие источники, можно было открыть, например, закон Кулона (1785), но нельзя было открыть даже закон Ома (1826), не говоря уже о законах Фарадея (1833). Потому что накопленный статически заряд был мал и не мог обеспечить ток, длящийся хотя бы несколько секунд.
Ситуация изменилась после работ профессора медицины Болонского университета Луиджи Гальвани (1737–1798), открывшего, как он полагал, «животное электричество». Его знаменитый трактат назывался «О силах электричества при мышечном движении». В некоторых опытах Гальвани произошел первый в мире прием радиоволн. Генератором служили искры электрофорной машины, приемной антенной — скальпель в руках Гальвани, а приемником — лягушачья лапка. Помощник Гальвани проводил опыты с электрической машиной в некотором отдалении от препарированной лягушки. При этом жена Гальвани Лючия заметила, что лягушачьи лапки сокращаются в тот самый момент, когда в машине проскакивает искра, так что видна роль и случайности и наблюдательности.
Опытами Гальвани заинтересовался итальянский физик Алессандро Джузеппе Антонио Анастасио Вольта (1745–1827). Он был уже известным ученым: в 1775 году сконструировал смоляной электрофор, то есть обнаружил вещества-электреты, в 1781-м — чувствительный электроскоп, а немного позже — конденсатор, электрометр и другие приборы. В 1776 году он же обнаружил электропроводность пламени, а в 1778-м впервые получил чистый метан из собранного им в болотах газа и продемонстрировал возможность зажечь его от электрической искры. Вольта вначале был ревностным сторонником теории «животного электричества» Гальвани. Но собственноручное повторение его опытов убедило Вольту, что опыты Гальвани следует объяснять совершенно иначе: лягушачья ножка — не источник, а лишь приемник электричества. Источник же — разные металлы, которые касаются друг друга. «Металлы не только прекрасные проводники, — писал Вольта, — но и двигатели электричества».
Это было ключевое утверждение, позволившее создать гальванические элементы, батарейки, аккумуляторы, которые окружают нас со всех сторон и всю жизнь. Принцип их действия изложен в школьном учебнике, причем значительно подробнее, чем это нужно для дальнейшего. Суть проста: в проводящей среде (электролите) находятся два разных проводника (электрода), которые вступают с ней в такие реакции, что они заряжаются разноименными зарядами. Если соединить эти электроды (анод и катод) внешним проводником (нагрузкой), по ней начнет протекать ток.
Возражая Гальвани, Вольта сначала избавился от лягушки, заменив ее собственным языком. Он, например, клал на язык золотую или серебряную монету, а под язык — медную. Как только две монеты соединяли кусочком проволоки, сразу же во рту ощущался кислый вкус, знакомый каждому, кто пробовал на язык контакты батарейки для карманного фонаря. Затем Вольта и вовсе исключил из экспериментов «животное электричество», используя в опытах только приборы.
Оставался один шаг до изобретения в 1800 году первого постоянно действующего источника электрического тока. Это произошло, когда Вольта соединил последовательно пары цинковых и медных пластинок, разделенных прокладками из картона или кожи, которые были пропитаны раствором щелочи или соленой водой. Эту конструкцию назвали по имени изобретателя «вольтовым столбом». Конструкция была тяжелой, жидкость из прокладок выдавливалась, поэтому Вольта заменил ее чашечками с раствором кислоты, в которые были опущены цинковые и медные (или серебряные) полоски или кружочки. Чашки были соединены последовательно, а чтобы выводы батареи были близко, отдельные ее элементы Вольта расположил по кругу. Эту конструкцию по ее форме назвали «вольтовой короной».
После своего открытия Вольта потерял к нему интерес и отошел от научной работы, предоставив другим ученым развивать учение об электричестве. Но вклад Алессандро Вольты в учение об электричестве столь значим, что его именем названа единица напряжения. А когда Наполеон увидел в библиотеке Академии наук изображение лаврового венка с надписью «Великому Вольтеру», он стер несколько букв, так что получилось: «Великому Вольте». Вольтов столб и его разновидности дали возможность многочисленным ученым проводить эксперименты с длительно действующим источником постоянного тока. Именно с этого открытия началась эра электричества. Вероятно, самый восторженный отзыв об открытии Вольты оставил его биограф французский физик Доминик Франсуа Араго (1786–1853): «Столб, составленный из кружков медного, цинкового и влажного суконного. Чего ожидать априори от такой комбинации? Но это собрание, странное и, по-видимому, бездействующее, этот столб из разнородных металлов, разделенных небольшим количеством жидкости, составляет снаряд, чуднее которого никогда не изобретал человек, не исключая даже телескопа и паровой машины».
«Огромные наипаче батареи»
Вольта поступил очень мудро, послав в марте 1800 года письмо Джозефу Бэнксу (1743–1820), президенту Лондонского королевского общества — ведущего научного центра того времени. В письме Вольта описал различные конструкции своих источников электричества, которые в память о Гальвани назвал гальваническими. Бэнкс был ботаником, поэтому он показал письмо своим коллегам — физику и химику Уильяму Николсону (1753–1815) и врачу и химику, президенту Королевского колледжа хирургов Энтони Карлайлу (1768–1842). И уже в апреле они по описанию Вольты изготовили батарею из 17, а затем из 36 последовательно соединенных цинковых кружков и монет в полкроны, которые тогда были из серебра 925-й пробы. Между ними помещались картонные прокладки, пропитанные соленой водой.
В ходе опытов Николсон обнаружил около контакта цинка и медного проводника выделение пузырьков газа. Он определил, что это водород — причем по запаху, ибо водород, получаемый при растворении цинка в кислотах или щелочах, часто имеет запах. В цинке обычно есть примесь мышьяка, который восстанавливается до арсина, а продукты его разложения пахнут чесноком. В сентябре 1800 года немецкий физик Иоганн Риттер (1776–1810), собрав газ, выделявшийся при электролизе воды, с другого электрода батареи, показал, что это кислород. В том же году английский химик Уильям Крукшенк (1745–1800) расположил цинковые и медные пластинки в горизонтальном длинном ящике — при этом легко было заменять отработанные (полурастворившиеся и покрытые продуктами реакции) цинковые электроды. В нерабочем состоянии электролит из ящика сливали, чтобы не расходовать цинк зря. В качестве электролита Крукшенк использовал раствор хлорида аммония, а затем — разбавленную кислоту. Фарадей рекомендовал смесь слабых (1–2 %) растворов серной и азотной кислот. С таким электролитом цинк медленно растворялся с выделением маленьких пузырьков водорода. Водород выделялся и на медном аноде, а ЭДС* одного элемента батареи была всего 0,5 В.
Выделение водорода на цинке связано с поляризацией этого электрода, которая увеличивает внутреннее сопротивление и понижает потенциал элемента. Чтобы предотвратить это явление, британский физик и электротехник Уильям Стёрджен (1783–1850), создатель первого электромагнита, амальгамировал цинковые пластинки. В 1840 году английский врач Альфред Сми (1818–1877) заменил медный электрод серебряным, покрытым шероховатым слоем платины. Это ускоряло выделение из раствора пузырьков водорода и увеличивало ЭДС. Такие батареи широко использовали в гальванотехнике. Так, методом гальванопластики были изготовлены скульптуры на Исаакиевском соборе в Петербурге. Метод получения электролитическим путем копий в металле разработал петербургский академик Мориц Герман (Борис Семенович) Якоби в 1838 году, как раз во время строительства собора. Подробнее об этой технике можно прочитать на сайте «Библиотека с книгами по скульптуре».
Одну из лучших батарей своего времени собрал известный английский медик и химик Уильям Хайд Волластон (Уолластон, 1766–1828), прославившийся открытием палладия и родия, а также технологией изготовления тончайших металлических нитей, которые применялись в чувствительных приборах. В каждом элементе цинковый электрод был с трех сторон окружен медным с малым зазором, через который пузырьки водорода выделялись в воздух.
Знаменитый английский физик Гемфри Дэви (1778–1829) сначала проводил опыты с батареей, подаренной ему самим Вольтой; затем начал изготовлять все более мощные собственной конструкции — из медных и цинковых пластинок, разделенных водным раствором аммиака. Первая его батарея состояла из 60 таких элементов, но через несколько лет он собрал очень большую батарею, уже из тысячи элементов.
С помощью этих батарей он впервые смог получить такие металлы, как литий, натрий, калий, кальций и барий, а в виде амальгамы — магний и стронций.
Одну из самых больших батарей создал в 1802 году физик и электротехник Василий Владимирович Петров (1761–1834). Его «огромная наипаче батарея» из 4200 медных и цинковых пластин «по полтора дюйма» размером располагалась в узких деревянных ящиках. Вся батарея была составлена из четырех рядов, каждый длиной около 3 м, соединенных последовательно медными скобками. Теоретически такая батарея может давать напряжение до 2500 В, а реально давала около 1700. Эта гигантская батарея позволила Петрову провести множество опытов: он разлагал током различные вещества, а в 1803 году впервые в мире получил электрическую дугу. С ее помощью удалось расплавлять металлы, ярко освещать большие помещения. Однако обслуживание этой батареи было исключительно трудоемким. Во время опытов пластины окислялись, и их приходилось регулярно чистить. При этом один работник мог за час почистить 40 пластин. Работая по 8 часов в день, этот работник в одиночку потратил бы не меньше двух недель, чтобы приготовить батарею к следующим опытам.
Вероятно, самый необычный гальванический элемент изготовил немецкий химик Фридрих Вёлер (1800–1882). В 1827 году, нагревая хлорид алюминия с калием, он получил металлический алюминий — в виде порошка. Ему понадобилось 18 лет, чтобы получить алюминий в виде слитка. В элементе Вёлера оба электрода были из алюминия! Причем один был погружен в азотную кислоту, другой — в раствор гидроксида натрия. Сосуды с растворами соединял солевой мостик.
