书城科普读物站在巨人肩上-从伏打谈电化学
28664100000003

第3章 伏打

进入现代社会以来,人们对电池的需求越来越大,例如钟表上需要电池,收音机录音机上需要电池,手机上也需要电池。电池给人们带来的便利简直多得数不清,它的原始雏形就是科学史上赫赫有名的“伏打电堆”。从某种意义上可以说,伏打电堆哺育了电磁学和化学、冶金学和光学等。

电池是怎样发明的呢?这要从意大利物理学家伏打的经历说起。

1793年,伏打应邀参加了英国皇家学会的会议。这是一个群星荟萃的精英大会,来自欧洲各地的科学家汇集在伦敦伯明翰宫,交流最新的科学发现并切磋技艺。在科学家的心目中皇家学会的会议简直就是一个盛大的科学节日。

在前往伦敦的旅途中,伏打结识了一位同去参加会议的同胞伽伐尼教授。这位来自波洛尼亚大学的医生显得固执神秘。他对伏打说,伦敦会议要因他引起一场震动。伏打想问个究竟,伽伐尼只是神秘地对他一笑。他对随身携带的一罐青蛙的关心程度,远远超过同行的旅伴。伏打也无暇顾及身边旅伴,因为他还要思考验电器的问题呢。

伽伐尼是一位让人难以琢磨的旅伴,他的发现一在英国皇家学会会议上公布就引起了会议的轰动。他用两块不同的金属片构成回路时,可以使死去很长时间的青蛙发生抽搐。有人夸张地认为,伽伐尼的实验可以使死人复活,伽伐尼则认为他发现了存在于肌肉之内的“生物电”。

伽伐尼的青蛙实验实在太迷人了,它深深地征服了伏打,伽伐尼成了伏打心中的英雄。

伽伐尼恨不得马上飞过阿尔卑斯山,回到帕多瓦的实验室,证明自己的想法参加完会议返回意大利的途中,两个人进行了深入而亲密的交谈,共同的志向让二人变成了无话不谈的朋友。他们一路无心观赏窗外的景色,只是不住地交谈着研究中的种种经历。伽伐尼告诉他怎样偶然发现青蛙抽搐,然后穷追不舍去研究。伏打却老在想那两块神奇的金属片,不管伽伐尼怎么说,他认为秘密就在金属片之间。他恨不得马上飞过阿尔卑斯山,回到帕多瓦的实验室,证实他的想法。伏打坚信只有实验是永远正确的,它不会欺骗任何人,然而,人们对于实验的解释则是可变的。

美丽宁静的帕多瓦是研究学问的好地方,伟大的近代科学之父伽利略在这里工作了18个年头,在帕多瓦他用望远镜开辟了一个新的天体世界,证实了哥白尼关于地球和天体运动的学说,工作在帕多瓦大学的伏打常常以伽利略的事迹来激励自己献身科学。

在帕多瓦大学的实验室里,伏打重复着伽伐尼的实验。实验像伽伐尼说得一模一样,电流像是贮存在肌肉中的一样。没有找到实验的突破点,伏打气恼地离开摆满物理实验仪器的桌子。然而一抬头,他看见了挂在墙上的那张画像。上面画着一幅戴着假发、神态安详明朗的半身像,画像英俊的面容中充满了刚毅的神气,在画像的白色底边上用法文写着题词:“赠给我的学生和朋友留念。”旁边是漂亮的花体签名:安图瓦·罗朗·拉瓦锡。看到老师那满含期待的目光,伏打的心立即平静下来,重新回到了桌子旁。

经过多次反复的试验,伏打渐渐发现了这样一个现象:用一根铜线作为一端,改换不同金属线做实验的另一端时,青蛙抽搐的激烈程度随金属不同而改变。银导线引起青蛙肌肉的强烈收缩,而在触到铁导线时,肌肉只是微微地颤动几下。伏打想:要是电流存在于肌肉中,改变金属时,青蛙肌肉的收缩不应该变化。这时,更换金属品种来进行青蛙实验坚定了伏打的想法,他认定电肯定来自于金属,而不是肌肉。

在进行了一系列的实验之后,伏打将实验结果写信寄给伽伐尼,不料他的这一举动竟引起了伽伐尼的批驳,因为两位科学家都坚持自己的观点,他们都认为自己是对的。一场关于青蛙腿的科学论战就这样开始了。

科学论战开拓了伏打的研究思维,扩展了伏打的研究视野。有一天,他想把实验中用的两条性质不同的金属线改换为两条性质相同的金属线,看实验结果将会怎样。实验结果使伏打大为吃惊:两条相同的金属导线构成回路时,并不能实现青蛙肌肉抽搐。这一实验结果使伏打坚信,使青蛙肌肉收缩的能量,的确来自一种新的电能,但它不是由动物组织产生的,而是由两种不同性质的金属的接触产生的。

通过这次全新的实验,伏打的研究发生了一个根本的转折,即由过去重视青蛙实验本身转向重视金属的生电性质。不久,他意识到,蛙腿肌肉的抽搐表明其中有电流通过,青蛙的反应在这里起着验电器的作用。

在伏打所处的那个时期,仅有的电学实验仪器都是用来研究静电的,伏打既没有电压表,也没有电流计,而用两种金属接触产生出来的电流又极其微弱,所以测量极其困难。

任何一个人要想成功地从事科学研究,必须具有研制实验仪器的动手能力,在科学时代的早期,这一点尤其重要。伏打使用当时的双叶式验电器根本无法测出电流的强弱,于是他将自己设计的电容器加在验电器上,从而提高了验电器的灵敏度。他反复使用两种不同的金属相互接触,中间隔上湿的硬纸、皮革或其他海绵状东西,结果表明都有电能产生。

1799年,全世界的人都在欢庆19世纪的到来,都沉浸在新世纪来临的喜悦中。伏打为了给新世纪献上一份厚礼,加快了实验研究步伐。他制成一种不同金属片浸入盐水中的装置,不久,他又对这种装置进行改进,把许多圆形金属片和用盐水浸润过的圆形厚纸片按照铜片、纸片、锌片……次序一个个叠起来,制成了“电堆”。伏打看到成对金属片和浸盐纸片堆得越高,产生的电流越大,所以把这种装置形象地命名为“电堆”。伏打电堆是世界上最早的电池,它可以产生连续恒定的电流,它的出现为电学研究开辟了道路。

1800年,新的世纪来临了,伏打将其最后研究成果以长信的方式寄给了英国皇家学会主席班克斯。班克斯读后立即将其作为正式科学论文发表在皇家学会学报上,从此,全世界都知道了伏打和他的“电堆”。伏打所引起的轰动,是伽伐尼所不能比拟的。各国物理学家得知伏打电堆的构造后,纷纷开始研究电流的作用。在此过程中,伏打电堆也越造越大,进一步完善。在当时,哪一个物理学家的实验室中没有电堆,好像就不是一个物理学家似的。

1802年,俄国物理学家彼得洛夫在彼得堡建立了最大的伏打电堆,这个伏打电堆由4200个锌圈和铜圈组成。同一时期,美国宾夕法尼亚大学的黑尔博士制成的伏打电堆产生的电力足以熔化金属。

1807年,英国化学家戴维通过电解,发现了钾和钠两种新元素,轰动了世界。戴维还利用伏打电堆发现了电弧,制成照明用的电弧灯。在19世纪70年代白炽灯问世以前,这种碳极电弧灯一直作为电光源。

新世纪有新的创造,荣誉和报喜的信件像雪花一般朝伏打飞来。面对成堆的信件,伏打想起了巴黎之行的情形。

法兰西共和国第一执政官波拿巴·拿破仑将军,盛情邀请著名的意大利教授伏打来法国科学院演示他的发明——伏打电堆。

1801年12月21日晚8时,预定在科学院举行伏打教授的演讲会。第一执政官、外交部长、国防部长和科学院的院士们都欣然前来聆听这次演讲。

当令人崇敬的伏打教授出现在演讲大厅时,雷鸣般的掌声刹那间使他心怯气喘。演讲开始以后,绝大多数人都怀着惊讶好奇的心情倾听着教授的每一句话。从伽伐尼实验转到伏打电堆上来以后,演讲出现了高潮。

伏打将自己用金属片制成的电堆放在桌子上,请热心的听众们走过来碰一碰正负极,触到正负极的人们开始像青蛙一样抽搐起来。当伏打用连接在极板上的导线碰一些人的眼皮时,这些人的眼里就开始出现五颜六色的光环。有人用舌头舔了舔导线,觉得有一股酸味,耳朵里却听到了一阵鸣响。

大自然的力量是神秘而伟大的,当这股神秘而伟大的力量突如其来地降临在这个演讲大厅时,一种不可思议和含混不清的恐怖笼罩着所有的与会者,听众已无暇顾及伏打的演讲了。当波拿巴·拿破仑拉着伏打走向讲台一侧,他们才清醒过来。拿破仑激动万分地说:“伟大而神秘的自然界的帷幕被天才揭开了一角,对他们仅仅赞赏是很不够的,应该使他们得到奖励。因此,我宣布为电学领域中天才的发明者设立20万法郎的基金。第一笔奖金就授予伟大的亚历山德罗·伏打教授。”大厅里响起了热烈的掌声。

面对巨额的奖金和如雷的掌声,伏打并没有就此止步。他想,大自然有多少奥秘等待人们去揭开。在自然界的面前,人类还是一个不懂事的孩子呀!想到这儿,伏打又穿上实验工作服,回到他的实验室去了。