|
Маріо Льоцци
гальванізм
Звістка про винахід електричної батареї стрімко поширилася, викликаючи такий інтерес, якого не викликало, мабуть, жодне відкриття з часів Ньютона. 17 листопада 1801 р Вольта з Парижа, куди його запросив Наполеон, щоб він повторив свої досліди у Французькому інституті, вражений і зраділий, писав братові: "Я сам ... дивуюся тому, що мої старі і нові відкриття так званого гальванизма, 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 деяку цінність: вони проливають, нове світло на теорію електрики; відкривають нові шляхи для хімічної ких досліджень за допомогою деяких приватних явищ, що викликаються цими моїми електро моторні 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 повні 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 дослідження стали проводитися відразу за трьома напрямками, взаємно перехрещуються і взаємообумовлених: вивчення природи цього нового явища, виготовлення все більш потужних батарей і навчення нових явищ.
Вже за часів полеміки між Вольтою 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 проявляється в вольтів контактних явищах, і тому запропонував назвати гальванізм весь комплекс явищ, пов'язаних з вольтовими контактними явищами. Цей неологізм сподобався, швидко поширився і був однією з причин, що продовжили полеміку щодо ідентичності електрики і гальванизма, тому що всім відомо, який чарівною силою володіє нове слово, що пішло до загального вжитку.
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 в тотожності цих явищ: в 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 флюїдам 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 сильніше і грізне", не здатна було виробляти.
До цих сумнівам Вассалло Еанді додавав ще не піддаватися в той час пояснення відмінність фізіологічних реакцій на розряди електростатичних машин і на ток від батареї: так, деякі тварини залишалися лише кілька приголомшеними розрядом лейденської банки або електростатичного машини, тоді як струм батареї вбивав їх.
На всі ці заперечення Вольта відповів статтею "Sull'identitd del fluldo elettrico col fluido galvanico" ( "Про ідентичності флюїду електричного і флюїду гальванічного"), прочитаної у Французькому інституті в присутності Наполеона (1801 г.). Вольта зазначає, що причини і 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 їхню думку, ці явища можна було б вважати тотожними лише тоді, коли за допомогою батареї були б отримані ті ж ефекти, що і при посередництві електростатичних машин, і такий же інтенсивності. З цією метою було здійснено численні дослідження, і таке стимулюючу дію потрібно вважати позитивною стороною полеміки.
З численних дослідів, зроблених з метою вирішити цю суперечку, згадаємо тут найбільш важливі. У 1801 р Волластоном вдалося розкласти воду за допомогою електричних розрядів, подібно до того, як це вже раніше робилося за допомогою батареї. У 1804 р Б. можон (1784-1849), професора хімії в Генуї, і незалежно від нього К. Л. Мороццо (1744-1804) в Турині вдалося намагнітити сталеву голку за допомогою струму від батареї, подібно до того як Беккариа і інші намагнічували голки розрядами електростатичних машин або лейденськоїбанки. 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 горіла, якщо її поміщали в резервуар з чистим киснем, як в знаменитому досвіді Лавуазьє. Християн Пфафф (1773-1852) зауважив 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 електрометром Боненберга і складається з двох однакових батарей, з'єднаних протилежними полюсами з двома металевими пластинками, поміщеними під скляним ковпаком , між якими підвішений тонкий золотий листочок. У 1811 р Жан Андре Делюк (1727 - 1817) замінив дві батареї однієї, і, нарешті, в 1850 р Вільгельм Ханкеля (1814-1899) надав цьому інструменту його нинішній вигляд.
Саме теорії гальванічного флюїду, відмінного від електричного, а зовсім не пам'яті Гальвані, як пишуть деякі історики, зобов'язані своїм існуванням введені в вживання в перші роки XIX століття і дійшли до наших днів наукові терміни і ввійшли в жива мова слова, утворені від імені Гальвані, наприклад слово "гальванометр", введене С. Робертсоном (1763-1837) в 1801 р для позначення вимірювача інтенсивності гальванизма по його хімічному дії. Цей термін сподобався Амперу, і він з 1820 р став вдаватися до нього, але вже в нинішньому його значенні.
Суперечка про гальванізму був практично закінчений Фарадеєм в 1833 р, про що ми будемо говорити в подальшому.
ХІМІЧНЕ ДІЯ СТРУМУ
Одним з перших явищ, що спостерігалися Вольта в його батареї, особливо в її чашково варіанті, було розкладання солей і окислення металевих пластинок, зокрема цинку. Це явище було підтверджено на початку квітня 1800 р Луїджі Бруньятеллі (1761-1818) з Університету в Павії, першим з учених, кому Вольта показав свій новий прилад. Однак у своєму листі до Бенксу Вольта не згадує про ці явища, можливо тому, що збирався зайнятися їх більш грунтовним вивченням. Тому Ентоні Карлейль (1768-1840) і Вільям Ніколсон (1753-1815), яким Бенкс показав цей лист, перш ніж зачитати його (18 червня 1800 г.) в Королівському суспільстві, нічого не знали про ці досліди 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 в 1769 р Беккариа відновлював оксиди металів за допомогою електричних розрядів. Повторивши деякі досліди Прістлі, у якого не вистачило терпіння довести їх до кінця, Кавендіш, використавши іскровий розряд в 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).
Однак всі попередні експерименти не отримали належної оцінки через складність їх виконання і незначності отриманих ефектів. Застосування батареї значно спрощувало виконання цих дослідів, а отримувані при цьому ефекти були досить вражаючими. Тому звістка про досліди Карлейля і Нікольсон дало поштовх численним аналогічним дослідженням. У тому ж 1800 р Вільям 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 пощастило першому здійснити сріблення, оцинкування та обміднення електродів: "Я часто спостерігав, як з срібного провідника срібло спрямовувалося на платину або на золото і прекрасно срібло їх ... В інших аналогічних дослідах я спостерігав, як оцинковувати і покривалося міддю золото або 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 полюса батареї. Систематичні дослідження хімічних ефектів електричного струму провів Гемфрі Деві (1778-1829). Яскравий мову 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 за 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, відмічені історією хімії. Від Деві веде свій початок нова галузь 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, зачитаному в 1792 р під Флорентійської 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 п Ічина судом жаби в дослідах Гальвані треба шукати не в русі гальванічного або електричного флюїду, а в тепловому або хімічному дії за рахунок контакту різних металів. Проте безсумнівно, що роботи Фабброні надихнули як француза Нікола Готра (1753-1803), так і англійця Волластона, 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 занурені. Суперечка про природу електрорушійної сили вольтова стовпа тривав протягом усього століття; хімічна теорія, нарешті, взяла верх, але ж не можна заперечувати і "ефекту Вольти", т. е. наявності електричної напруги при простому контакті двох металів.
У 1799 рза 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 наприкінці 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 іншого вологими картонними кружками. Ріттер пояснив це явище тим, що стовпчик з гуртків як би поглинав флюїд, що виходить із 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 заряджається стовп. Теорія Вольти була підтверджена дослідами, проведеними Стефаном Маріаніні (1790-1866) в 1826 р, хоча Бруньятеллі ще в 1802 р зауважив, що на провіднику, з'єднаному з негативним полюсом, виділяються бульбашки водню. Звичайні шкільні досліди, за допомогою яких демонструється поляризація двох платинових електродів, були описані в 1824 р Антуаном Сезаром Беккерелем (1788-1878).
Вторинні стовпи практичного інтересу не представляли до тих пір, поки не був знайдений спосіб отримання електричних струмів від джерел, відмінних від 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, т. Е. Після появи динамо-машини, Камілл Фор (1840-1898) поліпшив його і надав йому той вид, який відомий і до цього дня.
Аж до відкриття електромагнітної індукції єдиними генераторами струму були батареї Вольта і (з 1823 г.) термоелектрична батарея. Найпростішим способом отримання все більш потужних батарей здавалося послідовне з'єднання все більшого числа 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, видавлювати і батареї виходили з ладу. Тому Вольта сподівався, що рано чи пізно вдасться створити батареї зовсім без рідини.
Це уявлення призводить до 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 році здійснив перші спроби створення батареї з сухих провідників. Після багатьох спроб Дзамбоні переконався в тому, що тіло, поміщене між металевими пластинками, має бути неодмінно вологим; досить було, однак, і того, щоб тіло володіло своєї природною вологістю. Тоді Дзамбоні прийшла щаслива думка замінити мідні і цинкові пластинки гуртками так званої "золотої" або "срібною" паперу, яку зараз застосовують для обгорток шоколадних цукерок (листочки паперу, покриті тонким шаром міді або олова). Природної вологості цього паперу досить, щоб забезпечити функціонування батареї, яка в невеликому обсязі може містити тисячі пар обкладок. Дзамбоні отримав таким чином "суху батарею", яка так і називалася стовпом Дзамбоні і зіграла велику роль в науці. Дзамбоні відразу побачив, що від цієї батареї не можна було очікувати "ні хімічних, ні фізіологічних ефектів, а тільки фізичних т. Е. Чистого електричної напруги".
Незабаром він замінив папір пастою із суміші вугільного пилу з водою, а потім, за порадою Вольта, перекисом марганцю. У 1831 р Дзамбоні застосував свою батарею в конструкції електричного годинника, один екземпляр 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, поляризується, хоча і дуже повільно.
В питання про механізм хімічного розкладання при проходженні електричного струму, який намагалися пояснити Монжа, Бертола і інші французькі вчені, незабаром вніс блискучий внесок Крістіан Гроттгус (1785-1822), двадцятирічний вчений. У 1805 він опублікував в 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", т. Е. На атоми водню і кисню, об'єднані в кожній частинці води. При проходженні струму відбувається відділення атомів і, може бути, внаслідок тертя між двома частинками водень набуває позитивний заряд, а кисень - негативний. В результаті ланцюжок молекул між полюсами розташовується в порядку, зазначеному на малюнку.
Атом "про" молекули "oh" притягується до позитивного полюса і віддає йому свій заряд, тоді як атом "h" завдяки процесу, якого Гроттгус не пояснює, об'єднується з киснем "про" наступної 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 поруч з негативним полюсом. Так за допомогою цих послідовних розкладів і з'єднань, згідно 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 ґрунт для іонних теорій.
Теплове ДІЯ СТРУМУ
Серед теплових ефектів, вироблених струмом батареї, найбільш наочним, без сумніву, була дуга між двома вугільними провідниками. Уже в 1802 р Кюртен зауважив, що в момент замикання ланцюга батареї за допомогою залізного провідника, що стикається з 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 слабким у порівнянні з ним".
Але воістину ефектне явище продемонстрував в 1810 р Деві за допомогою великої батареї, що складалася з 2000 року елементів і вибудуваної ним на кошти Королівського інституту. Крім різних дослідів по швидкому накалюванню 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 дюйма, включеними в ланцюг батареї. Після того як ланцюг була замкнута, проскочила найяскравіша іскра і шматки вугілля загострилися до краю більш ніж на половину своєї довжини, ".... коли ж обидва шматка вугілля стали видаляти один від одного, утворився безперервний розряд через розпечене повітря на відстані принаймні в чотири дюйми в вигляді надзвичайно яскравою широкої світловий дуги конічної форми, зверненої опуклістю вгору ".
Деві відразу ж перевірив, наскільки висока температура цієї дуги, яка плавила платину, "як ніби то був віск в полум'я свічки". Довжину дуги можна було збільшувати, поміщаючи її під ковпак пневматичної машини і розріджуючи повітря, і якщо розрідженість була досить сильною, вдавалося отримувати дугу дуже ефектного пурпурного кольору довжиною в шість або сім дюймів.
Ясно, що досвід Деві, для якого була потрібна потужна батарея, повторити було нелегко. Тому, коли десять років по тому, в 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 своєю ефектністю, то інші теплові явища здавалися досить заплутаними. Так, провівши за порадою Волластона досвід з двома платиновими дротами, 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 більш товста. Деві (1821 г.), нагріваючи лампою частина ланцюга, домагався зменшення температури іншій її частині, 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 зміцнювалося думку, що нагрівання провідників пов'язано опором, яке вони надають проходить через них струму, так що більшого опору відповідає більше виділення тепла. Ця думка була висловлена ще Кіннерслі з приводу тепла, що виділяється, розрядом лейденської банки. Грунтуючись на згаданих вище дослідах, Деві пішов далі, стверджуючи, що "... яка 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.
|