История изучения электрического тока

Луиджи Гальвани (1737−1798) был по специальности биолог, но работал в лаборатории, где проводились опыты с электричеством. Гальвани наблюдал явление, которое было известно многим еще до него; оно заключалось в том, что если ножной нерв мертвой лягушки возбудить искрой от электрической машины, то начинала сокращаться вся лапка. Но однажды Гальвани заметил, что лапка пришла в движение, когда с нервом лапки соприкасался только стальной скальпель. Удивительнее всего было то, что между электрической машиной и скальпелем не было никакого контакта. Это поразительное открытие заставило Гальвани поставить ряд опытов для обнаружения при-чины электрического тока. Один из экспериментов был поставлен Гальвани с целью выяснить, вызывает ли такие же движения в лапке электричество молнии. Для этого Гальвани подвесил на латунных крючках несколько лягушачьих лапок в окне, закрытом железной решеткой. И он нашел, в противоположность своим ожиданиям, что сокращения лапок происходят в любое время, вне всякой зависимости от состояния погоды. Присутствие рядом электрической машины или другого источника электричества оказалось не нужным. Гальвани установил далее, что вместо железа и латуни можно использовать любые два разнородных металла, причем комбинация меди и цинка вызывала явление в наиболее отчетливом виде. Стекло, резина, смола, камень и сухое дерево вообще не давали никакого эффекта. Таким образом, возникновение тока все еще оставалось тайной. Где же появляется ток — только в тканях тела лягушки, только разнородных металлах или же в комбинации металлов и тканей? К сожалению, Гальвани пришел к заключению, что ток возникает исключительно в тканях тела лягушки. В результате его современникам понятие «животного электричества» стало казаться гораздо более реальным, чем электричества какого-либо другого происхождения.

Но вскоре другой итальянский ученый, Алессандро Вольта, дал иное объяснение этим опытам. Отвергая идею «животного» электричества, Вольта утверждал, что лягушка в опытах Гальвани «есть чувствительнейший электрометр», а источником электричества является контакт двух разнородных металлов.

Эти соображения и были положены Вольта в основу его теории «контактного электричества». Однако многочисленные эксперименты убедили Вольта в том, что простого контакта металлов недостаточно для получения сколько-нибудь заметного тока; выяснилось, что непрерывный электрический ток может возникнуть лишь в замкнутой цепи, составленной из различных проводников: металлов (которые он называл проводниками первого класса) и жидкостей (названных им проводниками второго класса).

Эта теория, разработанная А. Вольтой в 1794 году, позволила создать первый в мире источник электрического тока в виде так называемого Вольтова столба. Это устройство представляло собой простейшую батарею гальванических элементов с одной жидкостью: между парами цинковых и медных пластин (дисков) прокладывались суконные кружки, смоченные щелочью или кислотой. Вольта не удалось понять того факта, что электрический ток возникает в результате химических процессов между металлами и жидкостями.

н по-своему объяснял необходимость применения наряду с твердыми проводниками — металлами — жидких проводников. По его мнению, при соприкосновении двух различных металлов возникает «электровозбудительная» или «электродвижущая» сила, под действием которой электричество одного знака сосредоточивается на одном из металлов, а электричество противоположного знака — на другом.

Если составить столб из нескольких пар различных металлов, например цинка и серебра (без прокладок), то каждая цинковая пластина, заряженная электричеством одного знака, будет находиться в соприкосновении с двумя одинаковыми серебряными пластинами, заряженными электричеством противоположного знака, и их общее действие будет взаимно уничтожаться.

Для того чтобы действие отдельных пар суммировалось, необходимо обеспечить соприкосновение каждой цинковой пластины только с одной серебряной, т. е. исключить встречный металлический контакт. Это осуществляется с помощью проводников второго класса (влажных суконных кружков); такие кружки разделяют пары металлов и в то же время не препятствуют движению электричества.

Таким образом, Вольта, не поняв действительной причины возникновения тока, практически пришел к созданию гальванического элемента, действие которого основывалось именно на превращении химической энергии в электрическую. Создание первого источника электрического тока сыграло громадную роль как в развитии науки об электричестве и магнетизме, так и в расширении их практических приложений.

Первые же опыты с электрическим током не могли не привести к открытию некоторых присущих ему свойств. Поэтому рассматриваемый период в истории электричества характеризуем главным образом обнаружением и изучением различных действий электрического тока. Исследования электрического тока, производившиеся в большом масштабе в первые годы XIX в., привели к открытию химических, тепловых, световых и магнитных действий.

В 1800 г. вскоре после получения известия об изобретении вольтова столба члены Лондонского королевского общества Антони Карлейль и Вильям Никольсон произвели ряд опытов с вольтовым столбом, которые привели их к открытию нового явления: при прохождении тока через воду имело место выделение газовых пузырьков; исследовав выделявшиеся газы, они правильно установили, что это кислород и водород. Таким образом, впервые был осуществлен электролиз воды.

Вскоре после опубликования работ А. Карлейля и В. Никольсона (июль 1800 г.) появилась в немецком научном журнале «Annalen der Physik» статья немецкого физика Иоганна В. Риттера, также осуществившего разложение воды током. После открытия действия тока на воду ряд ученых заинтересовался вопросом о том, к каким результатам приведет пропускание тока через другие жидкости. В том же 1800 г. голландский химик Вильям Крейкшенк, пропуская ток через раствор поваренной соли, получил на отрицательном полюсе едкий натр, не подозревая, что здесь имела место вторичная реакция: поваренная соль разлагалась на Na и С1 причем натрий, жадно соединяясь с водой, образовывал едкий натр.

Указанные эксперименты положили начало исследованию химических действий гальванического тока, получивших впоследствии важное практическое применение.

Тепловые действия тока были обнаружены в накаливании тонких металлических проводников и воспламенении посредством искр легко воспламеняющихся веществ. Световые явления наблюдались в виде искр различной длины и яркости.

В 1802 г. итальянский физик Джованни Д. Романьози обнаружил, что электрический ток, протекающий по проводнику, вызывает отклонение свободно вращающейся магнитной стрелки, сходящейся вблизи этого проводника. Однако тогда, в первые годы изучения электрического тока, явление, открытое Романьози, имеющее, как впоследствии. выяснилось, громадное значение, не получило должной оценки. Только позднее, в 1820 г., когда наука об электричестве достигла более высокого уровня, магнитное действие тока, описанное датским физиком Гансом Христианом Эретедом (1777—1851 гг.), стало предметом глубокого и всестороннего изучения.

Среди многочисленных исследований явлений электрическое тока, произведенных в первые годы посте построения вольтову столба, наиболее выдающимися были труды первого русского электротехника, профессора физики Петербургской Медико-хирургической академии, академика Василия Владимировича Петрова (1761 — 1834 гг.), так как в них впервые была показана в доказана возможность практических применений электричества.

Будучи хорошо знакомым с опытами, производящимися с вольтовым столбом как в России, так и за границей, Петров пришел к правильному выводу о том, что наиболее полное и всестороннее изучение гальванических явлений возможно только при условии создания большой батареи, т. е. по современной терминологии — источника тока высокого напряжения. Поэтому он добивается перед руководством Медико-хирургической академии выделения средств для постройки «такой огромной величины батареи, чтобы оною можно было надежнее производить такие новые опыты», каких не производил никто из физиков.

В апреле 1802 г. батарея В. В. Петрова, состоявшая из 4200 медных в цинковых кружков или 2100 медно-цинковых элементов (Петров называл ее «огромная наипаче батарея»), была готова. Она располагалась в большом деревянном ящике, разделенном по длине на четыре отделения. Стенки ящика и разделяющих перегородок были покрыты сургучным лаком. Общая длина гальванической батареи Петрова составляла 12 м — это был крупнейший в мире источник электрического тока.

Кроме того, Петров наблюдал явление электрического разряда между концами слегка разведенных углей как в воздухе, так и в других газах и вакууме, получившее название электрической дуги. В. В. Петров не только описал открытое им явление, но и указал на возможность его использования для освещения или плавки металлов и тем самым впервые высказал мысль о практическом применении электрического тока. С этого момента и должно начинать историю электротехники как самостоятельной отрасли техники.