伏打电堆的发明

伏打电堆的发明

对动电的最早体验发生在1752年：瑞士物理学家兹路茨尔把铜片和锌片的一端接触成“V”字型，用舌头一舔就有一种不好的味道；1767年J．G．苏尔泽（Sulzer）把一片铅片和一片银片同时放在舌头上时，也感觉到一种与硫酸铁盐类似的特殊滋味。但他们都不能预料到那就是电流的作用。

1786年，意大利解剖学和医学教授伽伐尼（Galvani）正在做青蛙切片实验（一台起电机正放在做切片实验的桌子上工作）时，他的助手偶然地把解剖刀尖碰到了青蛙腿上的神经，青蛙的腿明显地抖动了一下。助手报告了这一新现象，立即引起了伽伐尼的重视。他以一个生理学家的观点，对在电的影响下死的解剖体出现活生生的收缩功能一事感到极大的兴趣。他以最大的耐心和技巧研究了这种功能发生在解剖片中的位置、激发的条件、电的不同形式，特别是大气电的影响等问题，发现每次大气电发生变化时都能引起青蛙肌肉的抖动。在一次观察时，疲倦了的伽伐尼把一只铜钩扎入青蛙的脊髓中。他把这个脊髓中扎有铜钩的动物带回房间，放在铁板上，并压缩穿过它的脊髓的铜钩，也观察到了同样的收缩运动。从以上两类试验可以看出，使肌肉收缩的原因并不在肌肉内部。而在外部电的影响。顺着这一思路找下去，或许能发现不同的金属片接触可以产生电的正确结论。但作为生理学家的伽伐尼，他没有从物理观点去考虑问题，只注意动物的生理现象。他认为存在着“动物电”，这种电可以从脑出来，通过神经并积在筋肉中，伽伐尼于1791年在《论在肌肉运动中的电力》这篇著名的学术论文中叙述了自己的发现和观点。

带有偶然性的伽伐尼的发现包含有必然性。法国唯物主义哲学家已指出过心理过程与物质的关系。为了对心理现象和生理现象作物理解释，对血液循环和消化系统的研究在蓬勃开展，显微镜技术和解剖方法已经广泛地使用在医学上。同时也发现了电存在于生物体内的事实（如电鳗）。在应用医学的研究上，人们对电疗已寄予很大的希望。卢昂科学院已有《确定出能计算电治疗疾病的程度和条件》这样的悬奖题目，可见社会上对这个问题的重视程度。所以伽伐尼在工作时他的桌子上放着一台正在工作着的起电机就不是偶然的了。故伽伐尼在1791年得出“生物电”的结论是很自然的。即使没有伽伐尼，也会有其他人在另外的形式下得出这一结论。

伽伐尼的发现引起了强烈的反响。1791年意大利人伏打（A．Volta）也收到了伽伐尼的论文。起初，伏打是新理论的虔诚信徒。他毫不迟疑地使用当时全部电学测量技术和知识对伽伐尼的发现进行验证和定量分析。这从他1792年4月3日写给巴洛里阿博士的信和发表在《物理医学杂志》上的两篇《论生物电》的文章中可反映出来。但在这些文章中也可以看出，伏打是把效应的物理因素放在首要地位。伏打断定不同金属接触的重要性，他把做实验的青蛙切片只当成“一个生物静电计，是比任何其他的最灵敏的静电计都还要不可比拟地灵敏得多”的静电计。后来，伏打发现蛙腿在莱顿瓶放电刺激下也会产生抖动，他终于同生物电理论断绝了关系。伏打在给皇家学会会员卡瓦洛的第二封信中说：“我发现了一条十分重要的规律，这规律特别不属于生物范围，而是普遍的电现象。因为电流质的这种流动，当两个平板保持着联系的整个时间内都持续着。这种电流的发生与这块平板压在活的或死的动物身体上无关，与压在其他非金属的、但是很好的导体如像水或者被水弄湿了的物体上无关”。伏打认为稳恒电流存在的条件是存在着不同的导体组成的闭合回路。1793年伏打给出了一个金属系列，即：锌、锡、铅、铁、铜、铂、金、银、水银、石墨。他认为“互相接触的两种金属在上表中相距越远，引起的震颤就越强”。总而言之，“这种金属不是简单的导电或电流的传导者，而是电的真正的发动者”。

后来，伏打取消了作为电流指示器的动物的切片，代之以带电容器的静电计来测量两种不同金属之间的接触电位差。他用自己发明的麦秸式验电器检验出了两种不同的金属接触时产生的微弱电流。他取名为“人工电”或“金属电”。1799年，他把银片和锌片成对地叠成30～40对，在这些金属之间夹进用盐水浸湿的布块，制成“伏打电堆”，产生了可以连续流通几小时的动电。1800年3月2日他致函英国皇家学会，报告了新电池的发明。他称自己的电池“有取之不尽用之不竭的电”，“不预先充电也能给出电击”。

伏打电堆的发明改变了电学的面貌，给科学研究提供了强大的工具，科学也毫不迟疑地利用了这一工具，日新月异地发展起来。所以，1799年也可以看成是电学发展进程中的一条分界线。

首先，电池的发明引起了一场关于电池为什么会产生电流的理论上的争论。伽伐尼认为，电都是由动物身体内部发生的，这是电流的“动物起源说”。伏打认为金属之间，或者金属与液体之间一旦接触，便在接触处产生电的分离力，把原来结合在一起的阴电流体和阳电流体分开，从而产生电流，这是电流的接触说。1805年德国物理学家利特尔发现，两种金属接触时，其中一个的腐蚀速度远较其单独存在时为快。他解释说，由于这种金属首先受到氧化，即化学作用而产生电流，这是电流的化学说。

接触理论和化学说长期进行着争论。19世纪初，接触论占统治地位。1826年德国物理学家欧姆（G．S．Ohm）从接触说出发，发现了电学中极为重要的欧姆定律；接触说的拥护者，德国物理学家费希纳又用实验验证了欧姆定律的正确性，电的接触说达到了极盛时期。只是到了1834年英国物理学家和化学家法拉第确立了电解定律，肯定了化学作用和电量之间的转化关系，才使电流的化学说得到进一步发展。1842年能量守恒和转化定律的确立，清除了电的流体说，也使以流体说为基础的接触说不攻自破。但历史上这场争论并非多余。以这场争论为开端，引起了诸如物理力的转换、化学力的性质等问题的普遍讨论，从而推动了物理理论的发展。

电池问世后，立即在实践中获得了广泛的利用。在英国，当伏打致皇家学会的信尚未送到时，看过这封信的技师W．尼科尔和解剖学家卡莱尔已经用银币和锌板制成了电池，并分解了纽利巴河水，与银连接的金属丝上发生氢气泡，而锌的金属丝因氧气而生“锈”。1800年德国提出电流化学说的利特尔用64对电池从金属化合物的水溶液中提取出了金属。英国化学家戴维（H．Davy）于1807年用25对电池，从过去还不能分解的碳酸钾或碳酸钠中提取了金属钾和钠，1808年又用500对电池成功地提取了碱土金属钙和镁等。戴维预言了这样的电解一定会产生电化学工业。彼得罗夫1802年用4200块铜锌板组成了当时最大的蓄电池，借此，他第一个发现了电弧。1812年戴维也发现了电弧。一直到爱迪生发明白炽灯泡以前，这种碳极电弧都是作为强电光源使用的。

电池的问世，为科学研究提供了稳恒电流，也促进了科学理论的发展。电流光效应和热效应的研究开展起来了，对和电流有关的一些物理概念的本质的研究也提上了工作日程。