伏打电堆与电池:把电学推进新时代
人对电的需求夸张地说其作用不亚于人类世界的氧气,如果没有电,人类的文明还会在黑暗中探索。

时光进入19世纪,似乎并没有发生几件惊天动地的大事:全世界人口即将迈入10亿大关;美国总统开始大选;拿破仑当选法兰西执政官……但这些事件与科学并没有直接关联,真正与科学相关的是——后来受封为伯爵的意大利物理学家亚历山德罗·伏打发明了伏打电堆

也许我们都会疑惑,发明一个最原始的电池,有什么值得好奇怪的。但伏打发明伏打电堆并非仅仅是“人类第一次发明电池”这么简单,主要还是伏打发明了人类第一个电池后,电池对后继电学的发展产生深远的影响,以及电池对于生活、生产造成的人类社会生产力的颠覆性革命。所以电池的发明,不管对电学发展还是人类社会生产力革命,都是奠基性的,也是开创性的。

本杰明·富兰克林

我们可以想象,在1800年伏打发明伏打电堆之前,人类对电的认识都是局限在静电学的。

在这个时代,法国人库仑测量两个点电荷彼此互相作用的静电力,发现了以他的名字命名的库仑定律,标志着电学研究走入了精密科学的时代;最著名的电学研究者美国国父富兰克林,在雷雨天放风筝研究闪电,发现了电荷守恒定律,还在1758年基于当时的条件发明了莱顿瓶电池组,并用battery一词来为他的电池组命名(之前的battery指的是军事上的排炮)。

不过,莱顿瓶所能容纳的电量非常有限,且当时获得电能的方式主要靠摩擦起电。这种情况下,富兰克林的“电池”并没有机会得到大规模的推广。

莱顿瓶

在电池的发展史上,意大利科学家伽伐尼解剖青蛙的故事是绕不开的重要章节。

公元1786年,意大利物理学家、医生伽伐尼在实验室解剖青蛙,把剥了皮的蛙腿,用刀尖碰蛙腿上外露的神经时,蛙腿剧烈地痉挛,同时出现电火花。经过反复实验,他认为痉挛起因于动物体上本来就存在的电,他还把这种电叫作“动物电”。五年后,他把自己长期从事蛙腿痉挛的研究成果发表。这个新奇发现,引起科学界大为震惊。

意大利科学家伽伐尼

在当时,人们甚至觉得“电”可能成为联系生死的一种桥梁。诗人雪莱的妻子玛丽为此还写下了人类历史上第一本科幻小说——《弗兰肯斯坦》,讲的就是疯狂科学家通过电击复活死尸。这也从侧面反映出伽伐尼理论对当时社会的影响。

但当时,意大利物理学家亚历山德罗·伏打认为,使青蛙腿痉挛的是金属放电,而非青蛙自身带的生物电。他找来一块锌板和一块铜板,把它们分开浸泡在盐水中(代替原实验用的青蛙腿)。在这个简单的设计里,他检测到了电流,证实了“电流是金属产生的”。

接下来,伏打又试图扩大自己装置的规模。他把一个金属锌环放在一个铜环上,再用一块浸透盐水的纸或呢绒环压上,再放上锌环,铜环,如此重复下去,10个、20个、30个叠成了一个柱状,便产生了明显的电流。柱叠得越高,电流就越强。这就是人类历史上第一块电池,即后人所称的伏打电堆或伏打电池

当时的人们认为电击可以复活死尸

伏打在制造伏打电堆时无意间还发现了这样一个序例:铝、锌、锡、镉、锑、铋、汞、铁、铜、银、金、铂、钯。在这个序列中任何一种金属与后面的金属相接触时,总是前面带上负电,后面带正电。这就是如今初中生都非常熟悉的金属活动性顺序表的前身

1800年3月20日,伏打正式对外宣布:电荷就像水,在电线中会由电压高的地方向电压低的地方流动,产生电流,这就是电势差。同年11月,法国皇帝拿破仑在巴黎召见伏打,并当面观看了电堆实验。激动的拿破仑当场命令法国学者成立专门的委员会,进行大规模的相关实验,并颁发6000法郎的奖金和勋章给伏打,发行了以伏打像为主体的纪念金币。

意大利科学家伏打,右下角即伏打电堆

伏打电堆堪称人类的第一种电池,它的发明,引起了科学界的电池研发之路。

1836年,英国科学家丹尼尔对“伏打电堆”进行改良:使用稀硫酸作电解液,解决了电池极化问题,制造出第一个不极化,能保持平衡电流的锌铜电池。这种电池使用一段时间后,电压下降电池电压回升。因为这种电池能充电,可以反复使用,所以称它为“蓄电池”

1887年,英国人赫勒森发明了最早的干电池,其电解液为糊状,不会溢漏,便于携带,因此获得了广泛应用。

1890年,发明大王爱迪生发明了可充电的铁镍干电池,把电池的发明推向一个新阶段。

二次大战末期德国海军的21型潜艇,其搭载的燃料电池可以几天不用浮出水面换气

进入20世纪,电池技术随着新材料和新技术的运用取得了长足进展。

第二次世界大战期间的潜水艇技术中,德国人就已经开发出了续航力更久的电池组,战后,氢氧燃料电池、锂电池等新型电池作为伏打电堆遥远的子孙后代登上历史舞台,为人类的新能源问题提供了一种可能的解决方向。

现代社会,电池在人们生活中已无处不在。智能手机、笔记本电脑、很多常用的电动工具,年轻人和孩子们的玩具或者机器人,乃至重要的电动汽车,核心都需要用到电池。此外,在一些专业领域,如心脏起搏器、太空卫星,这些都需要电池技术。

如今,人类对电池的研发仍在继续,电力这种曾经只存在于神话中的能量,必定会以更加安全环保的形式被储存起来,并指引人类走向更美好的未来。

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