3. К истории изучения постоянного тока

Открытие электрического тока и его химических действий. Электрическая цепь была объектом исследований начиная со второй половины XVIII в. Исследовалась скорость распространения электричества по проводникам различной длины. Еще в 1747 г. Уотсон передал электричество на расстояние в 6 км. В 1785 г. англичанин Е. Нэрн создает цепь между полюсами электростатического генератора. В разрывы цепи на разных ее участках он включает металлическую проволоку и устанавливает, что она везде одинаково взрывается. Отсюда вывод: во всех участках цепи проходит одинаковое количество электричества.

Были, в сущности, уже известны основные действия электрического тока. Франклин и Киннерсли распыляли и плавили металлы. В Италии Беккариа с помощью электрического разряда получил цинк из оксида цинка и ртуть из киновари, англичанин Пристли выделил водород из спирта, а голландский химик Ван-Труствик произвел электролиз воды. Знали, что электрический разряд производит магнитное действие (намагничивание и перемагничивание разрядом конденсатора и молнией). Но не существовало понятия тока. Картина электрических процессов рисовалась так: существуют особые электрические флюиды, они могут накапливаться, и тогда возникает электрическое напряжение - стремление флюидов прийти в равновесие.

Электрический генератор "накачивает" флюидом батарею лейденских банок. Получается электрический разряд. Его можно выпустить в наблюдаемый объект. Подвижность флюиде обусловливает мгновенность процессов разряда. Распространено было понятие "электрического конфликта": мгновенного разъединения и воссоединения электричеств. В центре внимания были силовые взаимодействия частичек электрический жидкостей.

Открытие постоянного электрического тока и изучение его свойств началось в XIX в.

В сентябре 1786 г. профессор анатомии и медицины Болонского университета Луиджи Гальвани (1737-1798) обнаружил факт, который спустя пять лет в "Трактате о силах электричества при мышечном движении" описал в следующих словах: "Если держать висящую лягушку па льнами за одну лапку так, чтобы крючок (медный), проходящий через спинной мозг, касался бы какой-нибудь серебряной пластинки, а другая лапка свободно могла касаться той же пластинки, то как только эта лапка касается указанной пластинки, мышцы начинают немедленно сокращаться" (подчеркнуто мною.-В. Д.).

О значении своего открытия Гальвани и не подозревал. Он истолковал открытое явление как физиолог, выдвинув гипотезу о существовании животного электричества: мышца является как бы батареей лейденских банок, которая возбуждается действием мозга, передающимся по нервам.

Открытие Гальвани, опубликованное в 1791 г., вызвало острый интерес естествоиспытателей. Напомним, что это было время, когда медицина возлагала на электричество особенно большие надежды, и всякий успех, связывавший электричество с физиологией, встречался с большим энтузиазмом. Открытие Гальвани упало на хорошо подготовленную почву. Его анализом занялся Алессандро Вольта, бывший в это время лучшим знатоком электричества.

Вольта родился в 1745 г. в г. Комо (Северная Италия), в обеспеченной семье, принадлежавшей к старинной миланской знати. Уже в школе юноша обнаруживает большие способности, соединенные с необычайным трудолюбием. Он увлекается модным в то время электричеством. Восемнадцатилетний Вольта уже ведет оживленную переписку с учеными, а в 24 года публикует первую самостоятельную научную работу. С 1774 г. Вольта преподает физику в гимназии родного города и продолжает неотступно заниматься электрическими исследованиями. Вольта изобретает электрофор, эвдиометр, электрический пистолет. Его известность быстро растет. Вольта устанавливает связи с известными естествоиспытателями своего времени. Он много путешествует по Франции, Германии, Англии, Голландии, знакомится с известными учеными. С 1779 г. Вольта - профессор физики в Павийском университете. Араго говорит о нем: "Смелый и быстрый ум, большие и верные мысли, мягкий и искренний характер - таковы были основные качества знаменитого профессора. Никогда честолюбие, жадность к деньгам, дух соперничества не повелевали его действиями. Единственная страсть, которую он испытывал, была любовь к исследованиям". "Никто не мог бы вывести его из размышлений, в которые он был погружен с такой силой, что всякая другая мысль казалась в нем угасшей", - пишет его биограф Монти. Громкая слава, достигшая апогея после изобретения "вольтова столба", мало трогала ученого. В 1819 г. он отказался от профессуры и последние годы прожил в родном городе, в кругу семьи. Вольта умер 5 марта 1827 г. В специальном музее г. Комо до сих пор хранятся предметы, относящиеся к научным трудам и жизни того, кто "был самым великим физиком, жившим в Италии после Галилея" (проф. Берцолари).

Вольта был искусным, целеустремленным экспериментатором и теоретиком с сильнейшей физической интуицией. Почти всю свою энергию он отдал изучению электричества. Терпеливость мысли он соединил с глубоким и свободным от предвзятых мнений анализом.

Согласно Вольта, существуют два электрических флюида. Всякое тело содержит их в равных количествах, и оно нейтрально. Электризация означает разъединение флюидов. И начиная с этого пункта Вольта вносит в теорию электричества важнейшее представление: при разъединении положительного и отрицательного электричества возникает напряжение. Напряжение есть следствие стремления электричества к воссоединению и нейтрализации.

Варьируя условия эксперимента, открывая новые и новые стороны явления, Вольта приходит к убеждению в ложности гипотезы о существовании животного электричества. В 1795 г. он обобщает свои исследования и формулирует фундаментальный вывод: "Животные органы в подобных опытах следует рассматривать как чисто пассивные, как простые электроскопы особого рода и, наоборот, активными являются проводники, приведенные ко взаимному соприкосновению, лишь бы они были различными. При этом они тем более активны и действительны, чем больше они отличаются друг от друга в известных отношениях" (подчеркнуто мною.- В. Д.).

Так был открыт ключевой факт. Далее открытия посыпались, как из рога изобилия. При соприкосновении двух разнородных проводников каждый из них оказывается заряженным, причем заряды всегда имеют противоположные знаки.

Вольта предлагает разделить все проводники на 2 класса: 1-й класс - "сухие" проводники - металлы, некоторые минералы, уголь; 2-й класс - "влажные" проводники. Металлические проводники можно расположить в ряд, где каждый последующий всегда заряжается отрицательно при контакте с предыдущим. Этот закон Вольта входит в число фундаментальных физических фактов.

Контакт металлов порождает электрическое напряжение. Оно мало, но Вольта имеет достаточно чувствительный измерительный прибор - электрометр с конденсатором. Прибор обнаруживает, что напряжение различно для разных пар контактирующих проводников. Вольта имеет возможность сравнительной оценки. Единиц измерения еще нет и данные - относительные: пара серебро - медь выбирается в качестве эталонной. Получаются следующие результаты:

Интуиция ведет Вольта к следующему закону. Измеряя напряжение при контакте серебряной и цинковой пластин, он находит число 12. Но его же дает сумма 1+2+3+1+5. Отсюда следует, что разность напряжений двух крайних членов ряда равна сумме напряжений всех промежуточных членов. Наконец, если ряд образует замкнутую цепь, то сумма напряжений равна нулю. "Существует некоторое определенное отношение между металлами... определяющее силу, с какой они гонят электричество..." - заключает Вольта.

"Гонят электричество" - с этого момента собственно и начинается представление о токе. Ток существует в замкнутой цепи проводников 1-го и 2-го рода и прекращается как только цепь оказывается разорванной. Вначале Вольта обнаруживает, что ток порождается только в том случае, когда в замкнутой цепи контактируют проводники 1-го и 2-го классов. Затем ему удается обнаружить, что ток порождается, если напряжение создается парой металлов.

Остроумный и доказательный эксперимент ставит Вольта в 1796 г. Четверо или больше человек, изолированных (для этого достаточно, чтобы они стояли на каменном полу, если он сух), приводятся в проводящее соединение так, что один пальцем касается кончика языка соседа, а тот своим пальцем - глазного яблока следующего. Двое других держат мокрыми руками один ноги, другой - позвоночник препарированной лягушки. Первый в ряду берет во влажную руку цинковую пластинку, последний - серебряную, и пластинки приводятся в соприкосновение. Тотчас же тот, которого касается своим пальцем держащий цинк, почувствует кислый вкус; тот, до чьего глаза касается палец соседа, заметит как бы свет; лягушка придет в содрогание.

Лягушка была первым прибором, регистрирующим ток. Но более удобным было, конечно, физиологическое ощущение. Этот "прибор" будет еще долго применяться физиками, пока не будет изучено магнитное действие тока и изобретен мультипликатор. Можно сказать, что понятие тока получило количественную определенность на кончике языка.

Какова же природа тока? Мудрый естествоиспытатель сразу же предупреждает, что рано ставить такой вопрос. "Не спрашивайте еще, как это происходит, - говорит Вольта. - Пока достаточно знать, что это происходит, что мы имеем дело с некоторым универсальным явлением" (подчеркнуто мною. - В. -Д.).

Пока ток - это движение электрических жидкостей - флюидов. Вольта лишь опровергает гипотезу животного электричества. Следующий шаг - история рождения первого источника постоянной ЭДС^*.

^*(Понятие "источник постоянного тока" - неточно. Из источника ЭДС в сущности ничего не вытекает, он лишь создает электрическое поле.)

Открытие первого источника постоянной ЭДС. Начало электрохимии. В 1800 г. Вольта послал президенту Лондонского Королевского общества письмо, в котором сообщил "о поразительных результатах исследования электричества, возбуждаемого простым взаимным соприкосновением разнородных металлов или иных различных проводников, жидких или содержащих влагу, которой они обязаны своею проводимостью.

Берут 20, 40, 60 или больше кружков меди (или лучше серебра), положенных каждый на кружок свинца (или лучше цинка), такое же количество кружков сукна, картона или кожи, пропитанных соленой водой или щелоком и помещенных соответственно между двумя металлическими кружками; к сочетанию этих проводников в таком неизменном порядке и сводится все устройство нового прибора...".

Далее Вольта сообщает об особенностях различных конструкций столба. Так было описано одно из замечательных открытий физики.

Речь шла о первом источнике постоянного электрического тока. Это было начало электродинамики. Вольта еще не знал, что его столб поляризуется, и ЭДС уменьшается с течением времени. Он наивно полагал, что открыл "бесконечную циркуляцию электрических истечений - род вечного движения". Он пишет, что этот снаряд обладает "бесконечным зарядом, постоянным импульсом".

Весть о "вольтовом столбе" быстро облетела мир, вызвав величайшую сенсацию. Наполеон I приглашает прославленного ученого в Париж для прочтения лекций. В честь Вольта выбивается медаль.

Значение нового источника электричества было быстро оценено и физиками и химиками. Устройство не представляло особых трудностей для изготовления; "столб" стал повсеместно работать, принося все новые и новые результаты.

Повторяя опыты Вольта, Карлейль и Никольсон в Англии обнаружили, что гальванический ток, проходя через воду, производит разложение последней на водород и кислород. Они брали небольшую стеклянную трубку с водой, закрывали ее с обоих концов пробками, в которые пропускали латунные проволоки (концы проволок находились на расстоянии 1 3/4 - дюйма) и присоединяли концы проволок к полюсам "столба". При прохождении тока через трубку на конце проволоки, соединенной с серебряным кружком "столба", появлялась тонкая струйка воздушных пузырьков; конец же проволоки, соединенный с цинковым кружком, покрывался темным налетом. Несложные исследования позволили установить, что вода разлагается на водород и кислород.

"Искусственный электрический орган" стал мощным инструментом исследования вещества. Так на грани XVIII и XIX вв. перебрасывается прочный мостик между физикой и химией, начинается взаимодействие, взаимообогащение наук.

Открытие химических действий электричества привлекает внимание выдающегося английского естествоиспытателя Гемфри Дэви (1778-1829).

Дэви родился в г. Пенза нее (Корнуэльс). После обучения в школе он принял решение посвятить себя медицине. Однако побеждает увлечение химией. Открытие физиологических свойств закиси азота приносит ему известность.

В 1801 г. граф Румфорд приглашает Дэви занять должность ассистента в Королевском институте в Лондоне. С этого момента начинаются его плодотворные исследования, прежде всего в области электрохимии. Успехи Дэви столь велики, что через год он становится профессором, затем членом Королевского общества, а с 1821 г. его президентом.

Еще повторяя опыты Никольсона и Карлейля, в 1800 г. Дэви собирает водород и кислород в отдельные сосуды и демонстрирует возможность точного определения их объемных отношений. Это был первый физико-химический анализ.

Дэви блестяще использует возможности нового генератора электричества. В 1808 г. он производит электролиз щелочей и выделяет новые элементы - натрий и калий, а затем металлы щелочных земель. За ним известный немецкий физико-химик Иоганн Риттер (1776-1810) производит электролиз медного купороса и выделяет медь. Так рождается электрохимия.

В 1813 г. Дэви пригласил в свою лабораторию в качестве ассистента Майкла Фарадея. Здесь будущий исследователь электричества делал своп первые шаги.

Открытие тепловых и световых действий тока. Электрическая дуга, телеграф. Улучшение конструкции "вольтова столба", увеличение числа "кружков" приводят к открытию новых действий гальванического электричества.

В 1802 г.. профессор Медико-хирургической академии в Петербурге Василий Владимирович Петров (1761-1834) построил "огромную наипаче батарею, состоявшую иногда из 4200 медных и цинковых кружков" и получил с ее помощью ряд выдающихся результатов.

Создание столь большой батареи, само по себе представлявшее сложную задачу, не было самоцелью русского ученого. Оно явилось средством для замечательных открытий, о которых, к сожалению, мир узнал только во второй половине XIX в.

В книге "Известие о Гальвани-Вольтовских опытах", вышедшей в 1803 г., Петров описывает открытие электрической дуги:

"Если на стеклянную плитку или скамеечку со стеклянными ножками будут положены два или три древесных угля, способные для произведения светоносных явлений посредством Гальвани Вольтовской жидкости, если потом металлическими изолированными направителями. сообщенными с обоими полюсами огромной батареи, приближать оные один к другому на расстояние от одной до трех линий, то является между ними весьма яркий белого цвета свет или пламя, от которого оные угли скорее или медлительнее загораются и от которого темный покой довольно ясно освещен быть может".

Эта первая вспышка электрической дуги осветила широкий путь практических применений электричества. Однако опыты Петрова остались неизвестными ученому миру. В 1812 г. Дэви открыл электрическую дугу как совершенно новое явление.

Еще со времен Ньютона были известны электрическая искра и электрическое свечение. Однако эти световые явления были кратковременными. В случае же гальванического электричества возникал длительный процесс, которым к тому же оказалось возможным управлять.

Поразительным оказалось тепловое действие гальванического тока. Заменив угольные электроды металлическими, Петров обнаружил, что в этом случае "...является больше или меньше яркое пламя, от которого сии металлы иногда мгновенно расплавляются, сгорают также с пламенем какого-нибудь цвета и превращаются в оксид".

С помощью электрической дуги Петров производит восстановление оксидов металлов, предвосхищая идею электрометаллургии. Далее он" проводит серию замечательных экспериментов по наблюдению электрического заряда в вакууме, начиная от тихого разряда и кончая искровым.

Таким образом, уже первые шаги в исследовании гальванического электричества обнаруживают его огромные потенциальные возможности в изучении разнообразных явлений природы. Однако в первые два десятилетия XIX в. внимание исследователей приковано в основном к химическим действиям гальванического электричества.

Открытие электролиза вскоре приводит к идее использовать гальванический ток для телеграфирования. Практически осуществляет эту идею немецкий естествоиспытатель С. Т. Земмеринг в 1809 г. Источник энергии соединялся кабелем длиной в 2 мили е приемником - электролитической ванночкой, имеющей 24 пластинки, - 24 изолированными проводами. Каждый провод соответствовал определенной букве алфавита; при замыкании на передающей станции цепи у соответствующей пластинки ванночки на приемной станции выделялись пузырьки газа.

Передача депеш проходила медленно, аппаратура была дорогой (кабелем служили провода, заключенные в стеклянную трубку), поэтому технического применения этот телеграф не получил.

Методические замечания. 1. Повторение описанных исторических опытов могло бы послужить предметом интересных работ в школьном физическом кружке. Для этого, в сущности, нужно иметь лишь десяток-два цинковых и медных пластинок любого размера, кусочки какой-либо ткани и слабый раствор кислоты.

Опыты Вольта нетрудно повторить со стандартным школьным оборудованием. Конечно, для опыта вовсе не нужна лягушка, а вместо серебряной пластинки можно взять медную. Важно акцентировать внимание на физиологическом ощущении тока.

Постановка вопроса, почему ток вызывает ощущение кислоты, будет активизировать учащихся, вызывать у них интерес. Для ответов на эти вопросы имеется база, подготовленная в VII классе.

Что касается опытов В. В. Петрова, то их повторить в школьных условиях невозможно. Эти опыты могут служить иллюстрацией прогресса техники. Электрическую дугу сейчас получает любой электросварщик. Дело только в более совершенном источнике ЭДС. Хотя разговор о дуговом разряде опережает программу, он не представит затруднений и будет полезной основой для более глубокого рассмотрения в следующем разделе.

2. До сих пор внимание акцентировалось на развитии физических представлений о зарядах и окружающем их силовом поле. По исторической традиции этот раздел называется электростатикой. В действительности все заряженные частицы находятся в движении, и устойчивое состояние покоя в системе заряженных частиц невозможно. Однако при теоретическом рассмотрении проблем электродинамики мы часто можем пренебречь эффектами, возникающими при относительном движении заряженных частиц, и рассматривать частицы как покоящиеся.

При обращении к истории вопроса возникает следующая методическая трудность. Появление представлений о токе неразрывно связано с рассмотрением первого источника постоянной ЭДС, а оно требует понятия контактной разности потенциалов. В существующей программе это понятие отсутствует. При изложении истории вопроса его придется ввести, не углубляясь в физическую суть дела. Проводя исторические опыты с постоянным током в школьном физическом кружке, необходимо подробнее рассказать о контактных явлениях.