作者:陈晨星 来源: 中国科学报 发布时间:2020-4-2
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半封信揭开电学帷幕

伏打

陈晨星

3月20日,今年的春分是个特殊的日子。在科学史上,牛顿于这个日子过世,而有一位意大利科学家在这一天写给英国皇家学会的一封不太为后人熟知的信,揭开了人类日常使用的电池的序幕,并宣布了首个电池即伏打电堆的问世。

这位科学家就是亚历山德罗·伏打(1745—1827),来自意大利米兰附近有着丝绸之都美誉的小城科莫。当中国的蚕丝技术工艺在中世纪传到意大利并使科莫成为欧洲丝绸中心时,我猜想伏打应该也会使用摩擦过的丝绸来探索静电的奥秘吧。谨以此文纪念伏打电堆诞生220周年。

1800年3月20日,亚历山德罗·伏打给伦敦皇家学会主席约瑟夫·班克斯爵士写了一封信,宣布他发明了激发电的新装置,即伏打电堆。

这封从意大利寄出的信必须经过当时与英国处于战争状态的法国,出于安全因素的考虑,伏打把信分成两部分寄出。他在信中描述了在铜和锌金属圆片间垫入浸有盐水等潮湿材料的堆叠结果。信文的主题是关于通过简单地接触不同种类的导电物质而激发电流。

在信中,他自信地描述道:“经过长期沉默后,我荣幸地把我获得的惊人成果向您汇报,并通过您呈交皇家学会……30、40、60或更多的铜片,银片更佳,每片再与锡片或锌片,以及等数目的水层或比纯水更利于传导的盐水、碱水等,再或者用浸有这些液体的纸片或皮革片接触两种金属……我的仪器就做成了。”

当前半部分信寄到的时候,班克斯马上把它拿给伦敦外科医生安东尼·卡里斯尔看。这封完整的信后来也被冠以标题发表在学会学报上。卡里斯尔和科学家威廉·尼克尔森立即尝试重复伏打的实验,不久即按信中的描述制成伏打电堆并稍加改进。4月底,制成英国首块电池装置。同年5月2日,他们首次利用这套装置成功电解水,生成氢气和氧气。

当然,伏打电堆的发明与意大利医生、解剖学家伽伐尼(1737—1798)的发现是分不开的。1780年的一天,伽伐尼在实验室解剖青蛙,当他用钢刀尖碰蛙腿上外露的神经时,他和学生惊异地发现蛙腿竟然突然痉挛起来。特别是后来他又继续研究发现铁和铜两种不同金属触碰蛙腿时也有明显抽搐。经过近十年反复实验,他把痉挛起因归结于动物体自身存在的电,起名叫做动物电,并在英国皇家学会宣读论文。

此时的伏打已经由于发明了代替莱顿瓶的具有储电功能的起电盘等贡献而获得科普利奖章,并成为皇家学会会员,从皇家学会的报告中得知伽伐尼的实验时,也被实验事实震惊,马上开始自己的研究。

他对伽伐尼动物电的说法深表怀疑,尽管自然界确有许多生物是带电的,比如亚里士多德就曾描述海底的电鳗。通过实验发现,电流的产生与有无生物肌肉神经组织无关。

这样迥异的观点引发了一场欧洲学界持久的争论,一方是伽伐尼和德国博物学家洪堡为代表的动物电支持者,另一方是伏打和法国物理学家库仑等人。

伏打在争论中不断研究,还进一步通过实验得出著名的伏打序列:锌、锡、铅、铜、银、金……在这个序列中排序在前的金属和排序在后的金属可以通过盐水、酸液等产生持续的电。他发现序列中金属距离越远,产生的电就越强。最终,于1899—1900年制成多层结构的伏打电堆。可惜伽伐尼此时已经去世,伏打虽与伽伐尼学术上有激烈的争论,但始终对他保持尊敬,甚至想把发明的电堆命名为伽伐尼电堆,成为科学史上的又一美谈。

伏打电堆的诞生,为英国和世界电学和电化学研究拉开了帷幕。继尼克尔森之后,戴维的发现以及奥斯特、安培、毕奥、欧姆、法拉第等开展研究都离不开伏打所发明的电堆(电池),随着蓄电池和干电池相继问世,人类终于获得了持续的电流,物理学与化学从此大步向前。

1801年拿破仑曾这样由衷赞美伏打:“伟大而神秘的自然界面前的帷幕被天才揭开了一角……”

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《中国科学报》 (2020-04-02 第8版 博客)
 
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