Популярная физика. От архимедова рычага до квантовой теории - Айзек Азимов

Полагая, что причиной этому является наведенный (индуцированный) электрический заряд в скальпеле, Гальвани поместил мышцы бедра лягушки в наэлектрифицированную атмосферу грозы, подвесив их на медных крючках на железной ограде. Он добился сокращения мышц, а к тому же понял, что можно было обойтись и без грозы.

Необходимо было всего лишь дотронуться до мышц двумя разными металлами одновременно, причем не важно, есть ли поблизости искра или нет, а также не важно, идет гроза на улице или нет. Два разных металла, контактируя одновременно с мышцей, могут не просто заставить ее сокращаться, а могут сделать это несколько раз. Очевидно, что электричество имеет какое-то отношение к этому процессу и, что бы ни происходило электрический заряд не утрачивал своей силы даже после разряжения и сокращения мышцы, напротив, заряд мог самопроизвольно возникать снова и снова. Гальвани предположил, что электричество возникало в самой мышце, и назвал это «животным электричеством».

Однако другие ученые подозревали, что причиной порождения электрического разряда является все-таки скорее объединение двух металлов, нежели сама мышца. Наиболее выдающимся из этих ученых был Алессандро Вольта. В 1800 году он изучал комбинации различных металлов, но соединенных не мышечной тканью, а простыми растворами, которые никто бы не заподозрил в какой-то связи с «живой силой».

Он использовал различные металлы, объединенные в цепь, верно предположив, что для достижения лучших результатов необходимо иметь несколько источников, а не один. Сначала он использовал сосуды, наполовину наполненные соленой водой (каждый вместо мышцы лягушки), и соединял их перемычками в виде металлических пластин, медной и цинковой, спаянных вместе. Медный конец пластины опускался в один сосуд, цинковый — в другой. В каждом сосуде был медный конец одного моста с одной стороны и цинковый конец другого моста с другой стороны.

Такой вот «венок из чаш», как его называл Вольта, мог служить источником электричества, которое, как было ясно показано таким образом, возникало в металлах, а не в животных тканях. Еще важнее то, что электричество возникало постоянно и могло перемещаться непрерывным потоком.

Чтобы избежать потери тока, Вольта испытал другое устройство.

Он взял маленькие диски из меди или серебра (для этого хорошо подошли монеты) и диски из цинка. Затем построил из них столбик: серебро, цинк, серебро, цинк и т. д. Между этими пластинками положил картонные диски, пропитанные соленой водой, которые играли роль лягушачьих мускулов Гальвани или его собственных сосудов с соленой водой. Если до верхушки такого «вольтова столба» дотронуться металлическим проводом, то можно увидеть искру у его основания, если к основанию столба поднести другой конец этого провода. Фактически, если соединить проводом верхушку и основание, в нем создавался постоянный ток.

Это явление не могли полностью понять до начала следующего века, но в основе его лежал тот факт, что атомы всех веществ содержат как отрицательно заряженные электроны, так и положительно заряженные протоны. Следовательно, электрический заряд в постоянно действующем вольтовом столбе на самом деле не был создан Вольтой — он всегда существовал в веществе. Вольтов столб служил просто для того, чтобы разделять уже существующие отрицательные и положительные заряды. Легче всего описать это разделение на примере двух разных металлов.

Представим себе соприкосновение двух металлов, к примеру цинка и меди. Каждый металл содержит электроны, с большей или меньшей силой привязанные к атомам этого металла. В атомах цинка электроны с ядром связаны слабее, чем в атомах меди. На границе между металлами электроны стремятся перемещаться из цинка в медь. Можно описать этот процесс как перетягивание атомами меди электронов из атомов цинка. Это продолжается недолго, так как атомы меди накапливают отрицательный заряд (благодаря перескочившим к ним электронам), а атомы цинка — положительный.

Дальнейшее перемещение электронов из положительно заряженного цинка в отрицательно заряженную медь быстро становится невозможным, и равновесие устанавливается на том уровне, когда заряд в обоих металлах еще очень мал. Однако заряд получается достаточно большим, чтобы его можно было распознать, и, поскольку противоположные заряды разделены, между металлами возникает контактная разность потенциалов.

Сила привлечения атомами электронов изменяется пропорционально изменению температуры, однако у разных металлов это изменение различно. Представим длинную полоску из цинка и длинную полоску из меди, соединенные только двумя концами, причем имеющими различную температуру (это называется термопара).

На каждом конце полос есть контактная разность потенциалов, но с двух концов она различна. Конец А медной полосы накапливает больше электронов, чем конец В, потому что температура увеличивает его силу притяжения электронов из цинка.

Поскольку концентрация электронов в меди на конце А больше, чем на конце В, то электроны из точки А устремятся по медной полосе в точку В. Теперь в В слишком много электронов, чтобы атомы могли их удержать при обычной температуре. Поэтому они начинают перескакивать к атомам цинка. Однако конец А, потерявший часть электронов, снова получает возможность приобретать их из цинка.

Процесс будет продолжаться бесконечно — электроны будут перемещаться из края А в край В внутри медной пластины и снова из края В в край А внутри цинковой, и так до тех пор, пока поддерживается разность температуры на концах пластин. Такое термоэлектричество впервые обнаружил в 1821 году немецкий физик Томас Иоганн Зеебек (1770–1831).

Практическое применение этого явления несложно придумать. Количество постоянного тока, который проходит через термопару, зависит от температурной разницы на концах пластин. Следовательно, такое приспособление можно использовать как термометр. Так, если брать высокоплавкие металлы, например платину, то можно измерять температуры гораздо более высокие, чем те, которые способен выдержать обычный термометр. И еще, поскольку термопара улавливает и измеряет даже самые незначительные электрические потоки, то с ее помощью определяют очень слабые источники тепла, например, можно измерить тепло, исходящее от Луны или Венеры[101].

Соединение разных металлов посредством токопроводящего раствора создает эффект, похожий на эффект термопары, но в данном случае изменение температур уже не обязательно.