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第2章 伏打电池

水的电解,是在历史上第一个提供稳定连续电流的电源装置──伏打电池于1800年诞生以后才实现的。伏打电池的发明归功于两位意大利科学家。一位是解剖学家和医学教授伽伐尼(Galvani,L.1737-1798年),一位是物理学和化学家伏打。1780年,伽伐尼在一次解剖青蛙时有一个偶然的发现。一只已解剖的青蛙放在一个潮湿的铁案上,当解剖刀无意中触及蛙腿上外露的神经时,死蛙的腿猛烈地抽搐了一下。伽伐尼立即重复了这个实验,又观察到同样的现象。最初他以为蛙腿发生痉挛是“大气电”作用的结果。后来他以严谨的科学态度,选择各种不同的金属,例如铜和铁或铜和银,接在一起,而把另两端分别与死蛙的肌肉和神经接触,青蛙就会不停地屈伸抽动。如果用玻璃、橡胶、松香、干木头等代替金属,就不会发生这样的现象。作为解剖学家的伽伐尼脑子里总是想着肌肉和神经等,他想用动物体内有某种电来解释,但这种“动物电”的解释是含糊不清的。1789年他写成了论文《关于电对肌肉运动的作用》,于1791年发表。

伏打读到了这篇论文后,就多次重复了伽伐尼的实验。作为物理学家,他的注意点主要集中在那两根金属上,而不在青蛙的神经上。伏打在此以前已经对电学作出不少贡献。他曾经对已有验电器进行改造,制成了一种能够测微量电荷的验电器。1775年,他在给普利斯特里的信中描写了一种起电盘装置。对于伽伐尼发现的蛙腿抽搐的现象,他想这可能与电有关,但是他认为青蛙的肌肉和神经中是不存在电的,他推想电的流动可能是由两种不同的金属相互接触产生的,与金属是否接触活动或死的动物无关。伏打用自己设计的精密验电器,对各种金属进行了许多实验。这些实验证明,只要在两种金属片中间隔以用盐水或碱水浸过的(甚至只要是湿和的)硬纸、麻布、皮革或其它海绵状的东西(他认为这是使实验成功所必须的),并用金属线把两个金属片连接起来,不管有没有青蛙的肌肉,都会有电流通过。这就说明电并不是从蛙的组织中产生的,蛙腿的作用只不过相当于一个非常灵敏的验电器而已。

在1796年的一封信中,伏打把金属(以及黄铁矿等某些矿石和木炭)称为第一类导体或干导体,把盐、碱、酸等的溶液称为第二类导体或湿导体。他指出:把第一类导体与第二类导体相接触,“就会引起电的扰动,产生电运动;至于这个现象的原因,目前还不清楚,只能认为是一般的特性”。

伏打用了三年的时间,用把各种金属两两搭配进行实验的方法,研究两种金属接触产生电的现象。他发现,一种金属与某一种金属接触时带正电,它与另一种金属接触时则可能带负电。例如,锌和铜接触时锌带正电,铜带负电;但铜若与金或银接触,则铜带正电,金、银带负电。伏打以大量的实验为基础,发现了如下的金属起电顺序:

锌-铜-锡-铁-铜-银-金-石墨-木炭

在序列中任何两种相接触,都是位序在前的一种带正电,后面的一种带负电。这就是著名的伏打序列。

伏打将两块不同的第一类导体与浸有第二类导体溶液的湿布接触,再用导线将这两块第一类导体连接起来,成一回路,便得到虽然微弱但很稳定的电流。他把这个装置叫做伽伐尼电池。当把若干个这种电池串接起来时,就能得到较强的电流。

例如,他把许多对(40对、60对)圆形的铜片和锌片相间地叠起来,每一对铜锌片之间放上一块用盐水侵湿的麻布片。这时只要用两条金属线各与顶面上的锌片和底面上的铜片焊接起来,则两金属端点就会产生几伏的电压。如果把铜片换成银片,则效果更好。金属片对数越多,电力越强。这样产生的电流不仅相当强,而且非常稳定,可供人们研究和利用。后来人们对伏打发明的这种电源装置叫做“伏打电堆”。1800年,伏打给英国皇家学会写信,报告了他的电堆试验。从此以后,电学的研究便活跃起来了。

不久,伏打发现当两种金属片之间的湿布慢慢干燥了的时候,电堆产生的电流就渐趋微弱。于是他改用许多杯子,杯子都盛有盐水或稀酸,每个杯中插入一对锌和铜片,然后用金属线把每个杯中的锌片和另一杯中的铜处焊接起来,便得到经久耐用、电流更强的电池。这种装置称为“杯冕”。这就是历史上第一具实用电池。

伏打电池的出现,是一项重大发明,它使人们第一次获得了比较强的稳定而持续的电流,为科学家们从对静电的研究转入对动电的研究创造了物质条件,导致了电化学、电磁联系等一系列重大的科学发现,加深了人们对光、热、电磁、化学变化之间的关系的认识。伏打电池的发现还开辟了电力应用的广阔道路,由于它的诞生,19世纪的第一年成了电气时代文明生活的开端。

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