伏打电池和金属电假说

2024-08-18 1656 阅读 · 1656 喜欢 · 1656 评论
原子建筑师
以原子为砖石,构筑化学的宏伟大厦。

在1791年,伽伐尼出版了《论在肌肉运动中的电力》,将他近十年的研究成果公开发表之后,引起了许多科学家的关注。
其中意大利物理学家伏特(也翻译为伏打)重复了伽伐尼的实验,并且有了新的发现,提出了他的金属电假设,进而制作出了著名的伏打电堆。

亚历山德罗·伏特Alessandro·Volta
家庭出身
1745年2月18日,伏特出生在现今意大利北部的一个小镇,他的父母都是贵族出生,但家庭并不富裕。
4岁时,伏特还没有开口说话,这让他的父母非常焦急。但后来的事情表明伏特其实是很有语言天赋的,他在毕业之前学会拉丁语,法语,英语和德语,这让他可以和欧洲的物理学家直接交流。
7岁时,父亲去世,并且留下债务。伏特只得到叔叔家跟着堂兄弟们一起接受家庭教师的教育。
12岁时,伏特被送入耶稣会寄宿学校学习,这里不收学费,但要求他日后成为一名牧师。
16岁时,经过家人的商议,伏特从耶稣会退学,进入本济神学院学习法律。他的母亲希望他成为一名律师,但其实伏特自己却对科学更感兴趣。
18岁时,伏特毕业,一边工作一边开始从事科学研究,他给都灵的贝卡里亚、巴黎的诺雷特写信,交流电学知识,贝卡里亚建议伏特多做实验。
早期研究
1765年,伏特20岁,他的好友朱利奥·塞萨尔·加托尼在自己家里建立了物理实验室,伏特被邀请进行实验。加托尼是伏特在耶稣学校认识的同学,比伏特大了4岁。
加托尼是科莫最富裕的人之一,后来世袭了侯爵,担任了科莫大教堂的主教。除了建立物理实验室以外,他还出钱建立了图书馆和气象观测台。
加托尼热爱科学,和伏特一起进行了许多物理实验,比如用一个电铃来检测大气中的电荷量,以此来预测雷电的发生。
这一年,伏特写了第一篇论文,是关于不同物质摩擦起电的的实验现象和相关分析,他把论文寄给了贝卡利亚。
1769年,加托尼在塔楼上安装了避雷针,这是意大利的一根避雷针。
这一年,伏特也写出了他的论文《电气的吸引力和现象》,讨论了静电力产生的原因,并且将其与重力进行对比,同样的这篇论文也被寄给了贝卡里亚。
1771年,伏特读到了约瑟夫·普里斯特利(Joseph Priestley)的著作,这让他意识到,他很多的发现其实早已经被前人发现过,这让他受到了一定的刺激,并且小心翼翼。
普利斯特是英国自然哲学家,与富兰克林是好朋友,在1767年他写了长达700页的《电力的历史和现状》,这成为了当时很多人的电学入门教材。
不过普利斯特主要成就在于化学,他发现了氧气、一氧化碳、二氧化碳、一氧化氮、氨气等多种气体,还发现了呼吸过程中的碳循环。在1772年普利斯特还将二氧化碳(当时称为固定空气)加在水中,发明了碳酸饮料,试图用于治疗坏血病。
1774年,伏特开始监督科莫的学校。他认为教学应该现代化,应该将更多的时间学习科学和现代语言。
1775年,伏特开始在科莫的公立语法学校教授实验物理学,直到1778年。
发明感应式起电盘
1775年,伏特发明了一种能够产生静电的装置-感应式起电盘,他写信询问普利斯特,这是否是新发明。但普利斯特遗憾地告诉他,这种装置在1762年已经被约翰·威尔克发明过了。不过这种装置却最终还是因伏特而广为人知。

起电盘由两个圆盘构成,下面一个圆盘由松脂熔化后凝固而成,上面一个是金属圆盘,带有绝缘手柄。
使用时,首先通过摩擦的方式让介电板带上电,然后手握金属盘的绝缘手柄,让金属板靠近介电盘。
这时候由于静电感应,金属盘的上下表面就会产生两种相反的电荷,然后用手去触碰一下金属盘的上表面,这样上表面的电荷就会被导走,只有下表面带有电荷。
随后金属盘就可以用来给莱顿瓶充电,随后重复靠近介电盘,用手触摸一下,又可以继续给莱顿瓶充电。
用电火花点火
1776年,伏特从马焦雷湖的沼泽中分离出甲烷气体,并且发现甲烷-空气混合物可在带电火花的密闭容器中爆炸,像这样的电启动化学反应以后将成为内燃机的基础。
他还建议在科莫和米兰搭一根电线,用来引爆甲烷气体,以此发送信号。
1777年,伏特进一步发明了一种检测空气中氧气含量的仪器。其原理是用电火花点燃氢气和氧气,通过体积减少来推算氧气的含量。
在帕维亚大学
1777年,伏特离开了科莫,开始在瑞士和法国游历,展示了他在电气设备方面的创新,这让他在意大利以外有了一定的名气。
1778年,归国的伏特被任命为帕维亚大学实验物理系主任,这距离科莫约85公里,他将担任该职位40多年。
1778年–伏打发现电容器中的电张力(现在称为电势差或电压)与电荷量成正比,这被称为电容 的伏打定律。
1781年至1782年–伏特(Volta)遍历欧洲大多数主要科学中心,包括巴黎法国学院(French Academy),向安托万·拉瓦锡(Antoine Lavoisier)和本杰明·富兰克林(Benjamin Franklin)等著名人士展示了他的电气设备和发明。伏特(Volta)开始在意大利以外地区广为人知。
1782年–伏特讲述了他建造的用于收集和存储电荷的电容器(今天我们将其称为电容器),以及他如何使用电容器研究各种电现象。
1788年–伏特着手建造了越来越灵敏的电镜以检测和测量电荷的影响。
1790年–伏特进行了气体行为的实验。他发现了随着空气温度升高而增加的空气量的准确值。
1791年–伏特已经成为欧洲最重要的电气科学家之一,当选为英国皇家学会的院士。
1794年-50岁时,伏特因其对电力的科学理解做出的贡献而被授予皇家学会的最高奖项-科普利奖章。
金属电假设
伏特一开始也同意伽伐尼关于生物电流的说法,但很快他又产生了怀疑,这主要是他了解到其它的一些有关现象。
早在1750年,瑞士科学家Johann Georg Sulzer (1720-1779)就发表过一篇论文。描述他把金币和银币贴在一起,含在嘴里,舌头感到麻木和一股奇怪的酸味,这和单独的银币或者金币味道不同,他猜测这是金属中的微小粒子产生振动而引起刺激舌头产生的感觉。不过篇论文并没有引起广泛注意。
伏特恰好读过这篇论文,作为对电学有很深造诣的物理学家,伏特这使他意识到,这都是电流的作用,并且电流的产生都和两种金属有关。而作为生物学家的伽伐尼相比,是完全相反的视角,他认为电流来源于生物体内部。
伏特于是推测,电流产生于两种不同的金属之间,而不是青蛙神经或者人的舌头。青蛙神经在这个试验中,一是导体,而是相当于一个检流计,这个学说解决了伽伐尼“生物电”假说的不足之处。
伏特又找来一根较长的导线将金币和银币连接起来,一端含在嘴里,另一端接触眼皮上部,当刚一接触的瞬间,眼睛里竟然产生了光。这让伏特坚信了金属电的观念,开始设计更精确的检流计来完成实验。
1793年12月,伏特在一封信中公开提出了反对伽伐尼“动物电”的观点。他一再强调电流在本质上是由金属的接触产生的,与金属板是否压在动物体上无关。他提倡用“金属电”代替“动物电”这个名称。
1794年,49岁伏特因为对电的研究获得英国皇家学会的普利策奖章,并和一位名门闺秀成婚,婚后育有3个孩子。
伽伐尼的回击
伏特的金属电学说发表后,伽伐尼并不认同,一方面是伏特的学说依旧有一些漏洞,另一个原因是这种学说触碰了伽伐尼的宗教情怀。
不过伽伐尼并不是一个喜欢口头争论的人,他只是默默进行更多的实验,希望用事实捍卫自己的学说。
伽伐尼经过更仔细地观察,发现即使使用两个铁钩,也能够观察到青蛙抽搐,伏特反驳他用的两个铁钩纯度不一样,相当于不同金属。
随后,伽伐尼又用纯度更高的同种金属完成了青蛙抽搐实验,甚至使用木炭完成了实验,成功反驳电流来源于两种金属的说法。
1794年,伽伐尼匿名发表了另一篇文章,他通过两只不同的青蛙神经连接,成功产生了生物电流,从而确认了生物电动势存在于活组织内。
伏打序列
不过伏特并没有放弃,他想到不用生物体,而用食盐水浸泡纸板来代替青蛙腿,然后用两种不同的金属与之连接,再用静电计测量,看是否产生了电。
但很久没有进展,因为这种电压太低了,而当时的静电计不够灵敏,于是伏特继续改进静电计的灵敏度继续实验。
1796年,伏特成功了,在一封信中描述了新的接触电理论:导体分为干导体和湿导体,干导体包括金属、黄铁矿和木炭,湿导体包括盐、碱、酸等液体,当两种导体接触,就会引起电的扰动产生电流。至于产生这个现象的原因,伏特认为这是导体的一般特性。
伏特用多种金属进行了实验,又发现同一种金属与某一种金属接触时带正电,与另一种金属接触时带负电。
1797年,伏特确定了一个金属序列,只要按这个顺序将任意的两种金属接触,排在前面的那种金属将带正电,排在后面的那种金属将带负电。伏打排出的这个序列是:锌、铅、锡、铁、铜、银、金、石墨、木炭,这就是著名的伏打序列。
伏打电堆
1799年,伏特设计了一个装置,先将纸板盐水混合物浸泡,然后按照锌板、纸板、铜板的顺序堆叠起来,并取名伽伐尼电池,当电池的顶端与底部以导线连接时,就会有持续的微弱电流产生。将几十组伽伐尼电池串联起来,就可以得到较强的电压。

1800年3月20日,伏特写信给那时伦敦皇家学会会长约瑟夫 班克斯,详细描述了他的发现,六个星期后,尼科尔孙和卡莱斯勒按照伏特的方法制成功制作出了这一装置,并在《尼克尔孙杂志》上以“伏打电堆”为名,介绍了这一发明,并进行了水的电解实验,这比此前用莱顿瓶电解水的效果更明显(1789年,杨·鲁道夫·德曼和阿德里安·派斯·范·特鲁斯维克最先进行水的电解)。
新时代开启
伏打电堆的出现,向世人展示了金属电的存在,虽然伽伐尼已在1798年去世,并没有见到这一发明,但争论在依旧在两派的支持者间持续了许久。
从现在的科学观点来看,生物电的确存在生物细胞内,而金属接触电是由于原子核对外层电子的束缚能力不同造成的。伽伐尼首先发现的其实是金属电,后来仅用青蛙腿检验到的才是生物电。
伏打电堆的出现,让了电学从静电走向流电,同时开启了电化学这门学科,是电学史上的又一个转折点。

“赞助支持 menjieliefu.com 快速成长”
赞助支持