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第15章 近代物理学的早期发展(3)

1791年,伽伐尼把自己长期从事蛙腿痉挛的研究成果发表在一本科学杂志上。这个新奇的发现立即在学术界引起了很大反响,他的“动物电”的观点,得到了很多人的支持。因为已知有带电的鱼,那么发现青蛙带电,再推出“动物电”概念是顺理成章的。

伽伐尼的这一发现,引起了他的同胞、物理学家伏打的极大兴趣。伏打当时在电学研究上已颇有成就,是帕维亚大学的自然哲学教授,早在1774年他就发明了起电盘。他还发明过验电器和起电器等多种实验仪器。为此他曾于1791年获英国皇家学会科普利奖,并被选为会员。

伏打一开始也接受了伽伐尼的“动物电”观点。他重复了伽伐尼的实验,得到了相同的结果。但进一步的实验研究-使他产生了不同的看法。

他用莱顿瓶的电通过青蛙的肌肉,发现青蛙的肌肉也会发生抽搐现象。由此他得出结论,青蛙肌肉的反应是被动的,蛙腿起的并不是莱顿瓶的作用,它只是一个“验电器”,记录了电荷的通过。他认为并不存在伽伐尼所说的“动物电”。

伏打否定了“动物电”。然而,伽伐尼实验中蛙腿确实抽搐,表明有电产生,那么这电是从何而来的呢?他仔细研究这个实验,注意到该实验中必须要两种不同金属接触,青蛙肌肉才会抽搐这个情况,他猜想,可能是两种不同金属接触时产生的电。

他在自己身上做了一个实验。他用两种金属接成一根弯杆,一端放在嘴里,另一端和眼睛接触,在接触的瞬间就有光亮的感觉产生。他用舌头舔着一枚金币和一枚银币,然后用导线把硬币连接起来,就在连接的瞬间,舌头有发麻的感觉。这个实验说明,两种不同的金属接触会产生电。伏打把这种电称为“接触电”。

伏打认为,每一种金属都含有电液,金属不带电时,电液处于平衡状态,如果把不同金属连接起来,金属内部电平衡被破坏,电液开始运动,一定数量的电液从一种金属转向另一种金属,最终达到新的平衡。由于这种原因,金属便带了电,一个带正电,一个带负电。现代物理学告诉我们,在一定温度下不同金属中电子浓度一般不同。当两种金属形成接触时,在界面附近电子靠热扩散造成宏观转移,使一边比平衡时多出电子,带负电,另一边欠缺电子,带正电,因而就造成了金属接触电势差。伏打还发现,把两种以上不同金属串联起来,两端产生的电位差只和两端金属性质有关而与中间金属无关。这一规律被称为“伏打定律”。

1793年,伏打把接触电的观点公布于世,从而引起了“动物电”和“接触电”长达10年的争论,被称为“蛙腿论争”。1794年,伏打做了一个实验,只用金属不用肌肉组织做实验,也发现了电流的发生,从而使“接触电”的观点占了上风。

在争论期间,双方为了拿出有力证据证实各自的观点,都进行了积极的钻研和反复实验。这种竞争直接导致了伏打电池的发明。

从1792年起,伏打花了3年时间,用各种不同金属搭成一对一对,做了许多实验,在实验中他把金属排成一列:锌、锡、铅、铜、银、金他发现按这个序列,将前面的金属和后一个金属连接起来,前者带正电,后者带负电。这就是“伏打序列”。伏打就这样发现了“接触电位差”,这是伏打引进的新概念。

1799年,伏打经过无数次的实验,终于制成了能产生持续电流的电源。伏打高兴地称它是“人造发电器”。这就是最早的电池,史称“伏打电堆”,也叫“伏打电池”。

电堆是由数十个银与锌的圆板相互叠加而成,在这些圆板之间放上一张浸液片,这样就成了一个电堆,它能产生相当多的电荷。

伏打不仅用这个电堆产生了同莱顿瓶一样的电,而且还具有明显的反复产生的性能。把电堆两端用金属导线连结起来就可以获得持续的电流。

如果用手指接触上下两端,就感到强烈的电击。这种作用与莱顿瓶相似,但不像莱顿瓶一样放光电。

伏打把“伏打电堆”叫做电池组。把接在电池组两端的金属丝触及皮肤的两个地方,一动不动地忍受着。在接触的瞬间,他感到电击,不一会儿他觉得金属接触之处疼得厉害。

在回路闭合期间,这种疼痛一直继续着,断开时就消失了。伏打从这种实验中得出结论:电池组的作用能使电流体持续不断地循环流动,直到断开回路。

1800年,伏打写了一篇《论不同金属材料接触所激发的电》的论文,并且在同年3月20日写信给英国伦敦皇家学会会长尤素福·彭克斯,报告了这个成果。不过这份报告没有立即公开发表,而被当时皇家学会负责论文工作的秘书尼克尔逊和卡利斯尔搁置起来。这两人把自己重做的伏打实验的结果,用他们的名义发表。后来因为伏打的工作尽人皆知,他们的剽窃行为遭到学术界的强烈谴责。

虽然伏打发明的第一个原电池只能产生0.1伏特的电势,但是,它是科学史上最伟大的发明之一,对后来科学技术的发展起到了不可估量的促进作用。即便是在当时,它也一下子为当时的科学研究开辟了一个崭新的局面。

伏打电池出现不久,俄国科学院院士彼得罗夫和英国化学家戴维就用伏打电池各自独立地发明了电弧。1800年,英国的尼科尔逊等用伏打电池成功地电解了水,获得氢和氧,证实了卡文迪什关于水由氢和氧组成的猜测。戴维用伏打电池提取钾、钠、镁、锶、钡等金属。后来奥斯忒发现电池磁效应,法拉第发现电磁感应定律和电化学当量定律等,离开伏打电池,这一切都是难以想象的。

电解的发现使人们对电具有的能力抱有更大的希望。电池组可以使电流持续不断地流动,人们以为这显示电的异常能力,电池具有无限的能力。

有人期待,用它可以造出永动机。可是,不久人们便了解到,电池使电流持续流动时,本身也受到操作,能力显著减低。最后人们也弄清楚了,电流流动时,在电池内的溶液发生电解,由于生成的离子附在电极的周围,在电极处产生了相瓦的电势差,从而使电动势显著下降。

人们为了防止电解极化,开始努力排除电池作用的变化。物理学家丹聂于1836年首次制成了稳定的电池。

其后,许多人在早期电池改进方面做出了贡献。1859年,普朗特发明了反过来利用极化而能够反复充电多次使用的蓄电池。

伏打发明原电池的那一年正是1800年。次年,他在巴黎向拿破仑演示原电池时,拿破仑便意识到这是一个重大发明,破格封他为伯爵和参议员。1815年奥地利皇帝也任命伏打为奥地利著名大学哲学院长。

拿破仑还提议设立“伽伐尼电”奖金,每年奖给一位做出巨大贡献的电学家。为了纪念伏打的贡献,后人以他的名字命名了电源的电动势和电路中电势差的单位,即伏特。

在此还需特别提一下的是,关于“动物电”和“接触电”的10年争论,虽然证明用“动物电”的观点解释蛙腿痉挛是错误的,但伽伐尼在蛙腿实验中首先观察到电流现象在电学发展史上的地位是应当肯定的。可以认为,伽伐尼发现了电流,而伏打在电流本源的探索过程中发现了金属接触电现象。

另一方面,伏打对“动物电”的异议,促使伽伐尼进行了更加严密的实验,很快修正了自己的解释,并且从实验中获得了动物体内确实存在动物电的新证据,从而为一门全新的学科——电生理学的建立奠定了基础。目前广泛使用的“肌电图”、“心电图”、“脑电图”等都是这门学科研究成果在医学诊断上的具体应用。

从伽伐尼的一个偶然发现中,引出伏打电池的发明和电生理学的建立,这在科学史上一直传为佳话。难怪伏打真诚地赞扬说:伽伐尼的工作“在物理学和化学史上,是足以称得上划时代的伟大发现之一”。为了纪念伽伐尼,伏打还把伏打电池引出的电流称为伽伐尼电流。

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