Сергей Бердышев - Открытия и изобретения, о которых должен знать современный человек
Но на самом деле развитие науки вовсе не было таким уж забавным. Познание природы грозы было весьма опасным. После того как французский исследователь Далибар успешно проделал первый опыт по рекомендации Франклина, т. н. громовая машина была создана в России учеными Г. Рихманом и М. В. Ломоносовым. Во время одного из экспериментов, проходивших в 1753 г., Рихман погиб от соприкосновения с шаровой молнией. В конце XVIII столетия электрические силы привлекают к себе все большее внимание, причем не только физиков, но и медиков.
Сообщение Мушенбрука о действии на его организм разрядного удара не прошло незамеченным. Сходные сообщения от прочих экспериментаторов и богатые данные о пострадавших вследствие попадания молнии насторожили некоторых врачей. Знаменитый деятель Великой Французской революции Марат был по специальности медиком и одним из первых заинтересовался проблемой. Он всерьез полагал, что электричество может пригодиться медицине для лечения болезней и даже посвятил этому вопросу свой научный труд «Трактат о медицинском электричестве».
В 1820–1830-х гг. эти изыскания увенчались изобретением электрофореза, предназначенного для введения под кожу или через слизистые оболочки лекарственных веществ (в то время — соединений йода) под действием постоянного тока.
Направление исследований феномена живого электричества назвали гальванизмом. Гальванизм, как ни странно, первоначально очень мало был полезен медицине, хотя эксперименты ставились преимущественно на живых существах. Зато физика многим обязана возникновению этого учения, названного в честь итальянского врача и изобретателя Л. Гальвани. О его работах будет рассказано ниже.
Пока же рассмотрим, как ученые объясняли сущность электричества. Наиболее прогрессивные умы стремились в духе того времени свести новооткрытое явление к элементарным частицам и фундаментальным законам классической механики. Главные заслуги в данном направлении принадлежат Франклину и петербургскому академику Ф. Эпинусу. Франклин под влиянием учения о теплоте верил, что электричество связано с мельчайшими частицами особого рода, которые наделены способностью проникать сквозь вещество.
Эти частицы образуют в совокупности т. н. электрическую жидкость. Если у тела отнять путем трения часть электрической жидкости, то оно приобретет положительный заряд. Тело, перенявшее долю частиц, зарядится отрицательно. Если тела вновь соединить, то количество жидкости между ними выровняется таким образом, что оба станут электрически нейтральны (незаряжены). Таким образом, Франклин приблизился к открытию закона сохранения электрического заряда.
Эпинус, пребывая под влиянием открытий И. Ньютона, увязал взаимодействие заряженных тел с законом всемирного тяготения. Он полагал, что заряженные тела притягиваются и отталкиваются по аналогии с притягивающимися массами в классической механике. Эпинус сделал немало открытий, сравнивая теорию Ньютона с результатами экспериментов над электричеством, и первым четко сформулировал закон сохранения электрического заряда: «Если я хочу в каком-либо теле увеличить количество электрической материи, то я должен неизбежно взять ее вне его и, следовательно, уменьшить ее в каком-либо другом теле».
Эти воззрения, возобладавшие во всем научном мире, послужили предпосылкой для открытия основного закона электростатики, получившего название закона Кулона. Ш. Кулон — великий французский физик, установил данную закономерность в 1780-х гг. Если Эпинус только предполагал аналогию между электричеством и гравитацией, то Кулон решил проверить опытным путем существование подобного сходства между внешне разнородными явлениями. Параллельно с Кулоном и независимо от него сходными исследованиями занимался англичанин Кавендиш.
Кулон использовал в своих экспериментах изобретенные им самим же крутильные весы, представлявшие собой разновидность электроскопа. Посредством крутильных весов можно было наблюдать сравнительную величину «электрических сил» двух взаимодействующих зарядов. Кулон в ходе изысканий показал, что электрические заряды взаимодействуют между собой по закону Ньютона: сила притяжения и отталкивания обратно пропорциональна квадрату расстояния. Но ученый пошел еще дальше. Он выяснил, что отталкиваются только одноименные заряды («плюс» и «плюс» или «минус» и «минус»), тогда как притягиваются разноименные («плюс» и «минус»).
Кроме того, если Ньютон опирался в формулировке своего закона на количество вещества, как тогда называли массу, то Кулон ввел эквивалент массы в учение об электричестве. Ученый назвал этот эквивалент очень просто — количеством электричества. Экспериментально Кулон показал, что величина количества электричества пропорциональна силе взаимодействия между зарядами. Наконец, Кулон определил минимальное количество электрического заряда, возможное в природе. Впоследствии ученые поняли, что носителем минимального заряда является элементарная частица, предсказанная Б. Франклином. В такой обстановке совершил свое открытие Л. Гальвани.
Изобретение гальваноэлемента
История физики полна курьезов и парадоксов, в чем успел убедиться читатель. Если спросить у человека, далекого от точных наук, кто изобрел гальванический элемент, то можно услышать в ответ, что это сделал итальянский врач Л. Гальвани. В действительности создатель первого гальванического элемента безвестен, а само изобретение насчитывает несколько тысячелетий.
Об этом мы можем судить благодаря удивительной археологической находке, сделанной под Багдадом. Ученые во время раскопок древнего города Вавилона, находившегося прежде на этом месте, обнаружили странную конструкцию из металлических кружков, в которой специалисты узнали очень примитивную гальваническую батарею. Для чего понадобилась батарейка в ту далекую эпоху, никому неизвестно. Находка отнесена к числу самых загадочных артефактов.
Гальвани же не мог создать гальваноэлемент, поскольку придерживался ошибочных взглядов на сущность открытого им явления. Заинтересованный действием электрического тока на живые ткани, ученый в 1780-х гг. проводит серию экспериментов над препарированными лягушками. Гальвани наблюдал, как во время грозы мышцы лягушек, подвешенных на металлические крюки, сокращаются под действием атмосферного электричества.
Однако более поздние опыты, поставленные в ясную погоду и в комнатных условиях, показали, что мышцы у препарированных лягушек все равно сокращаются время от времени. Спинной мозг у таких лягушек был по-прежнему соединен с медным крюком, который касался железной пластины. Врач решил, что обнаружил «живое электричество», вырабатываемое организмом лягушки. Над Гальвани многие посмеялись. «На меня нападают две совершенно противоположные партии: ученые и невежды, — писал впоследствии Гальвани. — И те и другие называют меня лягушачьим учителем танцев».
Возможно, замечательное открытие оказалось бы забыто, но необычными опытами заинтересовался соотечественник Гальвани, физик А. Вольта, который доказал, что в организме лягушки нет «живого электричества». До известной степени Вольта ошибался, поскольку в организме любого живого существа присутствуют электрические заряды. Электротоки постоянно перемещаются в тканях, в первую очередь в нервной, передавая по ней импульсы в мозг и из мозга. Электротоки особенно ярко проявляются при работе мышц — скелетных и сердечной.
Электрокардиограммы (ЭКГ) и электроэнцефалограммы (ЭЭГ) составляются по данным измерений интенсивности биотоков, чтобы проследить за работой сердечной мышцы и коры головного мозга. Тем не менее Вольта был прав в одном: в своих экспериментах Гальвани не смог бы выявить электротоки в организме лягушки, поэтому «живого электричества» врач не открыл. Физик предположил, что мускулатура животного послужила всего лишь индикатором присутствия тока, т. е. среагировала на него сокращениями.
Мышцы лягушки в экспериментах Вольта сокращались под воздействием обычного электричества (не «живого») точно так же, как в опытах Гальвани. Источником тока в опытах врача послужил, видимо, контакт двух металлов, а именно меди и железа. Тканевые жидкости в теле лягушки играли роль дополнительного проводника, помещенного между металлами. Отталкиваясь от своих предположений, физик сконструировал первую гальваническую батарею, повлиявшую на дальнейшее развитие науки.
Вольтов столб, как назвали этот источник постоянного тока ученые, состоял из ряда металлических пластин двух типов — цинковых и серебряных, разделенных картонными кружками, которые предварительно пропитывались соленой водой. Поскольку приборов для измерения тока тогда не существовало, то Вольта использовал собственную руку для регистрации тока. Если подключить гальванический элемент в замкнутую цепь, проходящую через человеческое тело, то возникают сходные ощущения, как в эксперименте с лейденской банкой.
