Как Вольта измерял напряжение без приборов
В 1800 году Алессандро Вольта отправил письмо в Лондонское королевское общество - письмо, которое изменило физику навсегда. К нему прилагалось описание устройства: стопка металлических дисков, влажные прокладки, и никаких искр, никакой лейденской банки. Просто тихий, почти незаметный, но непрерывный электрический ток.
Вольта называл свой прибор «pilе» - просто «стопка». Мы знаем его как вольтов столб. Но вот парадокс: человек, чьим именем назвали единицу напряжения, никогда не измерял напряжение в вольтах. Не потому что не хотел - такой единицы попросту не существовало.
Чем занимался Вольта до столба
Вольта был не случайным изобретателем. С молодых лет он систематически изучал электрические явления - читал Нолле, Мушенбрука, Беккариа - и к 1770-м годам стал одним из самых авторитетных физиков-экспериментаторов Европы.
Он изобрёл электрофор - прибор для получения статического электричества без трения, электрометр, конденсатор из металлических пластин с тонким слоем шеллака между ними. По сути, он создал целый инструментарий для работы с электричеством ещё до того, как создал источник тока.
В 1787-1789 годах Вольта написал серию «Писем по электрической метрологии», адресованных немецкому учёному Георгу Кристофу Лихтенбергу, где изложил результаты по созданию эталонных электрических измерений. То есть Вольта думал об измерениях задолго до вольтова столба - но думал языком сравнительной метрики, не абсолютной шкалы. Слова «метрология» в названии писем не случайны: он понимал, что без воспроизводимых измерений наука невозможна, и искал способы такие измерения сделать.
Лягушачьи ноги как предыстория
История вольтова столба начинается не в физической лаборатории, а в анатомическом кабинете Луиджи Гальвани. В 1786 году профессор Болонского университета заметил, что мышцы препарированной лягушки сокращаются, когда к ним прикасаются металлическим инструментом вблизи работающей электростатической машины.
Гальвани повторял опыт на балконе, подвешивая лягушачьи лапки на медных крючках к железным перилам - и мышцы снова дёргались при касании. Он решил, что нашёл «животное электричество»: особую форму биологической электрической силы, хранящейся в тканях.
Вольта возразил принципиально. Он обратил внимание на деталь, которую Гальвани проигнорировал: в каждом опыте использовались два разных металла. Если убрать животную ткань и оставить только металлы - эффект исчезает. Если оставить контакт двух металлов через влажный проводник - эффект воспроизводится. Это не животное электричество, это контактное электричество металлов.
Спор между Гальвани и Вольтой шёл несколько лет и вовлёк десятки учёных по всей Европе - но именно он подтолкнул Вольту к созданию столба.
Конструкция, которая изменила всё
Вольта пришёл к столбу не сразу. Сначала он составлял пары медных и цинковых пластин, разделённых тонким слоем шеллака, и присоединял одну из пластин к электроскопу. Когда пластины соединяли проволокой, электроскоп реагировал: листочки расходились. Один элемент давал слабый, почти неощутимый эффект. Но Вольта понял: если соединить много таких пар одну за другой, эффекты сложатся.
Так появился вольтов столб - чередующиеся диски меди и цинка, разделённые кружками суконной ткани или картона, пропитанными кислотой или раствором соли. Вольта также строил «корону из чашек» - тот же принцип, но в горизонтальном варианте: ряд сосудов с электролитом, в каждый из которых погружена пара металлов. Оба прибора давали один и тот же эффект - непрерывный ток. Это была первая в истории устойчивая батарея.
Для физики начала XIX века это был переворот. До этого электричество существовало только как вспышка: лейденская банка разряжалась за долю секунды, электростатическая машина давала искры, атмосферное электричество - молнии. Всё это кончалось прежде, чем с ним успевали что-то сделать. Вольтов столб дал ток, который длился столько, сколько нужно. Не «посмотрели искру», а «подали ток, провели реакцию, построили устройство».
Без вольтметра: как оценивали электрическую силу
Здесь начинается самый интересный вопрос: как именно Вольта и его современники оценивали то, что мы сегодня называем напряжением?
Главным инструментом служил электрометр - прибор, который сам же Вольта и усовершенствовал. Конструкция была проста: металлический стержень, пропущенный через пробку в стеклянную бутылку, к нижнему концу которого прикреплялись две тонкие соломинки или листочки золотой фольги. Когда к стержню подносили заряженное тело или подключали источник тока, листочки расходились. Чем сильнее - тем выше электрическая сила источника.
Никакой цифровой шкалы на этом приборе не было. Измерение носило сугубо сравнительный характер. Результат выглядел примерно так: «листочки расходятся на два пальца» или «листочки расходятся заметно сильнее, чем при предыдущем опыте». Это не метафора и не упрощение - именно такой язык использовался в экспериментальных протоколах того времени.
Второй способ - по длине искры. Опытный физик мог прикинуть «силу» источника по тому, через какой воздушный промежуток проскакивает разряд. Больший промежуток означал более высокое напряжение, хотя слово «напряжение» тогда ещё не было устоявшимся термином.
Третий способ - химический. В 1800 году, буквально в том же году, когда Вольта опубликовал описание столба, Уильям Никольсон и Энтони Карлейль опустили проволоки от батареи в воду и обнаружили выделение газов. Количество выделяемого водорода за единицу времени стало ещё одним косвенным способом оценить интенсивность тока - и, следовательно, косвенно судить о характеристиках источника.
Число элементов как первый «стандарт»
У Вольты был и свой, весьма элегантный способ задавать «силу» источника воспроизводимо: количество пар в столбе. Каждая пара цинк-медь с влажной прокладкой вносила примерно одинаковый вклад в общее электрическое действие. Если нужен более заметный эффект - добавь ещё пар.
Это не было измерением в современном смысле, но обеспечивало воспроизводимость и сравнимость. Учёные по всей Европе быстро освоили этот язык: «столб из 20 пар», «батарея из 60 элементов», «прибор из 100 дисков». Никольсон и Карлейль, открывшие электролиз воды, работали «со столбом из 17 серебряных монет, медных дисков и суконных кусков, пропитанных раствором поваренной соли».
Гемфри Дэви, выделяя натрий и калий электролизом щелочей, работал с батареей Королевского института из 2000 двойных пластинок. Число пластинок фигурировало в научных публикациях как стандартная характеристика источника - своеобразный «неформальный вольт» той эпохи.
Что происходило в это время с теорией
Пока экспериментаторы работали с реальными приборами, теоретики пытались выстроить строгий язык для описания электрических явлений. Это была труднейшая задача, потому что электрические явления связаны с механическими, химическими и тепловыми, и любая система единиц должна была согласоваться со всеми ними.
Георг Ом в 1827 году - в год смерти Вольты - установил количественную связь между «электрической движущей силой», сопротивлением и током. Теперь у учёных было уравнение, связывающее три величины. Но единицы для всех трёх всё ещё оставались произвольными.
Ампер работал над теорией электромагнетизма. Фарадей открыл электромагнитную индукцию и законы электролиза. Постепенно складывалась картина, в которой все электрические величины связаны между собой и с механическими величинами - силой, работой, мощностью.
Оставалось договориться о стандартах - задача организационная, но не менее важная, чем научная.
Как вольт стал вольтом
В 1881 году в Париже прошёл Первый международный конгресс электриков. Его задачей было именно это: договориться о единицах для всей развивающейся электротехники. Телеграф уже опутал континенты, начиналась электрическая тяга, Эдисон в том же году строил первую электростанцию. Без единой системы единиц промышленность не могла развиваться.
На конгрессе были приняты практические единицы: ом для сопротивления, ампер для тока, вольт для разности потенциалов. Вольт был определён как производная единица: 1 В = 108 единиц системы СГС. Имя итальянского физика было увековечено через 54 года после его смерти - что, пожалуй, говорит о масштабе открытия красноречивее любых слов.
Примечательно, что первая версия вольта 1881 года и вольт в современном смысле - не совсем одно и то же. «Международный вольт» применялся с 1893 по 1948 год, а затем был заменён «абсолютным вольтом» при переходе на систему МКСА, ставшую основой нынешней системы СИ. То есть даже после введения единицы её определение уточнялось ещё полвека.
Что осталось от Вольты в физике
Вольта не видел химической природы тока в своих элементах. Он считал источником электричества контакт двух металлов - и ошибался в механизме, хотя правильно описывал результат. Настоящую электрохимическую теорию построил Дэви.
Связь электричества и магнетизма открыл Эрстед. Законы электромагнитной индукции сформулировал Фарадей, который писал о Вольте: «он первый сделал пролом в умственной темноте и открыл дорогу в неизвестное до того знание».
Это точная формулировка. Вольта не замкнул теорию - он открыл инструмент. Инструмент, который позволил всем остальным строить теории.
Электролиз, электромагнетизм, дуговое освещение, телеграф, в конечном счёте вся электротехника XIX века - всё это стало возможным потому, что в 1800 году итальянский физик сложил в стопку несколько медных и цинковых дисков и показал: ток может быть непрерывным.
Единица напряжения названа его именем не за то, что он измерял напряжение. За то, что он впервые создал устойчивый источник, у которого это напряжение вообще имело смысл измерять.
Повный А. В., преподаватель Филиала Белорусский государственный технологический университет «Гомельский государственный политехнический колледж»