А теперь речь пойдет об исследованиях, проведенных почти через двести лет после публикации работы Джильберта. Они связаны с именами итальянского профессора анатомии и медицины Луиджи Гальвани и итальянского профессора физики Алессандро Вольта.

В лаборатории анатомии Булонского университета Луиджи Гальвани провел опыт, описание которого потрясло ученых всего мира. На лабораторном столе препарировались лягушки. Задача опыта заключалась в демонстрации и наблюдении обнаженных, нервов их конечностей. На этом столе находилась электростатическая машина, с помощью которой создавалась и изучалась искра. Приведем высказывания самого Луиджи Гальвани из его работы "О силах электрических при мышечных движениях": "... Один из моих помощников острием случайно очень легко коснулся внутренних бедренных нервов лягушки. Лапка лягушки резко дернулась". И далее: ". .. Это удается тогда, когда из конденсатора машины извлекается искра".

Это явление можно объяснить следующим образом. На атомы и молекулы воздуха в зоне возникновения искры действует меняющееся электрическое поле, в результате они приобретают электрический заряд, переставая быть нейтральными. Возникшие ионы и электрически заряженные молекулы распространяются на некоторое, относительно небольшое расстояние от электростатической машины, так как при движении, сталкиваясь с молекулами воздуха, теряют свой заряд. В то же время они могут накапливаться на металлических предметах, хорошо изолированных от поверхности земли, и разряжаются в случае, если возникнет проводящая электрическая цепь на землю. Пол в лаборатории был сухой, деревянный. Он хорошо изолировал помещение, где работал Гальвани, от земли. Предметом, на котором накапливались заряды, был металлический скальпель. Даже легкое касание скальпелем нерва лягушки приводило к "разряду" накопившегося на скальпеле статического электричества, вызывая отдергивание лапки без какого-либо механического разрушения. Само по себе явление вторичного разряда, вызванное электростатической индукцией, уже в то время было известно.

Блестящий талант экспериментатора и проведение большого числа разносторонних исследований позволили Гальвани обнаружить другое важное для дальнейшего развития электротехники явление. Идет опыт по изучению атмосферного электричества. Процитируем самого Гальвани: ". ...Утомленный... тщетным ожиданием.. . начал. .. прижимать медные крючки, воткнутые в спинной мозг, к железной решетке -- лапки лягушки сократились". Результаты эксперимента, проведенного уже не на открытом воздухе, а в помещении при отсутствии каких-либо работающих электростатических машин, подтвердили, что сокращение мышцы лягушки, подобное сокращению, вызванному искрой электростатической машины, возникает при касании тела лягушки одновременно двумя различными металлическими предметами -- проволокой и пластиной из меди, серебра или железа. Такого явления никто до Гальвани не наблюдал. На основе результатов наблюдений он делает смелый однозначный вывод. Существует иной источник электричества, им является "животное" электричество (термин равнозначен термину "электрическая активность живой ткани"). Живая мышца, утверждал Гальвани, представляет собой конденсатор вроде лейденской банки, внутри нее накапливается положительное электричество. Нерв лягушки служит внутренним "проводником". Присоединение к мышце двух металлических проводников вызывает появление электрического тока, что приводит, подобно искре от электростатической машины, к сокращению мышцы.

Гальвани экспериментировал в целях получения однозначного результата только на мышцах лягушки. Возможно именно это позволило ему предложить использовать "физиологический препарат" лапки лягушки в качестве измерителя количества электричества. Мерой количества электричества, для оценки которого служил подобный физиологический индикатор, являлись активность подъема и падения лапки при соприкосновении ее с металлической пластинкой, которой одновременно касается крючок, проходящий через спинной мозг лягушки, и частота подъемов лапки в единицу времени. Некоторое время подобный физиологический индикатор использовался даже крупными физиками, и в частности Георгом Омом.

Электрофизиологический эксперимент Гальвани позволил Алессандро Вольта создать первый электрохимический источник электрической энергии, что, в свою очередь, открыло новую эпоху в развитии электротехники.

Алессандро Вольта одним из первых по достоинству оценил открытие Гальвани. Он повторяет с большой тщательностью опыты Гальвани, получает много данных, подтверждающих его результаты. Но уже в первых своих статьях "О животном электричестве" и в письме к доктору Боронио от 3 апреля 1792 г. Вольта в отличие от Гальвани, трактующего наблюдаемые явления с позиций "животного" электричества, выдвигает на первый план химико-физические явления. Вольта устанавливает важность использования для этих опытов разнородных металлов (цинк, медь, свинец, серебро, железо), между которыми проложена смоченная кислотой ткань.

Вот что пишет Вольта: "В.опытах Гальвани источником электричества является лягушка. Однако, что собой представляет лягушка или вообще любое животное? Прежде всего, это нервы и мышцы, а в них различные химические соединения. Если нервы и мышцы препарированной лягушки соединить с двумя разнородными металлами, то при замыкании такой цепи проявляется электрическое действие. В моем последнем опыте тоже участвовали два разнородных металла -- это станиоль (свинец) и серебро, а роль жидкости играла слюна языка. Замыкая цепь соединительной пластинкой, я создавал условия для непрерывного передвижения электрической жидкости с одного места на другое. Но я ведь мог опустить эти же металлические предметы просто в воду или в жидкость, подобную слюне? Причем здесь "животное" электричество?"

Опыты, проведенные Вольта, позволяют сформулировать вывод о том, что источником электрического действия является цепь из разнородных металлов при их соприкосновении с влажной или смоченной в растворе кислоты тканью.

В одном из писем своему другу врачу Вазаги (опять пример проявления интереса врача к электричеству) Вольта писал: "Я уже давно убедился, что все действие исходит от металлов, от соприкосновения которых электрическая жидкость входит во влажное или водянистое тело. На этом основании я считаю себя вправе приписать все новые электрические явления металлам и заменить название "животное электричество" выражением "металлическое электричество".

По мнению Вольта, лапки лягушки -- чувствительный электроскоп. Возник исторический спор между Гальвани и Вольта, а также между их последователями -- спор о "животном" или ""металлическом" электричестве.

Гальвани не сдавался. Он полностью исключил из эксперимента металл и даже лягушек препарировал стеклянными ножами. Оказалось, что и при таком опыте соприкосновение бедренного нерва лягушки с ее мышцей приводило к хорошо заметному, хотя и значительно меньшему, чем при участии металлов, сокращению. Это была первая фиксация биоэлектрических явлений, на которых построена современная электродиагностика сердечно-сосудистой и ряда других систем человека.

Вольта пытается разгадать природу обнаруженных необычных явлений. Перед собой он четко формулирует следующую задачу: "Что же является причиной возникновения электричества? -- спросил я себя так же, как и каждый из вас сделал бы это. Размышления привели меня к одному решению: от соприкосновения двух разнородных металлов, например серебра и цинка, нарушается равновесие электричества, находящегося в обоих металлах. В точке соприкосновения металлов положительное электричество направляется от серебра к цинку и накапливается на последнем, в то самое время как отрицательное электричество сгущается на серебре. Это значит, что электрическая материя перемещается в определенном направлении. Когда я накладывал друг на друга пластинки из серебра и цинка без промежуточных прокладок, то есть цинковые пластинки находились в соприкосновении с серебряными, то общее их действие сводилось к нулю. Чтобы усилить электрическое действие или суммировать его, следует каждую цинковую пластинку привести в соприкосновение только с одной серебряной и последовательно сложить наибольшее число пар. Это и достигается как раз тем, что на каждую цинковую пластинку я кладу мокрый кусок ткани, отделяя ее тем самым от серебряной пластинки следующей пары". Многое из сказанного Вольта не теряет значения и сейчас, в свете современных научных представлений.

К сожалению, этот спор был трагически прерван. Армия Наполеона оккупировала Италию. За отказ присягнуть новому правительству Гальвани потерял кафедру, был уволен и вскоре скончался. Второй участник спора Вольта дожил до дня полного признания открытий обоих ученых. В историческом споре оба оказались правы. Биолог Гальвани вошел в историю науки как основоположник биоэлектричества, физик Вольта -- как основоположник электрохимических источников тока.

Принято думать, что сделавшие эпоху в развитии учения об электричестве открытия Гальвани были плодом случая. Вероятно, такое мнение основано на начальных словах трактата Гальвани: "Я разрезал и препарировал лягушку... и, имея в виду совершенно другое, поместил её на стол, на котором находилась электрическая машина... Один из моих помощников остриём скальпеля случайно очень легко коснулся внутренних бедренных нервов этой лягушки... Другой заметил... что это удаётся тогда, когда из кондуктора машины извлекается искра... Удивлённый новым явлением, он тотчас же обратил на него моё внимание, хотя я замышлял совсем другое и был поглощён своими мыслями".

Однако случайность открытия была очень незначительной, тот же Гальвани или кто-либо другой непременно пришли бы к открытию явления. Не случайно у Гальвани стояла электрическая машина, так же как и не случайным было то,что он задумал какой-то эксперимент с препаратом. Несомненно, что идеи французских материалистов о материальности психических процессов толкали научную мысль на раскрытие в первую очередь физической природы ощущения, а успехи, достигнутые физиологами, микроскопистами и химиками в понимании таких важных жизненных процессов, как кровообращение, пищеварение, дыхание, стимулировали такие поиски. Изучение электрических явлений, уже сведшее с высот на землю гром и молнию, дало материал ля вывода о важной роли электричества в биологии. Сокращение мышц при электрическом разряде ("электрический удар") приближало мысль, что и в поведении электрических скатов, угрей, сомов мы имеем дело также с электрическим ударом. И, действительно, опыты Джона Уолша (Walsh) и Ларошели доказали электрическую природу удара ската, а анатом Гунтер дал точное описание электрического органа этого животного. Исследования Уолша и Гунтера были опубликованы в "Phil. Trans." в 1773 г. Случайное открытие философа Зульцера в 1752 г., что прикосновение к кончику языка двух разнородных металлов вызывает своеобразное кислое вкусовое ощущение, было им описано, ибо автор чувствовал научный интерес этого открытия в эпоху изучения действия физических раздражителей. В числе этих физических раздражителей первое место занимало электричество, и практическая медицина возлагала большие надежды на электрические методы лечения.

О степени интереса к электрическим методам лечения можно судить, например, по письму Марата к Руму де-Сен-Лорен от 9 ноября 1783 г., в котором он сообщает о своих физических исследованиях и об отношении к ним академии. Из письма и приложенных к нему документов, между прочим, видно, что врач и физик Марат, будущий знаменитый "друг народа", с успехом применял физические методы лечения и разработал интересную методику экспериментального исследования природы огня, света и электричества. Опыты Марата привлекали большое внимание, в том числе и таких деятелей, как Франклин. Специально по вопросу об электромедицине Марат говорит в этом письме о своём намерении "заняться электричеством в области медицины, наукой, которая так сильно интересует общество" . Критикуя премированную работу аббата Бертелона, который "выдаёт электризацию за универсальное средство от всех болезней", Марат сообщает о своей работе, получившей премию Руанской академии, предложившей конкурсную тему: "Определить степень и условия, при которых можно рассчитывать на электричество в лечении болезней". Как видим, интерес к электромедицине в эпоху Гальвани был значительным.

Письмо Марата, в котором он обвиняет академию в невнимании к его научным заслугам, интересно и в другом отношении. Разработанная Маратом методика наблюдений в тёмной комнате позволила, по его утверждению, видеть материю огня и электричества, наблюдать дифракцию у краёв призмы. Эти идеи Марата - несомненный отзвук увлечения различными "флюидамрг", в том числе и психическими флюидами. Академия, не нашедшая возможным проверить опыты Марата, оказалась вынужденной образовать авторитетную комиссию для проверки опытов заведомого шарлатана Месмера. Месмер, прибывший в Париж в 1771 г., ловко использовал модные научные теории об огненных, электрических, магнитных и других флюидах и утверждал, что им открыт новый вид тонкого агента - "животный магнетизм". "Животный магнетизм,- говорил Месмер,- может скопляться, концентрироваться и переноситься без помощи тел посредствующих; он отражается, как свет...". Само собой разумеется, что "животный магнетизм есть универсальное лекарство и спаситель человеческого рода". Месмер имел большой успех, его поклонники собирали ему огромные суммы денег, преследовали противников месмеризма вплоть до нападения на Бертолле; король предлагал ему пожизненную пенсию в 20 тысяч франков за раскрытие секрета.

После его отъезда из Франции была образована правительственная комиссия в составе четырёх медиков и академиков - Леруа, Бори, Лавуазье и Бальи. Бальи представил доклад комиссии в августе 1784 г. Этот доклад вызвал протесты и возражения со стороны месмеристов, так как комиссия после тщательного анализа фактов пришла к выводу, что постоянного агента не существует и что случаи излечения им нервных трансов имеют своим источником воображение. Вообще говоря, в донесении комиссии не говорится о невозможности животного магнетизма, такая гипотеза не противоречила научным воззрениям того времени, но она не обнаружила неизменного действия в проверенных ею фактах, а потому и констатировала отсутствие физического агента в этих фактах.

Таким образом, ко времени начала опытов Гальвани (1786) не было недостатка в попытках физической трактовки психических и физиологических явлений. Практическая медицина сделала свои выводы из успехов естествознания и из научных воззрений эпохи, почва для возникновения учения о животном электричестве была вполне подготовлена.

Нет ничего удивительного в том, что профессор анатомии и медицины Болонского университета Луиджи Гальвани (родился 19 сентября 1737 г., умер 4 декабря 1798 г.) был необычайно поражён наблюдением, сделанным его сотрудниками, с описания которого начинается его знаменитый трактат "О силах электричества при мышечном движении". Как справделйво указал впоследствии Вольта, в самом факте вздрагивания лапки препарированной лягушки при электрическом разряде с физической точки зрения не было ничего нового: это явление электрической индукции, а именно явление так называемого возвратного удара, разобранного Магоном в 1779 г. Но Гальвани подошёл к факту не как физик, а как физиолог, его заинтересовала способность мёртвого препарата проявлять жизненные сокращения под влиянием электричества.

Он с величайшим терпением и искусством исследовал эту способность, изучая её локализацию в препарате, условия возбудимости, действие различных форм электричества и в частности атмосферного электричества. Классические опыты Гальвани сделали его отцом электрофизиологии, значение которой в наше время трудно переоценить. Но Гальвани во время исследования действия атмосферы на препарат пришёл к замечательному открытию. Тщетно ожидая сокращения мышц в ясную погоду, он, "утомлённый... тщетным ожиданием... начал прижимать медные крючки, воткнутые в спинной мозг, к железной решетке" * ... "Хотя я,- говорит он далее,- нередко наблюдал сокращения, но ни одно не соответствовало перемене в состоянии атмосферы и электричества... Когда же я перенёс животное в закрытую комнату, поместил на железной пластине и стал прижимать к ней проведённый через спинной мозг крючок, то появились такие же сокращения, такие же движения". Отсюда Гальвани, осуществив ряд экспериментов, приходит к выводу о существовании нового источника и нового вида электричества. Его приводят к такому выводу опыты составления замкнутой цепи из проводящих тел и металлов и лягушечного препарата. Особенно эффектен следующий опыт: "если держать висящую лягушку пальцами за одну лапку так, чтобы крючок, проходящий через спинной мозг, касался бы какой-нибудь серебряной пластинки, а другая лапка свободно могла бы касаться той же пластинки, то как только эта лапка касается указанной пластинки, мышцы начинают немедленно сокращаться. При этом лапка встаёт и поднимается и затем, вновь упав на пластинку, вместе с тем приходит в соприкосновение с последней, снова по той же причине поднимается вверх, и, таким образом, продолжает далее попеременно подниматься и падать, так что эта лапка, к немалому восхищению и радости наблюдающего за ней, начинает, кажется, соперничать с каким-то электрическим маятником".

* (В первоначальном рассказе Гальвани (см. Розенбергер, П) упоминание о медных крючках отсутствует и появилось позднее в его трактате,откуда и цитируется при ведённая нами выдержка. )

В такой сложной форме был открыт новый источник электричества, создающий в проводящей замкнутой цепи длительный разряд. Естественно, что физиолог Гальвани не мог допустить и мысли, что причина явления кроется в контакте разнородных металлов, и предложил, что мышца является своеобразной батареей лейденских банок, непрерывно возбуждаем эй действием мозга, которое передаётся по нервам.

Теория животного электричества подводила базу под практическую электромедицину, и открытие Гальвани произвело сенсацию. В числе ревностных адептов новой теории оказался и знаменитый Вольта, не замедливший приступить к проверке и к тщательному количественному исследованию явления. Это исследование он предпринял во всеоружии современной ему электрометрической техники. В первых своих статьях ("О животном электричестве", письмо доктору Баронио отЗ апреля 1792 г., и двух статьях "О животном электричестве", напечатанных в "Физико-медицинском журнале" Брунвелли) Вольта разделяет точку зрения Гальвани. Однако уже здесь намечается будущий отход, от этой теории, выдвигаются на первый план физические моменты эффекта. Прежде всего Вольта устанавливает, что соответствующим образом "препарированная лягушка представляет, если можно так выразиться, животный электрометр, несравненно более чувствительный, чем всякий другой самый чувствительный электрометр".

Затем Вольта устанавливает важность контакта разнородных металлов. "Такое различие металлов безусловно необходимо; если же обе обкладки из одного и того же металла, то следует, чтобы они отличались, по крайней мере, по способу их приложения..." (т. е. по состоянию контактной поверхности). Далее Вольта показывает, что ток электрического флюида обусловлен контактом разнородных металлов и может производить не только мышечные сокращения, но и другие раздражения нервов. В частности Вольта повторяет опыт Зульцера (не зная пока, что этот опыт был уже осуществлён) и обращает внимание, "что этот вкус продолжает ощущаться и даже усиливается в продолжение всего времени, пока эти два металла, олово и серебро, остаются приложенными один к кончику языка, другой к другим частям последнего и пока они соприкасаются друг с другом, составляя некоторую проводящую дугу. Это доказывает, что переход электрического флюида с одного места на другое совершается постоянно и беспрерывно". Наконец, Вольта устанавливает полярность эффекта: перемена обкладок местами вызывает изменение вкуса с кислого на щелочной. В свете этих фактов теория мышечной лейденской банки Вольта представляется несостоятельной.

В последующих статьях: "Описание открытий Гальвани" (два письма к члену Королевского общества - Кавалло), "Третья статья о животном электричестве" (письмо к проф. Альдини - племяннику Гальвани) и "Новая статья о животном электричестве" (три письма к Вассали - профессору Туринского университета), Вольта полностью порывает с теорией животного электричества и даёт физическую трактовку эффекта. Во втором письме к Кавалло Вольта пишет: "... я открыл новый весьма замечательный закон, который относится собственно не к животному электричеству, а к обычному электричеству, так как этот переход электрического флюида, переход, который не является моментальным, каким был бы разряд, но постоянным и продолжающимся всё время, пока сохраняется сообщение между обеими обкладками,имеет место независимо от того,наложена ли эта обкладка на живое или мёртвое животное вещество, или на другие не металлические, но достаточно хорошие проводники, как, например, на воду или на смоченные ею тела". А первое письмо к Вассали (от 10 февраля 1794 г.) Вольта прямо начинает вопросом: "Что вы думаете о так называемом животном электричестве? Что касается меня, то я давно убеждён, что всё действие возникает первоначально вследствие прикосновения металлов к какому-нибудь влажному телу или самой воде".

Физиологические раздражения нервов являются результатом проходящего тока, и эти раздражения "тем сильнее, чем дальше отстоят друг от друга применённые два металла в том ряду, в каком они поставлены нами здесь: цинк, оловянная фольга, обыкновенное олово в пластинках, свинец, железо, латунь и различного качества бронза, медь, платина, золото, серебро, ртуть, графит". Этот знаменитый ряд напряжений Вольта и открытый им закон напряжений составляют ядро всего эффекта. Животные органы, по Вольта, "являются чисто пассивными, простыми, очень чувствительными электрометрами, и активны не они, а металлы, т. е. что от соприкосновения последних и происходит первоначальный толчок электрического флюида, одним словом, что такие металлы не простые проводники или передатчики тока, но настоящие двигатели электричества..." . В одном из примечаний к этой статье Вольта вновь подчёркивает, что к идее о контактном напряжении он пришёл уже более трёх лет тому назад и уже в 1793 г. дал свой ряд металлов.

Таким образом, суть эффекта заключается, по мнению Вольта, в свойстве проводников "вызывать и приводить в движение электрический флюид там, где несколько таких проводников разного класса и сорта встречаются и соприкасаются между собою".

"Отсюда и получается, что если из них три и больше, и притом различные, составляют вместе проводящую цепь, если, например, между двумя металлами - серебром и железом, свинцом и латунью, серебром и цинком и т. д.- ввести один или более проводников, именно из того класса, который назван классом влажных проводников, так как они представляют жидкую массу или содержат некоторую влагу (к ним причисляются животные тела и все их свежие и сочные части), если, говорю я, проводник этого второго класса находится в середине и соприкасается с двумя проводниками первого класса из двух различных металлов, то вследствие этого возникает постоянный электрический ток того или иного направления, смотря по тому, с какой из сторон действие на него оказывается сильнее в результате такого соприкосновения".

Так ясно и чётко Вольта сформулировал условия возникновения постоянного тока: наличие замкнутой цепи из различных проводников, причём по крайней мере один должен быть проводником второго класса и соприкасаться с различными проводниками первого класса. Когда гальванисты возражали опытами, в которых мышечные движения возбуждались дугой из однородного проводника и даже, как в опытах Валли, соприкосновениями различных препаратов без металлического проводника, то Вольта указывал, что и в этих опытах имеется неоднородность. Концы одной проводящей дуги различны, осуществить их полную однородность почти невозможно, контактная разность может возникнуть и при соприкосновении различных проводников второго класса. "... Неметаллические проводники, проводники жидкие или содержащие в себе в той или иной мере влагу, те, которые мы называем проводниками второго класса, и они одни, сочетаясь друг с другом, будут являться возбудителями, как металлы, или проводники первого класса в сочетании с проводниками второго класса...".

В дальнейшем Вольта в целях устранения всяких сомнений в не физиологической, а чисто физической сути дела исключает животные препараты, служившие до тех пор индикаторами тока. Он разрабатывает методику измерений контактных разностей потенциалов своим конденсаторным электрометром. Об этих классических опытах Вольта сообщает в письме к Грену 1795 г. и Альдини в 1798 г.

20 марта 1800 г. Вольта написал свое знаменитое письмо Бенксу с описанием своего столба,- изобретения, произведшего подлинную революцию в науке об электричестве. В письме к Барту от 29 августа 1801 г. Вольта сообщает о найденном им законе напряжения для проводников первого класса . 7 и 21 ноября 1801 г. в Париже он прочитал две лекции о своем столбе и законе напряжений. Первое сообщение об этих лекциях было опубликовано Пфаффом в IX томе гильбертовских "Анналов" за 1801 г., второе - Био в X томе тех же "Анналов". Так завершилась история выдающегося открытия и вместе с тем история научной деятельности Гальвани и Вольта * .

* (Александр Вольта родился в Комо 19 февраля 1745 г. Уже с 18 лет ведёт переписку с Нолле по вопросам физики, на девятнадцатом году написал латинскую поэму о современных физико-химических открытиях. Первая работа 1764 г. посвящена лейденской банке, следующая работа 1771 г.- "Эмпирические исследования способов возбуждения электричества и улучшение конструкции машины". С 1774 г.- преподаватель физики в Комо. В 1777 г. изобретает электрофор, затем конденсатор и электрофор с конденсатором. Занимаясь исследованием горючего газа, изобретает электрический пистолет, водородную лампу, эвдиометр. С 1777 г.- профессор физики в Павии. В 1793 г. занимается опытами по расширению газов. В восьмидесятых годах изобретает пламенный зонд. За изобретение столба получил награду от Наполеона, был избран членом Института. После своего знаменитого изобретения отошёл от научной работы и только в 1817 г. опубликовал два исследования о граде и о периодичности гроз. В 1819 г. оставил профессорскую кафедру. Умер 5 марта 1827 г. в один день с Лапласом. )

Природа открытого эффекта была очень сложна, и при тогдашнем уровне физико-химических наук и физиологии раскрыть картину явления было невозможно. В споре о природе явления по существу оказались правы обе стороны. Гальвани стал основоположником электрофизиологии, а Вольта - основоположником учения об электричестве. В лабиринте противоречивых опытов и наблюдений Вольта нащупал правильный путь, нашёл опытный физический закон напряжений, дал правильное описание цепи электрического тока. Впереди ещё предстояли большие споры по вопросу о причине и природе контактной разности потенциалов, но в её существовании уже сомнений не оставалось, а в вольтовом столбе наука получила мощное орудие исследования, которым она и не замедлила воспользоваться.

Луиджи Гальвани - исследователь биоэлектричества

Родился 9 сентября 1737 года в Болоньи (папская область), жил и умер там же в 4 декабря 1798, прожив полных 61 год. По роду деятельности он был врачом, физиком и философом, что в то время было вполне обыденным. Его латинское имя читается как Aloysius Galvani (Алоизий Гальвани).

Луиджи Гальвани был первым, кто начал исследовать биоэлектричество . В 1780 году Луиджи проводил эксперименты над телами мёртвых лягушек. Он пропустил через их мышцы электрической ток, и лапки дёрнулись, мышцы начали сокращаться. Это был первый шаг на пути изучения сигналов нервной системы.

Краткая биография

Луиджи Гальвани (1737-1798)

Родился от Доминико и его четвёртой жены Барбары Фоски. Родители Луиджи не были аристократами, но они имели достаточно средств, чтобы дать образование одному из детей. Луиджи Гальвани хотел получить церковное религиозное образование, в ту эпоху это было во многом престижно, и он 15 лет обучался в религиозном институте, а именно в молельне Padri Filippini (Oratorio dei Padri Filippini). В дальнейшем он собирался принять религиозные обеты, но его родители убедили его не делать этого и продолжить своё образование дальше. Примерно в 1755 году Луиджи поступил на факультет искусств университета Болоньи. Там же Луиджи прошёл медицинский курс в котором он изучил труды Гиппократа , Галена и Авиценны (Ибн Сина ). Кроме изучения трудов, Луиджи занимался медицинской практикой, в том числе хирургической. Это позволило ему в дальнейшем заняться изучением исследованием биоэлектричества .

В 1759 году, Луиджи Гальвани получил степень в медицине и философии, что давало ему право читать лекции в университете после защиты диссертации, которую он защитил в 21 июня 1761 года. Уже в 1762 году он стал почётным лектором по анатомии и хирургии. В этом же году он женился на Люсии Галеззи (Lucia Galeazzi) - дочери одного из профессоров университета. Луиджи переехал жить в дом профессора Галеззи (Galeazzi) и помогал ему в его исследованиях. После смерти своего тестя в 1775 году, Луиджи Гальвани был назначен преподавателем вместо умершего Галеззи.

В обязанность Гальвани как члена Академии наук с 1776 года входило регулярное проведение исследований в области практической анатомии человека. Он должен был публиковать как минимум одно исследование в год.

Эксперименты с лягушками

По прошествии нескольких лет, Луиджи Гальвани стал проявлять интерес к медицинскому использованию электричества. Эта сфера исследований появилась с середины 18-го века, после того, как было обнаружено действие электричества на организм человека.

Схема эксперимента Луиджи Гальвани с телом лягушки, примерно конец 1780-х

Существует легенда, согласно которой начало экспериментов с биоэлектричеством было положено со случая, произошедшего следующим образом.

Луиджи положил мёртвую лягушку на стол, чтобы экспериментировать с её кожей для выработки статического электричества . До этого на столе уже проводились опыты со статическим электричеством, и получилось так, что его ассистент (помощник) прикоснулся металлическим скальпелем на котором был электрический заряд к открытому седалищному нерву лягушки. Должно быть он собирался её препарировать. Но тут случилась неожиданное. Помощник увидел искры и нога мёртвой лягушки сократилась как при жизни.

Это наблюдение было первым шагом к тому, чтобы начать исследование биоэлектричества . Была обнаружена связь, между нервной деятельностью и электричеством, между биологической жизнью и электрическими сигналами. Стало очевидным, что мышечная деятельность осуществляется с помощью электричества, с помощью тока в электролитах. До этого в науке было принято считать, что мышечная активность происходит посредством некой субстанции называемой именем стихий воздуха и воды.

Гальвани ввёл термин - животное электричество (animal electricity) для описания той силы, которая активирует мышцы. Это явление в дальнейшем назвали гальванизм (galvanism ), но уже после Гальвани по предложению его современников.

На сегодняшний момент изучением гальванических эффектов биологии занимается такой раздел как электрофизиология. Название гальванизм больше используется в историческом контексте, чем в научном.

Гальвани против Вольта

Профессор экспериментальной физики Алессандро Вольта в университете Павии (Pavia) был первым учёным, который засомневался в правильности экспериментов Гальвани и продолжил исследования.

Его целью было выявить, действительно ли причиной сокращения мышц является биоэлектричество , или же оно происходит в следствие металлического контакта. Подразумевалось, что живые клетки не могут вырабатывать электричество, а значит тогда и нет никакого животного электричества.

Алессандро Вольта проверил свою гипотезу и выяснил, что действительно, живые клетки способны вырабатывать электричество, а значит биоэлектричество существует, живые клетки являются источниками тока. Гипотеза Вольта, что мышцы сокращаются только в следствие внешнего электричества, когда касаются металлическим предметом имеющим статический заряд, была им же и опровергнута. Дальнейшие исследования Алессандро Вольта привели его к созданию гальванической батареи, в которых используются электрохимические явления подобные тем, что происходят в живых клетках.

В результате исследований Вольта обнаружил, что каждая клетка имеет свой клеточный потенциал, что биоэлектричество имеет те же самые химические основы, что и электрохимические ячейки, дающие разность потенциалов . Алессандро Вольта проявил уважение к своему коллеги и ввёл термин гальванизм , чтобы подчеркнуть заслугу Луиджи Гальвани в открытии биоэлектричества . Однако, Вольта возражал, против некоего особого электричества в виде животной электрической жидкости , и был прав. Наградой стало создание химических источников тока - гальванических элементов. Алессандро Вольта первый построил химические батареи состоящие из многих гальванических элементов. Такие батареи носили название вольтов столб , из многих элементов собирался источник со значением ЭДС более 100 Вольт, что позволило проводить дальнейшее изучение явлений электричества.

Сочинения Луиджи Гальвани

Основная работа Луиджи Гальвани по биоэлектричеству называется De Viribus Electricitatis in Motu Musculari Commentarius (формат PDF) , в переводе на русский язык Трактат о силах электричества при мышечном движении (формат djvu) . Эти работы вы можете скачать для углублённого изучения и расширения своего кругозора.

Гальванический элемент – это источник электрической энергии, принцип действия основан на химических реакциях. Большинство современных батареек и аккумуляторов подпадает под определение и относится к рассматриваемой категории. Физически гальванический элемент состоит из проводящих электродов, погруженных в одну или две жидкости (электролиты).

Общая информация

Гальванические элементы делятся на первичные и вторичные в соответствии со способностью вырабатывать электрический ток. Оба вида считаются источниками и служат для различных целей. Первые вырабатывают ток в ходе химической реакции, вторые функционируют исключительно после зарядки. Ниже обсудим обе разновидности. По количеству жидкостей различают две группы гальванических элементов:

Непостоянство источников питания с единственной жидкостью заметил Ом, открыв неприемлемость гальванического элемента Волластона для экспериментов по исследованию электричества. Динамика процесса такова, что в начальный момент времени ток велик и вначале растёт, потом за несколько часов падает до среднего значения. Современные аккумуляторы капризны.

История открытия химического электричества

Мало известен факт, что в 1752 году гальваническое электричество упоминалось Иоганном Георгом. Издание Исследование происхождения приятных и неприятных ощущений, выпущенное Берлинской академией наук, даже придавало явлению вполне правильное толкование. Опыт: серебряную и свинцовую пластины соединяли с одного конца, а противоположные с разных сторон прикладывались к языку. На рецепторах наблюдается вкус железного купороса. Читатели уже догадались, описанный способ проверки батареек часто использовали в СССР.

Объяснение явления: видимо, имеются некие частицы металла, раздражающие рецепторы языка. Частицы испускаются одной пластиной при соприкосновении. Причём один металл при этом растворяется. Собственно, налицо принцип действия гальванического элемента, где цинковая пластина постепенно исчезает, отдавая энергию химических связей электрическому току. Объяснение сделано за полвека до официального доклада Королевскому обществу Лондона Алессандро Вольта об открытии первого источника питания. Но, как происходит часто с открытиями, к примеру, электромагнитным взаимодействием, опыт остался незамечен широкой научной общественностью и не исследован должным образом.

Добавим, это оказалось связано с недавней отменой преследования за колдовство: немногие решались после печального опыта «ведьм» на изучение непонятных явлений. Иначе обстояло дело с Луиджи Гальвани, с 1775 года работающим на кафедре анатомии в Болонье. Его специализаций считались раздражители нервной системы, но светило оставил значимый след не в области физиологии. Ученик Беккарии активно занимался электричеством. Во второй половине 1780 года, как следует из воспоминаний учёного (1791, De Viribus Electricitatis in Motu Muscylary: Commentarii Bononiensi, том 7, стр. 363), в очередной раз производилось препарирование лягушки (опыты и потом длились долгие годы).

Примечательно, что необычное явление подмечено ассистентом, в точности, как с отклонением стрелки компаса проводом с электрическим током: открытие сделали лишь косвенно связанные с научными исследованиями люди. Наблюдение касалось подергиваний нижних конечностей лягушки. В ходе опыта ассистент задел внутренний бедренный нерв препарируемого животного, ножки дёрнулись. Рядом, на столе стоял электростатический генератор, на приборе проскочила искра. Луиджи Гальвани немедленно загорелся идеей повторить опыт. Что удалось. И опять на машине проскочила искра.

Образовалась параллель связи с электричеством, и Гальвани возжелал узнать, станет ли на лягушку действовать подобным образом гроза. Оказалось, что природные катаклизмы не оказывают заметного воздействия. Лягушки, прикреплённые медными крючками за спинной мозг к железной ограде, дёргались вне зависимости от погодных условий. Опыты не удавалось реализовать со 100-процентной повторяемостью, атмосфера воздействия не оказывала. В итоге Гальвани нашёл сонм пар, составленных из разных металлов, которые при соприкосновении между собой и нервом вызывали подёргивание лапок у лягушки. Сегодня явление объясняют различной степенью электроотрицательности материалов. К примеру, известно, что нельзя алюминиевые пластины клепать медью, металлы составляют гальваническую пару с ярко выраженными свойствами.

Гальвани справедливо заметил, что образуется замкнутая электрическая цепь, предположил, что лягушка содержит животное электричество, разряжаемое подобно лейденской банке. Алессандро Вольта не принял объяснения. Внимательно изучив описание экспериментов, Вольта выдвинул объяснение, что ток возникает при объединении двух металлов, непосредственно или через электролит тела биологического существа. Причина возникновения тока кроется в материалах, а лягушка служит простым индикатором явления. Цитата Вольты из письма, адресованного редактору научного журнала:

Проводники первого рода (твёрдые тела) и второго рода (жидкости) при соприкосновении в некоторой комбинации рождают импульс электричества, сегодня нельзя объяснить причины возникновения явления. Ток течёт по замкнутому контуру и исчезает, если целостность цепи нарушена.

Вольтов столб

Лепту в череду открытий внёс Джованни Фаброни, сообщивший, что при размещении двух пластинок гальванической пары в воду, одна начинает разрушаться. Следовательно, явление имеет отношение к химическим процессам. А Вольта тем временем изобрёл первый источник питания, долгое время служивший для исследования электричества. Учёный постоянно искал способы усиления действия гальванических пар, но не находил. В ходе опытов создана конструкция вольтова столба:

1. Попарно брались цинковые и медные кружки в плотном соприкосновении друг с другом.
2. Полученные пары разделялись мокрыми кружками картона и ставились друг над другом.

Легко догадаться, получилось последовательное соединение источников тока, которые суммируясь, усиливали эффект (разность потенциалов). Новый прибор вызывал при прикосновении ощутимый для руки человека удар. Подобно опытам Мушенбрука с лейденской банкой. Однако для повторения эффекта требовалось время. Стало очевидно, что источник энергии имеет химическое происхождение и постепенно возобновляется. Но привыкнуть к понятию нового электричества оказалось непросто. Вольтов столб вёл себя подобно заряженной лейденской банке, но…

Вольта организует дополнительный эксперимент. Снабжает каждый из кружков изолирующей ручкой, приводит в соприкосновение на некоторое время, потом размыкает и проводит исследование электроскопом. К тому времени уже стал известен закон Кулона, выясняется, что цинк зарядился положительно, а медь – отрицательно. Первый материал отдал электроны второму. По указанной причине цинковая пластина вольтова столба постепенно разрушается. Для изучение работы назначили комиссию, которой представили доводы Алессандро. Уже тогда путём умозаключений исследователь установил, что напряжение отдельных пар складывается.

Вольта объяснил, что без мокрых кружков, прокладываемых между металлами, конструкция ведёт себя как две пластинки: медная и цинковая. Усиления не происходит. Вольта нашёл первый ряд электроотрицательности: цинк, свинец, олово, железо, медь, серебро. И если исключить промежуточные металлы между крайними, «движущая сила» не изменяется. Вольта установил, что электричество существует, пока соприкасаются пластины: сила не видна, но легко чувствуется, следовательно, она истинна. Учёный 20 марта 1800 года пишет президенту Королевского общества Лондона сэру Джозефу Бэнксу, к которому обращался впервые и Майкл Фарадей.

Английские исследователи быстро обнаружили: если на верхнюю пластину (медь) капнуть воды, в указанной точке в районе контакта выделяется газ. Они проделали опыт с обоих сторон: провода подходящей цепи заключили в колбы с водой. Газ исследовали. Оказалось, что газ горючий, выделяется лишь с единственной стороны. С противоположной заметно окислилась проволока. Установлено, что первое является водородом, а второе явление происходит вследствие избытка кислорода. Установлено (2 мая 1800 года), что наблюдаемый процесс — разложение воды под действием электрического тока.

Уильям Крукшенк немедленно показал, что аналогичное допустимо проделать с растворами солей металлов, а Волластон окончательно доказал идентичность вольтова столба статическому электричеству. Как выразился учёный: действие слабее, но обладает большей продолжительностью. Мартин Ван Марум и Христиан Генрих Пфафф зарядили от элемента лейденскую банку. А профессор Хампфри Дэви установил, что чистая вода не может служить в этом случае электролитом. Напротив, чем сильнее жидкость способна окислять цинк, тем лучше действует вольтов столб, что вполне согласовывалось с наблюдениями Фаброни.

Кислота намного улучшает работоспособность, ускоряя процесс выработки электричества. В конце концов Дэви создал стройную теорию вольтова столба. Он пояснил, что металлы изначально обладают неким зарядом, при замыкании контактов вызывающим действие элемента. Если электролит способен окислять поверхность донора электронов, слой истощённых атомов постепенно удаляется, открывая новые слои, способные давать электричество.

В 1803 году Риттер собрал столб из чередующихся кружков серебра и мокрого сукна, прообраз первого аккумулятора. Риттер зарядил его от вольтова столба и наблюдал процесс разрядки. Правильное толкование явлению дал Алессандро Вольта. И лишь в 1825 году Огюст де ла Рив доказал, что перенос электричества в растворе осуществляется ионами вещества, наблюдая образование оксида цинка в камере с чистой водой, отделённой от соседней мембраной. Заявление помогло Берцелиусу создать физическую модель, в которой атому электролита представлялись составленными из двух противоположно заряженных полюсов (ионов), способных диссоциировать. В результате получилась стройная картина переноса электричества на расстояние.

Казалось бы, XVII век очень немного внес в развитие познания электрических и магнитных явлений, но именно тогда был заложен фундамент и дан мощный импульс исследованиям этих явлений в последующих столетиях.

Во время опытов с электрической машиной, проводимых учеными XVIII века, замечали переход электричества с натираемого стеклянного круга на кондуктор. Много раз пробовали разряжать «лейденскую банку» через длинную цепь взявшихся за руки людей, но никто не высказал ясной мысли о возможности длительного течения электричества по проводникам.

Открытию электрического тока предшествовали опыты итальянского анатома Луиджи Гальвани.

Работая в лаборатории, где проводились опыты с электричеством, Гальвани наблюдал явление, которое было известно многим еще до него. Оно заключалось в том, что если через нерв лягушачьей ножки, соединённой проволочкой с землей, разряжать кондуктор электрической машины, то наблюдались судорожные сокращения её мышц. Но однажды Гальвани заметил, что лапка пришла в движение, когда с ее нервом соприкасался только стальной скальпель. Удивительнее всего было то, что между электрической машиной и скальпелем не было никакого контакта. Это поразительное открытие заставило Гальвани поставить ряд опытов для обнаружения причины наблюдаемого явления. В один из осенних дней 1780 года Гальвани провел эксперимент с целью выяснить, вызывает ли такие же движения в лапке электричество молнии. Для этого Гальвани подвесил на латунных крючках несколько лягушачьих лапок в окне, закрытом железной решеткой. И он обнаружил в противоположность своим ожиданиям, что сокращения лапок происходят в любое время, вне всякой зависимости от состояния погоды. Присутствие рядом электрической машины или другого источника электричества оказалось ненужным. Гальвани установил далее, что вместо железа и латуни можно использовать любые два разнородных металла, причем комбинация меди и цинка вызывала явление в наиболее отчетливом виде. Стекло, резина, смола, камень и сухое дерево вообще не давали никакого эффекта. К сожалению, Гальвани пришел к заключению, что в тканях тела лягушки заключается «животное электричество». Поэтому при соединении проводниками (медь, железо) нерва с мускулами происходит разряд. В результате его современникам понятие «животного электричества» стало казаться гораздо более реальным, чем электричество какого-либо другого происхождения. Обнаружение электрического тока все еще оставалось тайной. Где же появляется ток: только в тканях тела лягушки, только в разнородных металлах или же в комбинации металлов и тканей?

Луиджи Гальвани (1737–1798) – итальянский врач, анатом и физиолог, один из основателей электрофизиологии. Образование получил в Болонском университете, там же преподавал медицину.

Алессандро Вольта (1745–1827) – итальянский физик и физиолог, один из основоположников учения об электричестве. Установил связь между количеством электричества, емкостью и напряжением, изобрел первый химический источник тока на медно-цинковой паре («вольтов столб», или «батарея Вольта»). В апреле 1800 г. в Париже Вольта был принят Первым консулом Франции – Наполеоном. Наполеон интересовался науками, справедливо полагая, что сила государства в новом веке немыслима без процветания просвещения. Продемонстрировав восхищенному Наполеону свои опыты, Вольта стал рыцарем Почетного легиона, получил звание сенатора и графа.

Вольта прожил долгую и счастливую жизнь. К сожалению, почти все его личные вещи, приборы, а также 11 громадных папок его трудов сгорели во время пожара. Но Вольта вечен в вольте – единице электрического напряжения.

К счастью, история распорядилась так, что результаты опытов Гальвани, изложенные им в его знаменитом «Трактате об электрических силах при мышечном движении», увидевшем свет в 1791 году, попались на глаза итальянскому ученому Алессандро Вольта.

Потрясенный Вольта перечитывает трактат и находит в нем то, что ускользнуло от внимания самого автора, – упоминание о том, что эффект содрогания лапок наблюдался лишь тогда, когда лапок касались двумя различными металлами. Вольта решает поставить видоизмененный опыт, но не на лягушке, а на самом себе. «Признаюсь, – писал он, – я с неверием и очень малой надеждой на успех приступил к первым опытам: такими невероятными казались они мне, такими далекими от всего, что нам доселе известно было об электричестве... Ныне я обратился к опытам, сам был очевидцем, сам производил чудное действие и от неверия перешел, может быть, к фанатизму!»

Теперь Вольту можно было увидеть за странным занятием: он брал две монеты – обязательно из разных металлов – и... клал их себе в рот – одну на язык, другую – под язык. Если после этого монеты или кружочки Вольта соединял проволочкой, он чувствовал кисловатый вкус, тот самый вкус, но гораздо слабее, что мы можем чувствовать, лизнув одновременно два контакта батарейки. Из опытов, проведенных раньше с электрофором, Вольта знал, что такой вкус вызывается электричеством. Вольта предположил, что причиной явления, наблюдавшегося Гальвани, служило присутствие двух разных металлов. Руководствуясь этой мыслью, он поставил много опытов и, наконец, сделал важное открытие, о чем сообщил в 1800 году Лондонскому королевскому обществу. Вольта писал, что он нашел новый источник электричества, действующий подобно батарее слабо заряженных «лейденских банок». Однако в отличие от гальванической батареи его прибор заряжается сам собой и разряжается непрерывно. При этом он дал и описание своего прибора.

15 июня 1802 г. во Франции, в то время одной из самых передовых в научном отношении стран, учреждается государственная премия в виде золотой медали и солидной денежной суммы «тому, кто своими открытиями, подобно Вольте и Франклину, продвинет вперед науку об электричестве и магнетизме». Отдавший это распоряжение Первый консул, будущий император Наполеон I, заканчивает свое указание пророческими словами: «Моя цель состоит в поощрении, в привлечении внимания физиков к этому отделу физики, представляющему, как мне чувствуется, путь к великим открытиям». Первым этой награды был удостоен в 1806 г. Гемфри Дэви. Кстати, французская премия была вручена англичанину именно в тот момент, когда эти страны находились в состоянии войны. Однако никакого возмущения общественности не последовало. Со стороны Наполеона I это действительно был поступок, достойный подражания.

Вольта устроил свой прибор так. Он поставил друг на друга несколько дюжин попарно собранных цинковых и медных кружков, разделенных бумагой, смоченной соленой водой. Когда экспериментатор прикасался одной рукой к нижнему медному, а другой рукой – к верхнему цинковому кружкам, то испытывал сильный электрический удар. При этом прибор не разряжался, и, сколько бы раз он не касался кружков, удар повторялся, т.е. заряд электричества возникал непрерывно. Таким образом, Вольта получил первый довольно мощный источник электричества – знаменитый «вольтов столб», составивший целую эпоху в истории физики (рис. 6.1).

Так было открыто новое явление – непрерывное движение электричества в проводнике, или электрический ток. Создание первого источника электрического тока сыграло громадную роль в развитии науки об электричестве и магнетизме. Современник Вольта французский ученый Араго считал вольтов столб «самым замечательным прибором, когда-либо изобретенным людьми, не исключая телескопа и паровой машины».

Сразу вслед за этим Вольта сделал еще одно великое изобретение: он изобрел гальваническую батарею, пышно названную «короной сосудов» и состоявшую из многих

последовательно соединенных цинковых и медных пластин, опущенных попарно в сосуды с разбавленной кислотой, – уже довольно солидный источник электрической энергии (рис. 6.2). Можно считать, что с того дня источники постоянного электрического тока

вольтов столб и гальваническая батарея – стали известны многим физикам и нашли широкое применение в последующих исследованиях.

Прибор Вольта побудил ученых к работе над изобретением подобных источников тока. В частности, гальванический элемент был устроен английским химиком Джоном Даниэлем (1790–1845). В элементе Даниэля цилиндрически изогнутая медная пластинка погружена в раствор медного купороса. Цинковая пластинка находится в пористом глиняном сосуде, наполненном разбавленной серной кислотой. По проводнику, соединяющему медную пластинку с цинковой, течет электрический ток. В 1839 году немецкий физик Роберт Бунзен (1811–1899) заменил медную пластинку угольным цилиндриком, погруженным в азотную кислоту. Наконец, парижский химик Лекланше создал очень дешевый и удобный элемент, нашедший широкое применение. В его элементе также есть цилиндрически изогнутая цинковая пластинка и угольный цилиндрик, но они оба погружены в раствор нашатыря.