Alessandro_Volta

發明電池、促進電學發展的人

發明電池、促進電學發展的人

發明電池、促進電學發展的人

1791年的某一天,義大利帕維亞大學的實驗物理教授伏打(Alessandro Volta)翻開剛出版的期刊,裡面一篇題為〈論肌肉動作的電效應〉的論文吸引了他的注意。

這篇論文是由54歲的義大利醫生伽伐尼(Luigi Galvani)所寫,描述他過去幾年用青蛙進行的實驗。他先是發現轉動用來產生靜電的起電盤,或是天空出現閃電時,會隔空讓死掉的青蛙雙腿抽動。後來他發現即使沒有這些外部電力,光是將青蛙的下半身掛到鐵架上,蛙腿也會自發性地抽動,他認為這是因為青蛙體內原本就有電,經由肌肉神經碰觸到金屬而釋放出來。伽伐尼因此主張除了靜電和大自然的雷電,還有第三種電——動物電。

描繪伽伐尼進行蛙腿實驗的油畫。圖片來源:Wikipedia

伏打讀完論文後眉頭一皺,對動物電的說法深感懷疑。他出生於1745年2月18日,雖然比伽伐尼小8歲,但對於電的研究卻早就享有盛名。伽伐尼所用的起電盤,便是伏打於1775年改良發明的,一推出就大受歡迎,成為將靜電注入萊頓瓶的最佳工具。

伏打重覆伽伐尼的實驗,用銅鉤串起青蛙下半身,掛在鐵架上,蛙腿的確如論文所寫的那樣產生抽動。不過倘若不用銅鉤,而是改用和鐵架相同材料的鐵鉤,蛙腿就不會抽動了。於是伏打隨即發表論文,直陳伽伐尼宣稱的動物電並不存在,而是銅、鐵兩種不同金屬之間有電位差,產生的電流經過青蛙的肌肉神經才引起抽動。

伽伐尼不甘示弱,又進行其它實驗來證明蛙腿收縮和金屬無關。伏打也不斷挑出伽伐尼實驗的缺失,雙方你來我往地打了幾年筆仗後,伏打想到如果沒有蛙腿也會產生電流,就可以徹底證明無關乎所謂的動物電了。經過多次實驗,伏打找到最佳組合:將許多銀片與鋅片交替堆疊起來,每對銀片與鋅片之間再以浸了鹽水的布片隔開,就能產生強烈的電流。

伏打在論文中繪製的伏打堆。圖片來源:Wikipedia

就這樣,伏打發明了史上第一個電池——「伏打堆」。伏打的論文於1800年在英國皇家學會發表後,除了取得與伽伐尼多年爭辯的最終勝利,使得動物電的主張被學界揚棄(註),更重要的影響是,加速了電學的進展。

這是因為萊頓瓶雖然可以貯存靜電,但一旦觸碰,所有靜電即瞬間傾洩而出,難以用來做電學研究。如今伏打發明的伏打堆不但能持續產生穩定的電流,又非常容易製備,有需要的科學家都可以自己製作一套來做實驗。英國皇家學會主席的朋友卡萊爾醫生 (Anthony Carlisle)和化學家尼寇森 (William Nicholson),就是在收到論文後試圖複製伏打堆,無意間將水電解出氫氣與氧氣,開啟了電化學這個全新的領域。

幾個月後,德國化學家里特(Johann Ritter)進行水電解的量化實驗,測量出產生氫氣與氧氣的比例,並進一步發現電鍍的化學反應。英國化學家戴維爵士 (Humphry Davy) 也是利用伏打堆電解礦石,而於 1807 年發現世人仍不知道的元素鈉和鉀,隔年他又陸續電解分離出鈣、鍶、鋇、鎂、硼等新的化學元素。

除了電化學,伏打堆對於物理也有深遠的影響。沒有電池,安培無法在1826年發現安培定律,法拉第也不可能在1837年發現電磁感應。電學的發展可說是始自伏打的發明,為了表彰他的貢獻,他的姓氏便做為電壓的單位(Volt, 伏特),永遠流傳下來。

註:

伽伐尼於1798年就抑鬱而終,他的外甥在他死後仍繼續做實驗,試圖捍衛動物電的主張,但影響有限。要到1840年代,才又有人重拾動物電的研究,進而證明動物體內的確有電——雖然如今我們知道並非伽伐尼以為的那種電,而是和鈉、鉀離子有關。

從這個角度看,動物電的多年爭辯固然最終由伏打勝出,但這場勝利在促進電學的同時,卻也付出了相對代價,造成電生理學的發展延遲了半世紀之久。

參考資料:

  1. https://www.aps.org/publications/apsnews/200603/history.cfm
  2. https://www.sciencedirect.com/science/article/pii/S1631069106000370
  3. https://case.ntu.edu.tw/blog/?p=29341

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