「電力革命」10伏打電池和金屬電假說

2021-01-15 假裝科學

在1791年,伽伐尼出版了《論在肌肉運動中的電力》,將他近十年的研究成果公開發表之後,引起了許多科學家的關注。

其中義大利物理學家伏特(也翻譯為伏打)重複了伽伐尼的實驗,並且有了新的發現,提出了他的金屬電假設,進而製作出了著名的伏打電堆。

亞歷山德羅·伏特Alessandro·Volta

家庭出身

1745年2月18日,伏特出生在現今義大利北部的一個小鎮,他的父母都是貴族出生,但家庭並不富裕。

4歲時,伏特還沒有開口說話,這讓他的父母非常焦急。但後來的事情表明伏特其實是很有語言天賦的,他在畢業之前學會拉丁語,法語,英語和德語,這讓他可以和歐洲的物理學家直接交流。

7歲時,父親去世,並且留下債務。伏特只得到叔叔家跟著堂兄弟們一起接受家庭教師的教育。

12歲時,伏特被送入耶穌會寄宿學校學習,這裡不收學費,但要求他日後成為一名牧師。

16歲時,經過家人的商議,伏特從耶穌會退學,進入本濟神學院學習法律。他的母親希望他成為一名律師,但其實伏特自己卻對科學更感興趣。

18歲時,伏特畢業,一邊工作一邊開始從事科學研究,他給都靈的貝卡裡亞、巴黎的諾雷特寫信,交流電學知識,貝卡裡亞建議伏特多做實驗。

早期研究

1765年,伏特20歲,他的好友朱利奧·塞薩爾·加託尼在自己家裡建立了物理實驗室,伏特被邀請進行實驗。加託尼是伏特在耶穌學校認識的同學,比伏特大了4歲。

加託尼是科莫最富裕的人之一,後來世襲了侯爵,擔任了科莫大教堂的主教。除了建立物理實驗室以外,他還出錢建立了圖書館和氣象觀測臺。

加託尼熱愛科學,和伏特一起進行了許多物理實驗,比如用一個電鈴來檢測大氣中的電荷量,以此來預測雷電的發生。

這一年,伏特寫了第一篇論文,是關於不同物質摩擦起電的的實驗現象和相關分析,他把論文寄給了貝卡利亞。

1769年,加託尼在塔樓上安裝了避雷針,這是義大利的一根避雷針。

這一年,伏特也寫出了他的論文《電氣的吸引力和現象》,討論了靜電力產生的原因,並且將其與重力進行對比,同樣的這篇論文也被寄給了貝卡裡亞。

1771年,伏特讀到了約瑟夫·普裡斯特利(Joseph Priestley)的著作,這讓他意識到,他很多的發現其實早已經被前人發現過,這讓他受到了一定的刺激,並且小心翼翼。

普利斯特是英國自然哲學家,與富蘭克林是好朋友,在1767年他寫了長達700頁的《電力的歷史和現狀》,這成為了當時很多人的電學入門教材。

不過普利斯特主要成就在於化學,他發現了氧氣、一氧化碳、二氧化碳、一氧化氮、氨氣等多種氣體,還發現了呼吸過程中的碳循環。在1772年普利斯特還將二氧化碳(當時稱為固定空氣)加在水中,發明了碳酸飲料,試圖用於治療壞血病。

1774年,伏特開始監督科莫的學校。他認為教學應該現代化,應該將更多的時間學習科學和現代語言。

1775年,伏特開始在科莫的公立語法學校教授實驗物理學,直到1778年。

發明感應式起電盤

1775年,伏特發明了一種能夠產生靜電的裝置-感應式起電盤,他寫信詢問普利斯特,這是否是新發明。但普利斯特遺憾地告訴他,這種裝置在1762年已經被約翰·威爾克發明過了。不過這種裝置卻最終還是因伏特而廣為人知。

起電盤由兩個圓盤構成,下面一個圓盤由松脂熔化後凝固而成,上面一個是金屬圓盤,帶有絕緣手柄。

使用時,首先通過摩擦的方式讓介電板帶上電,然後手握金屬盤的絕緣手柄,讓金屬板靠近介電盤。

這時候由於靜電感應,金屬盤的上下表面就會產生兩種相反的電荷,然後用手去觸碰一下金屬盤的上表面,這樣上表面的電荷就會被導走,只有下表面帶有電荷。

隨後金屬盤就可以用來給萊頓瓶充電,隨後重複靠近介電盤,用手觸摸一下,又可以繼續給萊頓瓶充電。

用電火花點火

1776年,伏特從馬焦雷湖的沼澤中分離出甲烷氣體,並且發現甲烷-空氣混合物可在帶電火花的密閉容器中爆炸,像這樣的電啟動化學反應以後將成為內燃機的基礎。

他還建議在科莫和米蘭搭一根電線,用來引爆甲烷氣體,以此發送信號。

1777年,伏特進一步發明了一種檢測空氣中氧氣含量的儀器。其原理是用電火花點燃氫氣和氧氣,通過體積減少來推算氧氣的含量。

在帕維亞大學

1777年,伏特離開了科莫,開始在瑞士和法國遊歷,展示了他在電氣設備方面的創新,這讓他在義大利以外有了一定的名氣。

1778年,歸國的伏特被任命為帕維亞大學實驗物理系主任,這距離科莫約85公裡,他將擔任該職位40多年。

1778年–伏打發現電容器中的電張力(現在稱為電勢差或電壓)與電荷量成正比,這被稱為電容 的伏打定律。

1781年至1782年–伏特(Volta)遍歷歐洲大多數主要科學中心,包括巴黎法國學院(French Academy),向安託萬·拉瓦錫(Antoine Lavoisier)和班傑明·富蘭克林(Benjamin Franklin)等著名人士展示了他的電氣設備和發明。伏特(Volta)開始在義大利以外地區廣為人知。

1782年–伏特講述了他建造的用於收集和存儲電荷的電容器(今天我們將其稱為電容器),以及他如何使用電容器研究各種電現象。

1788年–伏特著手建造了越來越靈敏的電鏡以檢測和測量電荷的影響。

1790年–伏特進行了氣體行為的實驗。他發現了隨著空氣溫度升高而增加的空氣量的準確值。

1791年–伏特已經成為歐洲最重要的電氣科學家之一,當選為英國皇家學會的院士。

1794年-50歲時,伏特因其對電力的科學理解做出的貢獻而被授予皇家學會的最高獎項-科普利獎章。

金屬電假設

伏特一開始也同意伽伐尼關於生物電流的說法,但很快他又產生了懷疑,這主要是他了解到其它的一些有關現象。

早在1750年,瑞士科學家Johann Georg Sulzer (1720-1779)就發表過一篇論文。描述他把金幣和銀幣貼在一起,含在嘴裡,舌頭感到麻木和一股奇怪的酸味,這和單獨的銀幣或者金幣味道不同,他猜測這是金屬中的微小粒子產生振動而引起刺激舌頭產生的感覺。不過篇論文並沒有引起廣泛注意。

伏特恰好讀過這篇論文,作為對電學有很深造詣的物理學家,伏特這使他意識到,這都是電流的作用,並且電流的產生都和兩種金屬有關。而作為生物學家的伽伐尼相比,是完全相反的視角,他認為電流來源於生物體內部。

伏特於是推測,電流產生於兩種不同的金屬之間,而不是青蛙神經或者人的舌頭。青蛙神經在這個試驗中,一是導體,而是相當於一個檢流計,這個學說解決了伽伐尼「生物電」假說的不足之處。

伏特又找來一根較長的導線將金幣和銀幣連接起來,一端含在嘴裡,另一端接觸眼皮上部,當剛一接觸的瞬間,眼睛裡竟然產生了光。這讓伏特堅信了金屬電的觀念,開始設計更精確的檢流計來完成實驗。

1793年12月,伏特在一封信中公開提出了反對伽伐尼「動物電」的觀點。他一再強調電流在本質上是由金屬的接觸產生的,與金屬板是否壓在動物體上無關。他提倡用「金屬電」代替「動物電」這個名稱。

1794年,49歲伏特因為對電的研究獲得英國皇家學會的普立茲獎章,並和一位名門閨秀成婚,婚後育有3個孩子。

伽伐尼的回擊

伏特的金屬電學說發表後,伽伐尼並不認同,一方面是伏特的學說依舊有一些漏洞,另一個原因是這種學說觸碰了伽伐尼的宗教情懷。

不過伽伐尼並不是一個喜歡口頭爭論的人,他只是默默進行更多的實驗,希望用事實捍衛自己的學說。

伽伐尼經過更仔細地觀察,發現即使使用兩個鐵鉤,也能夠觀察到青蛙抽搐,伏特反駁他用的兩個鐵鉤純度不一樣,相當於不同金屬。

隨後,伽伐尼又用純度更高的同種金屬完成了青蛙抽搐實驗,甚至使用木炭完成了實驗,成功反駁電流來源於兩種金屬的說法。

1794年,伽伐尼匿名發表了另一篇文章,他通過兩隻不同的青蛙神經連接,成功產生了生物電流,從而確認了生物電動勢存在於活組織內。

伏打序列

不過伏特並沒有放棄,他想到不用生物體,而用食鹽水浸泡紙板來代替青蛙腿,然後用兩種不同的金屬與之連接,再用靜電計測量,看是否產生了電。

但很久沒有進展,因為這種電壓太低了,而當時的靜電計不夠靈敏,於是伏特繼續改進靜電計的靈敏度繼續實驗。

1796年,伏特成功了,在一封信中描述了新的接觸電理論:導體分為幹導體和溼導體,幹導體包括金屬、黃鐵礦和木炭,溼導體包括鹽、鹼、酸等液體,當兩種導體接觸,就會引起電的擾動產生電流。至於產生這個現象的原因,伏特認為這是導體的一般特性。

伏特用多種金屬進行了實驗,又發現同一種金屬與某一種金屬接觸時帶正電,與另一種金屬接觸時帶負電。

1797年,伏特確定了一個金屬序列,只要按這個順序將任意的兩種金屬接觸,排在前面的那種金屬將帶正電,排在後面的那種金屬將帶負電。伏打排出的這個序列是:鋅、鉛、錫、鐵、銅、銀、金、石墨、木炭,這就是著名的伏打序列。

伏打電堆

1799年,伏特設計了一個裝置,先將紙板鹽水混合物浸泡,然後按照鋅板、紙板、銅板的順序堆疊起來,並取名伽伐尼電池,當電池的頂端與底部以導線連接時,就會有持續的微弱電流產生。將幾十組伽伐尼電池串聯起來,就可以得到較強的電壓。

1800年3月20日,伏特寫信給那時倫敦皇家學會會長約瑟夫 班克斯,詳細描述了他的發現,六個星期後,尼科爾孫和卡萊斯勒按照伏特的方法製成功製作出了這一裝置,並在《尼克爾孫雜誌》上以「伏打電堆」為名,介紹了這一發明,並進行了水的電解實驗,這比此前用萊頓瓶電解水的效果更明顯(1789年,楊·魯道夫·德曼和阿德裡安·派斯·范·特魯斯維克最先進行水的電解)。

新時代開啟

伏打電堆的出現,向世人展示了金屬電的存在,雖然伽伐尼已在1798年去世,並沒有見到這一發明,但爭論在依舊在兩派的支持者間持續了許久。

從現在的科學觀點來看,生物電的確存在生物細胞內,而金屬接觸電是由於原子核對外層電子的束縛能力不同造成的。伽伐尼首先發現的其實是金屬電,後來僅用青蛙腿檢驗到的才是生物電。

伏打電堆的出現,讓了電學從靜電走向流電,同時開啟了電化學這門學科,是電學史上的又一個轉折點。

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