Ник. Горькавый
Драконоборцы. 100 научных сказок
Сказка об электрической лягушке, учёном Вольте и 220?вольтах
– Жила-была электрическая лягушка… – начала очередную научно-сказочную историю Дзинтара.
– Мама! – воскликнула Галатея. – Ты же рассказывала об электрических драконах! Откуда взялись лягушки?
– Ну… – задумчиво сказала Дзинтара. – Электрические лягушки тоже существуют. Они оказались очень полезны для изучения электрических драконов, поэтому без них рассказ про электричество будет неполон. С точки зрения биолога, лягушка, в качестве объекта для исследования, намного лучше дракона. Меньше кусается. Но сначала мне нужно рассказать об одном маленьком мальчике…
– Этот мальчик, случайно, не был электрическим? – спросил Андрей.
– О да! Этот малыш был самым электрическим среди других детей! – с энтузиазмом подтвердила Дзинтара, и её собственные дети недоумённо переглянулись.
– Среди живописных итальянских Альп, недалеко от швейцарской границы, раскинулось знаменитое озеро Лаго-ди-Комо. На его берегах построено множество великолепных вилл и дворцов аристократов и богатых купцов, знаменитых актеров и музыкантов. Здесь отдыхали от летнего зноя ещё римские патриции.
Озеро Комо вписано крупными буквами и в историю науки, потому что в прибрежной деревушке Варенне Итальянская академия наук проводит знаменитые научные школы имени Энрико Ферми, на которые собираются физики со всего мира.
Но самая яркая научная страница в длинной истории озера Комо связана с одним местным малышом. В прибрежном городе Комо, который и дал имя озеру, в середине XVIII века родился мальчик Алессандро. История его рождения была весьма романтической: он появился на свет от тайного брака дочери местного графа и католического священника, которому церковные правила запрещали иметь семью.
Несколько лет мальчик вольно жил на природе, под присмотром деревенской кормилицы. Он рос весёлым и здоровым, но диковатым, начав говорить только в семь лет. В это время его отец умер, и Алессандро попал под опеку своего дяди, каноника. Тот решительно взялся за воспитание племянника, прописав ему огромную порцию латыни, арифметики, истории и правил поведения. Мальчик оказался очень смышлёным и поглощал новые знания на лету, интересуясь вдобавок искусством и музыкой. Алессандро рос впечатлительным и, узнав об ужасном Лиссабонском землетрясении 1755 года, унёсшем жизни ста тысяч человек, десятилетний мальчик поклялся разгадать тайну землетрясений.
В 13 лет Алессандро испытывает потрясение от зрелища кометы, вернувшейся к Земле в 1758 году – в точно указанный англичанином Галлеем срок. Впечатлённый кометой Галлея, Алессандро Вольта обращается к трудам Ньютона и окончательно связывает свою судьбу с физикой и наукой вообще. Молнии и электрические явления очень интересовали молодого человека – он хотел объяснить их с помощью теории Ньютона и даже писал о них поэмы!
– Вот так учёный! – удивилась Галатея. – Он писал о физике стихи!
– Да. Великий римский поэт Лукреций тоже любил излагать научные соображения в виде стихов, – улыбнулась Дзинтара. – Узнав о работах Франклина, 23-лет-ний Алессандро первым установил в Комо молниеотвод с колокольчиками, поразив этим устройством горожан.
Алессандро Вольта написал диссертацию по электрическим опытам с лейденскими банками и в 34 года стал профессором университета в итальянском городе Павии. Спустя несколько лет он узнал об электрических опытах итальянца Гальвани, профессора Болонского университета.
Луиджи Гальвани был врачом и физиком, и на его лабораторном столе размещались и препарированные лягушки, и электрические устройства. Он был женат на Лючии – дочери своего учителя. Юная Лючия с детства привыкла к научным экспериментам в доме отца и охотно посещала лабораторию мужа. Препарировать лягушек ей не нравилось, а вот ручку электрофорной машины, которая давала такие яркие электрические искры, Лючия крутила с большим удовольствием.
Однажды Лючия извлекала искры из своего любимого прибора, а ассистент Гальвани готовил мёртвую лягушку для одного из опытов профессора. Ассистент затронул металлическим скальпелем обнажённый нерв лягушки – и лапка неожиданно задергалась. Наблюдательная Лючия заметила, что в этот момент её машина дала яркую искру – и одновременно между скальпелем и лапкой, находящихся на другом конце стола, проскочила электрическая искра.
Лючия сразу же сообщила Гальвани о своём наблюдении. Тот немедленно забыл первоначальную цель эксперимента и приступил к исследованию нового явления. К тому времени уже был хорошо известен феномен генерации электричества электрическими скатами и угрями. Гальвани тщательно изучил явление дёргающейся лягушачьей лапки и обнаружил, что она дёргается и без электрофорной машины, – если к лапке присоединить цепь из различных металлических предметов (например, железный ключ и серебряную монету).
Гальвани опубликовал свои наблюдения, сделав вывод, что искра, на которую отреагировала лапка лягушки, была вызвана «животным электричеством», созданным внутри самой лягушки.
Это заключение выглядело совершенно логичным на фоне тогдашних исследований электрических рыб. В те времена врачи даже прописывали некоторым больным целебные удары током от электрического угря – и такая медицинская процедура стоила немалых денег. Эксперименты Гальвани вызвали сенсацию среди исследователей!
Галатея хмыкнула:
– И панику среди лягушек, которые вряд ли обрадовались новости, что они оказались очень интересными электрическими лягушками!
Андрей задумчиво сказал:
– Сделав вывод, что источником тока является сама лапка, Гальвани пренебрёг наблюдением своей жены – и счёл факт того, что рядом с дёргающейся лапкой работала электрофорная машина, несущественным.
– И это пренебрежение привело к ошибке. Да, конечно, в живых существах бродят электрические токи по нервам, которые представляют собой трубки с проводящей жидкостью, но эти токи очень слабы – и после смерти уже не могут вызвать такие сокращения мышц, которые наблюдал Гальвани в своём эксперименте.
Алессандро Вольта тоже повторил опыты с лягушкой, но не согласился с заключением старшего коллеги. Алессандро предположил, что лягушачья лапа служила лишь точным электрометром – измерителем тока, а сам ток был внешним и возникал при соединении разных металлов.
– Или при действии электрофорной машины, – уточнил педантичный Андрей.
Дзинтара заметила:
– Этот момент научных исследований всегда меня занимал. Как единственно верная идея приходит в голову учёного, освещая совершенно иным светом обсуждаемые эксперименты?
Нужно отметить, что настоящему учёному непременно нужно знать очень многое – иначе он не сумеет свести разные явления в одну картину. Вольта был очень хорошо образован и знал об опытах швейцарского врача Жан-Жака Зульцера, который сообщал, что если положить на язык соединённые кусочки олова и серебра, то на языке появится кислый вкус, в то время как по отдельности олово и серебро такого ощущения не вызывают. Вольта заподозрил, что здесь происходит тот же электрический процесс, что и в опытах Гальвани, – только мёртвая лягушка «заменяется» живым языком. Он повторил опыт Зульцера и ощутил, как он пишет: «вкус электричества» или «такой же кисловатый вкус, что и при приближении языка к кончику искусственно наэлектризованного проводника…».
Вольта экспериментировал с серебряными ложками, золотыми монетами, цинковыми и оловянными пластинками…
В одном из экспериментов он взял четырех помощников и выстроил их на полу, покрытом изолятором – смолой. Первый взял в мокрую руку цинковую пластинку, а пальцем другой руки коснулся языка второго помощника.
– Пальцем – в язык? – поморщилась Галатея.
– Наука требует жертв! – ответил Андрей.
– Второй помощник прикоснулся мокрым пальцем к глазному яблоку третьего помощника. Тот вместе с четвёртым держали в руках свежевыпотрошенную лягушку. Четвёртый помощник в свободной руке держал серебряную пластинку – и когда он прикасался ею к цинковой пластинке в руке первого помощника, то лягушка дёргалась, во рту второго помощника появлялся кислый вкус, а третьему казалось, что из его глаз сыплются искры.
– Спасибо науке, что не заставила держать дохлую лягушку во рту! – проворчала Галатея.
– Не будь такой капризной, тебе же сказали – лягушка была свежей! – укорил брат сестру.
– Этот эффектный опыт убедил Вольту, что источником электричества стали два соединённых куска разных металлов. Но как сделать эффект сильнее? Вольта опустил в раствор серной кислоты электроды из цинка и меди, соединённые проводом. Цинковый электрод стал растворяться, зато возле медного электрода стали подниматься пузырьки. Вольта легко убедился, что по проводу пошёл ток!
– Почему между двумя пластинками, попавшими в кислоту, возник электрический ток? – удивилась Галатея.
Дзинтара стала объяснять:
– Что происходит в растворе серной кислоты, в которую опущены цинковая и медная пластинка, соединённые проводом? Молекула серной кислоты H2SO4 плавает в воде как хищная рыба. Эта молекула состоит из атома серы, к которому прочно присоединена двойными связями пара атомов кислорода. Ещё два атома кислорода прикреплены к атому серы единичной связью. Другая связь атомов кислорода занята парой атомов водорода. В растворе серной кислоты эти атомы водорода могут отрываться и плавать в виде двух положительно заряженных протонов. Когда молекула серной кислоты теряет два своих атома водорода, у неё «портится характер» – она становится свободным радикалом или отрицательным анионом SO4. Этот анион ужасно агрессивен: если он встречает на своём пути металлический электрод, то он набрасывается на него, как пиранья.
– Как пиранион! – придумала новое слово Галатея.
– Анион, или свободный радикал, орудуя парой свободных связей кислорода как зубами или клешнями, выкусывает из металлической стенки положительно заряженный атом металла. Присоединив к себе атом металла, анион «успокаивается», превращаясь в малоактивный сульфат, или соль этого металла. Металлический электрод, у которого кислота откусила положительный ион, остаётся с парой лишних электронов – и оказывается заряженным отрицательно. Благодаря этому, он притягивает к себе положительные ионы водорода или протоны, отдавая им электрон и превращая в пузырьки водорода. Поэтому если положить в серную кислоту кусочек цинка, то он начнёт пузыриться водородом. Но ситуация кардинально меняется, если в кислоту опустить медную пластинку – и присоединить её проводом к цинковому электроду. В такой паре пузыри водорода выделяются только на медном электроде, в то время как цинковый электрод будет быстро темнеть, разрушаемый кислотой.
– А почему водород перестает пузыриться на цинковом электроде? – спросил Андрей. – Ведь он выделялся, пока не был опущен медный электрод.
– Когда медный электрод появился в растворе кислоты, то часть электронов из разрушающегося цинкового электрода перебежала на него, зарядив медь отрицательно. И тогда медь тоже стала притягивать к себе плавающие в растворе кислоты ионы водорода и снабжать их электронами – отчего они образовали молекулы водорода и пузырьки.
– Не понимаю, – нахмурилась Галатея. – А почему медный электрод не разрушается в кислоте?
– Хищные анионы атакуют оба электрода, но от цинка или железа им откусывать ионы гораздо легче, чем от меди или серебра. Поэтому цинковый электрод заряжается быстрее медного и по проводу перебрасывает на него избыток своих электронов. А отрицательный заряд отталкивает от медного электрода хищные анионы, которые тоже заряжены отрицательно.
…Убедившись, что чашка с кислотой и парой электродов дает ток, Вольта стал экспериментировать с цепью из таких чашек, а потом придумал конструкцию, которая была удобнее при опытах. Он взял медную и цинковую пластинки, разделил их войлоком, смоченным серной кислотой, и получил простой элемент, вырабатывающий электричество. Сложив несколько таких элементов в столбик, Алессандро Вольта создал конструкцию, которая стала всемирно известна как «вольтов столб».
20 марта 1800 года Алессандро Вольта послал письмо президенту Лондонского королевского общества. Письмо, озаглавленное: «Об электричестве, возбуждаемом простым соприкосновением различных проводящих веществ», гласило: «Имею удовольствие сообщить Вам, сеньор, а через Ваше посредство и Королевскому обществу о некоторых поразительных результатах, полученных мною… Главный… это создание прибора, который по своим действиям, то есть по сотрясению, испытываемому рукой и т. п., сходен с лейденской банкой или со слабо заряженной электрической машиной, но который, однако, действует непрерывно, одним словом, дает непрерывный поток электрического флюида».
Президент Королевского общества баронет Джозеф Бэнкс показал письмо Вольты своим друзьям – лондонскому врачу Энтони Карлейлу и инженеру Уильяму Никольсону. Те загорелись идеей Вольты – и уже 30 апреля сложили по его описаниям столб из семнадцати пар пластинок и ткани, смоченной серной кислотой.
– Сделаем какой-нибудь эксперимент с этим «вольтовым столбом»! – предложил Энтони.
Уильям в это время, чертыхаясь, отмывал под струей воды обожжённый кислотой палец. Джозеф, спокойно покуривая трубку в удобном кресле, сразу согласился с этим предложением. Уильям взял стеклянную трубку с водой, заткнул её пробками, через которые пропустил латунные проводки, – и присоединил провода к разным полюсам вольтовой батареи. Одна латунная проволочка в воде начала темнеть и покрываться налетом, от другой побежали пузырьки какого-то газа.
– В состав воды входит водород! – сказал Джозеф. – Ага, – мрачно сказал Уильям. – Я слышал, что он взрывается.
– Надо проверить! – добродушно сказал Джозеф из кресла.
Уильям смешал полученный газ с равным количеством воздуха и поджёг, предварительно отвернувшись. Раздался громкий хлопок, и осколки стеклянной колбы засыпали сердитого Уильяма.
– Эврика! – невозмутимо сказал Джозеф.
26 июня Джозеф Бэнкс на собрании Королевского общества обнародовал письмо Вольты. А Карлейл с Никольсоном продемонстрировали присутствующим британским учёным опыт по разложению воды. Раньше такое разложение требовало создания электрических искр из лейденских банок, а сейчас процесс шёл непрерывно, под действием «вольтова столба», изготовить который было чрезвычайно просто!
Королевское общество опубликовало сообщение Вольты в своих трудах в том же году – и учёные всего мира узнали о том, что электрический ток можно добывать не только с помощью гроз и трения, но и с помощью несложных химических реакций.
В 1801 году Вольту пригласили в Париж – и его путешествие по Европе стало шествием триумфатора. В каждом городе он останавливался и делал доклад о своём открытии. Парижские академики ещё до приезда Вольты воссоздали «вольтов столб» – и повторили все эксперименты, описанные Вольтой в его сообщении. Доклад Вольты и сопутствующие демонстрации прошли в присутствии императора Наполеона, который осыпал Вольту милостями и велел в его честь выбить медаль и учредить премию в восемьдесят тысяч экю. Впоследствии Вольта получил графский титул и стал сенатором Королевства Италия.
– Даже император заинтересовался опытами Вольты? Почему? – спросила Галатея.
– Вольта показывал, как дергается лапка дохлой лягушки, подсоединённая к его батарее. Когда Наполеон увидел, как электричество приводит в движение мертвое тело, он стал надеяться, что электричество сможет оживлять мертвых и сделает человека бессмертным. А императоры очень трепетно относятся к бессмертию, в первую очередь к собственному.
– Но электричество не может оживить человека, это невозможно!
– Ну, как показало будущее, электрический удар может запустить остановившееся сердце, а кардиостимулятор позволяет больному сердцу работать дольше. Так что какая-то доля правды в ожиданиях Наполеона была, хотя конечно, биологическое бессмертие слишком сложная штука, чтобы обеспечить его с помощью электрической батарейки.
С точки зрения физики, работа Вольты стала прорывом в будущее. Многочисленные академии мира, включая Петербургскую, стали выбирать Вольту в свои ряды, а лучшие университеты Европы – зазывать его к себе.
Уже в октябре 1800 года новость о «вольтовом столбе» достигла России, а ещё через год, осенью 1801 года, на заседании Академии наук учёный и граф Мусин-Пушкин показал немало любопытных экспериментов с батареей Вольта, состоящей из 150 элементов. Другой российский учёный, Василий Петров, построил в 1802 году батарею из 2100 элементов и впервые получил электрическую дугу.
– Её-то и наблюдал Франклин в своём доме во время грозы! – воскликнула Галатея.
– Да, только теперь это была не дикая грозовая, а полностью укрощённая, искусственная дуга.
– Домашний дракон! – сказала Галатея.
– Такую же мощную вольтову батарею британец Хэмфри Дэви построил в 1808 году – и тоже стал наблюдать электрическую дугу. За свои открытия он был возведён в ранг баронета.
– А Петров стал баронетом? – полюбопытствовала Галатея.
– С помощью вольтова столба Дэви методом электролиза открыл новые металлы – натрий и калий. По всему миру исследователи стали создавать вольтовы столбы – и новые электрические открытия посыпались как из рога изобилия.
Французский академик Араго писал в биографии Вольты: «В начале 1800 года вследствие теоретических соображений знаменитый профессор придумал составить длинный столб из кружков: медного, цинкового и мокрого суконного. Чего ожидать заранее от такого столба? Это собрание, странное и, по-видимому, бездействующее, этот столб из разнородных металлов, разделённых небольшим количеством жидкости, составляет снаряд, чуднее которого никогда не изобретал человек, не исключая даже телескопа и паровой машины».
Восемнадцатый век был веком электрофорных машин, заряженных банок и шаров. В это время человек научился создавать и хранить электрические заряды, получать искры и вызывать электрические удары. Это был век электростатики, теоретической вершиной которой стал закон о силе взаимодействия двух заряженных шаров, выведенный Кулоном в 1785 году:
«Фундаментальный закон электричества. Отталкивающая сила двух маленьких шариков, наэлектризованных электричеством одного рода, обратно пропорциональна квадрату расстояния между центрами двух шариков».
Первая электрическая батарея, созданная Вольтом в 1800 году, сделала девятнадцатый век – веком электродинамики. Учёные получили в своё распоряжение источник электрического тока, который создавался не молниями или лейденскими банками, а всего лишь несложными химическими реакциями. Этот источник был не кратковременным, а постоянным, что открывало перед исследователями огромные перспективы – и они ими с успехом воспользовались. XIX век стал триумфальным началом электрической эры в истории.
– Значит, Вольта загнал электрического дракона, как джинна, в бутылку, вернее, в вольтов столб – и заставил его работать на людей! – сказала Галатея.
– Да и, кроме того, Вольта нашёл прекрасный способ для всестороннего изучения этого дракона.
Дзинтара заключила:
– Наука ещё раз доказала, что природа величественна во всём и хранит свои тайны даже в таких, на первый взгляд, несерьёзных предметах, как дохлые лягушки. Дискуссия о дерганье лягушачьей лапки изменила ход истории и привела к наступлению эпохи электричества. Электричество, начавшись с легкого движения земноводной лапы, проникло во все сферы человеческого бытия, вытеснило паровые машины с заводов и железнодорожных путей, а сейчас выдавливает на обочину прогресса и автомобили с бензиновыми двигателями.
– Мама, – спросила Галатея. – А тайну землетрясений Алессандро так и не разгадал?
– Нет, – вздохнула Дзинтара. – Мы не всегда выполняем даже те клятвы, которые можем выполнить, а клятву, которую дал юный Вольта, выполнить было невозможно: мы уже понимаем, откуда землетрясения черпают свою силу, но мы до сих пор не можем предсказать – когда и где случится следующее. Из-за нашего незнания подземные толчки и сопутствующие им цунами ежегодно собирают кровавую дань с человечества.
По выражению лица Галатеи стало понятно, что она собирается немедленно заняться этой тайной, не решённой великим Алессандро Вольтой.
Примечания для любопытных
Энрико Ферми (1901–1954) – великий итальянский физик, один из создателей ядерного реактора. Лауреат Нобелевской премии по физике (1938).
Лиссабонское землетрясение – землетрясение силой 8,7 балла, произошедшее 1 ноября 1755 года в Атлантическом океане, в 200 километрах от побережья Португалии. Толчки вызвали массовые разрушения зданий и мощное цунами до 20 метров высотой. Огромные трещины в пять метров шириной откололи город Лиссабон от суши. Землетрясение и последующие пожары унесли жизни 100 тысяч человек.
Эдмунд Галлей (1656–1742) – известный английский астроном, рассчитавший орбиты 24 комет и верно предсказавший возвращение в 1758 году яркой кометы, которая стала известна как комета Галлея.
Лукреций (ок. 99–55 гг. до нашей эры) – знаменитый римский поэт и философ. Последователь материализма и атомизма.
Луиджи Гальвани (1737–1798) – выдающийся итальянский физиолог и физик. Исследователь электрических импульсов в биологических системах.
Электрофорная машина – устройство для накопления заряда, использующее трение между двумя вращающимися дисками.
Шарль Кулон (1736–1806) – выдающийся французский физик, установивший закон взаимодействия электрических зарядов (закон Кулона) в 1785 году. Его именем названа единица измерения электрических зарядов (кулон).
Серная кислота – сильная кислота с формулой H2SO4 представляет собой тяжёлую маслянистую жидкость без цвета и запаха. Опасна в обращении.
Электролиз – процесс выделения на электродах, погружённых в жидкость, составных частей вещества, из которого состоит данная жидкость. Электролиз использует тот факт, что в жидкости молекулы распадаются на две противоположно заряженные частицы – ионы, которые под действием электрического поля дрейфуют к разным электродам. Катодом при электролизе называется отрицательный электрод, анодом – положительный. Положительные части молекул (например, ионы металлов) – катионы – движутся к катоду, отрицательные ионы (например, ионы кислотных остатков) – анионы – движутся к аноду.
Доминик Араго (1786–1853) – известный французский физик и астроном, член Французской академии, директор Парижской обсерватории. В честь него назван астероид (1005) Араго и кратер на Луне.
Хэмфри Дэви (1778–1829) – видный английский химик и физик, основатель электрохимии. Обнаружил несколько новых химических элементов и был президентом Королевского общества.
Аполлос Аполлосович Мусин-Пушкин (1760–1805) – русский аристократ, химик, физик и минеролог. Известен своими электрическими опытами и новым способом получения платины.
Василий Владимирович Петров (1761–1834) – русский физик и электротехник, академик Петербургской академии наук (1809). В 1802 году создал мощную вольтову батарею в 1700 вольт, открыл явление электрической дуги и показал, что её можно использовать для освещения, а также сварки и плавки металлов.
