Электричество и батарея Вольта
Электрическая батарея Вольта стала первым источником постоянного электрического тока. Этому изобретению предшествовали два века догадок и опытов, открытий и сомнений. Масштаб изобретения Вольта, появившегося в Век паровых машин, оценили уже через 30 лет, и тогда электричество, этот новый вид энергии, совершило переворот в технике и открыло следующий этап развития цивилизации — Век электричества.
Путь на ощупь
Люди с древности сталкивались с электрическими явлениями, но не могли их правильно объяснить. Греческий философ VII в. до н. э. Фалес, заметив, что потёртый о шерсть янтарь притягивает лёгкие предметы, объяснил это свойством самого янтаря, не ведая, что и другие вещества могут обладать такими «способностями».
Наблюдение Фалеса, так и не получив внятного толкования, было забыто и воскресло только в 1600 г. в опытах английского физика Уильяма Гильберта. Гильберт обнаружил, что одни тела, подобно янтарю, после натирания притягивают лёгкие предметы, а другие — нет. Гильберт назвал эту притягивающую силу «электричеством» (от лат. electricus — «янтарный») и впервые твёрдо заявил о существовании в природе некого неведомого явления, требующего изучения.
Электрофор Герике
В 1650 г. внимание публики к электричеству привлёк немецкий физик Отто фон Герике, тот самый, кто потом проделал опыт с магдебургскими полушариями. Герике придумал электрофор (электростатическую машину), наглядно показавшую существование электричества и открывшую новые возможности для его изучения. Герике изготовил шар из серы и вставил в него железную ось. Вращаясь вокруг неподвижной оси, шар от трения о железо наэлектризовывался и начинал притягивать лёгкие предметы, например пёрышко. Пёрышко следовало за шаром при его перемещении и само начинало притягивать к себе пылинки или притягиваться к крупным предметам, например к протянутой руке. Так Герике доказал, что электрическое состояние может передаваться от предмета к предмету. Прилипнув к шару, пёрышко потом резко отталкивалось от него. Так было открыто явление электрического отталкивания.
Накопление знаний
В 1729 г. английский физик С. Грей, проводя опыты по передаче электричества на расстояние, обнаружил, что вещества проводят электричество по-разному. Хорошо проводящие электричество вещества позднее были названы проводниками, а не проводящие электричества — диэлектриками (изоляторами). Французский физик Ш. Дюфе в 1733 г. сделал другое открытие: натерев смолу (янтарь) шерстью, а стекло шёлком, он обнаружил, что пары — стекло и смола, стекло и шёлк, смола и шерсть, шёлк и шерсть — притягиваются друг к другу, а стекло и шерсть, шёлк и смола — отталкиваются. Из этого Дюфе заключил, что есть два вида электричества — «стеклянное» и «смоляное», причём и то, и другое передаётся — заряжает разные проводники.
Предметы, заряженные «стеклянным» и «смоляным» электричеством, взаимно притягиваются, но отталкивают от себя одноимённо заряженные материалы. Американский учёный Б. Франклин в 1740 г. вместо «стеклянного» и «смоляного» электричества ввёл понятия, соответственно, положительного («+») и отрицательного («-») зарядов. При трении один из наэлектризовывающихся материалов всегда получает заряд «+», а другой «-».
Что такое электричество?
До конца XIXв. и учёные, и простые люди, уже пользуясь электричеством, мало знали о его природе. Лишь с открытием электрона, материального носителя электричества, картина стала проясняться. Сейчас мы знаем, что электричество, или электрический ток — это направленный поток заряженных частиц, которыми чаще всего бывают отрицательно («-») заряженные электроны. Электроны вращаются вокруг положительно («+») заряженного ядра атома, удерживаясь этим ядром на своих орбитах и составляя его оболочку. Но некоторые электроны отрываются от своих атомов и свободно и хаотично движутся между ними. При некоторых условиях, например при подключении тела к источнику электрической энергии, свободные электроны в теле начинают двигаться в одном направлении — возникает электрический ток, и вокруг тела образуется своё электрическое поле. Направление тока от «+» к «-» противоположно направлению движения электронов. Когда электрическая «подпитка» извне прекращается, электроны в теле возвращаются к хаотичному движению.
Банка для электричества
Электрофор Герике, ставший настольным прибором физиков, производил электричество, но не конденсировал (не накапливал) заряд, и для многих опытов электричества не хватало. Конденсатор (накопитель) электричества в 1745 г. создал голландский физик Питер Мушенбрук из г. Лейдена. Банку из стекла (диэлектрика), служившего изолятором, он наполнил проводником — водой, и другим проводником — металлическим стержнем, соединил воду с серным шаром электрофора. Электроны от шара по стержню поступали в воду, откуда не могли уйти, не пропускаемые стеклом-изолятором. Так в банке накапливался заряд. Проверяя, зарядилась ли банка, Мушенбрук потрогал её стержень, когда банка стояла на столе. Не получив электрического удара, он счёл, что опыт не удался. Но его ученик Кюнеус, держа банку в руках, коснулся стержня и получил сильнейший удар. Так состоялось открытие — Мушенбрук изобрёл кондесатор, лейденскую банку, долгие годы служившую главным источником электричества для науки.
Заряд лейденской банки был довольно велик. В одном опыте электрический удар лейденской банки разом почувствовали 180 державшихся за руки гвардейцев, первый из которых держал банку, а последний касался её стержня. Считается, что после этого опыта систему из соединённых проводников стали называть электрической цепью.
Ошибка, ставшая открытием
В 1786 г. итальянский медик Луиджи Гальвани, препарируя лягушку, закреплённую на столе медными крючками, дотронувшись до неё стальным скальпелем, заметил, что у мёртвой лягушки сократились мышцы лапок. Гальвани решил, что так проявляется «животное электричество». Вывод Гальвани опроверг его соотечественник Алессандро Вольта, доказав, что лапка лягушки показала наличие электричества, полученного от контакта двух разнородных металлов, меди и стали, с жидкостями тела лягушки. Вольта погрузил соединённые проволокой медную и цинковую пластинки в кислоту. Цинк стал растворяться в кислоте, на меди образовались пузырьки, а по проволоке пошёл электрический ток, который Вольта обнаружил, приложив к ней электроскоп — прибор, показывающий наличие электричества.
Столб силы
Поняв, что электричество можно производить химическим путём, Вольта собрал гальванический элемент: медный и цинковый кружочки и суконный кружок с кислотной пропиткой меж ними. Нанизав на проволоку несколько таких элементов, Вольта сделал прибор — батарею (столб), вырабатывающий электричество. Соединяя концы проволоки, в электрическую цепь и в батарею запускали электрический ток. Чем длиннее была батарея, тем больше была сила тока. Батарея Вольта — прототип всех современных батареек.
Развитие идеи
Открытие Вольты немедленно дало результаты — в 1800 г. английские физики В. Никольсон и А. Карлайл с помощью катода и анода осуществили электролиз воды, разложив её молекулы на атомы кислорода и водорода. Так стали получать кислород и водород для нужд науки, медицины и техники. В 1802 г. русский физик В. Петров сделал мощнейшую батарею из 2100 гальванических элементов. Её напряжение более чем в 100 раз превышало напряжение электрической сети в наших домах. При сближении концов проволоки своей батареи Петров создал разряд такой силы, что он «пробил» воздух — диэлектрик, не проводящий электричество. В месте «пробоя» воздух ионизировался, перейдя в состояние плазмы, способной проводить ток. Плазменная дуга светилась и нагревалась до очень высокой температуры. Так была открыта электрическая дуга.
В русской армии таким дуговым разрядом стали запаливать порох и взрывчатку. Электрический запал был первым практическим применением работы электричества.