Електричний струм. Перші дослідження
Маріо Льоцці
гальванізму
Звістка про винахід
електричної батареї стрімко поширилася, викликаючи такий інтерес, якого
не викликало, мабуть, ні одне відкриття з часів Ньютона. 17 листопада 1801 Вольта
з Парижа, куди його запросив Наполеон, щоб він повторив свої досліди у Французькому
інституті, вражений і радий, писав братові: "Я сам ... дивуюся тому,
що мої старі і нові відкриття так званого гальванізму, які є лише
демонстрацією чистого і простого електрики, що виходить від контакту різних
металів, викликали стільки ентузіазму. Оцінюючи їх неупереджено, я сам теж бачу
в них все ж таки деяку цінність: вони проливають, нове світло на теорію електрики;
відкривають нові шляхи для хімічних досліджень за допомогою деяких окремих явищ,
викликаються цими моїми електромоторних апаратами, як-то: розкладання води, окислення
металів і т. п., а також знаходять застосування в медицині ... Вже більше року всі газети
Німеччини, Франції та Англії сповнені повідомленнями про це. У Парижі ж вони, можна сказати,
викликали фурор, тому що тут до них, як і до іншого, домішується крик моди ".
Однак це не було криком
моди. Численні виявлені явища були дійсно вражаючі. Наукові
вишукування стали проводитися відразу за трьома напрямками, взаємно перехрещуються
і взаємообумовлені: вивчення природи цього нового явища, виготовлення все більше
потужних батарей і научіння нових явищ.
Вже за часів полеміки
між Вольта і Гальвані виникало сумнів у тому, що в гальванічних дослідах з'являється
флюїд особливого роду. У 17У6 р. Грен висловив припущення, що це той же флюїд,
який виявляється в вольтів контактних явища, і тому запропонував назвати
гальванізму весь комплекс явищ, пов'язаних з вольтовими контактними явищами.
Цей неологізм сподобався, швидко розповсюдився і був однією з причин, продовжили
полеміку щодо ідентичності електрики і гальванізму, тому що всім
відомо, якою чарівною силою має нове слово, що пішли в загальне вживання.
З появою батареї
Вольти, після того як стали відомі одержувані з її допомогою ефекти, і особливо
хімічні, знову жваво розгорілася суперечка про те, чи можна ототожнити це нове явище,
пов'язане з дією батарей, з електричним флюїдом, які з'являтимуться в електростатичних
машинах. Особливо три факти посилювали сумнів у тотожності цих явищ: у
батареях присутність електрики зовсім не виявлялося або ж виявлялося дуже
слабо, значно слабкіше, ніж в електростатичних машинах (наприклад, електричний
удар, заряд електрометрії і т. п.); деякі тіла, які були провідниками флюїдів
від електростатичних машин, здавалися ізоляторами по відношенню до флюїдами від батареї;
уявлялося, далі, незрозумілим, яким чином флюїд від батареї, настільки слабкий
у своїх електричних проявах, виявлявся здатним виробляти хімічні ефекти:
розкладання деяких рідин і окислювання деяких металів, ефекти, які
електрику електростатичних машин, "набагато більш сильний та грізне",
не здатне було робити.
До цих сумнівам Вассаллі
Еанді додавав ще не піддаватися на той час пояснення відмінність фізіологічних
реакцій на розряди електростатичних машин і на струм від батареї: так, деякі
тварини залишалися лише кілька оглушеним розрядом лейденської банки або електростатичного
машини, тоді як струм батареї побив їх.
На всі ці заперечення
Вольта відповів статтею "Sull'identitd del fluldo elettrico col fluido
galvanico "(" Про ідентичності флюїда електричного і флюїда гальванічного "),
прочитаної у Французькому інституті в присутності Наполеона (1801 р.). Вольта відзначає,
що причини та ознаки тотожності обох флюїдів: "... настільки очевидні і
явні, що було б впертістю і просто непристойністю прагнути все ще заперечувати таку
тотожність або хоча б сумніватися в ній ".
Далі він показує,
що відмінності в характері дії цих двох флюїдів слід шукати в різному
"напрузі" електростатичних машин і батареї. Цю статтю Вольти ми
можемо розглядати сьогодні як кінець полеміки, але тоді вона все ще тривала,
тому що у вчених ще не склалося чіткого уявлення про "напрузі".
Але їх думку, ці явища можна було б вважати тотожними лише тоді, коли
за допомогою батареї були б отримані ті ж ефекти, що і за допомогою електростатичних
машин, і такої ж інтенсивності. З цією метою було зроблено численні дослідження,
і таке стимулюючу дію потрібно вважати позитивною стороною полеміки.
З численних дослідів,
вжиті з метою вирішити цю суперечку, згадаємо тут найбільш важливі. У
1801 Волластоном вдалося розкласти воду за допомогою електричних розрядів, подібно
тому, як це вже робилося раніше за допомогою батареї. У 1804 р. Б. Можону
(1784-1849), професора хімії в Генуї, і незалежно від нього К. Л. Мороццо
(1744-1804) в Турині вдалося намагнітити сталеву голку з допомогою струму від батареї,
подібно до того як Беккаріа та інші намагнічує голки розрядами електростатичних
машин або лейденської банки. Вільгельм Крюкшенк в 1800 р. отримав від батареї видимі
при світлі дня іскри, що викликали вибухи сумішей. У тому ж році Антуану Франсуа Фуркруа
(1755-1809) вдалося за допомогою батареї розжарити залізну спіраль, вона навіть згоряла,
якщо її поміщали в резервуар з чистим киснем, як в знаменитому досвіді Лавуазьє.
Християн Пфафф (1773-1852) помітив тяжіння, що діє на кований золотий листочок,
поміщений між двома провідниками, з'єднаними з полюсами батареї. Цей досвід
був з більшою точністю повторений Ріттер і в 1806 р. навів Томаса Беренса
(1775 -1813) на думку сконструювати свій електрометрії, званий тепер електрометрії
Боненберга і складається з двох однакових батарей, з'єднаних протилежними
полюсами з двома металевими пластинками, що поміщені під скляним ковпаком,
між якими підвішений тонкий золотий листочок. У 1811 р. Жан Андре Делюков
(1727 - 1817) замінив дві батареї однієї, і, нарешті, в 1850 р. Вільгельм Ханкель
(1814-1899) надав цьому інструменту його нинішній вигляд.
Саме теорії гальванічного
флюїда, відмінного від електричного, а зовсім не пам'яті Гальвані, як пишуть деякі
історики, зобов'язані своїм існуванням введені у вживання в перші роки
XIX століття і що дійшли до наших днів наукові терміни, що ввійшло в жива мова слова,
утворені від імені Гальвані, наприклад, слово "гальванометр", введене
С. Робертсоном (1763-1837) в 1801 р. для позначення вимірювача інтенсивності гальванізму
за його хімічним дії. Цей термін Ампер сподобався, і він з 1820 р. став
вдаватися до нього, але вже в нинішньому його значення.
Спір про гальванізму був
практично закінчений Фарадеєм в 1833 р., про що ми будемо говорити в подальшому.
ХІМІЧНЕ ДІЯ
СТРУМУ
Одним з перших явищ,
спостерігалися Вольта в його батареї, особливо в її чашкові варіанті, було розкладання
солей і окислення металевих платівок, зокрема цинку. Це явище було підтверджено
на початку квітня 1800 Луїджі Бруньятеллі (1761-1818) з Університету в Павії,
перший з учених, кому Вольта показав свій новий прилад. Однак у своєму листі до
Бенксі Вольта не згадує про ці явища, можливо тому, що збирався зайнятися
їх більш грунтовним вивченням. Тому Ентоні Карлейль (1768-1840) і Вільям Нікольсон
(1753-1815), яким Бенкс показав цей лист, перш ніж зачитати його (18 червня
1800 р.) в Королівському суспільстві, нічого не знали про ці дослідах Вольти, коли, зібравши
батарею, почали свої дослідження. Через кілька місяців ці англійські вчені
відкрили явище розкладання води. Вони придумали пристосування для збору окремо
водню і кисню, відоме і зараз. У дві закриті з одного боку трубки,
наповнені водою і перекинуті над посудиною, також наповненим водою, вони помістили
платинові кінці ланцюга.
Електрохімічні явища,
власне кажучи, не були новиною. Ще у 1769 р. Беккаріа відновлював оксиди
металів за допомогою електричних розрядів. Повторивши деякі досліди Прістлі, у якого
не вистачило терпіння довести їх до кінця, Кавендіш, використавши іскровий розряд у
повітрі, отримав азотистий ангідрид і азотний ангідрид. За допомогою побудованої в
Гаарлеме грандіозної електростатичного машини Ван Марум розклав цілий ряд речовин
(в 1785 р. і пізніше), а в 1790 р. Адріан Ван Трооствік (1752-1837), теж голландець,
успішно розклав воду, пропускаючи через неї численні іскри (не менше 600).
Проте всі попередні
експерименти не отримали належної оцінки з-за труднощі їх виконання і незначності
отриманих ефектів. Застосування батареї значно спрощувало виконання цих досліджень,
а що виходять при цьому ефекти були вельми вражаючими. Тому звістка про досліди
Карлейля і Нікольсон дало поштовх численним аналогічним дослідженням. У тому
ж 1800 Уїльям Генрі повідомив про те, що йому вдалося розкласти аміак; Вільгельм
Крюкшенк за кілька місяців до смерті встиг сконструювати свою "батарею-корито"
і помітити, що в розчинах солей металів, через які пропускається струм, метал
відкладається на тому провіднику, на якому при розкладанні кислотних розчинів звільняється
водень. Бруньятеллі вдалося першим здійснити Сріблення, цинкування і Обміднення
електродів: "Я часто спостерігав, як з срібного провідника срібло спрямовувалося
на платину або на золото і срібло прекрасно їх ... В інших аналогічних дослідах
я спостерігав, як оцінковивалось і покривалося міддю золото чи срібло при пропущенні
електричного струму, якщо в одному і тому ж посудині перебували провідники із золота
або срібла разом з цинком і міддю ".
Кілька років по тому
йому вдалося позолотити дві великі срібні медалі, зануривши кожну з них в насичений
розчин аміачного золота і підключивши їх до негативного полюсу батареї. Систематичні
дослідження хімічних ефектів електричного струму провів Гемфрі Деві
(1778-1829). Яскравий мова і точний відшліфований стиль його викладу зробили гальванічні
явища популярними. Деві довів, що вода безпосередньо не розкладається під дією
електричного струму, що викликає, однак, розкладання кислот і солей, розчинених
у воді. Після довгих і терплячих спроб в 1807 р. Деві вдалося розкласти з допомогою
струму їдкий калій, а трохи згодом і їдкий натр, отримавши два нових металу, названих
їм калієм і натрієм. Ця подія мала широкий резонанс і найважливіші наслідки,
зазначені історією хімії. Від Деві веде свій початок нова гілка науки - електрохімія,
яка протягом XIX століття поступово все більше віддаляється від фізики, щоб
в кінці століття, як ми це побачимо пізніше, знову зблизитися з нею.
Факт швидкого окислення
металів при контакті, який Оствальд розглядає як найважливіший факт наукової
електрохімії, був відкритий Джованні Фабброні (1752-1822) і сформульований ним в доповіді,
зачитаній в 1792 р. у Флорентійській Академії землеробства (Accademia dei
Georgofili), праці якої були видані, однак, лише в 1801 р. запізнення цієї публікації
ввело в оману італійських істориків, які приписують Фабброні перше формулювання
хімічної теорії дії електричної батареї, оскільки Фабброні вважав ще
до того, як з'явилася батарея, що причину судом жаби в дослідах Гальвані треба
шукати не в русі гальванічного або електричного флюїда, а в тепловому або
хімічному дії за рахунок контакту різних металів. Проте поза сумнівом,
що роботи Фабброні надихнули як француза Нікола Готра (1753-1803), так і англійця
Волластоном, які в 1801 р. майже одночасно, але незалежно один від одного сформулювали
хімічну теорію вольтова стовпа. Відповідно до цієї теорії, джерелом електрорушійної
сили є хімічна взаємодія металів з рідиною, в яку вони завантажені.
Суперечка про природу електрорушійної сили вольтова стовпа тривав протягом усього
століття; хімічна теорія, нарешті, взяла верх, але ж не можна заперечувати і "ефекту
Вольти ", тобто наявності електричної напруги при простому контакті двох
металів.
У 1799 р. за допомогою
дослідів, аналогічних дослідів Фабброні, Йоганн Ріттер (1776-1810) також прийшов до відкриття
основного явища електрохімії. Велике значення мають і його дослідження властивостей
вольтова стовпа. Ріттер зауважив, що якщо протягом деякого часу пропускати
струм через золоті провідники, занурені в трубку, наповнену водою, а потім відключити
провідники від полюсів батареї і з'єднати їх між собою, то процес хімічного
розкладання триватиме в трубці, але в зворотному напрямку - на кінці провідника,
де спочатку виділявся водень, тепер виділяється кисень і навпаки. Ефект цей
ставав ще більш наочним в досвіді зі стовпчиком, складеним з гуртків з
одного і того ж металу, відокремлених один від одного вологими картонними кружками.
Ріттер пояснив це явище тим, що стовпчик з гуртків як би поглинав флюїд, вихідний
з вольтової батареї, а потім повертав його зовнішньої ланцюга; тому Ерстед назвав
це пристосування Ріттера "вторинним стовпом".
Суть цього явища ясно
зрозумів лише Вольта. Спостерігаючи хімічні явища, що відбуваються у вторинному стовпі,
він прийшов до висновку, що це мінливий, а не заряджає стовп. Теорія Вольти була
підтверджена дослідженнями, проведеними Стефаном Маріаніні (1790-1866) в 1826 р., хоча
Бруньятеллі ще в 1802 р. зауважив, що на провіднику, з'єднаний з негативним
полюсом, виділяються бульбашки водню. Звичайні шкільні досліди, за допомогою яких
демонструється поляризація двох платинових електродів, були описані в 1824 р. Антуаном
Сезарів Беккерелем (1788-1878).
Вторинні стовпи практичного
інтересу не становили до тих пір, поки не був знайдений спосіб отримання електричних
струмів від кого іншого, ніж вольтова стовпа. Це пояснює факт їх настільки пізнього
удосконалення. Лише в 1859 р. Гастон Планте (1834-1879) запропонував свій добре
відомий тип свинцевого акумулятора, і тільки в 1881 р., тобто після появи
динамо-машини, Камілл Фор (1840-1898) поліпшив його і надав йому той вигляд, який
відомий і до цього дня.
Аж до відкриття електромагнітної
індукції єдиними генераторами струму були батареї Вольта і (з 1823 р.) термоелектрична
батарея. Найпростішим способом отримання все більш потужних батарей здавалося послідовне
з'єднання дедалі більшої кількості елементів. Але чашкові батареї були занадто громіздкими,
а батареї-стовпи не тільки незручні, але і ненадійні, тому що під вагою металевих
гуртків рідина, якою були просякнуті прокладочні гуртки, видавлювалися й батареї
виходили з ладу. Тому Вольта сподівався, що рано чи пізно вдасться створити
батареї зовсім без рідини.
Це подання призводить
в збентеження сучасних критиків, тому що в ньому неявно укладено заперечення принципу
збереження енергії, проголошеного лише через півстоліття після Вольта. Однак саме
цю мету мав на увазі Джузеппе Дзамбоні (1776-1846), коли в 1812 р. здійснив першу
спроби створення батареї із сухих провідників. Після багатьох спроб Дзамбоні переконався
в тому, що тіло, розміщене між металевими пластинками, має бути неодмінно
вологим; достатньо було, однак, і того, щоб тіло володіло своїй природній
вологістю. Тоді Дзамбоні прийшла щаслива думка замінити мідні та цинкові пластинки
гуртками так званої "золотої" або "срібною" паперу, яку
зараз застосовують для обгорток шоколадних цукерок (листочки паперу, покриті тонким
шаром міді або олова). Природною вологості цього паперу достатньо, щоб забезпечити
функціонування батареї, що в невеликому обсязі може містити тисячі пар
обкладок. Дзамбоні отримав таким чином "суху батарею", яка так
і називалася стовпом Дзамбоні і відіграла велику роль в науці. Дзамбоні відразу побачив,
що від цієї батареї не можна було очікувати "ні хімічних, ні фізіологічних
ефектів, а тільки фізичних тобто чистого електричної напруги ".
Незабаром він замінив папір
пастою з суміші вугільного пилу з водою, а потім, за порадою Вольта, перекисом марганцю.
У 1831 р. Дзамбоні застосував свою батарею в конструкції електричного годинника, один
примірник яких знаходиться в Інституті фізики Моденского університету. Цей годинник
йдуть майже безперервно е 1839, і за спостереженнями, що проводилися протягом майже
цілого століття, батарея Дзамбоні, поступово руйнуючись, крім того, полярізуется,
хоча і дуже повільно.
В питання про механізм
хімічного розкладання при проходженні електричного струму, який намагалися пояснити
Монжа, Бертола та інші французькі вчені, незабаром вніс блискучий внесок Крістіан
Гроттгус (1785-1822), двадцятирічний учений. У 1805 р. він опублікував у Римі, де
знаходився для проходження курсу наук, статтю, передруковану в наступному році одним
з найпоширеніших і авторитетних наукових журналів того часу - паризьким
"Annales de chimie".
Гроттгус уподібнює
вольтів стовп магніту і відповідно вводить терміни позитивний полюс і негативний
полюс для позначення двох кінців батареї. Він поширює цю аналогію також
на "елементарні молекули води", тобто на атоми водню і кисню,
об'єднані в кожній частці води. При проходженні струму відбувається відділення атомів
і, можливо, внаслідок тертя між двома частинками водень здобуває позитивний
заряд, а кисень - негативний. У результаті ланцюжок молекул між полюсами розташовується
в порядку, зазначеному на малюнку.
Атом "про" молекули
"oh" притягається до позитивного полюса і віддає йому свій заряд, тоді
як атом "h" завдяки процесу, якого Гроттгус не пояснює, об'єднується
з киснем "про" наступною молекули, чий водень "h" об'єднується
з киснем наступної молекули, і т. д. Подібний же процес відбувається і з атомами
водню тих молекул, які знаходяться поряд з негативним полюсом. Так за допомогою
цих послідовних розкладів і з'єднань, відповідно до Гроттгусу, пояснюється той
факт, що водень звільняється завжди на одному кінці, а кисень - на іншому.
Незважаючи на свою примітивність,
теорія Гроттгуса проіснувала понад півстоліття, з невеликими подальшими вдосконаленнями.
Вона являє собою одну з основних віх у розвитку наукової думки, тому що
вводить в науку поняття про те, що молекули, принаймні молекули деяких з'єднань,
складаються з двох протилежно заряджених частин; іншими словами, теорія Гроттгуса
підготувала грунт для іонних теорій.
ТЕПЛОВЕ ДІЯ СТРУМУ
Серед теплових ефектів,
вироблених струмом батареї, найбільш наочним, без сумніву, була дуга між двома
вугільними провідниками. Вже в 1802 р. Кюртен зауважив, що в момент замикання ланцюга
батареї за допомогою залізного провідника, що стикається зі шматком деревного вугілля,
з'являлися іскри настільки яскраві, що вони висвітлювали навколишні предмети. Кілька
років по тому Джон Чілдрен (1778-1852) виявив, що деякі шматочки вугілля, поміщені
в ланцюг, "поширювали таке яскраве світло, що навіть сяйво сонячного диска
здавалося слабкішим у порівнянні з ним ".
Але воістину ефектне
явище продемонстрував у 1810 р. Деві за допомогою великої батареї, що складалася з
2000 елементів і побудованої ним на кошти Королівського інституту. Крім різних
дослідів по швидкому розжарювання і розплавлення металів, якими він вражав публіку
на своїй першій лекції, проведеної після спорудження цієї колосальної батареї,
Деві також провів досвід з шматками вугілля довжиною з дюйм і товщиною в шосту частину дюйми,
включеними в ланцюг батареї. Після того як ланцюг була замкнена, проскочила найяскравіша
іскра і шматки вугілля загострилися до білого більш ніж на половину своєї довжини,
".... коли ж обидва шматка вугілля почав видаляти один від одного, утворився безперервний
розряд через розжарене повітря на відстані принаймні в чотири дюйми у вигляді
надзвичайно яскравою широкої світлової дуги конічної форми, зверненої опуклістю
вгору ".
Деві відразу ж перевірив,
наскільки висока температура цієї дуги, та плавиться платину, "наче
то був віск у полум'я свічки ". Довжину дуги можна було збільшувати, розміщуючи її
під ковпак пневматичної машини і розріджене повітря, і якщо розрідженість була досить
сильною, вдавалося отримувати дугу дуже ефектного пурпурного кольору довжиною у шість
чи сім дюймів.
Ясно, що досвід Деві,
для якого була потрібна потужна батарея, повторити було нелегко. Тому, коли
десять років по тому, у липні 1820 р., Де ла Ріву вдалося повторити цей досвід перед
Женевським Науковим Товариством, це здалося річчю настільки новою, що аж до
сьогоднішнього дня деякі історики приписують це відкриття женевського фізику.
Якщо досвід з дугою вражав
своєї ефектністю, то інші теплові явища здавалися дуже заплутаними. Так,
провівши за порадою Волластоном досвід з двома платиновими проволоками, Чілдрен
(1815 р.) виявив, що з двох платинових дротів однакової довжини, але різного
діаметру, підключених в ланцюг послідовно, розжарюється тільки більш тонка,
тоді як при паралельному включенні розжарюється тільки товща. Деві
(1821 р.), нагріваючи лампою частину ланцюга, домагався зменшення температури інший її
частини, а охолоджуючи її льодом, отримував збільшення температури іншій частині.
Аж до 1841 р. всі
спроби пояснити ці та багато інших дивні явища виявлялися неспроможними,
але все більш зміцнювалася думка, що нагрівання провідників пов'язано опором,
яке вони надають що проходить через них струму, так що більшого опору
відповідає більше виділення тепла. Ця думка була висловлена ще Кіннерслі по
приводу тепла, що виділяється, розрядом лейденської банки. Грунтуючись на згаданих
вище дослідах, Деві пішов далі, стверджуючи, що "... проводить здатність металів
змінюється зі зміною температури і зменшується в тому ж відношенні, в якому росте
температура ".
Цей закон зараз добре
відомий; набагато менш відомо, хто відкрив його.
Укладач к.т.н. Савельєва
Ф.
Список літератури
Для підготовки даної
роботи були використані матеріали з сайту http://www.portal-slovo.ru/
