揭开电学帏幕

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  1801年12月21日,应拿破仑的邀请,伏打在法国科学院对他的发明——伏打电堆进行了演讲。当伏打演讲并演示完毕,拿破仑拉着伏打走向讲台的一侧说:“伟大而神秘的自然界面前的帷幕被天才揭开了一角。天才不多见,对他们仅仅赞赏是不够的,应该使他们得到奖励。因此,我为电学领域中天才的发明者设立20万法郎的基金。第一笔奖金,我授予帕维亚大学的亚历山德罗·伏打教授。”
  
  远大的志向
  
  1745年2月28日,伏打出生在意大利科莫的一个贵族家庭。7岁时父亲去世,当牧师的叔叔承担了教养他的全部责任。1757年,伏打开始进入本地的耶稣教会学校学习。他聪慧机敏,对诗歌、哲学、自然科学等各方面都感兴趣,尤其是对自然科学和哲学有浓厚的兴趣。
  18岁时,伏打进人一所皇家大学攻读自然科学。伏打在自然科学研究方面极具天赋,1769年他发表了第一篇科学论文《关于电火的引力及其有关的现象》,引起了学术界的注意。在科莫和帕维亚从事科研活动的初期,他发明了许多仪器,其中一个重要的发明是带有两个叶片的验电器。他将自己设计的电容器加在验电器上,从而提高了验电器的灵敏度。伏打大学毕业后一直在大学任教,边教学边从事实验和发明活动,经过自己坚持不懈地在物理学领域的奋斗,终于功成名就,成为一名著名物理学家。他的著作不多,许多研究成果记述在他与同时代人的通信中。他的主要著作有《伏打实验论文集》,共5卷,于1816年出版。
  晚年的伏打一直在帕维亚大学任教,1819年回到故乡。1827年3月5日逝世,终年82岁。
  
  发明“伏打电堆”
  
  伏打最伟大的发明是“伏打电堆”。这个电堆为人们第一次提供了比较强的稳恒电流,为电学的研究从静电领域进入动电领域创造了条件,从而使人类对电现象的认识进入了一个完全预想不到的境界。
  1780年11月的一天,伽伐尼把一只解剖好的青蛙放在桌上,助手无意中将起电机旁解剖刀的刀尖碰上了青蛙腿上露出的神经,蛙腿突然发生了痉挛,同时起电机跳了一个火花。伽伐尼经过反复试验,认为动物体本身内部存在着“动物电”。伽伐尼的发现公布之后,惊动了当时欧洲的学术界。
  伏打得悉伽伐尼的发现后,立即重复伽伐尼的实验。他把一根由两种金属组成的弯杆,一端放在嘴里,另一端与眼睛的上方接触,他发现接触的瞬间有光亮的感觉;他还把一枚金币和一枚银币放在舌头上,当用导线把它们连接起来时,就感到有酸苦味。当做了这一系列的实验后,他认为电的来源不是动物和肌肉,而是两种金属的接触。当两种金属接触后,就产生了“电”,电刺激神经产生痉挛,影响视觉和味觉。伏打认为,在此肌肉只是起了传导的作用,而两种不同金属的接触,才是产生电流的根本原因。因此,伽伐尼所发现的电流不应叫“动物电”,而应称为“金属电”或“接触电”。
  伏打的意见一提出,就使科学家分成了两派。一派支持伽伐尼的观点,另一派赞成伏打的观点。直到法拉第在1837年和1840年做了许多实验,弄清楚了伏打电流来源于化学作用才告结束。
  1794年后,伏打用各种不同的金属搭配,进行了一系列的实验,确定了一个金属接触的序列:铝、锌、锡、镉、铅、锑、汞、铁、铜、银、金、铂、钯等。这就是著名的伏打序列。伏打指出,只要按这个序列将前面的金属与后面的金属接触在一起,前者就带正电,后者带负电;在序列中的距离越远,带电越多。
  伏打不仅发现了不同金属接触时会产生电流,而且发现了当不同金属浸入某些导电液体时,也会产生电流。开始时,伏打用了几只小碗,碗里盛有盐水,把几对铜片和锌片浸人盐水中,再用导线将铜片和锌片连接(串联)起来,就有电流产生。这是世界上第一个伏打电池。后来,伏打用稀酸代替盐水,用浸过盐水或稀酸液的圆形厚纸片代替盛盐水或稀酸液的碗,用圆形锌片和铜片作电极,在铜片和锌片之间放上浸过盐水或稀酸液的厚纸片,制成了“伏打电堆”。
  伏打在发明电池的同时,还发现了伏打定律,即如果把几种化学成分不同,但温度相同的金属串联起来,两端就产生电位差,电位差的大小只与两端金属的性质有关,而与中间金属的性质无关。
  伏打电池的发明是19世纪初物理学的最伟大发明之一,它大大促进了电学的发展。英国人尼科尔森和卡莱色尔在伏打电池的启发下,用两根金属丝浸在水里通电,发现水分解为氢和氧,从而证实了卡文迪许关于水的组成的预言。伏打电池的发明,为研究动电现象打下了基础,同时也推动了电化学的发展。
  
  阐述电容原理
  
  在发明电池后,伏打还发明了验电器、储电器和起电盘,这些发明在电学上都起了很大的作用。起电盘的主要功能是能使一次短暂而适度的充电维持在它的里面,而一直不会失去,虽然反复接触,它仍然牢固地保持它带电的强度。它的构造十分简单,其实就是一个圆盘形电容器。它由一个装有绝缘层的金属圆盘和一个接有绝缘手柄且覆盖着锡箔又不存在任何尖角的轻质木盘所组成。实验时先使金属圆盘带电,比方说因摩擦带负电,然后将敷有锡箔的木盘放在上面,使锡箔瞬时接地,锡箔感应带正电;移动木盘并把锡箔上的电荷传给莱顿瓶。再将它放回原位接地,并再次将感应电荷传给莱顿瓶。这样周而复始直至莱顿瓶储存了大量电荷。这个坚固适用的魔术盘装置使当时许多电学家迷惑不解。现在看来,它就是一种使机械能转换为电能的装置。
  1782年,伏打在英国皇家学会发表的论文中阐发了电容的三个性质:在电量保持不变的条件下,电势(差)反比于带电导体的电容;同一种导体的电容可因其表面积的变化增加或减少;表面积和形状保持不变的导体,其电容可因另一接地导体的移近而增大。在此基础上,伏打利用由起电盘和静电计构成的实验装置,确定了电量Q、电容C和电势U三者之间的数量关系,导出关系式为Q=CU的公式。
  鉴于伏打对物理学发展的重要贡献,1782年他被选为法国科学学会会员。1791年被选为英国伦敦皇家学会会员。1794年,由于在电学、化学上的杰出贡献,他荣获开普勒奖章。1801年获得法国科学院的一枚金质勋章。1786年他成为柏林科学院通讯院士,1803年成为法国科学院院士。
  为了纪念伏打对电学的贡献,人们把电动势、电势差和电势的单位命名为“伏特”,简称“伏”。
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