В этой книге говорится об одной из загадок древности, до сих пор не разгаданных до конца. «Парфянская батарея», найденная археологами в 30-х годах прошлого века, свидетельствует о том, что уже более 2000 лет назад люди могли получать постоянный электрический ток, используя разность электрохимических потенциалов между медью и железом. Могли, но получали ли? Многие электрохимики считают, что получали: уж слишком похож найденный предмет на современные батарейки. Но у этой гипотезы есть и противники. Вот, например, текст, найденный мною в Интернете:
«…значит, электрическая батарея была изобретена не в 1800 году Алессандро Вольта, а на 2000 лет раньше? Это заманчивое предположение, однако, опровергается другими находками археологов. Позднее были обнаружены похожие кувшины-"батарейки", но с медными цилиндрами и медными стерженьками. Как известно, между предметами, изготовленными из одного металла, напряжение создать невозможно. Значит, странные кувшины из Багдада только случайно похожи на батарейки. А на самом деле их использовали в совсем других целях. Например, в ритуальных. Тем более что сложные древние ритуалы уже вводили археологов в заблуждение».
Есть и другие причины сомневаться в гипотезе о батарейке.
Но есть и сильные аргументы в ее пользу.
Данная книга интересна тем, что в ней самым скрупулезным образом собран и рассмотрен весь доступный материал на эту тему и разобраны аргументы как за, так и против, чему посвящена целая глава. Автор книги Насер Канани является сторонником того, что это мог быть источник тока, но он приводит только факты и важнейшие отрывки из имеющихся публикаций почти без комментариев.
Необходимо сказать несколько слов об авторе.
Профессор Н. Канани – известный электрохимик, занимающийся металлическими покрытиями. В течение последних 20 лет он является руководителем Отдела материаловедения компании Atotech Deutschland GmbH и профессором Берлинского Технического Университета.
После окончания математического факультета в Тегеране он изучал химическую металлургию в Университете г. Левена (Австрия), затем физическую металлургию и материаловедение в Техническом Университете в Берлине. Там он получил докторскую степень в области физики твердого тела, после чего занимался электрохимическими исследованиями питтинговой коррозии алюминия и его сплавов.
В течение двух лет (1979-81) Н. Канани стажировался в качестве приглашенного профессора в Массачусетском Технологическом Институте в Бостоне (США), исследуя материалы для реакторов, а в 1983 – в Университете Флориды. Он опубликовал более 200 работ в научных журналах и прочитал в разных странах около 200 лекций по различным предметам. Положительный отклик в научном сообществе получили его книги «Гальванотехника» и «Медные покрытия», опубликованные в последние годы на английском и немецком языках.
Мне довелось присутствовать на превосходной лекции проф. Н. Канани, посвященной методам исследования структуры гальванопокрытий и прочитанной в Варшаве в 2001 году на «Химическом Форуме». Осталось добавить, что он является и первоклассным музыкантом – исполнителем на старинном инструменте сантуре.
Будем надеяться, что и эта книга будет благосклонно принята читателями.
Ю. Д. Гамбург, доктор химических наук
Москва, январь 2006 года
Посвящяется М.Шамири, М.Байат и Р. Этемади
Предисловие автора
Обстоятельства, при которых возникает электрический ток, впервые были выяснены итальянским ученым Луиджи Гальвани в 1791-1792 годах.
Эта работа привела его соотечественника Алессандро Вольта к изобретению первой электрической батареи, известной как «вольтов столб» и применявшейся как источник постоянного электрического тока. Так что Гальвани обеспечил основной стимул для создания Вольта источника электричества на основе физико-химических принципов.
Изобретение Вольта стало действительно важным научным открытием, поскольку это был первый метод создания постоянно поддерживаемого электрического тока. Его электрическая ячейка была сенсационной, так как впервые позволила получать такие значительные токи.
Современное применение электричества как важнейшей формы энергии основывается на опытах и изобретениях этих двух ученых. Их открытия 18 века привели к последующему веку электроэнергии, применение которой преобразило нашу цивилизацию.
Открытие гальванизма*
Луиджи Гальвани родился 9 сентября 1737 года в Болонье. Он окончил Болонский Университет и получил степень доктора медицины в 1759 году. В 1762 году он был назначен лектором по анатомии, а его искусство хирурга вскоре привело его на Кафедру Акушерства в Институте Наук и Искусств, главой которого он стал в 1772 году. Его исследования строения органов животных сделало его в конце восемнадцатого столетия одним из основателей электрофизиологии.
Что касается открытия Гальвани электрического тока, то на этот счет имеется несколько интересных историй. Согласно одной из них, лягушечьи лапки, которые в то время в Болонье считались деликатесом, принадлежали к любимейшим блюдам Гальвани. Тщательно изучая их, говорится далее, он и сделал свое эпохальное открытие. В другом рассказе утверждается, что однажды, когда Гальвани очищал лягушек, чтобы приготовить суп для своей больной жены Люсии, он заметил конвульсивное движение одной из них, когда он трогал нерв скальпелем. Поэтому он и решил, что ткани лягушек являются местом какого-то рода электрического тока.
Эта и другие подобные истории, видимо, являются придуманными реконструкциями истории научного открытия Гальвани. Поэтому перейдем к фактам.
После приобретения электростатической машины** и Лейденской банки*** в конце 1770-х, Гальвани проявил острый интерес к анатомии и электрофизиологии лягушки и начал экспериментировать со стимуляцией мышц с помощью электричества. Он был одним из первых, кто экспериментально исследовал явление, впоследствии названное «животным электричеством».
В серии экспериментов, выполненных около 1780 года, Гальвани препарировал лягушку. Один из его ассистентов, вероятно, племянник Джованни Альдини, извлекая искры из электростатической машины, одновременно дотронулся кончиком скальпеля до внутреннего бедренного нерва лягушки. Последовало внезапное сильное сокращение мышц и удар лапок, как при сильной судороге. Это происходило только при работе находящейся рядом электростатической машины, когда пальцы ассистента дотрагивались до металлической части скальпеля, то есть когда проводник заземлял нерв.
Непроизвольные сокращения мышц под действием электрических «ударов» было очень хорошо известно со времени изобретения лейденской банки. Гальвани сам наблюдал, что заряд из лейденской банки приводит к сокращению мышц лапки лягушки, если его подводить к мышце или к нерву. Он был вполне знаком с тем, что происходит, когда живой объект подвергается электрическому удару, и у него не было особых причин удивляться, наблюдая аналогичное явление в случае мертвой лягушки.
Однако одно странное наблюдение привлекло внимание Гальвани и заставило его остановиться и поразмыслить. Он поместил нижнюю часть препарированной лапки лягушки на металлический стол вблизи электростатической машины и заметил, что сокращения происходили, даже когда не было непосредственного контакта с машиной. Подергивания имели место, когда скальпель или другой металлический инструмент дотрагивался до обнаженного нерва. Он повторил эксперимент, используя подставки из различных металлов для препарата и разные крюки для спинного мозга, и обратил внимание, что обычно не только происходили подергивания, но и их сила менялась в зависимости от металлов, составляющих «пару». В случае неметаллических веществ никаких сокращений не наблюдалось.
Однажды в 1786 году, когда Гальвани наблюдал сокращения мышцы лягушки, касаясь ее нервов ножницами, началась гроза. Чтобы выяснить, не вызовут ли грозовые разряды сокращения мышц, он препарировал несколько лягушек и подвесил лапки на латунных крюках против железной решетки. При воздействии атмосферного электричества наблюдались аналогичные явления, однако вскоре выяснилось, что и в отсутствие грозы сокращения мышц имели место. Тогда он решил повторить эксперимент в спокойный день, и смог заметить, что подвешенные на латунных крюках лапки подергивались при соприкосновении с железными стержнями балюстрады его балкона.
На основании этих опытов Гальвани пришел к заключению, что мышечные сокращения не связаны с погодой, а обусловлены условиями эксперимента и связаны с прикосновениями крюков к препарату, расположенному на железном брусе. А в ходе дальнейших экспериментов выяснилось, что этот результат получается не только в отсутствие грозовых разрядов, но и без электрической машины. 20 сентября 1786 года он выполнил эксперимент, в котором дотрагивался до нервов и мышц лапки лягушки вилкой, в которой один зуб был медным, а другой железным. Мышцы сокращались при каждом прикосновении, и Гальвани убедился, что это происходит и в том случае, когда лапка отделена от тельца лягушки. Это подтвердилось и в последующих экспериментах.
Теперь Гальвани был уверен, что он наблюдает «животное электричество», «жизненную силу», которая находится в мышцах лягушки. Он предположил, что эту электрическую жидкость вырабатывает мозг, и поток этой жидкости через нервы активирует мышцы. Он пришел к выводу, что этот вид электричества отличается от «статического электричества», получаемого при трении, и от «природного электричества» молнии. Зная, что металлы являются проводниками электричества, он заключил, что «животное электричество» также переносится металлическими предметами.
Ближайшее рассмотрение показывает, что Гальвани невольно открыл три разных явления: распространение электрических волн от разряжающейся электростатической машины; различие потенциалов между разными металлами; разность потенциалов, устанавливаемую внутри тела животного. Однако, будучи прежде всего физиологом и особо интересуясь нервной системой, он сделал вывод, что внутри животного постоянно присутствует электричество.
Гальвани откладывал обнародование своих открытий до 1791 года, когда он опубликовал эссе «De Viribus Electricitatis in Motu Musculari Commentarius» (комментарий к влиянию электричества на мышечные движения). Он заключил, что ткани животных содержат ранее неизвестную внутреннюю «жизненную силу», форму электричества. Упорно отстаивая свою теорию «животного электричества», он вызвал дискуссию, занимавшую научное сообщество в течение десятилетия.
Гальвани руководил своей кафедрой до 1797 года. Будучи цельной натурой, он отказался принести присягу, потребовавшуюся от него после оккупации его страны войсками Наполеона в 1797 году и не признал Наполеона в качестве правителя вновь образованной Приальпийской республики****. В связи с этим он был смещен со своего поста, исключен из списков факультета, и ему прекратили выплачивать жалованье. Вскоре, впрочем, политики изменили свое решение, и Гальвани вновь предложили профессорскую должность, однако этот удачный для него период оказался кратким, так как Гальвани скончался 4 декабря 1798 г. в возрасте 61 года, когда мир находился на пороге великой электрической революции. Все последующее столетие электричество, текущее из «батареи» будут называть «гальваническим током». Его имя останется в терминах «гальванометр», «гальваноскоп», «гальванизация»*****.
Изобретение «батареи»
Когда результаты экспериментов Гальвани с «животным электричеством» были опубликованы, большинство коллег согласились с взглядами исследователя. Исключением оказался его друг Алессандро Вольта (1745 – 1827), которого не удовлетворила аналогия между мышцей и лейденской банкой.
Вольта был профессором физики Университета в Павиа с 1775 года и считался одним из наиболее выдающихся физиков своего времени. В частности, именно он изобрел в 1775 году электростатический генератор.
Имея оттиск работы своего друга, Вольта уяснил все аспекты, важность которых ускользнула от Гальвани. Он стал повторять опыты Гальвани с металлами и препаратами мышц, после чего на основании своих результатов заключил в 1792 году, что животная ткань не является необходимой для прохождения электрического тока. Его открытие означало, что не обязательно было связывать эффект, наблюдавшийся Гальвани, с так называемым «животным электричеством».
Вольта подчеркнул, что электричество возникало от соединения двух различных металлов, а не из ткани животного. Более того, по очереди испытывая электрометром кусочки различных металлов, он сумел расположить их в следующий ряд по величине заряда, передаваемого электрометру: серебро, медь, свинец, олово, цинк. Это означало, что серебро давало больший положительный заряд, чем медь, цинк – более отрицательный заряд, чем олово, а свинец давал очень слабый эффект.
Далее, Вольта удалось показать, что если два разнородных металла дотрагиваются до мышцы, то наблюдаются подергивания, тем более сильные, чем больше различие металлов. Он сделал вывод, что сокращение мышц при контакте с металлами сходно с действием электроскопа, т.е. что лапка лягушки служит тем же, что и металлические фольги в электроскопе******.
Гальвани, смущенный столь спорным толкованием своего открытия, выступил в его защиту в 1794 году, опубликовав анонимный памфлет «О действии проводников на сокращения мышц», в котором описал возможность мышечных сокращений в отсутствие металлов, а только путем прикосновения нерва одной лапки к мышце другой. Вольта отвечал на это, что в данном особом случае лапки лягушки соответствовали различию в характере, составе и массе металлов.
Полемика двух ученых при этом не сопровождалась взаимной враждебностью. Благородство Гальвани и высокие принципы Вольта не позволили проявиться никакой резкости в их отношениях. Действительно, Вольта, который в часть своего друга и предложил термин «гальванизм», писал, что работа Гальвани «содержала одно из самых замечательных и удивительных открытий».
Убедившись, что интерпретация Гальвани «животного электричества» была неверной, Вольта в 1800 году приступил к превращению нового метода получения электричества в полноценный прототип современной батареи. Он вполне уяснил себе идею «емкости» и понял, что, соединив подходящие пары металлических пластин, можно будет построить батарею более мощную, чем слабый источник, состоящий из одной такой пары. Оставалось только поместить пары пластин между прокладками из подходящего материала, пропитанного соленой водой, о которой было известно, что она проводит электричество. В результате получился знаменитый «Вольтов столб».
Первоначальный «столб» Вольта состоял из чередующихся цинковых и медных дисков, разделенных кусочками ткани или картона, смоченными раствором кислоты. Колонку поддерживали три вертикальных стеклянных стержня. Проволока, соединявшая нижний цинковый диск с самым верхним – серебряным – могла последовательно вызывать искрение.
Вольта создал различные столбы, используя тридцать, сорок и шестьдесят элементов. Это позволило ему исследовать действие столба на электрические жидкости в зависимости от числа элементов, и он подтвердил, что сила электрического удара увеличивается при возрастании количества элементов в столбе.
Вольта успешно показал, что его столб отличается от тела, заряженного электричеством с помощью трения, а разряд является длительным процессом. Он продемонстрировал его способность давать удары и искры и описал электрические эффекты, которые этот аппарат обеспечивает так же, как электростатическая машина или лейденская банка. Он отметил также, что, хотя эти эффекты не были очень сильными, тем не менее его аппарат превосходил их по мощности и не нуждался, как лейденская банка, в зарядке от внешнего источника.
Глядя из настоящего времени, можно сказать, что Гальвани и Вольта оба были отчасти правы и отчасти ошибались. Гальвани прав был в том, что причиной сокращения мышц считал электрическое стимулирование, но ошибался, считая это «животным электричеством». Вольта же правильно отрицал существование «животного электричества», но был неправ, считая, что для любых электрофизиологических проявлений необходимы два различных металла как источник тока.
Гальвани и Вольта – только переоткрыватели?
До 1938 года, согласно всем текстам по истории науки, считалось, что электрическую батарею изобрел Вольта в 1800 году. Открытие небольшого сосуда в 1936 году вблизи Багдада позволило предположить, что Вольта вновь изобрел ранее известную батарею. Сосуд, найденный вместе с некоторыми другими специфическими предметами, впервые был описан в 1938 году Вильгельмом Кенигом, который выдвинул идею о том, что это мог быть гальванический элемент. С момента этого открытия ученые во всем мире пытают подтвердить или опровергнуть предположение Кенига.
В настоящей книге излагается история этого открытия и оцениваются аргументы сторонников и противников указанной идеи.
Ссылки даны в хронологическом порядке в конце книги. Там же приведены сноски, разъясняющие, где это необходимо, различные обозначения или события.
Насер Канани
Берлин, весна 2004 года