Hogy került békacomb a fizikába?

Luigi Galvani híres békacombos kísérletéről van szó, amelyet sokan ismernek a fizika órákról. Az is köztudott, hogy végül ez a kísérlet vált az elektromos vonzás és áramlás megismerésének egyik nagyon fontos kiindulópontjává. Galvani közelében pedig azért volt békacomb, mert orvosként és anatómia tanárként állatokat is boncolt.

Ha tehát a címben feltett kérdésre egyetlen mondattal szeretnénk válaszolni, akkor azt mondhatnánk: úgy, hogy az elektromos vonzás és áramlás természetének megismerésével elsőként orvosok kezdtek foglalkozni, akik állatokat is boncoltak. Ám a békacomb és a villamosság összekapcsolódása ennél jóval több tanulsággal is szolgál, úgyhogy most jöjjön a hosszabb válasz.

Egy fontos, véletlenül felfedezett egybeesés  

Luigi Galvanit (1737-1798) anatómusként elsősorban az érdekelte, hogy vajon hogyan működik az utasításokat adó agy és az azokat végrehajtó izmok közötti kapcsolat, és mi történik az idegszálakban, amelyek a kettő közötti kapcsolatot biztosítják.

Az 1700-as évek közepén a fizikusok körében sok szó esett az elektromos vonzás törvényszerűségeiről. Azt már tudták, hogy az anyagok fel tudnak töltődni villamossággal, vonzani is tudják egymást, és hogy a villamosságnak van valamiféle fluiduma, átfolyása. (Ez az a jelenség, amelyet ma elektromos áramnak nevezünk.)

A rajzon az látható, miképp függesztette fel egy rézhoroggal Galvani a békacombot egy vasrácsra. Galvani legfontosabb észlelése az volt, hogy a két fém és a békacomb érintkezése során szikra vagy villám jelenléte nélkül is létrejön az elektromos áramlást. Ebből arra következtetett, hogy a békáknak is van saját elektromosságuk, ami végül hamisnak bizonyult.  (Rajz: Czeglényi Lászlóné illusztrációja, Simonyi Károly A fizika kultúrtörténete című könyvében, 1978-as kiadás, 284. old.)

A vonzás azonban más jellegű egy dörzsöléstől felvillanyozódó-feltöltődő anyagnál („dörzselektromosság”), és más egy mágnesnél. Az előbbi ugyanis bármiféle más testet magához vonz, majd hamar elengedi, ezzel szemben a mágnes – amit nem szükséges megdörzsölni – csak a vasat és néhány fémet vonzza magához, és nem engedi el, csak külső erő hatására.

Ebben az időben még azt nem lehetett tudni, hogyan folyik át az elektromosság egyik testből (anyagból) a másikba. Galvani is azért boncolt fel többek közt békákat is, hogy megértse ezt a folyamatot, és ezért tartott egy dörzsöléssel elektromosságot keltő gépet is a bolognai laboratóriumában. A feltételezése – a tudomány nyelvén a hipotézise – az volt, hogy a békák is rendelkezhetnek olyan fajta elektromossággal, mint amilyenekkel például a ráják, amelyek közismerten áramütésekkel ölik meg a támadóikat.

Azért is preparálta ki a békák idegeit, hogy valahogy ennek a nyomára akadjon. Egy alkalommal a munkatársai izgatottan jelezték, hogy miközben az egyikük éppen egy szikrát csiholt ki a villanyozógépből, a másikuk pedig egy békát boncolt, a békacomb egyszer csak megrándult a kés érintésére, éppen úgy, mintha áramütés érte volna. Ettől Galvani is rendkívül izgatott lett, hiszen ez mintha azt bizonyította volna, hogy a béka idegszálai is rendelkeznek elektromos töltéssel.

Ezután maga is úgy nyúlt a bonckéssel a békák idegszálaihoz, hogy közben a villanyozógépet is működtette. Ennek egy mozzanatáról így írt több évvel később: „…fogtam az állatot, és bevittem egy zárt szobába, ott ráhelyeztem egy vaslemezre, és amikor a lemezt az idegbe akasztott rézhoroggal megérintettem, ugyanazt a görcsös rángatózást figyeltem meg, mint azelőtt. Más fémekkel is próbálkoztam, hasonló eredményekkel… A nem vezetőkkel semmi hatást nem kaptam. Ez eléggé meglepő volt, és ahhoz a sejtéshez vezetett, hogy az elektromosság magában az állatban székel, egy sejtés, amelyet az a megfigyelés is megerősített, hogy egyfajta szubtilis (= finom, törékeny, L.J.) idegfluidum köti össze az ideget az izgalommal, amikor az összehúzások létrejönnek.” (Idézi Simonyi Károly, A fizika kultúrtörténete, Gondolat kiadó, 1987, 284. old. Galvani könyvének címe egyébként Az izommozgás erői.)

Galvani tehát észrevette, hogy az anyagok eltérő módon viselkednek a keze alatt, de erre egyelőre nem tudott magyarázatot adni. Később az ablak vasrácsára is kiakasztott horgon békacombokat, és azt látta, hogy ha azok véletlenül nekiütődtek a rácsnak, gyakran rángatózni kezdtek. Ugyanez volt a helyzet a villámlások idején is. Galvanit mindez arról győzte meg, hogy az izmok rángását okozó elektromosság nem jöhet máshonnan, csak az állatból magából, vagyis általánosságban is létezik az állati elektromosság.

Galvani ebben tévedett, de ettől még volt jelentősége annak, amit valójában felfedezett: hogy bizonyos feltételek között a béka idegei érzékelték az elektromágneses hullámok jelenlétét, és reagáltak ezekre. És bár észrevette, hogy nem minden fém jelenléte elegendő ahhoz, hogy az elektromos szikrákkal vagy a villámlásokkal egy időben rángást is váltsanak ki, ezen a nyomon már nem lépett tovább. Megelégedett azzal, hogy úgy látszik az állatokban is létezik önerős elektromosság. Hogy miért nem mindegy az anyagok különbözősége, azt majd az ugyancsak olasz Alessandro Volta (1745-1827), a paviai gimnázium, majd az ottani egyetem professzora fogja kikutatni.

Miért esett ki végül a béka a főszerepből?

Galvani leírása a békacombos kísérletekről természetesen nagy hatást gyakorolt a fizikai kutatásokra, hiszen ebből kiderült, hogy a tudós a gyakorlatban is bizonyította: az elektromos fluidum az élő szervezetekkel is kapcsolatba tud kerülni. Ez pedig a gyógyászat nézőpontjából is fontos volt, hiszen az orvoslásban már évszázadok óta kísérleteztek az elektromos kezelésekkel, miközben természetesen az elektromosság, illetve az elektromágnesesség természetének megismerése állt az első helyen.

Galvani könyvének hatására Volta maga is megismételte a békacombos kísérleteket, és jó ideig maga is úgy gondolta, hogy az elektromos jelenségek a béka testéből jönnek.  

A galvanizálódás jelentőségére jó példa, hogy a jelenség egy időben kis híján romba döntötte a New York-i Szabadság szobrot. Szerencsére időben észrevették, hogy a szoborban azért tud kárt tenni a fáklyán keresztül beszivárgó eső, mert odabenn a bronzlemezek közvetlenül érintkeznek a szobor vasvázával, és a nedvesség közvetítőként elektromosságot generált a szoborban, ami rongálta a lemezeket. Miután pótolták a hiányokat és a lapokat gondosan elszigetelték a vastól, a nedvesség többet nem tudott közvetíteni a bronz és a vas között, és a szobor épségét már nem veszélyeztette. (Kép forrása)

A fémekre vonatkozó egyéb felfedezések azonban arra késztették, hogy jobban figyeljen a kísérletben jelen lévő fémekre. Azt tapasztalta, hogy amikor a kísérletekben csak egyfajta fém van jelen, olyankor nem jön létre izomrángás, ám ha különböző fémek érnek össze, akkor igen. Rájött, hogy Galvani kísérleteiben mindig csak a rézkampó és a vaslap érintkezésekor jött létre a békánál izomrángás. A megoldás kulcsának tehát a békát tartó rézkampó, az elhelyezésére szolgáló vaslap és a nedves békacomb együttes jelenléte látszott.

Volta ezen belül most azt találta a legfontosabbnak, hogy a réz és a vas között a comb nedvessége volt a közvetítő, vagyis az tette lehetővé az elektromosság áramlását. Ezt azonnal ellenőrizte is azzal, hogy egy vasrácsra vaskampóval akasztotta fel a békacombot. A kísérlet visszaigazolta, hogy az izom ebben a felállásb an nem rándul meg. Ekkor viszont azt a kérdést kellett föltennie, hogy vajon pontosan milyen villamos tulajdonságokkal rendelkeznek az egyes fémek, ha ennyire nem mindegy, hogy melyik melyikkel érintkezik.

Újabb kísérletezésekbe kezdett, és rájött, hogy az egyes fémeket a feszültségük alapján sorrendbe lehet állítani. A skála egyik végén a cink, a másikon a platina áll, s az ólom, a vas, a réz, az ezüst és az arany a kettő között helyezkedik el. Az egymás melletti fémek közül az egyik mindig pozitív, a következő mindig negatív töltésű. A gyakorlatban ez azt jelenti, hogy két fém érintkezésekor az egyiken pozitív, a másikon negatív villamos töltés jön létre.

Ebből jutott el Volta ahhoz a felismeréshez, hogy az elektromos fluidumot, vagyis az átáramlást a testek között az váltja ki, ha különféle módon vezető anyagok érintkeznek a nedves anyaggal, ugyanabban az időben. Ez pedig azt jelenti, hogy az elektromosság a fémekben keletkezett, és nem a béka idegeiben. Ez utóbbiak csak passzívan vettek részt a helyzetben, csupán érzékelték az áram jelenlétét.

Ezután azzal bizonyította be az elmélete helyességét, hogy a kísérletből kiiktatta a békacombot, és a réz és ónlemezeket tett meg főszereplőkké. Ezek közé pedig – mintegy a békacomb helyébe – nedves papírlapot helyezett. Ezzel egyértelműen bizonyította, hogy az elektromosságot nem a béka biztosítja, ilyesmi tehát abból nem jön, hanem a nedves közvetítő közeg az, ami lehetővé teszi az áramlását.

Ennek felfedezése pedig azért vált jelentőssé, mert a tudós ebből kiindulva tudta létrehozni az ún. Volta-oszlopot, amely az első, folyamatosan áramot termelő eszköz volt, a tudomány történetében. (Erről részletesen itt olvashatsz.)

De hogy Galvani érdemei se vesszenek el, a találmány alapját adó jelenséget galvanizmusnak, az áramfejlesztő eszközöket pedig galvánelemeknek nevezték el.

Galvani és Volta közös története is szép példáját adja annak, hogy a tudomány fejlődésének az egymásra épülő kísérletek az alapjai, és hogy ebben a folyamatban az olyan kísérleteknek is nagy a jelentőségük, amelyek tévedéseket is tartalmaznak. A tudományos tévedések sem válnak haszontalanokká, hiszen fontos kérdéseket tesznek föl, amelyek nem feltétlenül jutottak volna eszébe másnak. Ám ezek megválaszolása nélkül a tudomány akár hosszú ideig is csak egyhelyben toporgott volna. Így azonban minkét tudós jelentős módon járult hozzá az elektromosságról alkotható tudás növekedéséhez, és a gyakorlat terén is mindkettejük neve fennmaradt. Hiszen ahogyan Galvani nevét a galvanizmus, illetve a galvánelem, úgy Voltáét a villamos feszültség egysége, a volt őrzi.   

Lévai Júlia