伽伐尼实验与伏打电池

18世纪中期,人们在非洲与南美等地的热带河流中,曾发现一种很怪的鱼,当你用手去抓它时,它能以一种类似"电击"的方式自卫,后来人们进一步发现,只是在用两只手同时碰它的头和尾部时,才受到电击。更有趣的是,这种鱼可用来给莱顿瓶充电。这说明,这种鱼的自卫方式确实是电击,是一种放电现象。后来,人们把这种鱼称为"电鳗"或"电妖鱼"。

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电鳗的电击现象引起了意大利生物学家伽伐尼(1737-1798年)对动物体上的电现象的关注,当时,他正致力于动物解剖学研究。1780年,他偶然发现雷电使蛙腿肌肉发生抽搐,这一发现,引起了他的兴趣,以后几年内,他一直试图以实验再次证实这一发现。1786年9月20日,他进行了这样一个实验:他用莱顿瓶储存了一些用静电起电机产生的电荷,然后用莱顿瓶放电来刺激青蛙的大腿肌肉,发现同样能使肌肉抽搐。他认为,这可能是由于蛙腿肌肉本身含有一种像电鳗那样的"生物电"与莱顿瓶的放电相互感应的结果。

伽伐尼把他的实验告诉了他的朋友、物理学家伏打(1745-1827年),伏打重复了这一实验,也得到了相同的结果。不过伏打认为,这并不是因为动物体内含有"生物电"的原因,而是在于两种导体接触的结果。后来,伽伐尼于1791年又发现,用两种不同的金属叉尖同时接触蛙腿,同样也能使它抽搐。同年,伽伐尼提出了动物组织中含有"动物电"的论断。

伽伐尼不仅初步从实验上证实了"动物电"的存在,更重要的是,它导致了电流的最初发现,直接推动了电学的发展,特别是导致了电化学的诞生,而伏打即是电化学的伟大开拓者。

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伏打是18世纪末19世纪初的杰出的实验电学家之一,1762年起,17岁的他就开始致力于电学研究。1775年,他在格里凯起电机的基础上,发明了一种新的起电盘,这种起电盘既可产生正电荷,也可产生负电荷,而且所产生的电荷量要比格里凯起电机所产生的电荷量大。在实验电学研究中,伏打试图发明一种新的电源,以便获得稳定的电荷。为此,他对各种金属与非金属元素的电势进行了实验分析,于1792年发表了一个最早的各种不同的金属的电势顺序表。

当伏打正致力于各种金属的电势的实验测定时,伽伐尼把自己的实验告诉了他。1792-1796年间,伏打多次重复了伽伐尼实验,得到了与伽伐尼同样的结果。不过他认为,实验中所产生的电荷,并不在蛙腿肌肉本身,而在于两种金属的接触。因为他在实验中发现,当两种金属接触时,若在两种金属之间隔些溶液或湿物,也能产生微弱的电荷,这是伏打的一项重要发现,他决定以此为基础,进行他多年来希望进行的发明一种稳定电源实验。

在最初的实验中,伏打用半碗半碗的盐水依次将一连串的金属连接起来,他发现这种装置能产生一定的电流。正是在这种最初的实验中,伏打发现了"锌-铅-锡-铁-铜-银-金"等各种主要金属的电势序列。后来,他觉得这种装置很不方便,于是把各种金属做成一些小圆片,而金属中间的间隔物则用一些同样形状的浸透盐水的厚纸片来代替,然后依次按照铜片、纸片、锌片;铜片、纸片、锌片这样一组一组地叠起来。

1800年,新的装置制成了,当伏打把铜片的一端与锌片的一端用导线连接起来时,果然从中获得了连续而稳定的电流。这就是伏打发明的第一个化学电源。后来,伏打为了进一步提高他的电源的电量,他对他的电源作了一些新的改进,他将一块铜板与一块锌板直接浸在盛有盐水溶液的溶器中,将作为正极的铜板与作为负极的锌板用导线连接起来,同样得到了连续而稳定的电流。伏打最初把他的这种电源称为"伽伐尼电池",以纪念他的朋友伽伐尼。后来,人们为了纪念伏打,把这种电池称为"伏打电池"或"伏打电堆"。

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伏打电池是人类获得的第一个稳定的电源。伏打电池的发明,第一次把化学转变为电能,从而揭示出了电学与化学之间的联系,推动了电学与化学之间的相互渗透,并正式宣告了电学与化学的交互作用产生的一门新兴的边缘学科——电化学的诞生。伏打电池的发明,是电学发展与化学发展交互作用的结果,而伏打电池发明之后,它反过来又推动了电学与化学的发展,而自电化学诞生之后,电学与化学都进入了19世纪的高速发展时期。伏打电池的发明,首次揭示出了电能与化学能之间的内在联系,这就为后来的能量守恒和转化定律的发现进一步奠定了实验基础。因此,它对18世纪的僵化自然观念是又一次打击,而对于19世纪的辩证自然观的形成,也是一个重要的开端。