что такое животное электричество
«Животное электричество» Луиджи Гальвани
Удивительно, как в поисках источников электрического тока пересекаются судьбы исследователей. Один ученый случайно открыл «животное электричество», изучая анатомию лягушки, а другой нашел способ получать электрический ток с помощью химической реакции.
Луиджи Гальвани едва ли был физиком. Он последовал за своим отцом в медицину и, нарабатывая навыки хирурга, много занимался анатомией. И прежде чем начать работать с пациентами, тренировался на мертвых животных. Луиджи даже поработал на полной ставке анатома в Болонском университете.
После девяти лет академических исследований Гальвани совершил открытие, в котором есть немалая доля случайности. Он повесил пару лягушачьих лапок на проволочную сетку для просушки. Сетка была из железа, а крючки для подвеса из меди. Неожиданно свежие лягушачьи лапки начали подергиваться. По некоторым отчетам, ученый даже заметил искру!
Гальвани обнаружил, что может повторить этот эффект, пользуясь заряженной лейденской банкой, когда попытался стимулировать «живую» мускулатуру (по крайней мере недавно погибшего животного) электрическим разрядом. Этот эффект Гальвани назвал «животным электричеством».
Исследования Гальвани этого интересного явления (когда лягушачьи лапки дергались на сетке) нашли в физической науке необычайно широкий отклик. Впоследствии Луиджи воспроизвел ситуацию, возникшую в его лаборатории, взяв металлическую дугу из двух металлов — меди и железа — и прикоснувшись скруткой к обнаженному позвоночнику лягушки (именно там располагаются нервы, которые контролируют мышцы ноги) и к кончику лапки.
В своем опыте Гальвани создал электрическую цепь, по которой «животное электричество» прошло через мускулатуру лягушки, заставляя ее сокращаться. Но где рождалось это электричество? Гальвани предполагал, что он открыл некоторую форму «витальной силы», характерной для живых существ, однако 30 лет спустя другой ученый показал, как получить тот же эффект без животного.
Электрическая батарея
Металлическая дуга Гальвани вырабатывала ток только в контакте со свежим мясом, которое, как предполагал Гальвани, дает флюиды. Итальянец Алессандро Вольта заменил мясо деревянными опилками, размоченными в соленой воде. Он понял, что самым главным здесь являются два металла, которые реагируют друг с другом, за счет чего электрический заряд переходит из одного металла в другой.
Этот эффект Вольта попытался усилить, сделав в своей конструкции много биметаллических элементов, буквально входящих друг в друга. Его первый «вольтов столб» представлял собой серебряные монеты, переложенные цинковыми дисками и разделенные сырыми древесными опилками.
Соединение проводом верхней монеты с нижним диском приводило к тому, что по цепи тек электрический ток. Таким образом, «животное электричество» Гальвани оказалось тем же самым явлением, что и «тепловое электричество» Вольты (он сам так назвал свое открытие, поскольку столб разогревался), и, чтобы разобраться в этом, физикам придется открыть еще немало законов природы.
Батарейка
Современная батарейка работает по тем же самым принципам, что и «вольтов столб». Два вещества (катод и анод) подобраны так, чтобы химически взаимодействовать друг с другом. В процессе этого взаимодействия электроны переходят от анода к катоду. Устройство батарейки таково, что две взаимодействующие части не имеют контакта друг с другом, поэтому электроны между ними движутся через жидкость, называемую электролитом. Так создается электрический ток.
Франкенштейн
Племянник и последователь Гальвани, Джованни Альдини превратил опыты с животным электричеством в шоу «электрические пляски». Он ездил с турами по Европе, покупая тела недавно казненных и заставляя их трястись под действием электричества под шумные аплодисменты публики. Как говорят, автор романа «Франкенштейн, или Современный
Прометей» 18-летняя Мэри Шелли посвятила этот роман монстру, оживленному электричеством, под впечатлением жутких гальванических опытов Альдини.
История реле: гальванизм
Натурфилософы к тому времени уже знали о том, что животные могут производить электричество. Электрические скаты [научное название отряда лат. Torpediniformes происходит от слова torpere — «быть в оцепенении» — прим. перев.] и их возможность лишать чувствительности рыб и человека были известны с древних времён и описаны ещё Аристотелем. Но источник их энергии в течение тысячелетий был неизвестен. К XVIII веку некоторые электрики начали подозревать, что их воздействие было электрическим, когда они увидели тот же самый эффект оцепенения, оказываемый лейденской банкой. Серия экспериментов, проведённых в 1770-х годах, убедительно доказала, что скат шокировал живых существ электротоком.
Но эксперименты Гальвани привели к более основательным выводам: вся животная жизнь в каком-то смысле основана на электричестве. «Электричество было величайшей жизненной силой, благодаря которой определения понимания и веления воли передавались от органов мозга к покорным членам тела». Эта связь, установленная открытиями Гальвани, покорила всю Европу, и самым известным из результатов этого увлечения стал роман «Франкенштейн, или Современный Прометей» Мэри Шелли.
Но для наших целей наиболее важно то, что Гальвани открыл шесть лет спустя. Племянник Гальвани развешивал лягушек на металлических крюках, свисавших с балкона снаружи лаборатории его дяди, и обнаружил кое-что странное. Когда крюки прикасались к перилам, у лягушек начинались постоянные конвульсии, точно так же, как от стимуляции электрическими искрами. Старший Гальвани сначала отмёл эту аномалию, но затем обнаружил, что одновременным прикосновением в лягушкам различных металлов, к примеру, железа, меди или латуни, можно добиться ещё большего эффекта. Этот постоянный электрический поток, чья причина была пока ещё неясна, назвали гальванизмом.
Экспериментальный аппарат Гальвани
Гальвани считал, что обнаружил «животное электричество» – что металл соединял два отдельных резервуара электрической жидкости в мускулах и нервах, позволял ей течь и приводил к активности нервов. Его земляк Алессандро Вольта думал иначе. Вольта, профессор физики в Павийском университете недалеко от Милана, считал, что причиной течения электричества был металл, а не животное, и вознамерился доказать это.
Но пока что единственным инструментом, способным обнаружить это «слабое электричество» от контакта с металлом, были лягушки и человеческий язык. Чтобы доказать свою мысль, Вольту требовался датчик неживотного происхождения. Он обратился к недавно изобретённому Уильямом Николсоном, английским натурфилософом, «удвоителю». Поворачивая изолированные латунные диски, расположенные рядом, удвоитель мог превращать небольшой изначальный заряд в большой. Используя удвоитель, Вольта смог нарастить слабое электричество от металлического контакта до такого состояния, которое он смог обнаружить обычным электрометром, и опроверг гипотезу Гальвани. Что более интересно, он обнаружил, что после достаточного количества поворотов и сам удвоитель начинал генерировать поддающееся обнаружению количество электричества, даже без необходимости в начальном заряде.
Вскоре Вольта уже экспериментировал со стопками спаренных дисков из разных металлов. Его вдохновила другая работа Николсона, в которой описывалось препарирование электрического органа ската. Николсон нашёл в этом органе массу из столбиков, каждый из которых состоял из стопки небольших круговых слоёв. Николсон считал, что можно построить машину, симулирующую работу этого органа, возможно, при помощи слюдяных плёнок. Вольта согласился с принципом действия, но не с материалами. К 1799 году он остановился на стопках из цинковых дисков, спаренных с медными, и кусочках пропитанных морской водой кожи или картона, проложенных между дисками каждой пары. Это устройство могло генерировать значительный и постоянный электрический ток. Второй вариант схемы, названный им «короной из чаш», состоял из чашек с кислотой или солёной водой, соединённых пластинами, состоящими из двух разных металлов, спаянных вместе.
После того, как Вольта объявил о своём открытии в Королевском обществе в Лондоне в марте 1800 года, оно распространилось по Европе со скоростью пожара. Уже к маю устройство Вольта привело к важному открытию – разложению воды при помощи электричества – которое сделал не кто иной, как Николсон, работавший с хирургом Энтони Карлайлом. По-английски его стали называть «батареей», термином, уже вовсю использовавшимся для описания комбинации лейденских банок.
К этому времени Гальвани уже скончался. В 1797 году Наполеон реорганизовал северо-восточную Италию в Цизальпинскую республику, дочернее государство-сателлит Первой Французской республики. Вольта принял новый порядок вещей, получил Орден Почётного легиона, сделался графом и сенатором. Гальвани, отказавшись присягнуть на верность республиканскому правительству, был изгнан со своего поста в университете и умер в нищете годом позже. Но изучение гальванизма процветало и расширялось – с помощью батареи Вольта.
Электромагнетизм
Батарея позволила впервые тщательно изучить электричество в движении. Лейденские банки или другие статические устройства выдавали один мгновенный разряд. Но теперь исследователь мог настроить батарею, соединить её с любым экспериментальным устройством и спокойно изучать эффекты динамического электричества.
Вскоре исследователи применили новое устройство к исследованию связи электричества и магнетизма. С древних времён некоторые подозревали наличие глубокой связи между этими «оккультными» притягивающими силами, но между ними были и загадочные различия. К примеру, наэлектризованный янтарь притягивал любой лёгкий объект, а магнетит – только железо.
В XVII веке появились новые свидетельства, когда философы заметили отчёты о том, как молния намагнитила железные объекты (вроде крестов на колокольнях церквей) и обратила корабельные компасы. Бен Франклин показал, что лейденские банки могли намагнитить или обратить полярность магнита – и это было неудивительно, поскольку к тому моменту он и другие исследователи показали, что молния по своей натуре была электрической. Но доказательства не были однозначными. Какова же была реальная связь электричества и магнетизма? К концу XVIII века мнения разделялись. Некоторые считали, что видимая схожесть случайна, другие были уверены, что оба явления объясняла одна первопричина.
После открытий Гальвани и Вольты фиолософы начали изучать возможные взаимодействия гальванизма и магнита. Самые важные результаты появились в 1820 году, когда Ханс Кристиан Эрстед, профессор физики в Копенгагенском университете, во время лекции заметил, что гальванический ток отклоняет намагниченную стрелку. После последующих экспериментов он опубликовал свои открытия – ток, текущий с севера на юг над иголкой, отталкивает её конец к западу; текущий под ней – к востоку.
Когда Андре-Мари Ампер прочёл об этом открытии в Париже, он немедленно начал углубляться в этот вопрос. Ампер был профессором математики в Политехнической школе Парижа. Эта высшая школа инженеров, как и оптический телеграф, стала продуктом Французской революции, и должна была выпускать военных инженерах, с лёгкостью ориентировавшихся в передовой математике и физике. Эрстед увидел эффект явления, а Ампер искал его первопричину, применяя значительные навыки в математике и экспериментальной физике. Ему удалось устранить влияние магнитного поля Земли на эксперимент, склеив вместе две разнонаправленные намагниченные иголки. Он обнаружил, что такая двойная игла образует идеально прямой угол с проводом. Заинтересовавшись этим, он выдвинул теорию, что магнетизм вызывается крохотными замкнутыми электротоками, текущими под прямым углом к оси магнита, направленной с севера на юг.
За последовавшие десять лет такая модель прекрасно себя показала – другие учёные начали экспериментировать со спиральными катушками провода для симуляции этих круговых токов. Первым был его коллега Франсуа Араго, показавший, что при помощи такой катушки можно намагнитить иголку.
Через несколько лет Уильям Стёрджен улучшил результат Араго. Он пытался добиться ярких и наглядных проявлений электромагнитных сил при помощи небольшой батареи, чтобы ему легче было демонстрировать электромагнитные явления студентам и заинтересованной публике. Тогда даже для небольших магнитных эффектов, видимых только наблюдателям, стоящим неподалёку, требовалось получить огромное количество гальванической энергии при помощи огромных, дорогих и сложных в обслуживании батарей.
Стёрджен обнаружил, что если обернуть провод вокруг покрытого лаком железного стержня, и присоединить его к небольшой батарее, можно сделать мощный электромагнит, сохранявший магнитные свойства, пока по проводу тёк электрический ток. Магнит становился ещё сильнее, если согнуть стержень в виде подковы – тогда он мог поднять груз весом до 4 кг.
Джозеф Генри, учитель в Академии Олбани, штат Нью-Йорк, отслеживал работы европейских физиков по электричеству и магнетизму благодаря журналам, таким, как «Анналы философии», где Стёрджен опубликовал описание своего электромагнита.
Генри тоже пытался построить улучшенное экспериментальное оборудование для демонстраций в педагогических целях, но он считал, что может превзойти Стёрджена, доведя до совершенства модель замкнутых токов Ампера. Генри создал гибрид электромагнита Стёрджена и «умножителя» Джулиана Швайгера, использовавшего плотно намотанный провод в шёлковой изоляции для значительного усиления эффекта эксперимента Эрстеда.
Умножитель Швайгера, позже названный гальванометром
Использование изолированного шёлком провода позволило Генри плотно намотать провод вокруг железного сердечника, не рискуя получить замыкания, и лучше приблизиться к модели замкнутых токов Ампера, чем это удавалось плохо намотанной спирали Стёрджена. После такого усовершенствования он обнаружил, что может поднимать сотни, а потом и тысячи килограмм при помощи обычной батареи.
Возможность электричества генерировать магнетизм и притягивать металл – о чём давно подозревали, потом это доказал Эрстед и довели до совершенства его последователи – окажется чрезвычайно важным для последующих создателей электрического телеграфа.
Теория контуров
В этот период было уже не так сложно представить себе телеграф нового типа, использующий гальваническую батарею в качестве источника энергии и электромагнитный эффект в качестве детектора. Сам Ампер указывал на это ещё в 1820-м.
К 1824 году Питер Барлоу, прославленный профессор математики в Королевской военной академии близ Лондона решил изучить, может ли описанный Ампером телеграф работать на больших расстояниях. К своему разочарованию он обнаружил, что сила электромагнитного эффекта резко падала даже на таком небольшом расстоянии, как 60 метров, из-за чего он убедился, что электромагнитный телеграф не имеет практического применения. Благодаря репутации Барлоу этого было достаточно, чтобы остановить эксперименты с телеграфом в Англии более, чем на десятилетие.
Почему же некоторые эксперименты с электрическим телеграфом проваливались так сильно, как у Барлоу, а другие (как у Фрэнсиса Рональда) успешно работали с проводами длиною в километры? Учёным требовалась интеллектуальная платформа, модель для понимания электричества в движении, что позволило бы определить, какое устройство будет работать, а какое – нет.
И тут снова вступает Джозеф Генри. Экспериментируя в конце 1820-х с электромагнитами, он обнаружил, что в какой-то момент потеря силы тока из-за длины провода превосходила все попытки добавления новых витков вокруг сердечника. Это само по себе подтвердило выводы Барлоу.
Джозеф Генри
Но его эксперименты пошли дальше. Сначала он обнаружил, что разделяя длинный провод на несколько проводов, каждый из которых обмотан вокруг железного сердечника, а затем отдельно соединён с батареей – то, мы назвали бы параллельными контурами – он мог обойти ограничения и создавать чрезвычайно мощные электромагниты. Затем он вернулся к своему магниту с одним проводом и попробовал соединить его с другой батареей. Вместо одной ячейки из двух больших металлических пластин, погружённых в кислоту, он использовал деревянное корыто с 25 маленькими ячейками, соединёнными друг с другом последовательно. К своему удивлению он обнаружил, что такой вариант поднимал даже больший вес, будучи подсоединённым к проводу длиной в 300 м, чем магнит, непосредственно соединённый с батареей!
Интуитивно он догадался, что тут играли роль два разных свойства электричества, количество и интенсивность. Количественная батарея с одной большой ячейкой и количественным магнитом, обёрнутым несколькими проводами, выдавала большую механическую силу. Интенсивная батарея со множеством мелких ячеек вместе с интенсивным магнитом со спиралью из одного провода наоборот, прекрасно передавала электромагнитный эффект на большие расстояния. Генри прекрасно осознавал практические последствия его работы, отметив в своей работе, что она «напрямую применима к прожекту мистера Барлоу по созданию электромагнитного телеграфа».
На месте Генри было бы не очень вежливо просто заявить, что он опроверг Барлоу, но показал он именно это – он провёл демонстрацию в Академии Олбани, где сумел позвонить в звонок, передав электричество с интенсивной батареи по проводу длиной в два с половиной километра. Его модель объясняла также, почему телеграф Рональда работал на длинных дистанциях – его фрикционный электростатический генератор был по своей сути устройством высокой мощности.
И хотя он не узнал этого, пока не поехал в заграничный тур в 1837 году, интуитивная модель Генри уже была тщательно описана математически Георгом Омом, урождённым баварцем, в то время преподававшим физику и математику в Пруссии.
Ом, совместив тщательные эксперименты с математическим воображением, тщательно исследовал мощность различных контуров, измеряя её умножителем Швайгера (к тому времени его уже обычно называли гальванометром). Он заключил, что сила тока (Ströme – количество, как его называл Генри) в контуре зависит от его напряжения (Spannung – интенсивности в терминах Генри), делённого на его «уменьшенную длину» (то есть, приведённого к стандартному проводу).
Модель контура Ома была гораздо сложнее модели Генри, и была опубликована за 4 года до него, в 1827. Эта публикация, по сути, должна была сделать публикацию Генри бесполезной. Но работу Ома очень плохо приняли в Пруссии, поэтому широкую известность в научном мире она не получила до 1840-х. Более того, в отличие от Ома, Генри представлял свои находки в качестве решения проблемы длинных дистанций для телеграфа. Тогда не было очевидным, что это решение притаилось и в математике Ома. Поэтому анализ количества и интенсивности от Генри оказал решающий эффект на развитие телеграфа.
Последняя миля
Батарея и новый вид порождённого ею гальванического электричества преобразил работы над телеграфом. Это был новый источник электричества, более надёжный и простой, чем электростатические машины, и его можно было использовать на практике. Также она сильно облегчила эксперименты с электричеством, что позволило открыть электромагнетизм и лучше понять контуры.
Ранние телеграфные детекторы зависели от химических эффектов электричества или от его относительно слабой силы притяжения – поднять оно могло разве что кусочек бумаги. Электромагнит превратил электрическую энергию в грубую механическую силу, открыв большую гибкость при разработке телеграфного оборудования. Теории тока Генри и Ома говорили о том, с каким оборудованием стоит ждать успеха, и с каким – нет.
Для постройки электромагнитного телеграфа появились все ключевые идеи. Оставалось дождаться людей, обладающих волей и ресурсами для того, чтобы собрать всё это и преобразовать в полезную систему.
Что такое животное электричество
Доктор физико-математических наук В. ОЛЬШАНСКИЙ
В 1801 году в Париже произошло яркое событие, неоднократно описанное историками науки: в присутствии Наполеона Бонапарта состоялось представление работы «Искусственный электрический орган, имитирующий натуральный электрический орган угря или ската» с демонстрацией модели этого органа.
Теперь о «ложной гипотезе о животном электричестве». Начнем с того, что ко времени написания трактата Гальвани существование животного электричества было уже не гипотезой, а фактом: в 1773 году Уолш с помощью Кавендиша окончательно доказал электрическую природу разрядов электрических рыб. По мнению Гальвани, разряды электрических органов рыб отличаются от электрических сокращений мышц лягушек только количественно, но не качественно. Весь мир пронизан электричеством, в каждой лягушачьей лапке, в каждом живом органе текут слабые гальванические токи, вызывающие поразительные физиологические эффекты. Представлялась более чем очевидной гипотеза о том, что мозг экстрагирует электрический флюид из крови, а легкие всасывают электричество из атмосферы (не зря в грозу так легко дышится). Тонкая электрическая жидкость, неразличимая ни в какие микроскопы, распространяется по нервам, питает все члены и обеспечивает функционирование всех чувств. Если научиться отворять и затворять электричество, как кровь, заменять тухлое электричество свежим, то в медицине состоится большой скачок. Казалось бы, опыты Гальвани убедительно подтверждали такую упрощенную схему. Главным становился вопрос о том, где брать свежее электричество.
Алессандро Вольта был на восемь лет моложе Гальвани, но последний в своем трактате называет его знаменитейшим и изготовля ет приборы, следуя опубликованным рекомендациям Вольты.
Вольта происходил из более знатной семьи, чем Гальвани, получил прекрасное образование, был лично знаком со многими авторитетными физиками Европы, состоял в переписке с Английским королевским обществом и, будучи принятым в его ряды, явно хотел быть в нем заметным. Биографы Вольты утверждают, что ему несвойственно честолюбие, но по его письмам складывается обратное впечатление. В отличие от Гальвани он легко идет на контакт с новой пронаполеоновской властью Италии, отрешившей Гальвани в последние годы его жизни от кафедры.
Первая реакция Вольты на трактат крайне эмоциональна: «Я должен, однако, признаться, что я приступил к первым опытам с недоверием и без больших надежд на успех: настолько поразительными казались мне описанные явления, которые если и не противоречили, то слишком превосходили все то, что до сих пор было известно об электричестве, такими чудесными они мне казались. За это мое недоверие и как бы упорное предубеждение, которого я не стыжусь, я прошу прощения у автора открытия и считаю теперь своей славной обязанностью в такой же мере почтить его после того, как я видел и трогал рукой то, чему столь трудно было поверить до того, как потрогать и увидеть. Однако после того, как я сам стал очевидцем и творцом всех этих чудес, я наконец обратился и перешел от недоверия, может быть, к фанатизму».
Сразу после ознакомления с этим трактатом Вольта подробно и гораздо более определенно, чем Гальвани, излагает аргументацию последнего и соглашается с ней. Один из основных выводов: проводники не могут быть источником электричества, электричество содержится только в изоляторах. Если при прикосновении дуги из металлов, неважно одного или двух, течет ток, то источник его находится вне дуги, то есть внутри организма. «Таким образом, если проводящая дуга вызывает вышеуказанные сокращения мышцы, то мы должны предположить, что эти органы животного, естественно, обладают электричеством в любом состоянии или что электрический флюид в соответствующих частях неуравновешен». Позже именно этот пункт об естественном присутствии электричества в животных органах будет Вольтой опровергнут и предъявлен как главный источник ошибок Гальвани.
Вольту явно волнует вопрос: какова степень величия открытий Гальвани? Он ясно сознает, что на новом поле исследований у него, физика-профессионала, больше шансов продвинуться вперед, чем у случайно набредшего на край поляны дилетанта Гальвани. И в первых же сообщениях спешит подчеркнуть свой профессионализм, пытаясь добиться количественного измерения электричества, вызывающего физиологические эффекты. Он подробнейше описывает конструкцию более чувствительного электрометра и повторяет опыты Гальвани с привязкой к ним неких численных значений. Через пару лет в письмах и статьях Вольты чисел почти не останется, при описании опытов главным образом будут описаны логические мотивы их постановки и примененные особенности анатомирования, но уважение к численным методам уже продемонстрировано.
Ревниво проверяет он на прочность каждый кирпичик здания, построенного Гальвани, и находит два крупных изъяна. Во-первых, доказывает, что электрический ток в опытах Гальвани вызывает не непосредственно сокращение мышцы, а лишь возбуждение нерва, который далее неизвестным образом действует на мышцу. Во-вторых, на основании множества опытов Вольта приходит к убеждению, что обкладки из двух разных металлов являются не простыми проводниками, а «настоящими возбудителями и двигателями электрического флюида».
Из этих двух выводов делается третий: животные органы, равно как и их части, лишь пассивные проводники электричества. То есть животного электричества, помимо проявляемого в особым образом устроенных электрических органах рыб, не существует. От всего, сделанного Гальвани, остается лишь случайно обнаруженный факт высокой чувствительности плоти к электрическим импульсам. И даже этот факт должен излагаться в редакции Вольты: к электричеству чувствительны лишь нервы, а мышцы приводятся в возбуждение косвенным, неэлектрическим образом.
ВТОРОЕ ИСКУШЕНИЕ ВОЛЬТЫ, ИЛИ ПОДСМОТРЕННАЯ РАЗГАДКА