Электромедицина — на службе человеку

В результате многочисленных экспериментов с электростатическими машинами и в особенности после изобретения лейденской банки стало очевидным влияние электрических разрядов на организм чело­века. Во второй половине XVIII в. в ряде стран Западной Европы и в России электростатические машины и лейденские банки стали исполь­зоваться медиками для избавления людей от многих болезней.

Исследованием способов воздействия электричества на орга­низм человека в течение многих лет занимался А. Т. Болотов. Им впервые в России была создана стационарная электролечебница с разнообразным набором инструментов и приборов для осуществления процедур. А. Т. Болотов предлагает широко применять электричество дли лечения людей, в особенности «простого народа», страдающего от многих болезней. Создан­ная им простая и надежная электростатическая машина использовалась «...не требуя починки, более десяти тысяч раз... для лечения больных» Эта машина в состоянии была помочь не только от разных легких болезней, но и от самых тяжких, долговременных, запущенных.

ОТКРЫТИЕ ЭЛЕКТРИЧЕСКОГО ТОКА. ЗАКЛАДКА ФУНДАМЕНТА ЭЛЕКТРОТЕХНИКИ

«Животное» электричество Гальвани. Новая «таинственная материя»?

В течение многих столетий вплоть до последней четверти XVIII в ученым были известны только явления статического электричества промышленный переворот XVIII в. дал мощный толчок развитию различных отраслей науки, в том числе науке об электричестве. В изучении электрических явлений были достигнуты определенные успехи, ими начинают все более интересоваться не только физики, но и естествоиспытатели, в особенности врачи, пытавшиеся (и не без­успешно!) применять электричество для лечебных целей.

Отдельные ученые высказывали предположение, что если «вся природа электрическая», то и в организмах человека и животных по жилам и мускулам должна протекать эта таинственная мате­рия. Одним из подтверждений указанных воззрений были «электрические» рыбы, известные еще с древних времен. Так возникло представление о новом виде электричества, названного «животным».

И не случайно исследованием мышечных движений лягушек под воздействием электричества занялся в 1773 г. профессор ана­томии Болонского университета Луиджи Гальвани (1737—1798 гг.). Первые электрофизиологические опыты Гальвани над лягушками относятся к 1780 г. Спустя 11 лет он опубликовал результаты сво­их исследований в Знаменитом «Трактате о силах электричества при мышечном движении», получившем широкую известность.

Во время одного из экспериментов, когда препарированная ля­гушка лежала на столе, на котором находилась электростатиче­ская машина, Гальвани заметил, что, если прикоснуться скальпелем (или любым проводником) к бедренному нерву ля­гушки в момент, когда из кондуктора машины извлекается искра, то мышцы лягушки судорожно сокращаются. Естественно было предположить, что и атмосферное электричество должно действо­вать аналогично. И, действительно, при «вспыхивании молнии» мышцы «... впадали в сильнейшие сокращения». Желая выяснить, какие явления будут наблюдаться «при ясном небе», Гальвани прикрепил медный крючок к спинному мозгу лягушки и подвесил крючок к железным перилам балкона. Прижимая другой конец крючка к перилам, он снова наблюдал сокращение мышц. Подо­зревая, что состояние атмосферы не действует на лягушку, он по­вторил эксперимент в своей домашней лаборатории: положив препарированную лягушку на металлическую обшивку стола и прижав медный крючок, продетый через спинной мозг лягушки к столу, он снова увидел сильные сокращения. Однако при замене одного из металлов непроводником сокращений не происходило. Но сокращения были «энергичнее и продолжительнее», если лягушка лежала не на железном листе, а на серебряной пластине.

Гальвани сделал правильное предположение о том, что сокраще­ние мышц вызывается действием электрических сил, что мышцы и нервы образуют как бы две обкладки лейденской банки. Но нужно было решить очень важный вопрос: как и где во всех этих опытах возникает электричество? Ни железная пластинка, ни медный крю­чок, соприкасавшийся с телом лягушки, не могли, по представлени­ям физиков того времени, служить источником электричества, так как на металлы смотрели только как на проводники, считая, что они могут становиться «электрическими» лишь через прикосновение к другим наэлектризованным телам. Тогда оставалось предположить, что таким источником является сама лягушка. Все это создавало по­чву для представлений о существовании особого — «животного» электричества. Такую мысль и высказал Гальвани для объяснения наблюдавшихся им фактов. Этому предположению Гальвани придал форму теории, изложенной в упомянутом «Трактате о силах элект­ричества при мышечном движении». Тело животного являлось со­гласны взглядам Гальвани своеобразной лейденской банкой, способной на непрерывное повторное действие.

Опыты Гальвани вызвали большой интерес. Среди физиологов стала еще больше, чем ранее, укрепляться мысль об электричест­ве как удивительном новом средстве для исцеления. Что касается физиков, то их взгляды на явления, наблюдаемые Гальвани, ра­зошлись. Одни соглашались с Гальвани и считали, что «гальваническое», или «животное», электричество имеет совершенно иную природу, чем электричество трения, другие отождествляли оба вида электричества; наконец, третья группа физиков оспаривала вообще существование «животного» электричества. К этой группе принадлежал профессор физики в Павийском университете Александро Вольта (1745—1827гг.).

Создание первого источника электрического тока — начало новой эпохи в истории электричества и магнетизма

В течение нескольких лет (1792—1795 гг.) А. Вольта не только повторил все опыты Гальвани, но и произвел ряд новых исследова­ний. И если Гальвани искал причину обнаруженных им явлений как физиолог, то Вольта, будучи физиком, искал в них физиче­ские процессы.

А. Вольта прежде всего обратил внимание на то, что сокраще­ния мышц наиболее интенсивно происходят при использовании двух разнородных металлов (это было известно и Гальвани). Про­должая исследования, он отверг идеи Гальвани о «животном» электричестве и пришел к выводу, что источником электричества является контакт двух разнородных металлов: «Металлы не толь­ко прекрасные проводники, но и двигатели электричества», — ут­верждал Вольта. А «... лягушка, приготовленная по способу Гальвани, есть чувствительный электрометр».

Обобщением исследований Вольта была предложенная им тео­рия «контактного электричества». Эта теория утверждала, что при соприкосновении различных металлов происходит разложение их «естественного» электричества. При этом электричество одного знака собирается на одном металле, другого — на другом. Силу, возникающую при контакте двух металлов и разлагающую их «естественное» электричество, Вольта назвал электровозбудительной или электродвижущей силой.

Продолжая исследования при помощи созданного им весьма Чувствительного прибора — электроскопа с конденсатором, Вольта установил, что металлы можно распределить в некоторый ряд, котором «разность напряжений» между двумя металлами будет тем больше, чем дальше они расположены друг от друга.

С современной точки зрения совершенно очевидна ошибочность идеи Вольта о возможности получения электрического тока по­средством простого контакта разнородных металлов, т.е. получение электрической энергии без затраты для этого какого-либо другого вида энергии. Однако в начале прошлого века эта теория контактного - электричества нашла многих сторонников и на некоторое время удержалась в науке.

Многочисленные эксперименты привели Вольта к выводу, что Непрерывный электрический «флюид» может возникнуть лишь в замкнутой цепи, составленной из различных проводников — металлов (которые он называл проводниками первого класса) и жид­костей (названных им проводниками второго класса).

Опыты Вольта завершились построением в 1799 г. первого источника непрерывного электрического тока, составленного из медных и цинковых кружков (пар), переложенных су­конными прокладками, смоченными водой или кислотой. Этот прибор, о котором он впервые сообщил Президенту Лондонского королевского общества в марте 1800 г., был назван им «электродвижущим аппаратом», а позже французы стали его называть «гальваническим или вольтовым столбом» (рис. 7).

Необходимость применения проводников второго класса (суконных кружков, смочен­ных водой или кислотой) Вольта объяснял следующим: при соприкосновении двух раз­личных металлов электричество одного знака сосредоточивается на одном металле, а элек­тричество противоположного знака — на другом. Если составить столб из нескольких пар различных метал­лов, например цинка и серебра (без прокладок), то каждая цинко­вая пластина будет находиться в соприкосновении с одинаковыми серебряными пластинами и их общее действие будет взаимно уничтожаться. Для того чтобы действие отдельных пар суммиро­валось, необходимо обеспечить соприкосновение каждой цинко­вой пластинки только с одной серебряной. Это осуществляется с помощью проводников второго рода — суконных кружков, смо­ченных водой или кислотой, разделяющей пары металлов и не препятствующих движению электричества. Таким образом, Воль­та, не понимая того, что электрический ток возникает в результа­те химических процессов между металлами и жидкостями, практически пришел к созданию гальванического элемента, дей­ствие которого основывалось именно на превращении химической энергии в электрическую. Хотя Вольта и заметил, что поверхно­сти приведенных в контакт разнородных металлов, составляющих гальваническую пару, подвергаются изменению — окисляются, тем не менее он не придал этому факту никакого значения.

А. Вольта предложил, кроме столба, еще и несколько иную конструкцию источника электрического тока — так называемую чашечную батарею (рис. 8), действие которой, по его мнению, также было основано на контакте между двумя металлами (роль влажной суконной прокладки столба заменяла жидкость). Чашечная батарея представляла собой

Рис. 8. Чашечная батарея Вольта

соединение отдельных элементов, имевших форму банок, наполненных разбавленной серной кислотой, в ко­торую погружались медная 1 и цинковая 2 пластины. Кроме пред­ложенных Вольта конструкций источника электрического тока вскоре были разработаны некоторые другие его модификации.

Создание вольтова столба подготовило почву для закладки фунда­мента электротехники. А современ­ник. Вольта выдающийся французский ученый академик Доменик Франсуа Араго (1786—1853 гг.) считал вольтов столб «самым заме­чательным прибором, когда-либо изобретенным людьми, не исклю­чая телескопа и паровой машины». В этом определении нельзя усматривать преувеличения. Вольтов столб — первый источник не­прерывного электрического тока, сыгравший громадную роль как в развитии науки об электричестве, так и в расширении его практиче­ских приложений. Вольтов столб в различных своих модификациях долгое время оставался единственным источником электрического тока. Как будет видно из последующего, крупнейшие учены первой половины XIX в. — Петров, Дэви, Ампер, Фарадей широко применяли вольтов столб для своих опытов.

Вольтов столб был последним, но наиболее выдающимся изобре­тением Вольта, он произвел среди ученых вольта и чески и фурор», Повторяя опыты Гальвани, он убедился, что лягушка реагировала на заряд, вдвое меньший, чем самый чувствительный из созданных электрометров. В доказательство своих воззрений Вольта произвел в 1794 г. эпохальный» опыт ("квартет мокрых"), потрясший совре­менников. Четверо с мокрыми руками становились в круг, затем первый правой рукой держит цинковую пластинку, а левой касается языка второго; второй касается глазного яблока третьего, который держит за ножки препарированную лягушку, а четвертый правой рукой схватывает ее тельце, а левой подносит серебряную пластинку к цинковой в правой руке первого. В момент касания первый резко 'вздрагивает, второй морщится от «лимонного» вкуса, у третьего — искры в глазах, четвертый чувствует неприятные ощущения, а ля­гушка будто оживает и трепещет.

В 1881 г. на Международном конгрессе электриков в Париже единице напряжения было присвоено наименование «Вольт».

Обнаружение и изучение действий электрического тока. «Огромная наипаче батарея» В. В. Петрова

Первые же опыты с электрическим током не могли не приве­сти к открытию некоторых присущих ему свойств. Поэтому рас­сматриваемый период в истории электричества характеризуется главным образом обнаружением и изучением различных дейст­вий электрического тока. Исследования электрического тока, производившиеся в большом масштабе в первые годы XIX в., при­вели к открытию химических, тепловых, световых и магнитных действий.

В 1800 г. вскоре после получения известия об изобретении воль­това столба члены Лондонского королевского общества Антони Карлейль и Вильям Никольсон произвели ряд опытов с вольтовым столбом, которые привели их к открытию нового явления: при прохождении тока через воду имело место выделение газовых пу­зырьков; исследовав выделявшиеся газы, они правильно установи­ли» что это кислород и водород. Таким образом, впервые был осуществлен электролиз воды. После открытия действия тока на воду ряд ученых заинте­ресовался вопросом о том, к каким результатам приведет пропу­скание тока через другие жидкости. В том же 1800 г. голландский химик Вильям Крейкшенк, пропуская ток через раствор поварен­ной соли, получил на отрицательном полюсе едкий натр, не подо­зревая, что здесь имела место вторичная реакция: поваренная соль разлагалась на Na и Сl причем натрий, соединяясь с водой, образовывал едкий натр.

Указанные эксперименты положили начало исследованию хи­мических действий гальванического тока, получивших впоследст­вии важное практическое применение.

Тепловые действия тока были обнаружены в накаливании тон­ких металлических проводников и воспламенении посредством искр легко воспламеняющихся веществ. Световые явления наблю­дались в виде искр различной длины и яркости.

В 1802 г. итальянский физик Джованни Д. Романьози обнару­жил, что электрический ток, протекающий по проводнику, вызы­вает отклонение свободно вращающейся магнитной стрелки находящейся вблизи этого проводника. Однако тогда, в первые годы изучения электрического тока, явление, открытое Романьози, имевшее, как впоследствии выяснилось громадное значение, не получило должной оценки. Только позднее, в 1820 г. когда наука об электричестве достигла более высокого уровня, магнитное действие тока, описанное датским физиком Гансом Христианом Эрстедом (1777—1851 гг.), стало предметом глубокого всестороннего изучения.

Среди многочисленных исследований явлений электрическое тока, произведенных в первые годы после построения вольтова столба, наиболее выдающимися были труды первого русское электротехника, профессора физики Петербургской Медико-хи­рургической академии, академика Василия Владимировича Петрова (1761—1834 гг.), так как в них впервые была показана и доказана возможность практических применений электричества.

В.. В. Петров был не только выдающимся физиком и химиком, но и блестящим педагогом, основателем первого крупного физиче­ского кабинета «превосходнейшего во всей Российской империи».

Это был скромный и неутомимый труженик: никто не знает, сколько бессонных ночей провел он над исследованием «светонос­ных» электрических явлений, открыв электрическую дугу и ряд закономерностей электрического разряда в вакууме.

Трудно представить, в каких условиях жил и работал Петров, в особенности в последние 25 лет своей жизни. Это был период жестокой реакции, когда царские чиновники ополчились против науки к просвещения, не без основания видя в них угрозу самодержавию. Конфликт обостряется, и заслуженного ученого отстраняют от руководства физическим кабинетом и вскоре увольняют из Медико-хирургической академии, профессором которой он был около 40 лет. После смерти В. В. Петрова делается все для того, чтобы имя его было забыто.

И это удалось. Целое поколение русских физиков в течение полувека (1834—1886 гг.) ничего не знало о своем выдающемся соотечественнике.

Только счастливый случай вернул вторую жизнь трудам Петрова. В 1886 г. студент Петербургского университета А. Гершун (впослед­ствии известный специалист в области оптических приборов), разби­рая старые книги в Виленской библиотеке, с удивлением обнаружил главный труд Петрова «Известие о гальвани-вольтовских опытах». Он узнает о выдающихся открытиях Петрова, возвращается в Петер­бург и сообщает о своей находке статичным физикам.

Книга вызвала огромный интерес. Видные физики выступают с докладами о вкладе В. В. Петрова в отечественную электротехни­ку, в 1887 г. в журнале «Электричество» появляется первая статья о забытом русском электротехнике. Только в 1915 г. с трудом разы­скали заброшенную могилу В. В. Петрова на Смоленском кладбище. Заметим, кстати, что прах Вольта — в монументальном саркофаге, на котором установлен бюст ученого, а саркофаг нахо­дится в мавзолее.

Будучи хорошо знакомым с опытами, производящимися с вольтовым столбом как в России, так и за границей, Петров пришел к правильному вывозу о том, что наиболее полное и всестороннее изучение гальвани­ческих явлений возможно только при условии создания большой бата­реи, т.е. по современной терминологии — источника тока высокого напряжения. Поэтому он добивается перед руководством Медико-хи­рургической академии выделения средств для постройки «такой огром­ной величины батареи, чтобы оною можно было надежнее производить такие новые опыты», каких не производил никто из физиков.

В апреле 1802 г. батарея В. В. Петрова, состоявшая из 4200 медных и цинковых кружков или 2100 медно-цинковых элементов (Петров на­зывал ее «огромная наипаче батарея»), была готова. Она располагалась в большом деревянном ящике, разделенном по длине на четыре отделе­ния (рис. 9). Стенки ящика и разделяющих перегородок были покры­ты сургучным лаком. Общая длина гальванической батареи Петрова составляла

Рис. 9. Примерное расположение и соединение элементов батареи В.В. Петрова

12м— это был крупнейший в мире источник электрическо­го тока. Как показали современные экспериментальные исследования с моделью батареи Петрова, электродвижущая сила этой батареи состав­ляла около 1700 В, а максимальная полезная мощность 60 - 8,5 Вт. Ток короткого замыкания батареи не превышал 0,1 — 0,2 А. В. В. Петров вначале воспроизводил, как он указывал» уже известные опыты других физиков, а после старался производить и такие опыты, «...о которых дотоле не имел... никакого известия».

В В Петрову было хорошо известно, с каким интересом отно­сятся в России к изучению явлений электрического тока. Поэтому пи в своей книге подробно описал не только опыты с гальваниче­ской батареей, но и способы ее изготовления, ухода за ней, мето­дику экспериментов и т.п.

В. В. Петров произвел всесторонние исследования свойств созданной им батареи как источника электрического тока. Опираясь на результаты опытов, он подошел к пониманию то­го, что действие батареи основано на химических процессах, происходящих в гальваническом элементе медь — цинк и впервые правильно установил роль крайних металлических кружков, которые служили лишь проводниками электричест­ва. Петров также верно указал на то., что окисление поверх­ности металлических кружков вызывает ослабление действия батареи. Эти выводы Петрова по существу опровергали «кон­тактную» теорию электричества, однако сам Петров не высту­пал с таким опровержением.

В. В. Петровым была впервые установлена важнейшая законо­мерность в электрической цепи — зависимость тока в проводнике от площади поперечного сечения проводника. Он правильно ука­зал на то, что при увеличении сечения проводника ток в нем воз­растает. Поэтому Петров является самым первым среди предшественников Ома, сформулировавшего в 1827 г. закон, носящий его имя. Петров установил, что через вещества, обладаю­щие большим сопротивлением, гальвани-волтовская жидкость (так он называл электрический ток ) может протекать лишь тогда, когда «количество ее весьма знатно увеличится», т.е. по современной терминологии при повышении напряжения в цепи. В. В. Петровым впервые введен в электротехнический язык термин «сопротивление».