伏打电堆的发明：追寻物理本质的突破

伏打电堆的发明

电学发展新时代的开创

1800年3月20日，意大利的伏打教授发明了世界上第一个发电器——伏打电堆，也就是电池组，开创了电学发展的新时代。当时对于电已经有相当的认识（静电、导电、电的种类），加上对雷电的正确了解，尤其是避雷针的研制成功，消除了人们对雷电的畏惧，特别是蓄电装置的发现后，科学家开始思索如何能够有效地运用电。

伏打

说到伏打电池的发明还有一段有趣的故事。这要从电流的发现者伽伐尼说起，伽伐尼是伏打的好朋友，他是一名解剖学家和生物学家，他的妻子因健康原因要经常吃蛙腿。1780年的一天，伽伐尼把青蛙剥皮后，放在靠近起电机旁的桌子上。当他妻子偶然拿起电机旁的外科手术刀时，刀尖碰到了蛙腿外露的小腿神经，蛙腿抽动起来，好像活的一样。她把这件事告诉了伽伐尼。伽伐尼重复了这个试验，他把蛙腿放在玻璃板上，用两把叉子，一个叉尖是铜的，另一个叉尖是铁的，去碰蛙腿的神经和肌肉，每碰一下，蛙腿就引缩一次。为了探究这个现象的原因，伽伐尼选择了各种不同的条件，重复这个实验。开始，伽伐尼用铜丝把青蛙与铁窗相连，无论雨天还是晴天做实验，青蛙的腿都有痉挛的现象。接着，他只用铜丝去接触蛙腿，蛙腿却不发生痉挛。后来，他找了一间封闭的房间将青蛙放在铁板上，用铜丝去接触它，结果和以前一样，又发生了收缩，这就排除了外来电的可能性。伽伐尼选择不同的日子，不同的时间，用各种不同的金属多次重复，总是得到相同的结果，只是在使用某些金属时，收缩更强烈而已。后来他又用各种不同的物体来做这个实验，但用诸如玻璃、橡胶、松香、石头和干木头做这个实验时，都不出现这个现象。进一步的实验使伽伐尼认为蛙的神经中有电源，很可能是从神经到肌肉的特殊电流质引起的“动物电”。伽伐尼的实验使许多科学家感到惊奇。伏打在1792～1796年重复伽伐尼的实验时发现，只要用两种不同金属互相接触，中间隔以湿的硬纸、皮革或其他海绵状的东西，不管有没有蛙腿，都有电流产生，从而否定了动物电的观点。伏打认识到蛙腿收缩只是放电过程的一种表现，两种不同金属的接触才是电流现象的真正原因。根据各种金属接触的实验结果，伏打列出了锌－铅－锡－铁－铜-银－金的次序，这就是著名的伏打序列。其中两种金属相接触时，位于序列前面的带正电、后面的带负电。

伏打电堆

伏打在伽伐尼实验的基础上，致力研究两种不同金属的接触。他得出了新的结论，认为两金属不仅仅是作导体，而且是由它们产生电流的。用伏打自己的话来说：金属是真正的电流激发者，而神经是被动的。伏打并把这种电流命名为“金属的”或“接触的”电流。伏打不仅发现两种不同金属接触时会发生电流效应，而且发现当金属浸入某些液体时，也会有同样的效应。伏打开始是用几只碗盛了盐水，把几对黄铜和锌做成的电极连接起来，就有电流产生。1800年，伏打在给伦敦皇家学会会长约瑟爵士的一封信中，宣布了一个重要的发现。他说：“用30块、40块、60块或更多的铜片（最好是用银片）每一铜片都和一块锡片（最好是锌片）接触，并且用相同数目的水层或比纯水更好些的导电液体层，如食盐水、碱水等，或是浸透这些液体的纸壳或皮革……，在桌子上或台子上，水平地放一块金属片，例如银片，在这一片上我放上第二片，即锌片；在第二片上我放上了一张浸液片；然后放上另一块银片，紧接着是另一块锌片，上面放上一张浸液片。如此，我以同样的方式，总是在同一方向上，把银片和锌片合起来，那就是说总是银在下面锌在上面，或者相反，这要看我是怎样开始放的，在两对合起来的片子之间，都夹上一层浸液片。我如此继续下去，就形成了一个高到不致自己垮下来的圆柱。”伏打证明这个堆的一端带正电，另一端带负电，这就是伏打电堆，当时引起了极大的轰动。在伏打之前，人们只能应用摩擦发电机，运用旋转发电，再将电存放在莱顿瓶中，以供使用，这种方式相当麻烦，所得的电量也受限制。伏打电池的发明改进了这些缺点，使得电的取得变得非常方便，现在电气所带来的文明，伏打电池是一个重要的起步，他带动后续电气相关研究的蓬勃发展，后来利用电磁感应原理的电动机和发电机研发成功也得归功于它，而发电机之后电气文明的开始，导致第二次产业革命改变人类社会的结构。伏打电堆的发明，提供了产生恒定电流的电源——化学电源，使人们有可能从各个方面研究电流的各种效应。从此，电学进入了一个飞速发展的时期——电流和电磁效应的新时期。直到现在，我们用的干电池就是经过改进后的伏打电池。干电池中用氯化铵的糊状物代替了盐水，用石墨棒代替了铜板作为电池的正极，而外壳仍然用锌皮作为电池的负极。(www.xing528.com)

伏打电堆

伏打电池的发明，使得科学家可以用比较大的持续电流来进行各种电学研究，促使电学研究有一个巨大的进展。伏打的成就受到各界普遍赞赏，科学界用他的姓氏命名电势，电势差（电压）的单位，为“伏特”（就是伏打，音译演变的），简称“伏”。据说法国皇帝拿破仑一世1801年9月26日特地召伏打到巴黎，在一次专门的学术会议上伏打当众做了实验演示,亲临观看的拿破仑一世把一枚特制的金质奖章授予伏打，并封他为伯爵。

伏打于1769年发表《论电的吸引》。1775年发明起电盘。1776年发现沼气。1778年建立导体的电容C、电荷Q及其张力T（即电位差）之间的关系式：Q＝CT。1787年发明灵敏的麦秸静电计。1776年发现沼气。他还发明了气体燃化计（可研究气体燃烧时容积变化）等。

青蛙腿的启示

意大利波洛尼亚大学的解剖学教授贾法尼经常利用电击研究生物反应，

1780年秋天他无意间发现，即使在没通电源的情况下，剥下来的青蛙腿也会发生痉挛的现象，后来经过十年的研究，在1791年发表成果。他一直认为这是一种由动物本身的生理现象所产生的电，称为动物电，因此开发了一支新的科学电生理学的研究。同时也带动了电流研究的开始，促使电池的发明。关于这次意外地发现说法如下：一次寻常的闪电，使贾法尼解剖室台上的起电机发生电气火花的同时，放在桌子上与钳子和镊子环连接触的一只青蛙腿发生痉挛的现象，而此时起电机与青蛙腿之间并无导体连接。接着他把青蛙腿的一只脚吊高，再用黄铜钩刺在脊髓上，并使其接触银制的台板，让另一只脚可以在台板上方自由活动，当它碰到银台时，脚的肌肉收缩而离开台板，但是离开台板后即又再度伸长碰到银台，如此反复摇摆。如果将钩与台改换成同一种金属，就看不到这种现象。