Гальванические элементы Лекланше и Даниэля

Гальванические элементы Грове, Калло и Бунзена.

Грене и Флейшера и сухой элемент фирмы «Сименс и Гальске» .

Из множества изобретателей, самого большого успеха достиг французский химика Жоржа Лекланше. Он заполнил глиняную емкость смесью из перекиси марганца и кусочков угля из газовых реторт и вставил туда угольную призму прямоугольной формы, которая служила положительным электродом. Сверху емкость заливалась варом либо смолой и помещалась в стеклянную банку, наполненную раствором нашатыря (хлористого аммония), с электродом из цинка. При работе элемента, цинк переходил в раствор, образуя хлорид цинка, а аммоний распадался на растворяющийся аммиак и водород, перекись марганца окисляет водород. Но выделение водорода зависит от силы тока, а перекись марганца окисляет водород медленно. Не поглощенный водород поляризует электрод, элемент как бы устает и ему требуется отдых. Поэтому элемент Лекланше подходит для нагрузки с маленьким током, то есть как раз для телеграфов и систем сигнализации того времени, где небольшие токи и есть перерывы в работе. Неудобство при использовании источников тока Лекланше создавал жидкостью, особенно на океанских лайнерах подвергавшихся качке, оснащенных системами сигнализаций как в первоклассных отелях того времени. Чтобы ликвидировать это неудобство, емкости с электролитом заполняли опилками, сверху полностью заливали тем же варом. Но из-за герметичности получившегося элемента, в нем могло слишком сильно увеличится давление газа, и они взрывались. Однако, элемент Лекланше постоянно совершенствовался, и в последствии многочисленных улучшений приобрел вид всем знакомых батареек.

В ходе использования и исследований химических источников тока, было сделано важное открытие возможности соединять гальванические элементы последовательно и параллельно. При последовательном соединении получалось суммарное напряжение, а при параллельном получали суммарный ток. Для того времени это было серьезное открытие. История изобретения гальванического элемента.

Важнейшим шагом вперед в развитии учения об электрических и магнитных явлениях было изобретение первого источника постоянного тока — гальванического элемента. История этого изобретения начинается с работ итальянского врача Луиджи Гальвани (1737−1798), относящихся к концу XVIII в.

Гальвани интересовался физиологическим действием электрического разряда. Начиная с 80-х гг. XVIII столетия, он предпринял ряд опытов для выяснения действия электрического разряда на мускулы препарированной лягушки. Однажды он обнаружил, что при проскакивании искры в электрической машине или при разряде лейденской банки мускулы лягушки сокращались, если к ним в это время прикасались металлическим скальпелем.

Заинтересовавшись наблюдаемым эффектом, Гальвани решил проверить, не будет ли оказывать такое же действие на лапки лягушки атмосферное электричество. Действительно, соединив один конец нерва лапки лягушки проводником с изолированным шестом, выставленным на крыше, а другой конец нерва с землей, он заметил, что во время грозы время от времени происходило сокращение мускулов лягушки.

Затем Гальвани подвесил препарированных лягушек за медные крюки, зацепленные за их спинной мозг, около железной решетки сада. Он обнаружил, что иногда, когда мышцы лягушки касались железной ограды, происходило сокращение мускулов. Причем эти явления наблюдались и в ясную погоду. Следовательно, решил Гальвани, в данном случае уже не гроза является причиной наблюдаемого явления.

Для подтверждения этого вывода Гальвани проделал подобный опыт в комнате. Он взял лягушку, у которой спинной нерв был соединен с медным крюком, и положил ее на железную дощечку. Оказалось, что когда медный крючок касался железа, то происходило сокращение мускулов лягушки.

Гальвани решил, что открыл «животное электричество», т. е. электричество, которое вырабатывается в организме лягушки. При замыкании нерва лягушки посредством медного крюка и железной дощечки образуется замкнутая цепь, по которой пробегает электрический заряд (электрическая жидкость или материя), что и вызывает сокращение мускулов.

Открытием Гальвани заинтересовались и физики и врачи. Среди физиков был соотечественник Гальвани Алессандро Вольта. (1745 — 1827). Вольта повторил опыты Гальвани, а затем решил проверить, как будут себя вести мускулы лягушки, если через них пропустить не («животное электричество»), а электричество, полученное каким-либо из известных способов. При этом он обнаружил, что мускулы лягушки так же сокращались, как и в опыте Гальвани.

Проделав такого рода исследования, Вольта пришел к выводу, что лягушка является только («прибором»), регистрирующим протекание электричества, что никакого особого «животного электричества» не существует.

Почему же все-таки в опыте Гальвани мускулы лягушки регистрируют протекание электрического разряда? Что является в данном случае источником электричества? Вольта предположил, что причиной электричества является контакт двух различных металлов.

Нужно отметить, что уже Гальвани заметил зависимость силы судорожного сжатия мускулов лягушки от рода металлов, образующих цепь, по которой протекает электричество. Однако Гальвани не обратил на то серьезного внимания. Вольта же, наоборот, усмотрел в нем возможность построения новой теории.

Не согласившись с теорией («животного электричества», Вольта выдвинул теорию «металлического электричества». По этой теории причиной гальванического электричества является соприкосновение различных металлов.

В каждом металле, считал Вольта, содержится электрическая жидкость (флюид), которая, когда металл не заряжен, находится в покое и себя не проявляет. Но если соединить два различных металла, то равновесие электричества внутри них нарушится: электрическая жидкость придет в движение. При этом электрический флюид в некотором количестве перейдет из одного металла в другой, после чего равновесие вновь восстановится. Но в результате этого металлы наэлектризуются: один — положительно, другой — отрицательно.

Эти соображения Вольта подтвердил на опыте. Ему удалось показать, что действительно при простом соприкосновении двух металлов один из них приобретает положительный заряд, а другой отрицательный. Таким образом, Вольта открыл так называемую контактную разность потенциалов. Вольта проделывал следующий опыт. На медный диск, прикрепленный к обыкновенному электроскопу вместо шарика, он помещал такой же диск, изготовленный из другого металла и имеющий рукоятку. Диски при наложении в ряде мест приходили в соприкосновение. В результате этого между дисками появлялась контактная разность потенциалов (по терминологии Вольта, между дисками возникала «разность напряжений»).

Для того чтобы обнаружить «разность напряжений», появляющуюся при соприкосновении различных металлов, которая, вообще говоря, мала (порядка 1В), Вольта поднимал верхний диск и тогда листочки электроскопа заметно расходились. Это вызывалось тем, что емкость конденсатора, образованного дисками, уменьшалась, а разность потенциалов между ними во столько же раз увеличивалась.

Но открытие контактной разности потенциалов между различными металлами еще не могло объяснить опытов Гальвани с лягушками. Нужны были дополнительные предположения.

Составим обычную замкнутую цепь проводников из разных металлов. Несмотря на то, что между этими металлами возникает разность потенциалов, постоянного течения электричества по цени не получается. Это сразу понятно для простейшего случая двух металлов. Возьмем, например, два куска медной и цинковой проволоки и соединим их концы. Тогда одна из них (цинковая) зарядится отрицательным электричеством, а медная — положительным. Если теперь соединить и другие концы этих проволок, то и в этом случае второй конец цинковой проволоки будет электризоваться отрицательно, а соответствующий конец медной проволоки положительно. И постоянного течения электричества в цепи не получится.

Но на опыте Гальвани соединялись не только металлы. В цепь включались и мышцы лягушки, содержащие и себе жидкость. Вот в этом и заключается все дело — решил Вольта.

Он предположил, что все проводники следует разбить на два класса: проводники первого рода — металлы и некоторые другие твердые тела и проводники второго рода — жидкости. При этом Вольта решил, что разность потенциалов возникает только при соприкосновении проводников первого рода. гальванический физик электрод Такое предположение объясняло опыт Гальвани. В результате соприкосновения двух различных металлов нарушается равновесие в них электричества. Это равновесие восстанавливается в результате того, что металлы соединяются через тело лягушки. Таким образом, электрическое равновесие все время нарушается, и все время восстанавливается, значит, электричество все время движется.

Такое объяснение опыта Гальвани неверно, но оно натолкнуло Вольта на мысль о создании источника постоянного тока — гальванической батареи. И вот в 1800 г. Вольта построил первую гальваническую батарею — Вольтов столб.

Вольтов столб состоял из нескольких десятков круглых серебряных и цинковых пластин, положенных друг на друга. Между парами пластин были проложены картонные кружки, пропитанные соленой водой. Такой прибор служил источником непрерывного электрического тока.

Интересно, что в качестве довода о существовании непрерывного электрического тока Вольта опять-таки привлекал непосредственные ощущения человека. Он писал, что если крайние пластины замкнуты через тело человека, то сначала, как и в случае с лейденской банкой, человек испытывает удар и покалывание. 3атем возникает ощущение непрерывного жжения, «которое не только не утихает, — говорит Вольта, — но делается все сильнее и сильнее, становясь скоро невыносимым, до тех пор, пока цепь не разомкнется» .

Изобретение Вольтова столба — первого источника постоянного тока — имело огромное значение для развития учения об электричестве и магнетизме. Что же касается объяснения действия этого прибора Вольта, то оно, как мы видели, было ошибочным. Это вскоре заметили некоторые ученые.

Действительно, по теории Вольта получалось, что с гальваническим элементом во время его действия не происходит никаких изменений. Электрический ток течет по проволоке, нагревает ее, может зарядить лейденскую банку и т. д., но сам гальванический элемент при этом остается неизменным. Но такой прибор является не чем иным, как вечным двигателем, который, не изменяясь, производит изменение в окружающих телах, в том числе и механическую работу.

К концу XVIII в. среди ученых уже широко распространилось мнение о невозможности существования вечного двигателя. Поэтому многие из них отвергли теорию действия гальванического элемента, придуманную Вольта.

В противовес теории Вольта была предложена химическая теория гальванического элемента. Вскоре после его изобретения было замечено, что в гальваническом элементе происходят химические реакции, в которые вступают металлы и жидкости. Правильная химическая теория действия гальванического элемента вытеснила теорию Вольта.

После открытия Вольтова столба ученые разных стран начали исследовать действия электрического тока. При этом совершенствовался и сам гальванический элемент. Уже Вольта наряду со «столбом» стал употреблять более удобную чашечную батарею гальванических элементов. Для исследования действий электрического тока стали строить батареи со все большим и большим числом элементов Наиболее крупную батарею в самом начале XIX в. построил русский физик Василий Владимирович Петров (1761−1834) в Петербурге. Его батарея состояла из 4200 цинковых и медных кружков. Кружки укладывались в ящик горизонтально и разделялись бумажными прокладками, пропитанными нашатырем. Батарея Петрова была описана им в его книге («Известия о Гальвани-Вольтовых опытах», вышедшей в России в 1803 г.

Первые шаги в изучении электрического тока относились к его химическим действиям. Уже в том же году, в котором Вольта изобрел гальваническую батарею, было открыто свойство электрического тока разлагать воду. Вслед за этим было произведено разложение электрическим током растворов некоторых солей. В 1807 г. английский химик Дэви путем электролиза расплавов едких щелочей открыл новые элементы: калий и натрий.

Исследование химического действия тока и выяснение химических процессов, происходящих в гальванических элементах, привело ученых к разработке теории прохождения электрического тока через электролиты.

Вслед за изучением химического действия тока ученые обратились к его тепловым и оптическим действиям. Наиболее интересным результатом этих исследований в самом начале XIX в. было открытие электрической дуги Петровым.

Открытие, сделанное Петровым, было забыто. Многие, особенно иностранные, ученые о нем не знали, так как книга Петрова была написана на русском языке. Поэтому, когда Дэви в 1812 г. снова открыл электрическую дугу, его стали считать автором этого открытия.

Наиболее важным событием, приведшим вскоре к новым представлениям об электрических и магнитными явлениях, было открытие магнитного действия электрического тока.

Первым в России электротехником, положившим начало практическому применению электричества, был П. Л. Шиллинг (1786−1837).

Павел Львович Шиллинг родился в Ревеле (Таллин), участвовал в Отечественной войне 1812−1813 гг. Офицер. За храбрость, проявленную при Фер-Шампенуазе, награжден саблей с надписью «За храбрость» .

Ему принадлежит изобретение и осуществление электромагнитного телеграфа раньше, чем это сделали Вильгельм Эдуард Вебер и Карл Фридрих Гаусс. В 1803—1812 гг. П. Л. Шиллинг был переводчиком в русском посольстве в Мюнхене и здесь познакомился с работами Земеринга, построившего электрохимический телеграф. На одном конце линии стояли гальванические элементы, а на другом — сосуды с электролитом. При включении линии в сосудах начиналась реакция с выделением газа. У Земеринга была возможность передачи 27 сигналов (27 линий). Была и отдельная линия с выходом на звонок для привлечения внимания человека, принимающего сигналы.

П.Л. Шиллинг создал электромеханический телеграф, который в 1832 г. работал между Зимним дворцом и Министерством путей сообщения. Передача производилась по 6 проводам при помощи 16 клавиш. На приемном пункте ток, проходящий через катушки, приводил к повороту магнитных стрелок с дисками. В приемном аппарате один из дисков поворачивался белой или черной стороной. Набор кружков соответствовал букве алфавита (работы Морзе начались лет на десять позже). Работа П. Л. Шиллинга в области дипломатии дала ему знакомство с криптографией, что позволило ему создать кодовые таблицы. Провода телеграфа укладывались под землей. Для изоляции применялась шелковая или пеньковая пряжа. Изолированные провода помещались в стеклянные или глиняные трубки с резиновыми муфтами. Все провода П. Л. Шиллинг размещал в единой просмоленной оболочке, т. е. создал первый электрический кабель.

На открытие П. Л. Шиллингом телеграфа А. С. Пушкин написал стихотворение «О, сколько нам открытий чудных готовит просвещенья дух…» .

В 1836 г. П. Л. Шиллинг на канале при Адмиралтействе демонстрировал опыт телеграфирования по подводному кабелю. Известны также опыты П. Л. Шиллинга по взрыванию мин с помощью электрического тока. В 1812 г. П. Л. Шиллинг демонстрировал в Петербурге взрывание мин электрическим током и на поверхности и под водой («взрывал на Неве мины сквозь воду»). В 1815 г. эти опыты демонстрировались и Париже, причем провода пересекали Сену. Однако внимание к электродистанционному взрыванию появилось только после русско-турецкой войны 1825−1827 гг., когда появилась необходимость проведения минных работ при осаде крепостей. П. Л. Шиллинг предлагал также применение подводных самодвижущихся мин, но взрывание производилось по проводам. Гальваноударное взрывание было предложено Б. С. Якоби.

Развитие теории и практики электричества связано с академиком Э. Х. Ленцом (1804−1865).

Эмилий Христианович Ленц родился в г. Юрьеве, обучался в местном университете. Научную деятельность начал как географ, участвуя в качестве физика в кругосветном плавании (1823−1826 гг.) Отто Евстафьевича Коцебу и других экспедициях.

В 1828 г. Э. Х. Ленц получил звание адъюнкта Академии наук и начал работать в Санкт-Петербурге, где от физической географии перешел к электромагнетизму. В 1834 г. он был избран академиком и, кроме того, возглавил кафедру физики и физической географии в Петербургском университете и занимал эту должность до конца жизни. В течение ряда лет Э. Х. Ленц был деканом физико-математического факультета, а в 1863 г. был избран ректором университета. После смерти В. В. Петрова Э.Х. Ленц возглавил Физический кабинет Академии наук.

В то время в университете практиковалось чтение лекций по определенным, часто иностранным учебникам. Э. Х. Ленц читал лекции по своим работам. В расписании 1836−1837 учебного года значилось:

Щеглов (адъюнкт) — физика невесомых тел с теорией теплорода и электричества (обыкновенного и гальванического) по Пекле с изменениями из других авторов;

Ленц (профессор) — теория электродинамических явлений по собственным запискам.

В 1802 г. Джованни Д. Романьози первым наблюдал действие проводника с током на магнитную стрелку. Позднее, в 1820 г. датский физик Ганс Христиан Эрстед (1777−1851) обнаружил заново и описал это явление в работе «Опыты, касающиеся действия электрического конфликта на магнитную стрелку» .