Один из основателей учения об электричестве

В течение многих столетий в плоть до последней четверти XVIII в. ученым были известны только явления статического электричества. Промышленный перевод XVIII в. дал мощный толчок развития различных отраслей науки в том числе науке об электричестве. В изучении электрических явлений были достигнуты определенные успехи, ими начинают все более интересоваться не только физики, но и естествоиспытатели, в особенности врачи, пытавшиеся (и не безуспешно!) применять электричество для лечебных целей.

Луиджи Гальвани (Luigi Galvani) – итальянский физик и физиолог. Родился в Болонье (Папская область) 9 сентября 1737 г. в семье ювелира Доменико и его четвертой жены Барбары. Семья не принадлежала к аристократии, но университетское образование сыну дала. Он окончил Болонский университет по специальности богословие, и только после защиты диссертации заинтересовался медициной (произошло это под влиянием его тестя — известного врача и профессора медицины Карло Галеацци). Несмотря на учёную степень, Гальвани круто изменил свою профессию и вновь окончил Болонский университет, но уже медицинское отделение. Магистерская работа Гальвани была посвящена строению человеческих костей. После её успешной защиты в 1762 г. Гальвани начал преподавать медицину. В 1785 году, после смерти своего тестя, Гальвани занял его место руководителя кафедры анатомии и гинекологии.

        Исследовал движение мышц лягушки и открыл в них кратковременные импульсы электрического тока ("животное электричество").

Позже А. Вольта доказал, что электрические токи в опытах Гальвани возникали вследствие соединения металлических проводников с тканями животного. Работая в университете, Гальвани одновременно занимался физиологией: ему принадлежат интересные труды, в которых он доказал, что строение птичьего уха практически не отличается от человеческого.

        Гальвани является одним из основоположников учения об электричестве. Его опыты положили начало электрофизиологии. Гальвани жил в эпоху, когда учёные пользовались большим уважением. В 1663 г. была построена первая электрическая машина, в 1746 г. профессор математики Питер Мушенброк изобрёл знаменитую лейденскую банку. Гальвани с 1771 г. начал исследовать действие на животных электрического тока. В 1790 г. он установил, что электрический разряд вызывает сокращение мышцы лапки лягушки. Рассказывают, что открытие Гальвани — целая цепь случайностей: заболевшей жене Гальвани прописали целительный бульон из лягушачьих лапок, Гальвани сам готовил этот бульон, чистил только что пойманную лягушку и однажды прикоснулся скальпелем к ее обнаженному нерву…

Гальвани наблюдал явление, которое было известно многим ещё до него; оно заключалось в том, что если ножной нерв мертвой лягушки возбудить искрой от электростатической машины, то начинала сокращаться вся лапка. Но однажды Гальвани заметил, что лапка пришла в движение, когда с нервом лапки соприкасался стальной скальпель. Удивительнее всего было то, что между электростатической машиной и скальпелем не было никакого контакта.

Это поразительное открытие заставило Гальвани поставить ряд опытов для обнаружения причины этого явления. Гальвани обратил внимание на то, что мышца сокращается при одновременном прикосновении к ней двух разных металлов. Сокращения становятся более сильными и длительными, если проводник состоит из двух разнородных металлов, например, железа и меди или серебра. И Гальвани сделал вывод, что сокращения мышц лягушки обусловлены возникновением в них электрического тока. Однако причину этого Гальвани видел в наличии в каждом животном так называемого собственного животного электричества и разработал его теорию, согласно которой мышцы и нервы образуют что-то подобное «обкладке» лейденской банки, а металлический проводник служит разрядником, вызывающим разряд. Ошибку Гальвани вскоре исправил А. Вольта, доказавший, что электрические токи в опытах Гальвани возникали вследствие соединения металлических проводников с животными тканями.

      Эти опыты способствовали изобретению нового источника тока — гальванического элемента. В 1791 Гальвани опубликовал "Трактат о силах электричества при мышечном движении". Новыми опытами (опубликованы в 1797 г.) Гальвани доказал, что мышца лягушки сокращается и без прикосновения к ней металла — в результате непосредственного её соединения с нервом. Исследования Гальвани имели значение для медицинской практики и разработки методов физиологического эксперимента.

Такой же эффект он обнаружил и при действии на нерв лягушки атмосферного электричества. В это же время он высказывает гипотезу о существовании животного электричества, изобретает, не заметив этого, гальванический элемент.

Попытка объяснить данное явление Гальвани не совсем удалась: теоретическая основа, которую он подводил, оказалась неверной, но выяснилось это значительно позже. Результаты опытов, полученные Гальвани, полтора века спустя заинтересовали его соотечественника и коллегу. Это был Алессандро Вольта.

Ещё в молодости заинтересовавшись изучением электрических явлений и познакомившись с работами Б. Франклина, Вольта установил в городе Комо первый громоотвод. Кроме этого, он отправил парижскому академику Ж.А. Нолле своё сочинение, в котором рассуждал о различных электрических явлениях. В итоге Вольта заинтересовался работами Гальвани.

Внимательно изучив результаты опытов с лягушкой, Алессандро Вольта отметил одну деталь, на которую не обратил внимания сам Гальвани: если к лягушке присоединяли провода из разнородных металлов, мышечные сокращения становились сильнее.

       Не удовлетворившись объяснениями, предложенными предшественником, Вольта сделал чрезвычайно смелое и неожиданное предположение: решил, что два металла, разделенные телом, в котором много воды, хорошо проводящей электрический ток (лягушка, без сомнений, может быть отнесена к таким телам), рождают свою собственную электрическую силу. Чтобы не быть голословным, физик провёл серию дополнительных опытов, подтвердивших его предположение.

В 1800 году, 20 марта, Алессандро Вольта написал президенту Лондонского Королевского Общества сэру Джозефу Бэнксу о своём изобретении - новом источнике электричества, получившем название "вольтов столб". Сам изобретатель не до конца понимал весь механизм работы своего детища и даже всерьёз полагал, что создал вполне рабочую модель вечного двигателя.

Кстати, Алессандро Вольта продемонстрировал всему научному сообществу замечательный пример исследовательской скромности: предложил называть своё изобретение "гальваническим элементом", в честь Луиджи Гальвани, чьи опыты навели его на мысль.

Работы Гальвани и Вольта заложили основу новой науки — электрофизиологии, а также открыли дорогу стремительному развитию физики и электротехники.

        Большие учёные серьёзно к открытию Гальвани не отнеслись, а кое-кто из биографов даже уверяет, что коллеги Гальвани в университете в Болонье нацепили ему на голову колпак с колокольчиками: высмеяли его и окрестили «танцмейстером лягушек».

          В 1797 г. Наполеон завоевал Северную Италию, и тихий профессор Гальвани, далёкий от политики, отказался принести присягу новому правительству Цизальпинской республики. Его отстранили от кафедры, которой он руководил 37 лет. В это же время умирают его основные помощники — любимая жена Лючия и младший брат.

Гальвани впал в меланхолию и 4 декабря 1798 года умер в Болонье. Вновь в профессорский состав Гальвани был введён уже посмертно в качестве почётного профессора (1798).

В физиологии гальванизмом называют сокращение мышц под воздействием электрического тока. Также от фамилии Гальвани произошёл термин «гальванизация» - покрытие одного металла другим металлом путём электролиза. Альберта Сореля, который в 1837 году запатентовал этот метод, натолкнули на открытие опыты, описанные Гальвани. Сорель назвал явление в честь итальянского учёного.

Прошёл 121 год после опубликования статьи Гальвани, и в 1912 году было обнаружено, что внутри человеческого организма протекают очень небольшие электрические токи. Исследователи доказали, что любой процесс внутри человека — работа сердца и мозга, прохождение нервных сигналов, мышечные сокращения – сопровождается биологическими электрическими сигналами, имеющими для каждого органа характерную форму. Сравнивая форму сигналов определенного участка организма в здоровом и больном состоянии, легко установить причину заболевания.

     Имя Луиджи Гальвани навеки осталось в истории науки и в названии нового источника тока – гальванического элемента. И прибора гальванометра – измерителя малых электрических токов. Теперь Луиджи Гальвани совершенно справедливо считают отцом электрофизиологии.

       Нынче в Болонье можно увидеть бережно сохранённый дом Гальвани и поклониться памятнику на площади его имени перед дворцом, где некогда находился университет.

До последнего времени началом эпохи электричества было принято считать 1786 год, когда Луиджи Гальвани произвёл свои знаменитые опыты. Некоторые археологические открытия заставляют, однако, усомниться в этом. Во время раскопок у берегов Тигра в развалинах античного города Селевкия археологи обнаружили небольшие глазурованные глиняные сосуды высотой 15 сантиметров. В них находились железные стержни и запаянные медные цилиндры, судя по внешнему виду, разъеденные кислотой. Это – не первая подобная находка. Было высказано предположение, что эти непонятные сосуды являются своего рода гальваническими элементами.

Когда после тщательного исследования попытались восстановить эти элементы, т.е. залили электролит, они дали ток. Каждый такой элемент давал 0,5-0,6 вольта. Сообщение об этом обошло мировую печать.

         Не кроется ли здесь разгадка искусства шумерских ювелиров, умевших покрывать серебряные изделия тончайшим слоем золота? Но тогда следует допустить, что уже на самой заре человеческой культуры были известны электричество и гальваностегия. Во всяком случае иного объяснения этого высокого искусства древних шумеров нет.

Рассказывают, что …

•  Как же выглядели первые "батарейки"? Собственно, устройство своего изобретения А. Вольта весьма и весьма подробно описал в своём письме сэру Джозефу Бэнксу. Первый же его опыт выглядел следующим образом: Вольта опустил в банку с кислотой медную и цинковую пластинки, а затем соединил их проволокой. После этого цинковая пластина начала растворяться, а на медной стали выделяться пузырьки газа. "Вольтов столб" - это, можно сказать, стопка из соединённых между собой пластинок цинка, меди и сукна, пропитанных кислотой и сложенных друг на друга в определённом порядке.
  

• В современных "пальчиковых" и прочих батарейках "начинка" несколько сложнее. В корпусе батарейки упакованы химические реагенты, при взаимодействии которых и выделяется энергия, а также два электрода - анод и катод. Реагенты эти разделены специальной прокладкой, которая не позволяет твердым частям реагентов перемешиваться, но при этом пропускает к ним жидкий электролит.

    Жидкий электролит реагирует с твёрдым реагентом, в результате чего возникает заряд. На реагенте анода он отрицательный, а на катодном - положительный. Чтобы не произошло нейтрализации зарядов твёрдые части реагента разделены мембраной.

Чтобы можно было "снять" полученный заряд и передать его на контакты, в анодный реагент вставлен токосниматель, который выглядит очень просто - тоненький не очень длинный штырёк. Есть в батарейке и катодный токосниматель, который располагается под оболочкой батарейки. Саму оболочку называют внешней гильзой.

       Оба токоснимателя соприкасаются внутри батарейки с анодом и катодом. Схема работы батарейки в результате такова: химическая реакция, разделение зарядов на реактивах, переход зарядов на токосниматели, далее - на электроды и в питаемое устройство.

•  Существует целых три классификации батареек. Первая - по типоразмеру гальванического элемента. В быту мы чаще всего пользуемся батарейками "пальчиковыми" или "мизинчиковыми", но помимо этого есть ещё средняя и большая батарейки цилиндрической формы, а также два типа батареек, форма которых - параллелепипед: "крона" и просто квадратная. Это - перечень самых распространённых разновидностей формы.
  

Отличаются автономные источники питания и по типу электролита. Самые дешёвые батарейки, как правило, "солевые" - угольно-цинковые, этот электролит сухой. Ещё один вариант сухого электролита - хлорид цинка. Такие батарейки тоже достаточно дёшевы и широко распространены.

Следующий вариант электролита - щелочной. На этих батарейках написано Alkaline, а внутри - щёлочно-марганцевый, марганцево-цинковый электролит. Их основной недостаток - высокое содержание ртути.

       Батарейки с ртутным электролитом на сегодняшний день практически не производятся. Серебряный электролит показывает хорошие эксплуатационные свойства, однако производство таких батареек стоит очень больших денег.

      Воздушно-цинковый электролит - самый безопасный для человека и окружающей среды. Стоят они недорого, хранятся долго. Вот только толщина батарейки в 1,5 раза больше обычной щелочной/серебряной. Кроме того, чтобы исключить саморазряд во время её хранения, требуется заклеивать батарейку. Литиевые батареи - довольно дороги, однако их эксплуатационные характеристики значительно превышают показатели прочих батареек.

      Ещё один способ поделить батарейки на группы - определить тип химической реакции, который в них происходит. Первичная реакция происходит в гальванических элементах - в самых обыкновенных батарейках. Вторичной зарядке они не поддаются, в отличие от аккумуляторных батарей, в которых происходит вторичная химическая реакция.

•  Батарейки нежелательно применять при крайних температурах - сильно охлаждать или нагревать. Это может привести к весьма неприятным последствиям. Если вам пришлось использовать батарейки в холоде, например, зимой на улице, рекомендуется не менее получаса выдержать их в комнатной температуре.
  

      Случается, что батарейки, особенно щелочные, текут. Такое происходит когда нарушается герметичность корпуса батарейки. Использовать эти батарейки ни в коем случае нельзя - это может привести к повреждениям электроприборов.

• В 1773 г. появился мемуар Джона Уолша (?-1795), в котором доказывается электрическая природа известного свойства рыбы, называемой с тех пор электрическим скатом. Вильгельм Гравезанд и Мушенбрек, не удовлетворенные существовавшим ранее механическим объяснением действия этой рыбы, также выдвигали предположение о его электрической природе, но не подтвердили его никакими опытами. Некоторые опыты в этом направлении проделал Байен (1745-1798), но они прошли незамеченными. Таким образом, мемуар Уолша воспринимался как открытие и произвел сильное впечатление. В нём экспериментально показано, что явление удара от электрического ската можно воспроизвести с помощью искусственного электричества.
  

        За мемуаром Уолша последовало много других работ, посвященных физическому и анатомическому исследованию электрического ската; среди них выделяется мемуар Кавендиша (1776 г.), в котором помимо некоторых данных по интересовавшему его вопросу об измерении электрического сопротивления описан «искусственный электрический скат», где электричество поставляется батареей лейденских банок. Это забавное приспособление было погружено в подсоленную воду той же степени солености, что и море. При этом наблюдались те же эффекты, что и при действии ската.

• Русский учёный немецкого происхождения Борис Якоби в 1838 году первым экспериментально осуществил процесс гальванопластики. Полученный результат был выше всех ожиданий. Передовой для того времени опыт пригодился в оформлении барельефной группы фронтона Исаакиевского собора в Санкт-Петербурге. Однако, технология получила свое название по имени Луиджи Гальвани.

Гальваника представляет собой электрохимический процесс с участием электролита, электрического тока и основы. У зарубежных производителей значков в качестве синонима часто используется термин «электроплейтинг» («electroplating»). Атомы металла оседают на основу, образуя на ней равномерный, тонкий слой. Так образуется гальваническое покрытие.