Изглежда, че 17-ти век е допринесъл много малко за развитието на знанията за електрическите и магнитните явления, но тогава е положена основата и е даден мощен тласък на изучаването на тези явления през следващите векове.

По време на експерименти с електрическа машина, извършени от учени от 18 век, те забелязват прехвърлянето на електричество от протрит стъклен кръг към проводник. Много пъти те се опитваха да разредят "Лайденския буркан" чрез дълга верига от хора, хванати за ръце, но никой не изрази ясна представа за възможността за дълъг поток на електричество през проводниците.

Откриването на електрическия ток е предшествано от експериментите на италианския анатом Луиджи Галвани.

Работейки в лаборатория, където се провеждат експерименти с електричество, Галвани наблюдава феномен, който е бил известен на мнозина преди него. Състои се в това, че ако проводникът на електрическа машина се разреди през нерва на крака на жабата, свързан с жица към земята, тогава се наблюдаваха конвулсивни контракции на мускулите му. Но един ден Галвани забеляза, че кракът започва да се движи, когато само стоманен скалпел е в контакт с нерва му. Най-изненадващото беше, че нямаше контакт между електрическата машина и скалпела. Това удивително откритие принуждава Галвани да постави серия от експерименти, за да открие причината за наблюдаваното явление. Един есенен ден през 1780 г. Галвани провежда експеримент, за да разбере дали електрическата мълния причинява същите движения в лапата. За да направи това, Галвани окачи няколко жабешки бутчета на месингови куки в прозорец, затворен с желязна решетка. И той установи, противно на очакванията си, че контракциите на краката се появяват по всяко време, независимо от състоянието на времето. Наличието на електрически автомобил или друг източник на електричество наблизо се оказа ненужно. Освен това Галвани установява, че всеки два различни метала могат да бъдат използвани вместо желязо и месинг, като комбинацията от мед и цинк произвежда феномена в най-отчетливата форма. Стъклото, гумата, смолата, камъкът и сухото дърво нямаха никакъв ефект. За съжаление, Галвани стигна до извода, че в тъканите на тялото на жабата се съдържа "животински електричество". Следователно при свързване на проводници (мед, желязо) на нерва с мускулите се получава разряд. В резултат на това концепцията за „животински електричество“ започва да изглежда на съвременниците му много по-реална от електричеството с друг произход. Откриването на електрически ток все още беше загадка. Къде се появява токът: само в тъканите на тялото на жабата, само в разнородни метали или в комбинация от метали и тъкани?

Луиджи Галвани (1737-1798) - италиански лекар, анатом и физиолог, един от основателите на електрофизиологията. Получава образование в университета в Болоня, където преподава медицина.

Алесандро Волта (1745-1827) - италиански физик и физиолог, един от основателите на теорията за електричеството. Той установява връзката между количеството електричество, капацитет и напрежение, изобретява първия химически източник на ток върху двойка мед-цинк („Волтова колона“ или „Волта батерия“). През април 1800 г. в Париж Волта е приет от първия консул на Франция Наполеон. Наполеон се интересува от науките, като с право смята, че силата на държавата през новия век е немислима без просперитета на просвещението. След като демонстрира своите експерименти на възхитения Наполеон, Волта става рицар на Почетния легион, получава титлата сенатор и граф.

Волта живя дълъг и щастлив живот. За съжаление почти всички негови лични вещи, инструменти, както и 11 огромни папки с негови творби са изгорели по време на пожара. Но Волта е вечна във волта - единицата за електрическо напрежение.

За щастие, историята постанови, че резултатите от експериментите на Галвани, представени от него в известния му Трактат за електрическите сили в мускулното движение, публикуван през 1791 г., привлякоха вниманието на италианския учен Алесандро Волта.

Шокиран, Волта препрочита трактата и открива в него нещо, което е убягнало от вниманието на самия автор - споменаване, че потръпващият ефект на лапите се наблюдава само когато лапите са докосвани с два различни метала. Волта решава да постави модифициран опит, но не на жаба, а на себе си. „Признавам си“, пише той, „с недоверие и много малка надежда за успех започнах първите експерименти: те ми се сториха толкова невероятни, толкова далеч от всичко, което знаехме досега за електричеството ... Сега се обърнах към експериментите , аз бях очевидец, той самият извърши чудодейно действие и от неверие премина, може би, към фанатизъм!

Сега Волта можеше да се види да прави странно нещо: той взе две монети - винаги от различни метали - и ... ги сложи в устата си - едната на езика, другата - под езика. Ако след това Волта свърже монети или кръгове с тел, той усети кисел вкус, същият вкус, но много по-слаб, който можем да усетим, когато оближем два контакта на батерията едновременно. Волта знаеше от предишни експерименти с електрофор, че такъв вкус се причинява от електричество. Волта предполага, че причината за явлението, наблюдавано от Галвани, е наличието на два различни метала. Воден от тази мисъл, той поставя много експерименти и накрая прави важно откритие, за което докладва на Кралското общество в Лондон през 1800 г. Волта пише, че е открил нов източник на електричество, действащ като батерия от слабо заредени лайденски буркани. Но за разлика от галваничната батерия, неговото устройство се зарежда и разрежда непрекъснато. В същото време той даде описание на устройството си.

На 15 юни 1802 г. във Франция, по това време една от най-напредналите в научно отношение страни, се учредява държавна награда под формата на златен медал и значителна парична сума „за този, който като Волта и Франклин ще издигне напред науката за електричеството и магнетизма с неговите открития“. Първият консул, бъдещият император Наполеон I, който издава тази заповед, завършва инструкцията си с пророчески думи: „Моята цел е да насърча, да привлека вниманието на физиците към този отдел на физиката, който, както чувствам, е пътят до големи открития." Първият, получил тази награда, е Хъмфри Дейви през 1806 г. Между другото, френската награда беше присъдена на англичанина точно в момента, когато тези страни бяха във война. Обществен отзвук обаче нямаше. От страна на Наполеон I това наистина е акт, достоен за подражание.

Волта подреди устройството си по този начин. Той подреди няколко десетки чифта цинкови и медни чаши една върху друга, разделени с хартия, напоена със солена вода. Когато експериментаторът докоснал долния меден кръг с една ръка и горния цинков кръг с другата ръка, той изпитал силен токов удар. В случая устройството не е разредено и колкото и пъти да е докосвало кръговете, ударът се повтаря, т.е. зарядът на електричество възниква непрекъснато. Така Волта получи първия доста мощен източник на електричество - известният "волтов стълб", който съставлява цяла ера в историята на физиката (фиг. 6.1).

Така беше открито ново явление - непрекъснатото движение на електричество в проводник или електрически ток. Създаването на първия източник на електрически ток изигра огромна роля в развитието на науката за електричеството и магнетизма. Съвременник на Волта, френският учен Араго смята волтовия стълб за „най-забележителния инструмент, измислян някога от хората, като не изключваме телескопа и парната машина“.

Веднага след това Волта прави още едно велико изобретение: той изобретява галванична батерия, помпозно наречена „короната на съдовете“ и състояща се от много

последователно свързани цинкови и медни плочи, спуснати по двойки в съдове с разредена киселина, вече е доста солиден източник на електрическа енергия (фиг. 6.2). Можем да предположим, че от този ден източници на постоянен електрически ток

волтов стълб и галванична батерия - станаха известни на много физици и бяха широко използвани в следващите изследвания.

Устройството на Волта подтикна учените да работят върху изобретяването на такива източници на ток. По-специално, галваничният елемент е организиран от английския химик Джон Даниел (1790–1845). В елемента Даниел, цилиндрично извита медна плоча е потопена в разтвор на меден сулфат. Цинковата плоча е в порест глинен съд, пълен с разредена сярна киселина. Електрически ток протича през проводника, свързващ медната плоча с цинковата плоча. През 1839 г. немският физик Робърт Бунзен (1811–1899) заменя медната плоча с въглероден цилиндър, потопен в азотна киселина. Най-накрая парижкият химик Лекланше създаде много евтин и удобен елемент, който намери широко приложение. Неговият елемент също има цилиндрично извита цинкова плоча и въглероден цилиндър, но и двата са потопени в разтвор на амоняк.

До края на 18 век физиците, които изучават електрическите явления, разполагат само с източници на статично електричество - парчета кехлибар, топки от разтопена сяра, електрофорни машини, лейденски буркани. Много учени са експериментирали с тях, като се започне с английския физик и лекар Уилям Гилбърт (1544–1603). С такива източници под ръка беше възможно да се открие например законът на Кулон (1785), но дори законът на Ом (1826), да не говорим за законите на Фарадей (1833), не можа да бъде открит. Тъй като натрупаният статичен заряд беше малък и не можеше да осигури ток, който да продължи дори няколко секунди.

Ситуацията се промени след работата на професора по медицина в университета в Болоня Луиджи Галвани (1737-1798), който откри, както вярваше, "животинско електричество". Известният му трактат се нарича „За силите на електричеството в движението на мускулите“. В някои от експериментите на Галвани се случи първото в света приемане на радиовълни. Искрите на електрофорната машина служат като генератор, скалпелът в ръцете на Галвани служи като приемна антена, а жабешкият крак служи като приемник. Асистентът на Галвани провежда експерименти с електрическа машина на известно разстояние от разчленената жаба. В същото време съпругата на Галвани Лучия забеляза, че жабешките бутчета се намаляват точно в момента, когато в колата прескочи искра, така че ролята както на случайността, така и на наблюдението е видима.

Италианският физик Алесандро Джузепе Антонио Анастасио Волта (1745–1827) се заинтересува от експериментите на Галвани. Той вече е известен учен: през 1775 г. той конструира електрофор от смола, тоест открива електретни вещества, през 1781 г. чувствителен електроскоп, а малко по-късно кондензатор, електрометър и други устройства. През 1776 г. той открива и електрическата проводимост на пламъка, а през 1778 г. за първи път получава чист метан от газа, който събира в блатата, и демонстрира възможността за запалването му от електрическа искра. Волта първоначално беше ревностен поддръжник на теорията на Галвани за "животински електричество". Но неговото собствено повторение на неговите експерименти убеди Волта, че експериментите на Галвани трябва да бъдат обяснени по съвсем различен начин: жабешкият крак не е източник, а само приемник на електричество. Източникът е различни метали, които се допират един до друг. „Металите са не само отлични проводници“, пише Волта, „но и двигатели на електричеството“.

Това беше ключово твърдение, което позволи създаването на галванични клетки, батерии, акумулатори, които ни заобикалят от всички страни и през целия ни живот. Принципът на тяхното действие е изложен в училищен учебник и то много по-подробно, отколкото е необходимо за това, което следва. Изводът е прост: в проводяща среда (електролит) има два различни проводника (електрода), които влизат в такива реакции с нея, че се зареждат с противоположни заряди. Ако свържете тези електроди (анод и катод) с външен проводник (товар), токът ще започне да тече през него.

Възразявайки на Галвани, Волта първо се отървава от жабата, като я заменя със собствения си език. Например, слагаше на езика си златна или сребърна монета, а под езика - медна. Веднага след като две монети бяха свързани с парче тел, веднага се усети в устата кисел вкус, познат на всеки, който опита контактите на батерията на фенерче с език. Тогава Волта напълно изключи "животинското електричество" от експериментите, използвайки само устройства в експериментите.

Остава една стъпка до изобретяването през 1800 г. на първия постоянен източник на електрически ток. Това се случи, когато Волта свърза последователно двойки от цинкови и медни плочи, разделени от дистанционни елементи, направени от картон или кожа, които бяха напоени с алкален разтвор или солена вода. Този дизайн е кръстен на изобретателя "волтова колона". Дизайнът беше тежък, течността беше изцедена от уплътненията, така че Волта го замени с чаши с киселинен разтвор, в който бяха спуснати цинкови и медни (или сребърни) ленти или кръгове. Чашите бяха свързани последователно и така че проводниците на батерията да бяха близо, Волта подреди отделните елементи в кръг. Този дизайн беше наречен "волтова корона" поради формата си.

След откритието си Волта губи интерес към него и се отдалечава от научната работа, оставяйки други учени да развиват учението за електричеството. Но приносът на Алесандро Волта към доктрината за електричеството е толкова значителен, че единицата за напрежение е кръстена на него. И когато Наполеон видя в библиотеката на Академията на науките изображението на лавров венец с надпис „Великият Волтер“, той изтри няколко букви, така че се оказа: „Великият Волта“. Волтовият стълб и неговите разновидности са направили възможно много учени да провеждат експерименти с дългодействащ източник на постоянен ток. Именно с това откритие започна ерата на електричеството. Вероятно най-ентусиазираният преглед на откритието на Волта е оставен от неговия биограф, френския физик Доминик Франсоа Араго (1786-1853): „Стълб, съставен от кръгове от мед, цинк и мокър плат. Какво да очакваме априори от такава комбинация? Но тази колекция, странна и очевидно неактивна, тази колона от различни метали, разделени от малко количество течност, представлява снаряд, по-прекрасен от който човек никога не е измислял, не изключвайки дори телескопа и парната машина.

"Страхотни батерии"

Волта постъпи много мъдро, като изпрати писмо през март 1800 г. до Джоузеф Банкс (1743-1820), президент на Кралското общество в Лондон, водещият център за обучение по онова време. В писмото Волта описва различни проекти на своите източници на електричество, които той нарича галванични в памет на Галвани. Банкс беше ботаник, така че той показа писмото на колегите си физикът и химик Уилям Никълсън (1753–1815) и лекарят и химик, президент на Кралския колеж по хирурзи Антъни Карлайл (1768–1842). И още през април, според описанието на Волта, те направиха батерия от 17, а след това от 36 последователно свързани цинкови кръга и монети от половин корона, които след това бяха направени от 925-каратово сребро. Между тях бяха поставени картонени подложки, напоени със солена вода.

По време на експериментите Никълсън открива газови мехурчета в близост до контакта на цинков и меден проводник. Той определи, че това е водород - и то по миризмата, защото водородът, получен чрез разтваряне на цинк в киселини или основи, често има миризма. Цинкът обикновено съдържа примес от арсен, който се редуцира до арсин, а продуктите от разпадането му миришат на чесън. През септември 1800 г. немският физик Йохан Ритер (1776–1810) събира газа, отделен по време на електролизата на водата от друг електрод на батерията и показва, че това е кислород. През същата година английският химик Уилям Круикшанк (1745-1800) поставя цинкови и медни плочи в хоризонтална дълга кутия - лесно се заменят отработените (полуразтворени и покрити с реакционни продукти) цинкови електроди. В неработещо състояние електролитът беше източен от кутията, за да не се хаби цинк напразно. Cruikshank използва разтвор на амониев хлорид като електролит и след това разредена киселина. Фарадей препоръчва смес от слаби (1-2%) разтвори на сярна и азотна киселина. С такъв електролит цинкът бавно се разтваря, освобождавайки малки водородни мехурчета. Водородът също се отделя върху медния анод и ЕМП на една клетка на батерията е само 0,5 V.

Освобождаването на водород върху цинка е свързано с поляризацията на този електрод, което увеличава вътрешното съпротивление и намалява потенциала на елемента. За да предотврати това явление, британският физик и електроинженер Уилям Стърджън (1783–1850), създател на първия електромагнит, амалгамира цинкови пластини. През 1840 г. английският лекар Алфред Сми (1818–1877) заменя медния електрод със сребърен електрод, покрит с груб слой платина. Това ускори отделянето на водородни мехурчета от разтвора и увеличи ЕМП. Такива батерии се използват широко в галванопластиката. Така в катедралата "Св. Исак" в Санкт Петербург са направени скулптури по метода на електроформирането. Методът за получаване на копия в метал по електролитен път е разработен от петербургския академик Мориц Герман (Борис Семенович) Якоби през 1838 г., точно по време на строителството на катедралата. Повече за тази техника можете да прочетете в сайта "Библиотека с книги за скулптура".

Една от най-добрите батерии на своето време е сглобена от известния английски лекар и химик Уилям Хайд Уоластън (Wollaston, 1766–1828), станал известен с откриването на паладий и родий, както и с технологията за производство на най-фин метал. нишки, които са били използвани в чувствителни устройства. Във всеки елемент цинковият електрод беше заобиколен от три страни от меден електрод с малка междина, през която водородните мехурчета се изпускаха във въздуха.

Известният английски физик Хъмфри Дейви (1778–1829) за първи път експериментира с батерия, дадена му от самия Волта; след това започва да произвежда все по-мощни по собствен дизайн - от медни и цинкови плочи, разделени с воден разтвор на амоняк. Първата му батерия се състоеше от 60 такива елемента, но след няколко години той събра много голяма батерия, вече от хиляда елемента. С помощта на тези батерии той за първи път успя да получи такива метали като литий, натрий, калий, калций и барий, а под формата на амалгама - магнезий и стронций.

Една от най-големите батерии е създадена през 1802 г. от физика и електроинженера Василий Владимирович Петров (1761–1834). Неговата „много огромна батерия“ от 4200 медни и цинкови пластини с размери „един инч и половина“ беше разположена в тесни дървени кутии. Цялата батерия беше съставена от четири реда, всеки с дължина около 3 m, свързани последователно с медни скоби. Теоретично такава батерия може да даде напрежение до 2500 V, но в действителност тя даде около 1700. Тази гигантска батерия позволи на Петров да проведе много експерименти: той разложи различни вещества с ток, а през 1803 г. получи електрическа дъга за за първи път в света. С негова помощ беше възможно да се топят метали, да се осветяват ярко големи стаи. Поддръжката на тази батерия обаче беше изключително трудоемка. По време на експериментите плочите се окисляват и трябва да се почистват редовно. В същото време един работник може да почисти 40 чинии за час. Работейки по 8 часа на ден, само този работник ще отнеме поне две седмици, за да подготви батерията за следващите експерименти.

Вероятно най-необичайният галваничен елемент е направен от немския химик Фридрих Вьолер (1800–1882). През 1827 г. чрез нагряване на алуминиев хлорид с калий той получава метален алуминий - под формата на прах. Отне му 18 години, за да получи алуминий под формата на слитък. В елемента Wöhler и двата електрода са направени от алуминий! Освен това единият беше потопен в азотна киселина, другият в разтвор на натриев хидроксид. Съдовете с разтвори бяха свързани със солен мост.

Даниел, Лекланше и др

Основата на съвременните галванични клетки е разработена през 1836 г. от Джон Фредерик Даниел (1790–1845), английски физик, химик и метеоролог (той също изобретил влагомер - хигрометър). Даниел успя да преодолее поляризацията на електродите. В неговия първи елемент парче от волски хранопровод, напълнено с разредена сярна киселина с цинкова пръчка в средата, беше вкарано в меден съд с разтвор на меден сулфат. Фарадей предложи изолирането на цинка с опаковъчна хартия, чиито пори могат също да пропускат електролитни йони. Но Даниил започна да използва съд от пореста глина като диафрагма. Имайте предвид, че Антоан Сезар Бекерел (1788–1878), дядото на по-известния Антоан Анри Бекерел, който открива радиоактивността и споделя през 1903 г. с Кюри Нобеловата награда по физика. Елементът на Даниел дълго време дава стабилно напрежение от 1,1 V. За това изобретение Даниел е награден с най-високата награда на Кралското общество - златния медал на Копли. През последните 180 години се появиха много модификации на този елемент; в същото време техните разработчици се опитаха по различни начини да се отърват от порестия съд.

С появата на телеграфните линии се появи необходимостта от по-удобни и евтини източници на ток, без порести прегради, с един електролит и с дълъг експлоатационен живот. През 1872 г. елементът Даниел замени нормалния елемент на Джосия Латимър Кларк (1822–1898): положителен електрод - живак, отрицателен - 10% цинкова амалгама, EMF 1,43 V. И през 1892 г. той беше заменен от живачно-кадмиевия елемент на Едуард Уестън ( 1850–1936) с ЕМП от 1,35 V. Неговата модификация, наречена нормален елемент на Уестън, все още се използва като стандарт за напрежение - при ниски натоварвания дава високо стабилно напрежение в диапазона 1,01850–1,01870 V, известно с точност до пети знак.

Една версия на елемента Даниел, която няма пореста преграда, е разработена през 1859 г. от немския физик и изобретател Хайнрих Майдингер (1831–1905). На дъното на съда има меден електрод и кристали от меден сулфат (те идват от фуния), цинковият електрод е фиксиран отгоре. В долната част остава тежък наситен разтвор на меден сулфат: дифузията на медни йони към цинковия електрод се противодейства на изхвърлянето на тези йони по време на работа на елемента и границата между разтворите се откроява много рязко. Оттук и името на източниците от този тип - гравитационният елемент. Елементът Meidinger без поддръжка и добавяне на реагенти може да работи непрекъснато няколко месеца. Този елемент е бил широко използван в Германия от 1859 до 1916 г. като източник на енергия за железопътната телеграфна мрежа. Подобни източници е имало във Франция и в САЩ - под наименованието на елементите Кало и Локууд. Елементът, предложен през 1839 г. от английския физик и химик Уилям Робърт Гроув (1811–1896), има добри характеристики. Електродите в него бяха цинкови и платинени, разделени от пореста преграда и потопени съответно в разтвори на сярна и азотна киселина.

Роберт Вилхелм Бунзен (1811-1899), известен със своите открития и изобретения (спектрален анализ, горелка и др.), заменя скъпия платинен електрод с пресован въглен. Въглеродните електроди също присъстват в съвременните батерии, но при Bunsen те са били потопени в азотна киселина, която играе ролята на деполяризатор (сега те са манганов диоксид). Елементите на Бунзен отдавна се използват широко в лабораториите. Те биха могли да осигурят, макар и за кратко, голям ток. Елементите на Бунзен например са използвани от младия Чарлз Мартин Хол (1863–1914), който открива електролитния метод за производство на алуминий. Много от тези елементи бяха свързани в батерия; в същото време на 1 g изолиран алуминий се консумират почти 16 g цинк! Френският химик и изобретател Edm Hippolyte Marie-Davy (1820–1893) замени азотната киселина в елемента на Бунзен с паста от живачен (I) сулфат и сярна киселина; Разтворът на цинков сулфат служи като електролит. През 1859 г. батерия от 38 от тези клетки (EMF на всяка от 1,4 V) е сравнена с батерия от 60 клетки Daniel. Първият работи 23 седмици, вторият - само 11. Високата цена и токсичността на живачните соли обаче попречиха на широкото разпространение на такива елементи.

Немският физик Йохан Кристиан Погендорф (1796–1877) използва разтвор на калиев дихромат в сярна киселина като деполяризатор в своя елемент. Погендорф е известен като издател на списанието Annalen der Physik und ChemieТой заема този пост от 36 години. Елементът Poggendorf даде най-високата EMF (2,1 V) и за кратко време - голям ток. Важно предимство беше възможността цинковият електрод да се извади от разтвора, за да се почисти или замени.

Уорън де ла Рю (1815–1889), който пръв прави снимки на луната и слънцето, сглобява голяма батерия от 14 000 елемента през 1868 г. Електродите в тях са сребърно покрити със сребърен хлорид и амалгамиран цинк, а електролитът е разтвор на натриев хлорид, цинков хлорид или калиев хидроксид. Елементите от цинк-сребърен хлорид все още се използват; съхраняват се на сухо и се активират чрез пълнене с прясна или морска вода, след което елементът може да работи до 10 месеца. Такива елементи могат да се използват от тези, които са претърпели инцидент във водата. В по-евтини, но и по-малко мощни клетки се използва Cu / CuCl електрод.

Един от най-известните химически източници на ток е елементът манган-цинк, описан през 1868 г. от френския химик Жорж Лекланше (1839–1882) и разработен от него няколко години по-рано. В този елемент въглеродният електрод е заобиколен от деполяризатор от манганов диоксид, смесен с въглероден прах за по-добра електрическа проводимост. За да се предотврати разпадането на сместа при изливане на електролита (разтвор на амониев хлорид), тя се поставя заедно с анода в порест съд. Елементът Leclanchet служи дълго време, не изисква поддръжка и може да произведе доста голям ток. В опит да го направи по-удобен, Leclanchet решава да сгъсти електролита с паста. Това промени нещата по революционен начин: елементите на Leclanchet вече не се страхуваха от случайно преобръщане, те можеха да се използват във всяка позиция. Изобретението на Leclanchet веднага стана търговски успех, а самият изобретател, изоставил основната си професия, отвори фабрика за производство на елементи. Манганово-цинковите елементи Leclanche бяха евтини и се произвеждаха в големи количества. Да ги наричаме "сухи" обаче не е съвсем правилно: електролитът в тях беше "полутечен", а в истинските сухи клетки той трябва да е твърд. Лекланше умира на 43-годишна възраст преди изобретяването на такива елементи.

От 1802 до 1812 г. са конструирани няколко сухи батерии, най-известната от които е така наречената замбониева или замбониева колона (виж Химия и живот № 6, 2007 г.). Италианският физик и свещеник Джузепе Замбони (1776–1846) сглобява стълб от няколкостотин хартиени чаши през 1812 г. с тънък слой цинк от едната страна и смес от манганов диоксид и растителна смола от другата. Влагата, съдържаща се в хартията, служи като електролит. Такава колона дава високо напрежение, но само много малък ток. Именно колоната Замбони позволява на чашите да звънтят в камбаната, разположена в лабораторията Кларендън в Оксфорд, вече почти два века. За практически цели обаче такава батерия не е подходяща.

Първата суха клетка, която може да бъде приложена на практика, е патентована през 1886 г. от немския инженер Карл Гаснер (1855–1942). Химичните реакции, протичащи в него, бяха същите като в предишните дизайни: Zn + 2MnO 2 + 2NH 4 Cl → 2MnO(OH) + Cl 2 . В този случай цинковият електрод служи и като външен контейнер. Електролитът беше смес от брашно и гипс, върху която се абсорбира разтвор на амониев и цинков хлорид (след това гипсът беше заменен с нишесте). Добавянето на цинков хлорид към електролита значително намалява корозията на цинковия електрод и удължава срока на годност на клетката. Положителният електрод беше въглеродна пръчка, заобиколена от маса манганов диоксид и сажди в хартиена торба. Отгоре елементът беше запечатан с битум. Капацитетът на елементите беше компенсиран от техния размер. Солният елемент на Гаснер е оцелял като цяло до наши дни и се произвежда в количество от много милиарди парчета годишно. Но през двадесети век те се конкурират с алкални елементи, които понякога погрешно се наричат ​​„алкални“, без да си правят труда да поглеждат в речника, когато превеждат от английски.

В заключение отбелязваме, че галваничните батерии от един или друг дизайн са били основните източници на електричество до изобретяването на динамото.

Електродвижеща сила. - "Елементи".

Луиджи Галвани - изследовател на биоелектричеството

Роден на 9 септември 1737 г. в Болоня (Папска държава), живее и умира там на 4 декември 1798 г., след като е живял цели 61 години. По професия той е лекар, физик и философ, което по това време е нещо обичайно. Латинското му име гласи Алойзиус Галвани (Aloysius Galvani).

Луиджи Галвани е първият, който изследва биоелектричество. През 1780 г. Луиджи експериментира върху телата на мъртви жаби. Той прекара електрически ток през мускулите им и краката потрепнаха, мускулите започнаха да се свиват. Това беше първата стъпка към изучаването на сигналите на нервната система.

кратка биография

Луиджи Галвани (1737-1798)

Роден от Доменико и четвъртата му съпруга Барбара Фоска. Родителите на Луиджи не бяха аристократи, но имаха достатъчно пари, за да образоват едно от децата. Луиджи Галвани искаше да получи църковно религиозно образование, което в онази епоха беше до голяма степен престижно и той учи в религиозен институт в продължение на 15 години, а именно в параклиса Падри Филипини (Oratorio dei Padri Filippini). В бъдеще той щеше да вземе религиозни обети, но родителите му го убедиха да не прави това и да продължи образованието си. Около 1755 г. Луиджи постъпва във факултета по изкуства в университета в Болоня. На същото място Луиджи преминава медицински курс, в който изучава произведенията Хипократ, Галенаи Авицена (Ибн Сина). В допълнение към изучаването на произведенията, Луиджи се занимава с медицинска практика, включително хирургия. Това му позволи да проучи допълнително изследването биоелектричество.

През 1759 г. Луиджи Галвани получава диплома по медицина и философия, което му дава право да чете лекции в университета след защита на дисертацията си, която защитава на 21 юни 1761 г. Още през 1762 г. той става почетен преподавател по анатомия и хирургия. През същата година той се жени за Лусия Галеаци (Lucia Galeazzi) - дъщеря на един от университетските преподаватели. Луиджи отиде да живее в къщата на професор Галеаци и му помогна с изследванията. След смъртта на своя тъст през 1775 г. Луиджи Галвани е назначен за учител на мястото на починалия Галези.

Като член на Академията на науките от 1776 г., задължението на Галвани е да провежда редовни изследвания в областта на практическата човешка анатомия. От него се изискваше да публикува поне едно изследване годишно.

Експерименти с жаби

С течение на годините Луиджи Галвани започва да проявява интерес към медицинската употреба на електричество. Тази област на изследване се появява от средата на 18 век, след като е открит ефектът на електричеството върху човешкото тяло.

Диаграма на експеримента на Луиджи Галвани с тялото на жаба, около края на 1780-те

Има легенда, според която началото на опитите с биоелектричествоОт случая се предполагаше, че се е случило следното.

Луиджи постави мъртвата жаба на масата, за да експериментира върху кожата й, за да генерира статично електричество. Преди това на масата вече бяха проведени експерименти със статично електричество и се оказа, че неговият помощник (асистент) докосна метален скалпел, върху който имаше електрически заряд към отворения седалищен нерв на жабата. Сигурно е планирал да я направи дисекция. Но тогава се случи неочакваното. Помощникът видял искри и бутчето на мъртвата жаба се свило като живо.

Това наблюдение беше първата стъпка към започване на изследване. биоелектричество. Открита е връзка между невронната активност и електричеството, между биологичния живот и електрическите сигнали. Стана очевидно, че мускулната дейност се осъществява с помощта на електричество, с помощта на ток в електролитите. Преди това в науката беше общоприето, че мускулната активност се осъществява чрез определено вещество, наречено името на елементите въздух и вода.

Галвани въведе термина - животинско електричество(животински електричество), за да опише силата, която активира мускулите. Това явление по-късно беше наречено галванизъм (галванизъм), но след Галвани по предложение на негови съвременници.

В момента изучаването на галваничните ефекти на биологията се занимава с такъв раздел като електрофизиология. Име галванизъмпо-използван в исторически контекст, отколкото в научен.

Галвани срещу Волта

Професор по експериментална физика Алесандро Волтав Университета на Павия (Павия) е първият учен, който се усъмни в правилността на експериментите на Галвани и продължи изследванията.

Неговата цел беше да разбере дали причината е мускулната контракция биоелектричество, или възниква в резултат на контакт с метал. Разбра се, че живите клетки не могат да генерират електричество, което означава, че тогава няма животинско електричество.

Алесандро Волтатества своята хипотеза и установи, че наистина живите клетки са способни да генерират електричество, което означава биоелектричествосъществува, живите клетки са източници на ток. Хипотезата на Волт, че мускулите се свиват само в резултат на външно електричество, когато докоснат метален предмет със статичен заряд, беше опровергана от него. Допълнителни изследвания Алесандро Волтаго накара да създаде галванична батерия, която използва електрохимични явления, подобни на тези, които се случват в живите клетки.

В резултат на изследванията на Волта той открива, че всяка клетка има свой собствен клетъчен потенциал, който биоелектричествоима същите химически основи като електрохимичните клетки, което дава потенциална разлика. Алесандро Волтапрояви уважение към колегата си и въведе термина галванизъмза да се подчертае заслугата на Луиджи Галвани за откритието биоелектричество. Волта обаче възрази срещу някакво специално електричество във формата животинска електрическа течност, и той беше прав. Наградата беше създаването на химически източници на ток - галванични елементи. Алесандро Волтаза първи път конструира химически батерии, състоящи се от много галванични клетки. Тези батерии се наричат волтов стълб, източник със стойност на ЕМП над 100 волта беше сглобен от много елементи, което направи възможно по-нататъшното изучаване на явленията на електричеството.

Произведения на Луиджи Галвани

Основното произведение на Луиджи Галвани биоелектричествонаречен De Viribus Electricitatis в Motu Musculari Commentarius (PDF формат), преведен на руски Трактат за силите на електричеството в движението на мускулите (формат djvu). Можете да изтеглите тези произведения за задълбочено изучаване и разширяване на хоризонтите ви.

Доктор на физико-математическите науки В. ОЛШАНСКИ

МИСТЕРИОЗЕН ТРИУМФ

Волта демонстрира на Наполеон изобретението си - Волтовата колона.

Луиджи Галвани (1737-1798).

Лучия Галеаци, съпругата на Галвани.

В експериментите си Галвани използва електрофорна машина като тази.

Галвани със съпругата и асистента си провеждат експеримент в домашната си лаборатория. А. Муци, 1862 г

Жаба, подготвена за експерименти с електрофорна машина и Лайденов буркан. Чертеж от трактата на Галвани.

Схема на експеримента за изследване на атмосферното електричество. Детекторът е жабешки крак, чийто нерв е свързан с гръмоотвод, а мускулът е свързан чрез проводник с водата в кладенеца. Чертеж от трактата на Галвани.

Алесандро Волта (1745-1827).

Волтова колона, състояща се от метални дискове, разделени от кръгове от мокра кърпа.

През 1801 г. в Париж се случи забележително събитие, многократно описано от историците на науката: в присъствието на Наполеон Бонапарт се проведе представянето на работата „Изкуствен електрически орган, имитиращ естествения електрически орган на змиорка или скат“ с демонстрация на модел на този орган. Наполеон щедро възнагради автора: в чест на учения беше изваден медал и беше учредена награда от 80 000 екю. Всички водещи научни дружества от онова време, включително Петербургската академия на науките, изразиха желание да го видят в своите редици, а най-добрите университети в Европа бяха готови да му отстъпят своите катедри. По-късно получава титлата граф и е назначен за член на Сената на Кралство Италия. Името на този човек е добре известно и днес, а различни версии на изкуствени електрически органи, които имитират естествените, се произвеждат в милиарди. Говорим за Алесандро Волта и неговото изобретение - Волтовата колона, прототипът на всички съвременни батерии и акумулатори. Какво общо има волтовата колона с електрическите органи на рибите - повече за това по-късно, но засега нека обърнем внимание на факта, че демонстрацията беше извършена с подчертана помпозност и с голяма тълпа от хора.

Предполага се, че волтовият стълб произвежда напрежение от 40-50 волта и ток под един ампер. Какво точно трябваше да покаже Волта, за да порази всеобщото въображение? Представете си, че не Волта, а вие стоите пред Наполеон с кутия, пълна с най-добрите батерии и искате да демонстрирате нещо грандиозно с тяхна помощ. Електрически крушки, мотори, плеъри и други дори не са в идеята. Грубо казано, къде Волта би могъл да постави батериите си?

Електрофорната машина е била отдавна известна по това време, лейденският буркан е изобретен повече от 50 години по-рано. Всичко, свързано с искри, пращене, светещи наелектризирани топки, едновременно отскачане от токов удар на голяма група хора, е демонстрирано повече от веднъж и не е предизвикало дори малка част от подобни отличия и награди. Защо триумфът се падна на жребия на Волтовия стълб?

Очевидно тайната на успеха се крие във факта, че Волта повтаря опити преди Наполеон за съживяване на отрязани крайници с помощта на малки количества електричество. „Направих ги не само върху жаби, но и върху змиорки и други риби, върху гущери, саламандри, змии и, което е по-важно, върху малки топлокръвни животни, а именно върху мишки и птици“, пише ученият през 1792 г. в самото начало на изследване, което в крайна сметка доведе до велико изобретение. Представете си различните отсечени части на различни животни, лежащи съвършено неподвижно, както подобава на отсечените крайници, от които е извирала жизнената сила. Най-лекото докосване на Волтовия стълб - и плътта оживява, трепти, свива се и потръпва. Имало ли е по-невероятни експерименти в историята на науката?

Но всеки знае, че идеята за тези експерименти не принадлежи на Волта, а на Луиджи Галвани. Защо не беше обсипан с почести на първо място или поне до Волта? Причината в никакъв случай не е, че Галвани вече е починал по това време - ако беше жив, наградата на Наполеон най-вероятно щеше да отиде при Волта. Да, и не става дума за Наполеон - през следващите години той не беше единственият, който издигна Волта и омаловажи Галвани. И имаше причини за това.

СИЛНА "ЖАБА"

От учебниците по физика за Луиджи (или в латинизирана форма Алойзия) Галвани е известно следното: италиански лекар, анатом и физиолог от края на 18 век; той случайно се натъква на феномен, наречен "експеримент на Галвани" и не може да го обясни правилно, тъй като изхожда от фалшива хипотеза за съществуването на някакъв вид животинско електричество. Но физикът Алесандро Волта успя да разбере явлението и да създаде полезно устройство, базирано на него.

Изглежда, че картината е ясна: анатомът режеше жаби (и какво друго може да направи анатомът?), случайно се натъкна на факта, че кракът потрепва под въздействието на ток и не разбра нищо - не физик, къде трябва да разбира същността на нещата. Волта, физик, внимателно повтори всичко, обясни всичко правилно и дори го потвърди с практиката. А фактът, че анатомът и лекарят, било от инат, било поради недомислие, продължи да настоява на своето, го характеризира напълно зле.

Не е ясно защо човечеството се оказа толкова благосклонно към този доктор, че той даде името си на проводимите токове, и на цяла област от физиката, и на устройство за измерване на ток, и на най-важния технологичен процес на електрохимично отлагане на метални покрития и дори до източници на ток, изобретени от Волта. Никой от най-известните физици – нито Нютон, нито Декарт, нито Лайбниц, нито Хюйгенс, нито любимецът на класическата физика Джеймс Клерк Максуел – не се свързва с толкова много термини.

Но ето какво е забавно: когато става въпрос за области, които не са физически, термините, свързани с името на Галвани, са доста уважавани и стабилни: галванотерапия, галванична баня, галванотаксис. Ако въпросът се отнася до физиката, тогава за всеки галваничен член има антигалваничен член: не галванометър, а амперметър; не галваничен ток, а ток на проводимост; не галванична клетка, а химически източник на ток. Колкото по-ортодоксален е учебникът по физика, толкова по-малко вероятно е в него да се намери не само каквото и да е споменаване на научните заслуги на Галвани, но и галваническа терминология. Официалните власти на империята на сър Исак Нютон, или "китарите", както ги нарича Гьоте, изрично отказват гражданство на Луиджи Галвани, но някой постоянно изписва името му по стените на храма на науката и напомня за съществуването му.

И сега ще говорим за проучвания, проведени почти двеста години след публикуването на работата на Гилбърт. Те са свързани с имената на италианския професор по анатомия и медицина Луиджи Галвани и италианския професор по физика Алесандро Волта.

В лабораторията по анатомия на университета в Булон Луиджи Галвани провежда експеримент, чието описание шокира учените от цял ​​свят. Жабите бяха разрязани на лабораторната маса. Задачата на експеримента беше да се демонстрират и наблюдават голи, нервите на техните крайници. На тази маса имаше електростатична машина, с помощта на която се създаваше и изучаваше искра. Ето изявленията на самия Луиджи Галвани от неговия труд "За електрическите сили по време на мускулни движения": "... Един от моите помощници случайно много леко докосна с връх вътрешните бедрени нерви на жабата. Кракът на жабата рязко потрепна." И по-нататък: "... Това успява, когато се извлече искра от кондензатора на машината."

Това явление може да се обясни по следния начин. Променливо електрическо поле действа върху атомите и молекулите на въздуха в зоната, където възниква искрата, в резултат на което те придобиват електрически заряд, преставайки да бъдат неутрални. Получените йони и електрически заредени молекули се разпространяват на определено, сравнително малко разстояние от електростатичната машина, тъй като при движение, сблъсък с въздушни молекули, те губят своя заряд. В същото време те могат да се натрупват върху метални предмети, които са добре изолирани от повърхността на земята и се разреждат, ако възникне проводима електрическа верига към земята. Подът в лабораторията беше сух, дървен. Той добре изолира от земята стаята, в която работи Галвани. Предметът, върху който са се натрупали зарядите, е метален скалпел. Дори лекият контакт на скалпела с нерва на жабата води до "разреждане" на статичното електричество, натрупано върху скалпела, карайки лапата да се отдръпне без никакви механични повреди. Само по себе си явлението вторичен разряд, причинен от електростатична индукция, вече е било известно по това време.

Блестящият талант на експериментатора и провеждането на голям брой многостранни изследвания позволиха на Галвани да открие още един феномен, важен за по-нататъшното развитие на електротехниката. Има експеримент за изследване на атмосферното електричество. За да цитирам самия Галвани: „... Уморен... от напразно чакане... започнал... да притиска медните куки, забити в гръбначния мозък, към желязната решетка - краката на жабата се свили.“ Резултатите от експеримента, проведен вече не на открито, а на закрито в отсъствието на работещи електростатични машини, потвърдиха, че съкращението на мускула на жабата, подобно на свиването, причинено от искрата на електростатична машина, се случва, когато тялото на жабата се докосва едновременно от два различни метални предмета - тел и пластина от мед, сребро или желязо. Никой не беше наблюдавал подобно явление преди Галвани. Въз основа на резултатите от наблюденията той прави смело недвусмислено заключение. Има и друг източник на електричество, това е "животински" електричество (терминът е еквивалентен на термина "електрическа активност на живата тъкан"). Живият мускул, твърди Галвани, е кондензатор като лайденски буркан, в който се натрупва положително електричество. Нервът на жабата служи като вътрешен "диригент". Прикрепването на два метални проводника към мускул предизвиква протичане на електрически ток, който, подобно на искра от електростатична машина, кара мускула да се свие.

Галвани експериментира, за да получи недвусмислен резултат само върху жабешки мускули. Може би това му позволи да предложи използването на "физиологичната подготовка" на жабешкия крак като измервател на количеството електричество. Мярка за количеството електричество, за което служи такъв физиологичен индикатор, беше активността на повдигане и падане на лапата при контакт с метална пластина, която едновременно беше докосната от кука, минаваща през гръбначния мозък на жаба, и честотата на повдигане на лапата за единица време. Известно време такъв физиологичен показател се използва дори от видни физици и по-специално от Георг Ом.

Електрофизиологичният експеримент на Галвани позволи на Алесандро Волта да създаде първия електрохимичен източник на електрическа енергия, което от своя страна откри нова ера в развитието на електротехниката.

Алесандро Волта е един от първите, които оценяват откритието на Галвани. Той повтаря експериментите на Галвани с голямо внимание и получава много данни, потвърждаващи резултатите му. Но още в първите си статии „За животинското електричество“ и в писмо до д-р Боронио от 3 април 1792 г. Волта, за разлика от Галвани, който тълкува наблюдаваните явления от гледна точка на „животинското“ електричество, подчертава химичното и физичното явления. Волта установява значението на използването на различни метали за тези експерименти (цинк, мед, олово, сребро, желязо), между които се поставя кърпа, навлажнена с киселина.

Ето какво пише Волта: "В експериментите на Галвани източникът на електричество е жаба. Но какво е жаба или всяко животно като цяло? На първо място, това са нервите и мускулите и те съдържат различни химични съединения. Ако нервите и мускулите на препарираната жаба са свързани с два различни метала, тогава когато такава верига се затвори, се проявява електрическо действие.В последния ми експеримент също участваха два различни метала - това са стомана (олово) и сребро, и слюнката на езика играеше ролята на течност.Затваряйки веригата със свързваща пластина, създадох условия за непрекъснато движение на електрическите течности от едно място на друго.Но можех да поставя същите тези метални предмети просто във вода или в течност подобно на слюнката? Какво ще кажете за "животински" електричество?"

Експериментите, проведени от Волта, ни позволяват да формулираме заключението, че източникът на електрическо действие е верига от различни метали, когато те влязат в контакт с кърпа, влажна или напоена с киселинен разтвор.

В едно от писмата до своя приятел доктор Вазаги (отново пример за лекарски интерес към електричеството), Волта пише: „Аз отдавна съм убеден, че всяко действие идва от метали, от контакта на които електрическата течност навлиза във влажен или водно тяло.На тази основа смятам, че той има право да приписва всички нови електрически явления на металите и да замени името „животинско електричество“ с израза „метално електричество“.

Според Волт жабешките бутчета са чувствителен електроскоп. Между Галвани и Волта, както и между техните последователи възниква исторически спор - спор за "животински" или "метален" електричество.

Галвани не се отказа. Той напълно изключва метала от експеримента и дори прави дисекция на жаби със стъклени ножове. Оказало се, че дори в този експеримент контактът на бедрения нерв на жабата с нейния мускул води до ясно забележимо, макар и много по-малко, отколкото при участието на метали, свиване. Това е първата фиксация на биоелектрични явления, на които се основава съвременната електродиагностика на сърдечно-съдовата и редица други човешки системи.

Волта се опитва да разгадае природата на откритите необичайни явления. Пред себе си той ясно формулира следния проблем: "Каква е причината за възникването на електричеството? - запитах се по същия начин, както всеки от вас би го направил. Размишленията ме доведоха до едно решение: от контакта на две различни метали, например сребро и цинк, равновесието на електричеството и в двата метала се нарушава.В точката на контакт на металите положителното електричество тече от среброто към цинка и се натрупва върху последния, докато отрицателното електричество кондензира върху среброто.Това означава, че електрическата материя се движи в определена посока.Когато сложих сребърни и цинкови плочи една върху друга без междинни дистанционни елементи, тоест цинковите плочи бяха в контакт със сребърните, тогава общият им ефект беше намален до нула. засилете електрическия ефект или го обобщете, всяка цинкова плоча трябва да бъде поставена в контакт само с една сребърна и последователно да се сумира още двойки. Това се постига именно с факта, че поставям мокро парче плат върху всяка цинкова плоча, като по този начин я отделям от сребърната плоча на следващата двойка.“ Голяма част от казаното от Волт не губи значението си дори сега, в светлината на съвременни научни идеи.

За съжаление този спор беше трагично прекъснат. Армията на Наполеон окупира Италия. Заради отказа си да се закълне във вярност на новото правителство, Галвани загуби стола си, беше уволнен и скоро почина. Вторият участник в спора, Волта, доживя да види пълното признание на откритията на двамата учени. В исторически спор и двамата бяха прави. Биологът Галвани влезе в историята на науката като основател на биоелектричеството, физикът Волта като основател на електрохимичните източници на ток.