獻(xiàn)給新世紀(jì)的禮物——伏打與穩(wěn)恒電流

現(xiàn)在，人們的日常生活中離不開電池，它給人們帶來的便利簡直多得數(shù)不清。電池的原始雛形就是科學(xué)史上赫赫有名的“伏打電堆”。從某種意義上可以說，伏打電堆哺育了電磁學(xué)和化學(xué)、冶金學(xué)和光學(xué)等。

要了解電池的發(fā)明，我們還要從這位意大利物理學(xué)家伏打的經(jīng)歷說起。亞歷山德羅·伏打（1745—1827）是意大利物理學(xué)家。1745年2月19日生在意大利科莫城的一個貴族家里。伏打從小就對電學(xué)感興趣。19歲時，他在家鄉(xiāng)的城市里成為一名物理教師。1777年，他由于科學(xué)研究的成就，而獲取了帕維亞大學(xué)物理學(xué)教授的職位。1791年，伽伐尼發(fā)表了青蛙神經(jīng)和肌肉切片試驗的論文。論文發(fā)表后，引起了伏打的興趣，于是，他重復(fù)了伽伐尼的試驗，得出了自己的觀點：電流不是來源于動物體，而是產(chǎn)生于兩種不同的金屬。

伏打電堆

伏打

1793年，伏打應(yīng)邀參加了英國皇家學(xué)會的會議，這是一個群星薈萃的精英大會。來自歐洲各地的科學(xué)家匯集在倫敦伯明翰宮，交流他們的最新的科學(xué)發(fā)現(xiàn)，切磋他們的技藝。在科學(xué)家的心目中皇家學(xué)會的會議簡直就是一個盛大的科學(xué)節(jié)日。

伽伐尼

在去倫敦的旅途中，伏打結(jié)識了一位同去參加會議的伽伐尼教授。這位來自波洛尼亞大學(xué)的醫(yī)生，顯得固執(zhí)神秘。他對伏打說，倫敦會議要因他引起一場震動。伏打想問個究竟，伽伐尼只是神秘地對他一笑。他對隨身攜帶的一罐青蛙的關(guān)心程度，遠(yuǎn)遠(yuǎn)超過同行的旅伴。伏打也無暇顧及身邊旅伴，因為他還要思考驗電器的問題呢。

伽伐尼青蛙實驗

這位神秘莫測的旅伴沒有說錯，伽伐尼的發(fā)現(xiàn)真引起了倫敦會議的轟動。他用兩塊不同的金屬片構(gòu)成回路時，可以使死去很長時間的青蛙發(fā)生抽搐。有人夸張的認(rèn)為，伽伐尼實驗可以使死人復(fù)活。伽伐尼則認(rèn)為他發(fā)現(xiàn)了存在于肌肉之內(nèi)的“生物電”。

阿爾卑斯山風(fēng)光

伽伐尼的青蛙實驗實在太精彩，它把伏打迷住了，征服了，伽伐尼成了他心中的英雄。

在返回意大利的路上，兩個人變成了無話不談的朋友。他們一路無心觀賞窗外的景色，只是不住地交談著研究中的種種經(jīng)歷。伽伐尼告訴伏打他是怎樣偶然發(fā)現(xiàn)青蛙抽搐，然后窮追不舍去研究。伏打卻老在想那兩塊神奇的金屬片。不管伽伐尼怎么說，他認(rèn)為秘密就在金屬片之間。他恨不得馬上飛過阿爾卑斯山，回到帕多瓦的實驗室，證實他的想法。

伽伐尼的蛙腿實驗

帕多瓦大學(xué)

伏打堅信只有實驗是永恒的，它不會欺騙任何人，然而，人們對于實驗的解釋則是可變的。

美麗寧靜的帕多瓦，是個研究學(xué)問的理想之地。偉大的近代科學(xué)之父伽利略，在這里工作了18個年頭，在帕多瓦他用望遠(yuǎn)鏡開辟了一個新的天體世界，證實了哥白尼關(guān)于地球和天體運(yùn)動的學(xué)說。工作在帕多瓦大學(xué)的伏打以此為警鞭策自己獻(xiàn)身科學(xué)的座右銘。

伽利略

在帕多瓦大學(xué)自己的實驗室里，伏打重復(fù)著伽伐尼的青蛙實驗。見鬼，實驗真的像伽伐尼說得一模一樣，電流像是貯存在肌肉中的一樣。伏打氣惱地離開擺滿物理實驗儀器的桌子。

拉瓦錫

就在這時，伏打一抬頭，看見了掛在墻上的那張畫像。上面畫著一幅戴著假發(fā)、神態(tài)安詳明朗的半身像，他那英俊的面容中充滿了剛毅的神氣。在畫像的白色底邊上用法文寫著題詞：“贈給我的學(xué)生和朋友留念”。旁邊是漂亮的花體簽名：安圖瓦·羅朗·拉瓦錫。

看到老師那期待的目光，伏打的心立即平靜下來，重新回到了桌子旁。

終于，經(jīng)過上百次的試驗，伏打漸漸發(fā)現(xiàn)了這樣一個現(xiàn)象：用一根銅線作為一端，改換不同金屬線做實驗的另一端時，青蛙抽搐的激烈程度隨金屬不同而改變。銀導(dǎo)線引起青蛙肌肉的強(qiáng)烈收縮，而在觸到鐵導(dǎo)線時，肌肉只是微微地顫動幾下。

伏打心想，要是電流存在于肌肉中，改變金屬時，青蛙肌肉的收縮不應(yīng)該變化啊。這時，更換金屬品種的青蛙實驗堅定了伏打的想法，他因此認(rèn)定電來自于金屬，而不是肌肉。

這期間，伏打?qū)懶艑嶒灲Y(jié)果告訴伽伐尼，不料竟引起了伽伐尼的批駁。一場產(chǎn)生于青蛙腿的科學(xué)論戰(zhàn)就這樣開始了。

科學(xué)論戰(zhàn)也擴(kuò)展了伏打的研究視野。有一天，他把實驗中用的兩條性質(zhì)不同的金屬線，改換為兩條性質(zhì)相同的金屬線。實驗結(jié)果使伏打大為吃驚：兩條相同的金屬導(dǎo)線構(gòu)成回路時，并不能使青蛙肌肉抽搐。這一實驗結(jié)果使伏打堅信，使青蛙肌肉收縮的能量，的確來自一種新的電能，但它不是由動物組織產(chǎn)生的，而是由兩種不同性質(zhì)的金屬的接觸產(chǎn)生的。

從此，伏打進(jìn)行的實驗性質(zhì)發(fā)生了一個根本的轉(zhuǎn)折。由過去重視青蛙肌肉收縮反應(yīng)轉(zhuǎn)向重視金屬的生電性質(zhì)。不久，他意識到，蛙腿肌肉的抽搐表明其中有電流通過，青蛙的反應(yīng)在這里起著驗電器的作用。

當(dāng)時，電學(xué)儀器設(shè)備還很落后，僅有的電學(xué)實驗儀器也都是用來研究靜電的，伏打既沒有電壓表，也沒有電流計，而用兩種金屬接觸產(chǎn)生出來的電流又極其微弱，所以測量極其困難。

任何一個人要想從事科學(xué)研究，必須要具有研制實驗儀器的動手能力，在科學(xué)時代的早期，這一點尤其重要。伏打使用當(dāng)時的雙葉式驗電器根本無法測出電流的強(qiáng)弱。后來，他將自己設(shè)計的電容器加在驗電器上，從而提高了驗電器的靈敏度。他反復(fù)使用兩種不同的金屬相互接觸，中間隔上濕的硬紙、皮革或其他海綿狀東西，結(jié)果表明都有電能產(chǎn)生。

1799年，全世界的人都在歡慶19世紀(jì)的到來。為了給新世紀(jì)獻(xiàn)上一份厚禮，伏打加快了實驗研究步伐。他制成一種不同金屬片浸入鹽水中的裝置。不久，他又對這種裝置進(jìn)行改進(jìn)，把許多圓形金屬片和用鹽水浸潤過的圓形厚紙片，按照銅片、紙片、鋅片……次序一個個疊起來，制成了“電堆”。伏打看到成對金屬片和浸鹽紙片堆得越高，產(chǎn)生的電流越大，所以把他發(fā)現(xiàn)的裝置形象的命名為“電堆”。

伏打電堆是世界上最早的電池，它可以產(chǎn)生連續(xù)恒定的電流，為電學(xué)研究開辟了道路。

1800年3月20日，伏打把關(guān)于電堆試驗結(jié)果報告給英國皇家學(xué)會。在報告信中，他介紹了用幾十對銅片和錫片中間夾有鹽水滲透的紙殼所組成的電堆。后來，他通過多次實驗，又發(fā)現(xiàn)把各種金屬按著鋁、鋅、錫、鐵、銅、銀和金的順序排列，用每兩種金屬組成電堆時，前面的金屬帶正電，后面的金屬帶負(fù)電。這就是伏打所發(fā)現(xiàn)的“接觸電勢差系列”。從此，全世界都知道了伏打和他的“電堆”。伏打所引起的轟動，是伽伐尼所不能比擬的。

各國物理學(xué)家得知伏打電堆構(gòu)造后，紛紛開始研究電流的作用。在此過程中，伏打電堆也越造越大，越來越完善。在當(dāng)時，哪一個物理學(xué)家的實驗室中沒有電堆，好像就不是一個物理學(xué)家似的。

賓夕法尼亞大學(xué)

1802年，俄國物理學(xué)家彼得洛夫在彼得堡制成了最大的伏打電堆，此電堆由4200個鋅圈和銅圈組成。同一時期，美國賓夕法尼亞大學(xué)的黑爾博士制成的大伏打電堆，產(chǎn)生的電力足以熔化金屬。

戴維

伏打演示伏打電堆

1807年，英國化學(xué)家戴維通過電解，發(fā)現(xiàn)了鉀和鈉兩種新元素，轟動了世界。戴維還利用伏打電堆發(fā)現(xiàn)了電弧，制成照明用的電弧燈。這種碳極電弧燈，在19世紀(jì)70年代白熾燈問世以前，一直作為電光源。

新世紀(jì)，新氣象。榮譽(yù)和報喜的信件像雪花一般朝伏打飛來。面對成堆的信件，伏打想起了巴黎之行的情形。

法蘭西共和國第一執(zhí)政官波拿巴·拿破侖將軍，盛情邀請著名的意大利教授伏打來法國科學(xué)院演示他的發(fā)明——伏打電堆。

1801年12月21日晚8時，要在科學(xué)院舉行伏打教授的演講會。法蘭西第一執(zhí)政官、外交部長、國防部長和科學(xué)院的院士們都欣然前來聆聽這次演講。

當(dāng)伏打教授出現(xiàn)在演講大廳時，雷鳴般的掌聲剎那間使他心怯氣喘。演講開始以后，絕大多數(shù)人都懷著驚訝好奇的心情傾聽著教授的每一句話。從伽伐尼實驗轉(zhuǎn)到伏打電堆上來以后，演講出現(xiàn)了高潮。

伏打?qū)⒆约河媒饘倨瞥傻碾姸逊旁谧雷由?，請熱心的聽眾們走過來碰一碰正負(fù)極，觸到正負(fù)極的人們開始像青蛙一樣抽搐起來；當(dāng)伏打用連接在極板上的導(dǎo)線碰一些人的眼皮時，這些人的眼里就開始出現(xiàn)五顏六色的光環(huán)；有人用舌頭舔了舔?qū)Ь€，覺得有一股酸味，耳朵里卻聽到了一陣鳴響。

在巨大和神秘的力量面前，一種不可思議和含混不清的恐怖籠罩著所有的與會者，聽眾已無暇顧及伏打的演講了。當(dāng)波拿巴·拿破侖拉著伏打走向講臺一側(cè)，他們才清醒過來。

“偉大而神秘的自然界的帷幕被天才揭開了一角，對他們僅僅贊賞是很不夠的，應(yīng)該使他們得到獎勵。因此，我宣布為電學(xué)領(lǐng)域中天才的發(fā)明者們設(shè)立20萬法郎的基金。第一筆獎金就授予偉大的亞歷山德羅·伏打教授?！贝髲d里響起了贊許的掌聲。

面對巨額獎金和如雷的掌聲，伏打并不為所動。他想，大自然有多少奧秘等待人們?nèi)ソ议_。在自然界的面前，人類還是一個不懂事的孩子呀！想到這兒，他又穿上實驗工作服，回到他的實驗室去了。

伏打一生中發(fā)明了很多儀器，也獲得很多的榮譽(yù)和獎勵，是許多國家的科學(xué)院院士，拿破侖曾授予他侯爵的稱號。伏打還被任命為意大利王國上議會的議員。1827年3月5日他在故鄉(xiāng)科莫去世，享年82歲。為了紀(jì)念伏打在電學(xué)方面所做的貢獻(xiàn)，人們把電壓的單位命名為伏特。其定義是：在電路中兩點間通過電流1安培時，如果在1秒內(nèi)作功為1焦耳，那么這兩點間的電壓規(guī)定為1伏特。

勞動卻是產(chǎn)生一切力量、一切首先和一切幸福的威力無比的源泉

——拉·喬乃尼奧里