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第6章 伏特

1745年,伏特出生在意大利科莫一个富有的天主教家庭里。他对科学的爱好似乎是天生的。19岁那年,伏特就写了一首有关化学发现的六韵步的拉丁文小诗。从青年时期开始,伏特就进行电学实验了。他读了大量的书,他的好友加托尼送给了他一些仪器,并在自己家中收拾出了一间房子来支持他的研究。16岁时,伏特就开始与一些着名的电学家通信,其中就有都灵的贝卡里亚和巴黎的诺莱。贝卡里亚是一位国际知名的很有成就的电学家,他劝告伏特少专注于理论,尽量多做实验。事实也是这样,伏特在青年时期的理论远不如他的实验有分量。随着时间的流逝,伏特对静电的了解已经能够和当时最好的电学家媲美。不久后,他就开始运用他掌握的理论制造各种有开创性的仪器,用今天的话来说,重要的是他对电量、电量或张力(如他自己所命名的)、电容以及关系式Q=CV都已经有了明确的了解。

在伏特制造的仪器中,一个最杰出例子是起电盘。把一块导电板放在一个由摩擦而带电的充电树脂“饼”上端,然后拿一个绝缘柄与金属板接触,使它接地,再把它举起来,于是金属板就被充电到了高电势,这个方法可以用来使莱顿瓶充电。并且这种操作可以不断地重复。这一发明是相当精巧的,以后经过改进发展成为一系列静电起电机。伏特强烈地认识到,他必须定量地测定出电量,因此他设计了一种静电计,这也是各种绝对电计的开山鼻祖,它能够以可重复的方式测量电势差。伏特还为他的静电计设立了一种刻度,根据电盘的发明,根据他的描述,我们可以确定他的单位是今天的13350伏。1775年,得益于起电盘的发明,伏特成了科莫一些学校的物理教授。他的影响也开始扩展到意大利以外,苏黎世物理学会选举他为会员。但伏特的兴趣并不只限于电学。他还通过观察马焦雷湖附近沼泽地冒出的气泡,发现了沼气。他把对电学和化学的兴趣结合起来,制成了一种被称为气体燃化的仪器,可以利用电火花点燃一个封闭容器内的气体。他在32岁时去瑞士游历,见到了伏尔泰和一些瑞士物理学家。回来以后,他就被任命为伦巴第地区最着名的大学帕维亚大学的物理学教授。他担任这个教授职务一直到退休,正是在那里伏特作出了他的划时代的发现。

1792年,伏特又去国外作了另一次长途旅行,这次他到了德国、法国、荷兰和英国。他访问了一些包括拉普拉斯和拉瓦锡(1743-1794年)在内的当时最着名的同行,有时甚至和他们共同做实验。当时,他还被选为法国科学院的通讯院士,不久又被选为伦敦皇家学会的外国会员。

在度过45岁生日后不久,伏特读到了伽伐尼写于1791年的文章,这促使他作出了一生中最大的发明和发现。开始时他还有些犹豫,但不久他就坚定地开始了工作。按伏特自己的说法,他实验的内容“超出了当时已知的一切电学知识,所以它们看起来有点惊人”。开始他同意伽伐尼用青蛙做莱顿瓶的观点,但没过多久,他就开始怀疑青蛙主要是一种探测器,而电源则在动物之外。细心的他还注意到,如果把两种相互接触的不同金属放到舌头上,就会引起一种特殊的感觉,有时是酸性的,有时是碱性的。他假设,并且也能够让我们惊叹的静电测量证明,两种不同的金属例如铜和锌接触时就会得到不同的电势。他测量了这种电势差,得到的结果与我们现在所知道的它们之间的接触电势差没有太大的差别。至少当连接神经和肌肉的金属电弧是双金属时,只要假定青蛙是一种非常灵敏的静电计,伽伐尼实验就得到了完美的解释。当然,伽伐尼回答说,即使当金属电弧是单金属的时,他也能观察到肌肉的收缩。这是一种异常严峻的反对意见,对于这些疑问,伏特以金属的不纯和其他原因来为自己辩解。

之后,伏特对这个问题进行了更加深入的研究,终于使他发明了历史上最神奇的发明之一——伏特电堆。伏特发现,可以把导电体分为两大类。第一类是金属,它们接触时会产生电势差;第二类是液体(在现代语言中称为电解质),它们与浸在里头的金属之间没有太大的电差。而且第二类导体之间互相接触时也不会产生明显的电势差。第一类导体可以按顺序排列起来,使其中第一种相对于后面的一种是正的,例如锌对铜是正的,在一个金属链中,一种金属和最后一种金属之间的电势差是一样的,好像其间并不存在任何中间接触,而是第一种金属和最后一种金属直接接触似的。

最后,伏特得到了一种想法,他把一些第一种导体和第二种导体连接得使每一个接触点上产生的电势差可以相加。这种装置就是“电堆”,之所以叫这个名字,是由于它是由浸在酸溶液中的锌板、布片和铜板重复许多层而构成的。伏特在一封写给皇家学会会长班克斯(1743-1820年)的着名信件中介绍了他的发明,当时的标题是《论不同导电物质接触产生的电》。电堆能够产生连续的电流,它的强度数量级比从静电起电机得到的电流大得多,由此也开始了一场真正意义上的科学革命。

伏特最伟大的成就是在他已经55岁时获得的,它立即引起了所有物理学家的欢呼。1801年,他巴黎的法国科学院表演了他的实验,当时拿破仑也在场,并立即下令授予伏特一枚特制金质奖章和一份养老金,伏特也从此成为了拿破仑的被保护人,正像20年前,他曾经是奥地利皇帝约瑟夫二世的被保护人一样。1804年,伏特要求辞去帕维亚大学教授而退休时,他的要求被拿破仑拒绝了,后者赐予了他更多的金钱和名誉,并授予他伯爵称号。可他对政治一点也不关心,只是专注于他的研究。

在完成了电堆的发明以后,伏特实际上就从物理界消失了。对他的发明的利用完全落在了别人身上。可能是他年龄太大了,没法再和年轻的新生力量竞争,也可能是在心理上受到了以前取得的巨大成就的阻碍。他没有脱离过学校,可能他的工作太个人化了,他的着作与教学中也缺乏正规的数学,可能这限制了他表达自己思想的能力。伏特的最后八年是在他的坎纳戈别墅和科莫附近度过的,他完全过着一种隐居的生活,直到1827年去世,享年82岁。

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