[科普中國]-伏打電池

概述

伏打電堆是由幾組圓板對堆積而成，每一組圓板包括兩種不同的金屬板。所有的圓板之間夾放著幾張鹽水泡過的布，潮濕的布具有導(dǎo)電的功能。伏打進(jìn)一步試驗不同金屬對所產(chǎn)生的電動勢效果，得到以下的關(guān)系；

Zn -- Pb -- Sn -- Fe -- Cu -- Ag -- Au

同時他也試過不同的導(dǎo)電液，后來就用稀硫酸液代替鹽水。至于電堆的原理，伏打則認(rèn)為是由于金屬接觸的機械原因所導(dǎo)致的，一直到后來赫爾姆霍茲才指出這是錯誤，而認(rèn)為這是化學(xué)作用所引起的。 在不同金屬與電解質(zhì)溶液間兩兩接觸之后，溶液中的離子形成定向移動從而產(chǎn)生電流。1800年伏打?qū)⑹畮啄暄芯砍晒?，寫成一篇論文《論不同金屬材料接觸所激發(fā)的電》，寄給英國皇家學(xué)會，不幸受到當(dāng)時皇家學(xué)會負(fù)責(zé)論文工作的一位秘書尼克爾遜有意的擱置，后來伏打以自己名義發(fā)表，終于使尼克爾遜的竊取行為遭受學(xué)術(shù)界的唾棄。

原理伏打電池的原理為：在食鹽水中， 金屬鋅和金屬銀的電勢不同，存在一個電勢差，當(dāng)金屬鋅和金屬銀之間以一個導(dǎo)體（通常為金屬）聯(lián)通時，電子就會從電勢低的一段端向電勢高的一端移動，形成電流，而使電路中的電燈泡發(fā)亮。伏打電池中電極的電動勢通常通過能斯特方程來計算。1

影響因素影響伏打電池工作效率的因素有很多，比如電極材料， 電極狀態(tài)，電解質(zhì)溶液種類，電解質(zhì)溶液濃度， 鹽橋等都會對伏打電池的工作效率產(chǎn)生影響。鹽橋的主要作用是可以減小不同電解質(zhì)之間的液接電勢。2

背景當(dāng)時對于電已經(jīng)有相當(dāng)?shù)恼J(rèn)識（靜電、導(dǎo)電、電的種類），加上對雷電的正確了解，尤其是避雷針的研制成功，消除人們對于雷電的畏懼。特別是蓄電裝置的發(fā)現(xiàn)后，科學(xué)家開始動腦筋去想如何能夠有效地運用電。

青蛙腿的啟示

意大利波洛尼亞大學(xué)的解剖學(xué)教授伽伐尼(Luigi Galvani 1737..1798)經(jīng)常利用電擊研究生物反應(yīng)，1780年秋天無意間發(fā)現(xiàn)，即使沒通電源的情況下，剝下來的青蛙腿也會發(fā)生痙攣的現(xiàn)象，后來經(jīng)過十年的研究，在1791年發(fā)表成果。他一直認(rèn)為這是一種由動物本身的生理現(xiàn)象所產(chǎn)生的電，稱為動物電，因此開發(fā)了一支新的科學(xué)電生理學(xué)的研究。同時也帶動了電流研究的開始，觸使電池的發(fā)明。關(guān)于這次意外的發(fā)現(xiàn)說法如下；

一次尋常的閃電，使伽伐尼解剖室臺上的起電機發(fā)生電氣火花的同時，放在桌子上與鉗子和鑷子環(huán)連接觸的一只青蛙腿發(fā)生痙攣，而此時起電機與青蛙腿之間并無導(dǎo)體連接。接著他把青蛙腿的一只腳吊高，再用黃銅鉤刺在脊髓上，并使其接觸銀制的臺板，讓另一只腳可以在臺板上方自由活動，當(dāng)它碰到銀臺時，腳的肌肉就起收縮而離開臺板，但是離開臺板后即又再度伸長碰到銀臺，如此反覆搖擺。如果將鉤與臺改換成同一種金屬，就看不到這種現(xiàn)象。

又有一說法為：

伽伐尼的妻子因健康原因要經(jīng)常吃蛙腿。1780年的一天，伽伐尼把青蛙剝皮后，放在靠近起電機旁的桌子上。當(dāng)他妻子偶然拿起電機旁的外科手術(shù)刀時，刀尖觸及到了蛙腿外露的小腿神經(jīng)，蛙腿抽動起來，好像活的一樣。她把這件事告訴了伽伐尼。伽伐尼重復(fù)了這個試驗，他把蛙腿放在玻璃板上，用兩把叉子，一個叉尖是銅的，另一個叉尖是鐵的，去碰蛙腿的神經(jīng)和肌肉，生碰一下，蛙腿就引縮一次。

為了探究這個現(xiàn)象的原因，伽伐尼選擇了各種不同的條件，重復(fù)這個實驗。開始，伽伐尼用銅絲把青蛙與鐵窗相連，在雨天和晴天作實驗，青蛙的腿都痙攣。接著，他只用銅絲去接觸蛙腿，蛙腿卻不發(fā)生痙攣。后來，他找了一間封閉的房間將青蛙放在鐵板上，用銅絲去觸它，結(jié)果和以前一樣，又發(fā)生了收縮，這就排除了外來電的可能性。伽伐尼選擇不同的日子，不同的時辰，用各種不同的金屬多次重復(fù)，總是得到相同的結(jié)果，只是在使用某些金屬時，收縮更強烈而已。

后來他又用各種不同的物體來做這個實驗，但用諸如玻璃、橡膠、松香、石頭和干木頭代替金屬，都不出現(xiàn)這個現(xiàn)象。

進(jìn)一步的實驗使伽伐尼認(rèn)為蛙的神經(jīng)中有電源，很可能是從神經(jīng)優(yōu)越性到肌肉的特殊電流質(zhì)引起的“動物電”。

伽伐尼的實驗使許多科學(xué)家感到驚奇。伏打在1792－1796年重復(fù)伽伐尼的實驗時發(fā)現(xiàn)，只要有兩種不同金屬互相接觸，中間隔以濕的硬紙、皮革或其他海綿狀的東西，不管有沒有蛙腿，都有電流產(chǎn)生，從而否定了動物電的觀點。伏打認(rèn)識到蛙腿收縮只是放電過程的一種表現(xiàn)，兩種不同金屬的接觸才是電流現(xiàn)象的真正原因。

伏打和伽伐尼的爭辯

意大利利帕維亞大學(xué)的物理學(xué)教授伏打(Alessandro Vlota 1745..1827)，反覆重做伽伐尼的實驗，仔細(xì)觀察后發(fā)現(xiàn)電并不是發(fā)生於動物組織內(nèi)，而是由于金屬或是木炭的組合而產(chǎn)生的。于是伏打完全不使用動物的組織，僅用不同的金屬相接觸，使用萊頓瓶及金箔驗電器進(jìn)行實驗，發(fā)現(xiàn)在接觸面上會產(chǎn)生電壓，稱為接觸壓。這種裝置可以同時用不同的幾種的金屬，提高實驗效果，但是總無法產(chǎn)生連續(xù)不斷的電流。

伏打同時注意到伽伐尼的實驗中也是使用不同的金屬，而實驗中的青蛙腿可以看作一種潮濕的物質(zhì)，所以就使用能夠?qū)щ姷柠}水液體代替動物組織試驗之，終于因此發(fā)現(xiàn)了電池的原理，做出了著名的伏打電堆與伏打電池。

伽伐尼和伏打是朋友，伽伐尼相當(dāng)堅持自己的看法，伏打的反對意見觸使伽伐尼更進(jìn)一步的研究，這一次他干脆不用任何金屬做導(dǎo)體，剝出一條青蛙腿的神經(jīng)，一端縛在另一條腿的肌肉上，另一端和脊髓相接，結(jié)果腿仍然會有抽搐現(xiàn)象，證明了表現(xiàn)在青蛙腿上的電刺激，可以僅僅來自動物本身，這就是所謂的伽伐尼電池、伽伐尼電流(Galvanic Cell、Galvanic Current、Gagnometer)。伽伐尼發(fā)現(xiàn)動物電，導(dǎo)致電生理學(xué)的建立。

伏打電池的影響在伏打之前，人們只能應(yīng)用摩擦發(fā)電機，運用旋轉(zhuǎn)以發(fā)電，再將電存放在萊頓瓶中，以供使用，這種方式相當(dāng)麻煩，所得的電量也受限制。伏打電池的發(fā)明改進(jìn)了這些缺點，使得電的取得變成非常方便，電氣所帶來的文明，伏打電池是一個重要的起步，他帶動后續(xù)電氣相關(guān)研究的蓬勃發(fā)展，后來利用電磁感應(yīng)原理的電動機，和發(fā)電機研發(fā)成功也得歸功於它，而發(fā)電機之后電氣文明的開始，導(dǎo)致第二次產(chǎn)業(yè)革命改變?nèi)祟惿鐣慕Y(jié)構(gòu)。

丹麥丹尼爾(J.F.Daniell)和勒克蘭社(Leclanche) 發(fā)明鉛電池。 西元1859年,普蘭特(R.L.G.Plante)發(fā)明鉛蓄電池。

英國的化學(xué)家漢弗萊·戴維(Humphry Davy 1778..1829)后續(xù) 的研究發(fā)現(xiàn)了幾種堿金屬，導(dǎo)致電氣化學(xué)工業(yè)的興起。 戴維在電流的磁效應(yīng)上面的研究有過重要的貢獻(xiàn)，著名的物理大師法拉第，曾經(jīng)在戴維實驗室當(dāng)助理學(xué)習(xí)。

伏打電堆（電池）的發(fā)明，提供了產(chǎn)生恒定電流的電源——化學(xué)電源，使人們有可能從各個方面研究電流的各種效應(yīng)。從此，電學(xué)進(jìn)入了一個飛速發(fā)展的時期——電流和電磁效應(yīng)的新時期。

直到現(xiàn)在，我們用的干電池就是經(jīng)過改良后的伏打電池。干電池中用氯化銨的糊狀物代替了鹽水，用石墨棒代替了銅板作為電池的正極，而外殼仍然用鋅皮作為電池的負(fù)極。

優(yōu)點伏打電池雖然實用價值不大，但它有明顯的優(yōu)點：3

（1）結(jié)構(gòu)很簡單；

（2）取材容易；

（3）工藝要求不高。