今天,电池已经广泛地使用于人们日常生活之中。手电筒、收音机、电信仪表等,都离不开电池。不过,这种电池是经过多次改进而制成的,称为干电池。最初的电池可不是现在这个样子。从电池的“池”字可以看到,它最初是与液体联系在一起的。最初的电池,是把金属片放在装满盐水或稀硫酸的瓶子里,通过化学反应,将化学能变成电能的装置。发明这种装置的人,就是亚历山德罗·伏打。
意大利北部阿尔卑斯山南麓,有一座古老的城市,名叫科莫。科莫属于伦巴地区,经济比较繁荣。1745年2月18日,伏打就出生在这里。他的父亲是一位伯爵。伏打兄弟姐妹共8人,除他以外,都是神职人员。他的哥哥路易乔是个大主教。这个贵族家庭虽已趋于破落,但却为青少年时代的伏打提供了优越的生活环境和学习条件。
据说,伏打4岁时才会说话。家里的人都以为他很迟钝,智力不高。可是,7岁以后,他在学习上很快就赶上并超过了其他的孩子。上学时,他特别喜爱自然科学,而且喜欢同别人争论。伏打14岁时,就曾表示要当一个物理学家。他阅读了英国科学家普利斯特利的电学著作后,对电学产生了浓厚的兴趣。24岁时发表了第一篇论文,题为《关于电火的引力及其有关的现象》。这篇论文,在当时的科学界引起广泛注意,产生了很大影响。
1774年,29岁的伏打成为科莫皇家学校的一名物理教师。第二年,他发明了一种靠静电感应原理提供电源的装置。这个装置的制作方法是,将松香、松节油和蜡混合熔化,装在一个金属圆盆内,冷却之后,成为表面平滑的圆饼。再用锡做一个圆板,板面比圆饼面略小,板上安个玻璃柄,将锡板盖在圆饼上。做成后,只要用猫皮或毛布摩擦圆饼面,再把锡板放在圆饼之上,用手指按一下,再握着玻璃柄把锡板提起来,这时锡板上便会产生电。重复以上动作,便能继续得到电荷。伏打把这个装置叫做“起电盆”(也叫“起电盘”)。此外,他还发现并分离了甲烷气体,进行过各种气体的爆炸试验。
早年,伏打除了在故乡科莫从事科研活动外,还在帕维亚进行过科学研究和实验,并且发明和制作了许多仪器。其中有一种重要仪器,叫做“验电器”。这个仪器可以检验很小的电量。帕维亚离科莫不远,是米兰南面的一座城市,历史悠久,文化发达。1779年,伏打被聘任为帕维亚大学物理学教授。
为了了解自然科学研究方面的进展情况和最新信息,伏打还到欧洲一些国家去进行参观访问,广泛接触许多成就卓著的专家学者。他同法国的著名化学家拉瓦锡有过交往。拉瓦锡曾将自己的一幅画像赠送给他,以资留念,并在题词中称伏打为“我的学生和朋友”。1782年,他曾到过斯洛伐克,访问了著名的班斯卡希提亚夫尼察矿业学院。也就在这一年,他成为法国科学院的院士。后来,伏打又到了英国,并于1791年被选为英国皇家学会会员。由于他在电学和化学上的科学贡献,曾荣获英国皇家学会的科普利奖章。
意大利波伦亚大学有位教授,名叫伽瓦尼。他提出了动物身上带电的说法。早在1780年,伽瓦尼偶然观察到,在放电火花附近,或者在雷雨来临时,青蛙腿与金属环相接触,就会发生颤动。几年之后,他又发现只要用两种不同金属组成的环与蛙腿接触,蛙腿也会颤动起来。这个现象表明,伽瓦尼事实上已经发现了电流,可是他并没有认识到这一点。他认为,这可能是青蛙的肌肉中含有一种“动物电”。1791年,伽瓦尼发表了关于青蛙神经和肌肉切片试验的论文,宣称青蛙体内存在着电。于是,便产生了所谓“动物电”的学说。
伽瓦尼是伏打的朋友。当伏打得知伽瓦尼有关“青蛙试验”的消息时,最初是赞成“动物电”学说的。可是,在进行过多次实验之后,便否定了伽瓦尼的说法。他认为,青蛙腿之所以发生颤动,是因为有两种不同的金属相接触,因而产生了电流的缘故,并不是青蛙体内存在着电。1794年,伏打单独用金属进行实验,发现不需要通过动物组织,也能产生电流。于是,他认为电流的产生与动物的肌肉组织无关,从而提出了金属生电的看法。
伏打和伽瓦尼的争论,引起了动物生电派与金属生电派之间的很多争论。论战的一方以伽瓦尼为首,并得到德国科学家洪堡的支持;另一方以伏打为首,得到法国科学家库伦的支持。这场争论发生在18世纪末,是非常自然的事情,因为当耐尚处在电学研究的初期,人们对电的本质和来源并不十分了解。对于绝大多数人来说,电还是一种神秘的东西啊。
伽瓦尼为了证明动物电的存在,在实验中用两只青蛙,使它们的腿筋互相接触,发现也能得到电流。这是什么缘故呢?难道不是说明青蛙身上确实有电吗?伏打虽然一时还解释不了其中的原因,但是坚信动物生电的说法不对。他继续进行实验,以便找到推翻动物生电说的理由。伽瓦尼则坚持自己的观点。直到1798年伽瓦尼去世后,两派的争论还在继续。
伏打为了证实没有所谓的“动物电”,进行了一系列的观察和实验。有一天他在自己身上做了一次奇特的实验。他把一小块银板放在自己的舌头上面,将一小块铅板放在舌头下面。当这两块金属板的边缘接触时,他的舌头便觉得有点奇怪的滋味。如果两块板的边缘不接触,就没有那种滋味了。他把银板和铅板的位置互相调换一下,它们的边缘接触时又能得到另一种滋味。他还发现,如果两块板为同一种金属,便不会产生任何影响。伏打根据这个实验进行推论,认为他自己的舌头并没有电,它只不过是两种金属板接触后所产生的电的传导体而已。由此,伏打得出结论,伽瓦尼进行实验时,青蛙腿之所以发生颤动,并不是青蛙本身有电,而是因为两种金属接触后所产生的电,通过青蛙这个导电体时所产生的一种现象。
伽瓦尼的动物生电说和伏打的金属生电说之间的争论,最后以伏打的胜利而告终。伏打在这场争论中,为了使金属生电说更有说服力,他使用了许多种金属进行实验。通过这些实验,他又获得了一些新的发现。其中有些发现,在电学研究的初期非常重要,值得提出来说一说。
伏打在实验中发现,各种金属产生电荷的情况很不相同。有些金属能产生很多的电,而有些金属则只能够产生很少的电。不仅如此,不同金属所产生的电,还具有不同的性质。例如,锌与铜接触后,产生了电。但是,锌产生的电,与玻璃和丝绸相摩擦后所产生的电相似。而铜产生的电,则与火漆或松香被羊毛或猫皮摩擦后所产生的电相似。那时候,把前一种电叫做“玻璃质的电”,后一种则称为“松香质的电”。这两种电是互相吸引的。后来,有人将这两种不同性质的电,分别称为“阳电”(也叫“正电”)和“阴电”(也叫“负电”)。所谓“玻璃质的电”就是阳电,而所谓“松香质的电”则是阴电。
经过多次实验之后,伏打将几种主要金属,按它们电位差的大小,排列出一个序列。这就是:锌、铅、锡、铁、铜、银、金。在这个序列中,任何两种金属相接触,总是位于序列前面的带阳电(正电),位于序列后面的带阴电(负电)。他还发现,在这个序列中,相距愈远的两种金属接触时,能够收到更强的生电效果;最强的效果,发生在序列中处于首位的金属(锌)与处于末位的金属(金)相接触的时候。
伏打的这些发现,不仅进一步为金属生电的观点找到了更多的根据,而且为他发明电池打下了良好的基础。
伏打虽然不同意伽瓦尼的动物电学说,但是却从多次重复伽瓦尼的“青蛙试验”中受到启发,并进一步进行金属接触生电的实验和研究。正如他自己说过的,假如没有伽瓦尼的工作基础,他就不会产生搞自己这种电池的念头。由此可见,同伽瓦尼的争论,对于伏打来说,是很有积极意义的。
伏打发明电池,经历了一个不断探索和改进的过程。
1799年,他在进行两种不同金属接触生电的实验中,设计制造了一种装置,称为“电堆”。起初他想,既然两种不同的金属相接触,就能生电,那么,如果把这两种金属一对对地重叠起来,不是就可以得到更强的电流吗?于是,他选择锌和铜两种金属,进行实验。
他将一块圆形铜板放在桌面上,铜板上面放一块在硫酸和水里浸湿的布,布的上面再放一块圆形锌板。这样就构成了一组。接着,又按同样方式将铜板、湿布、锌板叠起来,构成另一组。这样,依次一组组地加上去,最后积成一个大堆。这堆东西的顶端为锌板,底端是铜板。锌板和铜板各系一根金属线。当这两根金属线接触或分开时,线端上便出现了电火花。这表明,电堆中已经有电流产生了。这种利用化学作用来产生电流的装置,便叫做“伏打电堆”。
可是,这种电堆有个很大的缺点,就是不能持久。因为在硫酸和水里浸湿的布,很快就干了,干了就不能发挥作用,所以电流也就产生不出来了。于是,伏打继续研究改良电堆的方法,使它能够长久地产生电流。
经过多次实验,他终于找到了解决的办法。他取一个玻璃瓶,里面盛满盐水(或者稀硫酸)。再将一个锌片和一个铜片对着竖立在瓶内的盐水里面,互不接触。然后,用一根金属线将锌片和铜片的上端连接起来。于是,电流就不断地产生出来了。在盐水里面,有电由锌片流到铜片上去;在盐水外面,则有电由铜片流向锌片。这种产生电流的玻璃容器,称为“伏打电瓶”。接着,伏打又将许多这种电瓶连接起来,使之组成一个环形。这样,电流便由一对锌片与铜片依次传到另一对锌片与铜片上去。由于电瓶增多,电流的强度便加大了。这种装置,被称为“伏打连环电瓶”。
“伏打电瓶”是1800年发明的。后来,人们把它叫做“伏打电池”。这年3月,伏打写信给当时英国皇家学会会长班克斯勋爵,宣布了他的这项发明。虽然在“伏打电池”问世以前,大约1745年,荷兰莱顿大学教授马森布洛克曾经发明一种“莱顿瓶”,可以生电,供科学实验之用,但是“莱顿瓶”放电很快,不能提供恒稳的电流。由于伏打电池可以提供经久不衰的电流,因此它传到英国后,很快便在科学实验中得到普遍的应用。
伏打电池的发明,对电学的发展起到了积极的推动作用。科学家们利用伏打电池提供的持续电源,进行各种实验,获得了许多重要发现。其中,电化学和电磁学的研究进展,就与伏打电池的使用有着密切的关系。这一切,都与伏打的贡献分不开。