Galvani i Volta: struja koja traje

Istorija elektrotehnike

Deo 9 · Bolonja i Pavija, 1780–1800.

Noga koja se trznula

Luiđi Galvani (Luigi Galvani, 1737–1798) bio je profesor anatomije u Bolonji, gradu sa najstarijim univerzitetom u Evropi. Nije bio fizičar. Zanimalo ga je pitanje koje je tada bilo živo: šta je to što pokreće mišić? Kako volja putuje od mozga do ruke?

U njegovoj laboratoriji su stajale i preparirane žablje noge i elektrostatička mašina, jer se elektricitet već koristio za draženje mišića. Oko 1780. godine — tačan datum se ne zna, a i sam Galvani ga navodi neodređeno — pomoćnik je skalpelom dodirnuo nerv na odsečenoj žabljoj nozi. U istom trenutku je na obližnjoj mašini preskočila varnica. Noga se snažno trznula.

Galvani je bio pažljiv istraživač i taj slučaj je ispitivao jedanaest godina. Pokazao je da se trzaj javlja i pri udaljenoj munji, i to bez ikakvog dodira mašine — dovoljno je da nerv bude spojen sa žicom koja izlazi napolje.

Ograda i luk od dva metala

Presudan ogled izveo je bez ikakvog izvora elektriciteta. Okačio je pripremljene žablje noge o mesingane kuke na gvozdenu ogradu svoje terase, čekajući oluju.

Trzaji su se javljali i po vedrom danu — svaki put kad bi noga, ljuljajući se, dotakla gvožđe.

Vratio je opremu unutra i ponovio to na stolu. Uzeo je luk sastavljen od dva metala, jedan kraj prislonio na nerv, drugi na mišić. Noga se trznula svaki put. Sa lukom od jednog metala efekat je bio slab ili ga nije bilo.

Zaključak koji je izveo, objavljen 1791. u raspravi De viribus electricitatis in motu musculari commentarius, bio je ovakav: u samom mišiću postoji elektricitet, poseban i svojstven živoj materiji. Mišić je, po njemu, neka vrsta žive lajdenske boce — nerv i mišić nose suprotna naelektrisanja, a metalni luk je samo provodnik koji ih spaja i dozvoljava pražnjenje.

Nazvao ga je životinjski elektricitet.

Zašto je ta teorija bila razumna

Danas znamo da je Galvani pogrešio u tumačenju svog ogleda — ali ne i u samoj ideji, i to je jedno od najlepših obrta u ovoj priči.

Njegovi razlozi su bili ozbiljni. Postojale su električne ribe — drhtulja i električna raja — kod kojih niko nije sporio da živa životinja proizvodi elektricitet. Mišić se trzao i kad se dira samo nerv. Efekat je bio isti kao od lajdenske boce, samo mnogo slabiji. A mišić se, kao i naelektrisana boca, „ispraznio" pa mu je trebalo vremena da se oporavi.

Uz to, njegova teorija je odgovarala na pitanje koje niko drugi nije umeo ni da postavi: kako mozak upravlja telom. Odgovor „električno" bio je tačan sto pedeset godina pre nego što je iko mogao da ga dokaže.

Volta se ne slaže

Alesandro Volta (Alessandro Volta, 1745–1827), profesor eksperimentalne fizike u Paviji, isprva je Galvanijeve rezultate potvrdio i pohvalio. Onda je počeo da sumnja — i to zbog jednog detalja koji je Galvani smatrao sporednim.

Zašto je za dobar trzaj potrebno da luk bude od dva različita metala?

Ako je izvor u mišiću, a metal samo provodnik, onda je svejedno od čega je provodnik napravljen. Bakar provodi, cink provodi, gvožđe provodi. A ipak — luk od bakra i cinka daje snažan trzaj, luk od samog bakra gotovo ništa.

Volta je izveo suprotan zaključak: izvor elektriciteta je dodir dva različita metala. Žablja noga nije baterija, nego instrument — izuzetno osetljiv detektor, osetljiviji od svakog versorijuma i elektroskopa tog doba.

Kao dokaz da su metali izvor, izveo je ogled na sebi: stavio je kalajnu foliju na vrh jezika, srebrni novčić dublje na jeziku, i spojio ih žicom. Osetio je jasan kiselkast ukus, koji traje dok je veza sklopljena. Nikakve žablje noge nije bilo.

Spor je trajao skoro deceniju i bio je žestok, ali korektan — obojica su bili ozbiljni ljudi i obojica su objavljivali svoje ogledе. Galvani je 1794. anonimno objavio odgovor u kom je pokazao trzaj bez ikakvog metala, prostim dodirom nerva jedne noge o mišić druge. Bio je u pravu; to je pravi životinjski elektricitet. Ali je taj rad ostao zapažen tek mnogo kasnije.

Galvani je umro 1798, osiromašen — odbio je da položi zakletvu Napoleonovoj Cisalpinskoj republici i zbog toga izgubio katedru. Dve godine kasnije Volta je objavio napravu koja je spor rešila u njegovu korist i učinila ga slavnim širom Evrope.

Sud istorije je ipak podeljen. Volta je bio u pravu za taj ogled: izvor je bio kontakt metala. Galvani je bio u pravu za ono što je zapravo tvrdio: nervi i mišići jesu električni. Danas i jedno i drugo nose njihova imena — galvanizacija i galvanski članak s jedne strane, volt i voltmetar s druge.

Voltin stub

Volta je rasuđivao ovako: ako dodir dva metala daje slabo dejstvo, treba ih naslagati mnogo, da se dejstva saberu.

Naprava, opisana u pismu Kraljevskom društvu u Londonu, poslatom 20. marta 1800:

• Pločice cinka i srebra (ili bakra), prečnika nekoliko centimetara.
• Između svakog para — komad sukna ili kartona natopljen slanom vodom ili razblaženom kiselinom.
• Sve to naslagano jedno na drugo, uvek istim redom: cink, vlažno sukno, srebro, cink, vlažno sukno, srebro...

Redosled je bitan. Ako se dva ista metala nađu jedan do drugog, taj par ne doprinosi ništa.

Volta je pravio stubove od trideset, pedeset i više parova. Napravio je i vodoravnu varijantu — niz čaša sa slanom vodom povezanih lukovima od cinka i bakra — koju je nazvao krunom pehara.

Kad se dodirnu oba kraja stuba, oseti se udarac koji traje sve dok se veza ne prekine. Ne varnica, ne trzaj — neprekidno dejstvo.

To je bilo potpuno novo. Sve dotadašnje sprave davale su elektricitet u prasku. Ova ga je davala kao potok — satima, danima, dok se materijal ne istroši.

Šta se zapravo dešava u stubu

Volta je verovao da je izvor sam dodir dva metala, a da je vlažno sukno tu samo da provodi. To je bila njegova greška, i ona je bila naličje Galvanijeve.

Savremeno objašnjenje: izvor je hemijska reakcija između metala i tečnosti. Kontaktni napon između metala postoji, ali sam po sebi ne bi mogao da održava trajno dejstvo — jer bi se odmah uspostavila ravnoteža i sve bi stalo.

U cink-bakarnom članku dešava se sledeće. Cink se rastvara u tečnosti: njegovi atomi odlaze u rastvor kao pozitivni joni, a po dva elektrona po atomu ostaju u samom cinku. Cinkova pločica time postaje negativna. Na bakarnoj strani se odigrava suprotan proces, koji te elektrone prihvata. Sve dok postoji cinka i dok je kolo sklopljeno, elektroni teku kroz spoljašnju žicu sa cinka ka bakru.

Suština je da hemijska reakcija stalno obnavlja razdvojena naelektrisanja. Baterija ne skladišti elektricitet kao lajdenska boca; ona ga proizvodi iz hemijske energije, onako kako se troši.

Otud i praktična razlika koju vredi zapamtiti: lajdenska boca se isprazni odjednom i onda je prazna, a stub radi ravnomerno dok mu se cink ne potroši.

Zašto se naponi sabiraju

Ovde konačno možemo uvesti veličinu koja nam je nedostajala u tekstu o lajdenskoj boci. Veličina koja opisuje koliko jako izvor „gura" naelektrisanje zove se napon, a jedinica je po Volti dobila ime.

U = W/Q

• U — napon [volt, V]
• W — rad koji izvor izvrši prenoseći naelektrisanje [džul, J]
• Q — preneto naelektrisanje [kulon, C]

Dakle: jedan volt znači da se po svakom kulonu prenetog naelektrisanja izvrši rad od jednog džula. Napon nije količina nečega — on je rad po jedinici naelektrisanja.

Iz te definicije odmah sledi zašto slaganje pločica radi. Svaki par doprinosi svojim radom po istom kulonu koji prolazi kroz ceo stub, pa se radovi sabiraju:

U_uk = n · U₁

• U_uk — ukupan napon stuba [V]
• n — broj parova pločica
• U₁ — napon jednog para; za cink i bakar oko 1,1 V

Za stub od pedeset parova:

1. U₁ ≈ 1,1 V   — doprinos jednog para
2. U_uk = 50 · 1,1   — pomnožimo brojem parova
3. U_uk = 55 V   — rezultat

U praksi je bilo manje, jer je stub gubio deo napona na sopstvenom unutrašnjem otporu — pojam koji ćemo uvesti tek kod Oma.

ZAPAMTI OVO

Ovo je odgovor na pitanje koje muči svakog ko prvi put uči elektrotehniku — zašto se baterije vezuju u niz.

Naponi izvora vezanih redno se sabiraju, jer svaki izvor dodaje svoj rad istom naelektrisanju koje prolazi kroz sve njih. To važi za Voltin stub od 1800. isto kao za četiri baterije u daljinskom upravljaču.

Šta je ovo promenilo

Teško je preceniti. Voltin stub je najvažnija naprava u ovom serijalu do sada, i to iz jednog razloga: prvi put u istoriji čovek raspolaže elektricitetom koji traje.

Šta to znači u praksi: možeš da priključiš nešto i posmatraš šta se dešava. Možeš da menjaš uslove i gledaš kako se rezultat menja. Možeš da meriš, jer imaš vremena da očitaš instrument. Sa varnicom to nije bilo moguće — ona traje delić sekunde i prođe pre nego što išta shvatiš.

Reakcija je bila munjevita. Volta je pismo poslao u martu 1800. Već u maju su Nikolson i Karlajl u Londonu, ponavljajući ogled, primetili mehuriće na žicama uronjenim u vodu — i tako otkrili da struja razlaže vodu na vodonik i kiseonik. To je početak elektrohemije. Za nekoliko godina Hemfri Dejvi je istim postupkom izdvojio kalijum, natrijum, kalcijum, barijum i još nekoliko elemenata koje niko pre toga nije video u čistom stanju.

Napoleon je 1801. pozvao Voltu da ogled izvede u Parizu, dodelio mu medalju i kasnije ga proglasio grofom. Elektricitet je iz kabineta prešao u državnu politiku.

A ostalo je nešto zbunjujuće, na šta niko dvadeset godina nije umeo da odgovori. Kad struja teče kroz žicu, žica se greje. To se videlo odmah. Ali žica se spolja ne ponaša ni najmanje kao naelektrisano telo — ne privlači papiriće, elektroskop pored nje miruje. Nešto očigledno prolazi kroz nju, a spolja se ne oseća ništa.

Sve dok jedan danski profesor, pripremajući predavanje, nije slučajno ostavio kompas na stolu pored žice kroz koju je pustio struju — i primetio da igla, umesto da miruje, skreće u stranu.

Bilo je to 1820. godine, i time se dve priče koje je Gilbert razdvojio pre dva veka ponovo spajaju.

Tekst je nastao u saradnji sa modelom Claude Opus 5 (Anthropic), po autorskom konceptu i uz uređivanje autora bloga.