摩擦所起的静电和贮存在莱顿瓶中的静电进行放电时,瞬间就消失了,不能形成持续的电流。当富兰克林、利赫曼等科学家冒着生命危险研究静电时,另一些科学家则投入持续电流的研究中。
很显然,持续电流所起的作用,是静电无法比拟的。事实上,我们今天所用的电,绝大多数都是可以在导线中流动的持续电流。发现持续电流后,人类对电的运用才有了突飞猛进的发展。
持续电流的发现,与动物电的发现息息相关。而动物电研究的起点,居然是科学大咖实验中的一条青蛙腿!
伽伐尼:首提“动物电”
公元年秋季的一天,意大利博洛尼亚大学的实验室里,伽伐尼(注一)教授正专心致志地做一个解剖青蛙的实验。一只解剖过的青蛙挂在铁架子上。他双手分别拿着不同材质的金属器械,当器械无意中碰到青蛙的大腿时,其腿部的肌肉居然抽搐了一下。
实验中抽动的青蛙腿(来源于网络)“这是怎么回事?难道青蛙没有死透?”心细如发的伽伐尼没有放过这个偶然的发现,脑中迸发出这个念头。作为闻名全国的医学家,伽伐尼从年就开始从医,并在博洛尼亚大学开设医学讲座。公元年,他当上大学解剖学陈列室示教教师后,更是热衷于解剖学的学习。为了弄清动物身体的构造,他经常在实验室里解剖小动物。
在长期的动物解剖实验中,伽伐尼对电学产生了极大的兴趣。为了研究方便,他在大学里自建了一个设备完善的实验室:里面不但有许多标本、解剖用具,还有像起电机、莱顿瓶等一样的电设备。深知静电能使活体的肌肉痉挛的伽伐尼,经常利用电击研究生物反应。
为了证明蛙腿是否真的带电,伽伐尼又做了一个实验:他找来一根铁筷子,把蛙腿和铁架子连接在起来,蛙腿上的肌肉同样也发生了强烈的抽搐,就像他过去曾经做过的用莱顿瓶或起电器给青蛙腿通电的情况一样。
“很显然,蛙腿受到电的刺激才抽搐。那么电又是从哪里来呢?”伽伐尼不禁喃喃自语,“看来,要找到电的来源,还要继续做实验。”
伽伐尼画像(网络图)于是,他选择不同时间、不同条件进行反复试验。他发现,无论晴天还是雷雨天,在屋外还是封闭的房间,重复这个实验,蛙腿都会有收缩。
“动物电!动物电!”伽伐尼兴奋地叫出声来。具有丰富经验的他认为,这个电不是外来电,而是动物本身所有的。两种不同金属与之接触,就把这种电激发出来了。
几年后,伽伐尼把长期从事青蛙腿痉挛的研究成果写成一篇名为《论肌肉中的电力》的论文,并发表在媒体上。文中首次提到“动物电”这一概念。“动物电”观点不但引起科学界的震惊,也得到许多科学家的支持。因为人们早就知道,海洋中像电鳗、电鲶一样的鱼都存在放电现象。一时之间,蛙腿几乎成为实验室的必备物品。
但也有科学家不同意伽伐尼的观点,意大利人伏打就是其中之一。
可放电的电鳗(网络图)伏打:有创意的实验
伏打(注二)时任意大利帕维亚大学的教授。他从小就聪明好学,青年时代醉心于电学,28岁时发明电盘,并被聘为教授,成为闻名欧洲的电学专家。其实,伏打最先赞同伽伐尼的观点,并认为“动物电”理论“在物理学和化学史上足以称得上划时代的伟大发现之一”。作为一位治学态度严谨的电学专家,他认真阅读伽伐尼的论文后觉得,“动物电”理论要进一步用实验来验证。通过多次实验,伏打开始怀疑伽伐尼的观点。
“看来,要完成伽伐尼的动物电实验,必须用两种不同的金属。如果用两种相同的金属就不会引起蛙腿的收缩。”伏打得出这样的结论。因为他早就发现,电产生于不同的金属与潮湿物体间的接触,蛙腿只起到了检验金属是否带电(即检电器)的作用。
伏打(伏特)画像(网络图)于是,伏打决定以“哪些金属能让死蛙腿收缩”为主旨进行实验设计。日复一日,通过七年的辛苦研究,他终于有了新的发现。这个发现的基础是一个很简单的实验。他先准备了一个铁架,铁架中间立一根铁棍,然后把一个铜环穿过铁棍落到铁架底部,再穿一个金属锌环,锌环上放一张泡过盐水的纸;接着再放铜环、锌环和纸。如此重复,叠成一个柱状。此时,铁棍两端产生了流动的电。伏打进一步研究得知,这个柱叠得越高,流动的电就越强。这个柱子后来被科学家们称为伏打(或伏特)电堆或伏打(或伏特)电池。
“看来,让死蛙腿收缩的金属并不多。”伏打从这个实验中,仿佛看到了曙光。于是,他用其它的金属环替换铜环与锌环,得出电学方面的两个重要理论:一是换成不同的金属,铁棍就会出现异性电荷,即有了电压;二是不是所有金属接触都会产生电压,比如铝、锌、锡、镉、锑、铋……金属序列中,前一种金属与后面的金属接触时,前面的带正电,后面的带负电,这是世界上第一个电气元素表。
伏打电堆实物及示意图(来源于网络)公元年3月20日,55岁的伏打写成一篇名为《论不同金属材料接触所激发的电》的论文,文中称:电荷就像水一样,可以在线中流动,并且从高电压处流向低电压处。论文经英国皇家学会的刊物发表后,很快引起轰动。人们把伏打的实验用于节目表演或魔术,而法国国王拿破仑也让伏打当众表演电堆的实验。俄国科学院院士彼得罗夫把金属环一直往上叠,一共叠加了个,创造了当时伏打电堆的世界之最。为此,他还写一部书,书名也是当时最长的,叫《关于物理学家彼得罗夫在圣彼得堡外科医学院借助有时由个铜环与锌环构成的巨大电池组所作的伽伐尼——伏打实验的消息》。
伏打电堆的问世,意味着人们对电的认识跃出了静电的领域:除了摩擦毛皮上的电,莱顿瓶里的电,雷雨中的电,动物身上的电,还有一类可以控制的持续电流。自此,电学进入了飞速发展的电磁效应时期。
科学家们通常把电学发展分为三个时期,即静电、持续电流、电磁。而静电向持续电流的转变,是科学家伽伐尼与伏打从一条青蛙腿入手,锲而不舍、孜孜不倦的科学研究。为此,伏打曾真诚地把伏打电堆称作伽伐尼电堆;而后人为了纪念伏打,则用他的名字“伏”来作为电压的单位。
话说伽伐尼与伏打沉醉于动电研究的时候,有一位科学家正全力研究静电力的大小;伏打电堆发明后,他又将此力的研究延伸到电磁学上。欲知此人是谁,有什么精彩故事,请看下集《“称”电力的人》。
注一:伽伐尼(年9月9日—年12月4日),意大利医生和生物学家,从小接受正规教育,年进入波洛尼亚大学学习医学和哲学。因发现动物电而闻名。
注二:亚历山德罗·伏打(年2月18日-年3月5日),又译作“伏特”,意大利物理学家,因发明伏打电堆而著名。后来受封为伯爵。