Луиджи Гальвани

На фоне этого океана необоснованных гипотез, путаных идей, ошибочных аналогий, смутных предчувствий начались исследования Луиджи Гальвани, родившегося в Болонье 9 сентября 1737 году, и умершего там же 4 декабря 1798 года.

Занимаясь физиологией и медициной, он, как и многие его современники, интересовался ролью электричества в процессах, происходящих в живом организме. Проводя исследования в этом направлении, он открыл так называемое гальваническое электричество. Гальвани помещал лягушку на железную пластинку; касаясь медной проволокой, пропущенной через спинной мозг лягушки, этой пластинки, он наблюдал судорожные сокращения мышц. К объяснению открытого явления Гальвани подошел прежде всего как врач. Он считал, что открыл «животное» электричество, вырабатываемое организмом лягушки и являющееся одновременно «нервным флюидом». При замыкании нерва и мускула лягушки проводником образуется замкнутая цепь, «животное» электричество свободно протекает по этой цепи и вызывает сокращение мышцы, играющих роль регистратора. Позже, в работе 1795 году, опубликованной в 1797 году и написанной в виде письма Спаланцани, Гальвани изложил более полно теорию животного электричества: это электричество накапливается в неравновесном состоянии в мышечных тканях; через нерв, соприкасающийся с мышцей, оно переходит в металлическую дугу, а через нее вновь возвращается в мышцу. Иными словами, мышцы и нервы, согласно Гальвани, образуют как бы две обкладки лейденской банки.

Открытие Гальвани и его теория «животного» электричества, опубликованная в 1791 года, вызвали большой интерес. Некоторые ученые повторили опыты Гальвани. Среди них был и итальянский физик Алессандро Вольта, который не только подтвердил результаты опытов Гальвани, но и сделал новый шаг в изучении открытого явления. После долгого молчания, в котором я и не пытаюсь оправдываться, имею удовольствие сообщить Вам, Синьор, а через Ваше посредство и Королевскому обществу о некоторых поразительных результатах, полученных мною... Главный из этих результатов, содержащий в себе почти все остальные, это создание прибора, который по своим действиям, то есть по сотрясению, испытываемому рукой и т. п., сходен с лейденской банкой или, еще лучше, со слабо заряженной электрической батареей, но который, однако, действует непрерывно, то есть его заряд после каждого разряда восстанавливается сам собой; одним словом, этот прибор создает неуничтожаемый заряд, дает непрерывный импульс электрическому флюиду ".

Так начинается письмо Вольта, из которого мир узнал об изобретении нового прибора, названного автором «искусственный электрический орган» по аналогии с естественным электрическим органом у электрического ската, но потом переименованный им в «электродвижущий аппарат» или «колонну», что диктовалось его формой. Позже французы стали называть этот прибор «гальваническим столбом» или «вольтовым столбом», исходя из формы первых образцов. Вольтов столб состоял из нескольких десятков наложенных друг на друга круглых пластинок из серебра и цинка или меди и олова, между которыми были проложены картонные прокладки, пропитанные соленой водой. Вольта установил, что при замыкании крайних пластинок возникает электрическая искра, а при прикосновении к прибору ощущаются удар и покалывание. В отличие от лейденской банки действие столба непрерывно. Вольта так объяснял действие гальванической батареи. Между каждой парой пластин из цинка и серебра возникает разность потенциалов. Эти пары соединены проводниками второго рода, между которыми в металлами такой разности потенциалов нет, поэтому напряжения от каждой пары металлов суммируются: в результате на концах батареи имеет место значительное напряжение. Это напряжение непрерывно поддерживается, и по замкнутой цепи протекает электрический ток. электрического тока и его действия

Открытие гальванического элемента было важным этапом в развитии физики. С этого времени начинают изучать электрический ток и его действия.

Первые исследования были посвящены изучению химического действия тока. При этом была установлена тесная связь электрических и химических явлений.

В 1800 году англичане Никольсон и Карлейль разложили воду с помощью электрического тока на водород и кислород, а в 1807 году английский химик Хемфри Дэви (1778—1829), разлагая электрическим током едкие щелочи, открыл новые элементы — калий и натрий, а в следующем году — кальций.

В первые два десятилетия XIX века были получены результаты и в изучении теплового и светового действий тока, а также первые результаты в установлении законов постоянного тока.

Исследовать магнитное действие электрического тока начинают после открытия датским ученым Хансом Кристианом Эрстедом (1777-1851) действия электрического тока на магнитную стрелку.

Новый важный результат в области электромагнетизма был получен в 1820 году французом Андре Мари Ампером (1775—1836).

К этому времени Ампер был уже известным ученым, имел ряд трудов по математике, физике и химии. Ампер чрезвычайно заинтересовался открытием Эрстеда. Прежде всего, оно натолкнуло его на мысль о возможности сведения магнитных явлений к электрическим и исключении представления о специальной магнитной жидкости. Вскоре Ампер уже докладывал о своих новых гипотезах и говорил об опытах, которые должны их подтвердить.

В заключение обзора работ Ампера следует отметить, что он ввел понятие «сила тока». Амперу также принадлежит идея создания прибора для измерения силы тока (амперметра). Наконец, следует указать, что Ампер высказал идею электромагнитного телеграфа, которая затем была реализована на практике.

Важным достижением электродинамики первой половины XIX в. было установление законов цепи постоянного тока. В середине 20-х годов исследованием цепи постоянного электрического тока занялся немецкий физик Георг Симон Ом (1787—1854).

Прежде всего, Ом экспериментально установил, что величина электрического тока зависит от длины проводников, их сечения и от числа гальванических элементов, включенных в цепь.

Густав Роберт Кирхгоф (1824–1887) в работах, относящихся к 1845—1848 годам., уточнил понятие «электроскопической силы». Он установил тождественность понятия этой величины и понятия потенциала в электростатике. Кирхгоф также установил общеизвестные правила для электрических цепей.

Спустя более чем 15 лет после открытия закона Ома был установлен закон, определяющий количество теплоты, выделяемой электрическим током в цепи; он был установлен экспериментально в 1843 англичанином Джеймсом Прескотом Джоулем (1818-1889) и независимо от него петербургским академиком Э. X. Ленцем (1844). В настоящее время его называют законом Джоуля — Ленца.

Опыт Арго сумел объяснить только Майкл Фарадей (1791-1867), открывший явление электромагнитной индукции. Фарадею принадлежит много открытий в области электричества и магнетизма. У Фарадея возникла мысль, что если электрический ток способен вызывать магнитные действия, то и магнетизм должен вызывать электрические явления. В 1823 г. он записывает в своем дневнике эту мысль: «Обратить магнетизм в электричество»; в течение восьми лет он настойчиво работал над поставленной задачей и в 1831 г. решил ее. Впервые явление электромагнитной индукции Фарадей наблюдал на следующем опыте:

«Двести три фута медной проволоки в одном куске были намотаны на большой деревянный барабан; другие двести три фута такой же проволоки были положены в виде спирали между витками первой обмотки, причем металлический контакт был везде устранен посредством шнурка. Одна из этих спиралей была соединена с гальванометром, а другая - с хорошо заряженной батареей из ста пар пластин.... При замыкании контакта наблюдалось внезапное, но очень слабое действие на гальванометр, и подобнее же слабое действие имело место при размыкании контакта с батареей.»

Проводя дальнейшие экспериментальные исследования, Фарадей открыл, в частности, случай «образования электричества из магнетизма», когда в проволочной катушке возникал электрический ток в результате движения внутри нее магнита.

Новые соображения по поводу закона электромагнитной индукции были высказаны в 1845 году немецким ученым Густавом Теодором Фехнером (1801-1887), который объяснял явление электромагнитной индукции, исходя из представления о силах, действующих между движущимися зарядами.

Из закона Вебера можно вывести закон Ампера. Наконец, этот закон можно было использовать для количественной теории электромагнитной индукции, получив те же результаты, что и Нейман.

Таким образом, теория Вебера объединила основные известные тогда законы электрических и магнитных явлений. Она являлась в известном смысле вершиной в развитии электродинамики, основанной на принципе дальнодействия.

Первое практическое применение открытия в электродинамике нашли в технике связи. Идея Ампера о возможности построения телеграфа, высказанная им в 1820 году, впервые была воплощена в жизнь в 1829 году русским изобретателем Павлом Львовичем Шиллингом (1786-1837), в 1832 году — К.Ф. Гауссом и в 1833 году — В.Э. Вебером.

Через год Гаусс и Вебер построили электромагнитный телеграф другой конструкции, соединявший астрономическую обсерваторию и физическую лабораторию в Геттингене.

Американский физик Джозеф Генри (1797-1878) использовал для приема сигналов электромагнит, изобретенный 1825 году Уильямом Стёрдженом (1783-1850). Электромагнит при пропускании электрического тока притягивал специальный рычажок. Используя это устройство, Генри построил телеграф, который действовал на территории Принстонского университета.

Этим же принципом приема воспользовался Сэмюэл Финли Бриз Морзе (1791-1872), которому в 1832 году пришла удачная мысль создать телеграфный алфавит, состоящий всего из двух знаков.

Помимо телеграфа Морзе в первое время употреблялись и другие конструкции телеграфов. Например, в Европе в 40-х годах применялся так называемый стрелочный телеграф, изобретенный петербургским академиком Борисом Семеновичем Якоби (1801 — 1874), который впоследствии изобрел буквопечатающий аппарат.

В 1848 году Вебер построил электродинамометр — прибор для измерения силы тока, состоящий из двух катушек, соединенных последовательно, одна из которых помещалась внутри другой и могла вращаться относительно первой. При протекании тока внутренняя катушка поворачивалась и по углу поворота определялась сила тока. Электродинамометр применялся для измерения силы постоянного и переменного тока.

В первой половине XIX века разрабатывают методы измерения сопротивления. В начале 40-х годов были построены первые переменные реостаты с отсчетом (в произвольных единицах). Якоби предложил единицу сопротивления, изготовил эталон сопротивления и разослал его ряду ученых. Исследованиями в области измерения сопротивления много занимался английский физик Чарльз Уитстон. Как отмечалось в предыдущем разделе, он изобрел так называемый мостик Уитстона, ставший основным прибором для измерения сопротивлений.

Начало более широкому использованию электричества для освещения положило изобретение Павлом Николаевичем Яблочковым (1847—1894) оригинальной конструкции дуговой лампы (свечи Яблочкова), на которую он взял патент в 1876 г. Вместо обычного до этого времени расположения электродов в дуговой лампе, при котором расстояние между ними менялось по мере их сгорания, Яблочков расположил электроды параллельно, а между ними поместил изолирующую прокладку, которая сгорала вместе с ними. Конструкция оказалась удачной, и свеча Яблочкова получила распространение. «Русский свет» — так называли это изобретение — засиял на улицаx, площадях, в помещениях ряда городов Европы, Америки и даже Азии.

«... из Парижа, — писал Яблочков, — электрическое освещение распространялось по всему миру, дойдя до дворца шаха Персидского и до дворца Короля Камбоджи».

Впервые пригодную для практических целей электрическую лампу накаливания сконструировал русский изобретатель Александр Николаевич Лодыгин (1847—1923). В 1873 году он уже демонстрировал освещение лампами накаливания одной из улиц Петербурга. Лодыгин создал несколько конструкций ламп накаливания. Одна из ламп представляла собой стеклянный баллон, внутри которого в вакууме между двумя массивными медными стержнями помещался угольный стерженек.

Экспериментальное подтверждение теории Максвелла в опытах Герца произвело большое впечатление. Отныне теория Максвелла получила признание подавляющего большинства ученых.

Подлинным триумфом теории Максвелла было первое практическое приме-нение электромагнитных волн для связи. Уже вскоре после опубликования работ Герца была высказана идея о возможности использования открытых им электромагнитных волн для связи.

Эта идея впервые получила практическое осуществление в изобретении Александра Степановича Попова (1859—1905), который в продемонстрировал передачу и прием радиосигналов с помощью сконструированной им установки. В 1895 году Попов, используя это открытие, построил первый приемник радиосигналов. В следующем году Попов решил указанную задачу. Наряду с приемником он построил и передатчик электромагнитных волн. 12(24) марта 1896 года он демонстрировал первую передачу и прием радиосигналов на расстоянии до 250 м. Была передана и принята первая в мире радиограмма, состоявшая из двух слов: «Генрих Герц».

Вскоре Попов, усовершенствовал свое приемопередающее устройство. Летом 1897 года он провел опыты по передаче сигнала уже на расстояние до 5 км. В 1899 году была установлена радиосвязь на расстоянии примерно 50 км.

Они были получены молодым физиком Жаном Перреном (1870—1942), работавшим тогда с Липпманом в лаборатории Эколь нормаль в Париже. Перрен поместил внутри разрядной трубки перед катодом закрытый металлический цилиндр с небольшим отверстием против катода на расстоянии 10 см от него и соединил цилиндр с электроскопом. При работе трубки пучок катодных лучей проникал в цилиндр, причем цилиндр всегда оказывался заряженным отрицательно. Для проверки достаточно было отклонить магнитом катодные лучи так, чтобы они не проникали в цилиндр, и сразу электроскоп, присоединенный к цилиндру, оказывался незаряженным.

Отсюда можно было сделать вывод: катодные лучи — это отрицательные электрические заряды, так что их материальная природа представляется значительно более вероятной, чем волновая.

Это был 1895 год. В этот год родилась электроника.

Дата добавления: 2015-09-06