1.2 伏特电堆

伽凡尼的实验结果及其理论，广为大众所接受。许多人积极地亲自重复伽凡尼实验，这其中就有意大利帕维亚大学教授亚历山德罗·伏特（Alessandro Volta，1745—1827）。众所周知，他就是后来被命名为电压单位的伏特（曾经在有些资料中其中文译名为伏打）。

在伽凡尼时代，还没有电流和回路的概念，人们的所有思维都是基于静电的。伽凡尼认为，动物组织相当于一个莱顿瓶，金属解剖器具连接了这个动物莱顿瓶的内外两部分从而产生了放电现象，放电瞬间引起了青蛙腿的神经和肌肉的痉挛（见图1-4（b））。

图1-4 伽凡尼的理论与伏特的理论。

（a）伏特的理论；（b）伽凡尼的理论

伏特独具慧眼，他注意到在伽凡尼实验中必须有两种金属这一事实，这是伽凡尼的理论所不能解释的。于是伏特在1792年提出了不同于伽凡尼的解释。他认为，蛙腿痉挛只是表象，青蛙的神经充当了灵敏的验电器（见图1-4（a）），并不存在任何特殊的“动物电”。显然，在这些实验中，青蛙的神经只是受到了刺激，产生这种刺激的电全部来自于青蛙腿外部，比如伽凡尼的实验中的起电机、莱顿瓶、雷电等，这样都能够解释伽凡尼的实验。但是，这些条件都不存在时，产生的蛙腿痉挛怎么解释呢？伏特认为还应当从金属本身去找。他写道：“金属是真正的电激发者，而神经本身是被动的。”伏特似乎领悟到了两种金属接触而产生电的奥秘。伏特不用青蛙腿，甚至不用任何动物组织，也同样获得了电的效应。1794年，伏特开始以“金属电”这个术语取代了“动物电”。伏特按照自己的思路，做了大量实验。伏特认识到，使用两种金属与任何潮湿物的相互接触，都能够产生电。这是一个革命性的发现。如果仅仅作为与伽凡尼的学说之争，到此伏特已经取得了胜利，可以告一段落了。但是，伏特并没有就此罢休，是他的执着，促成了伏特电堆的诞生，使人类进入了“流电”时代。

在静电时代，用伏特这种方法所产生的电压（当时还没有电压的概念和定义）要比通过起电机产生的电压低得多，即使在今天，单元电池的电压也仅仅只有1～2V，也幸亏解剖学家伽凡尼通过青蛙神经这样超灵敏的检测器得以发现。

在静电发展的历史上，静电计一直是作为测量电压高低的唯一仪器。第一台静电计由俄国科学家格奥尔格·威廉·黎赫曼（Georg Wilhelm Richmann，1711—1753，俄文名：Георг Вильгельм Рихман）于1745年发明问世（见图1-5）。在此之后，又有多人改进发明了各种静电计，灵敏度不断提高。伏特本人也曾于1787年发明了一种麦秆静电计。这些静电计上虽都标有刻度，但仍然属于一种相对测量装置，A静电计的测量结果和B静电计的测量结果是没有办法比较的。伏特希望能够找到一种测量方法来进行绝对测量，从而确立一种绝对的电的计量标准，它将与任何特定测量仪器的特征无关。为此，伏特曾经改进了一种天平式静电计（见图1-6），其测量结果基本上克服了这种相对性，但这种静电计实质上测量的是静电力。真正使静电计的灵敏度得到实质性提高的是伏特的另外一项发明——起电盘（electrophorus）。事实上伏特的起电盘也属于一种改进性发明。起电盘最早是由瑞典斯德哥尔摩一位大臣之子、罗斯托克大学博士约翰·卡尔·维尔克（Johan Carl Wilcke，1732—1796）在1764年发明的。这种起电盘的底盘不需要摩擦就能永久保持带电。现在我们知道，这种起电盘是一种接触电。事实上，维尔克在发明起电盘时，两种金属的接触电效应就已经被发现了并且应用了，只不过当时没有人深究这一现象。无独有偶，大名鼎鼎的瑞士美学家苏尔泽（Johann Georg Sulzer，1720—1779）在1750年左右就曾注意到，将两种金属相互接触后，同时放在舌尖上能够产生一种绿矾的味道，而当把两种金属分开后再放在舌头上时，却没有任何效果。苏尔泽的发现很快就被人们忘记了。而当伽凡尼试图以动物电来解释这种金属的接触电时，却产生了巨大的轰动效应。

图1-5 黎赫曼1745年发明的静电计。

图1-6 天平式静电计。

与维尔克的起电盘有所不同，伏特的起电盘相当于今天的一个填充了介质的平板电容器，而不是两种不同金属直接接触产生接触电，他可以首先让介质带电，然后将其中一个金属平板移开，这个过程相当于一个可变电容器放电，根据，q不变，当C减小时，电压V就升高了。伏特在当年已经得到了这样的关系式，其中q的定义来自于富兰克林，V在当时则被伏特称为电张力，而“电容器”（capacitance）这个名词就出自伏特本人。伏特的伟大创造是把静电计和起电盘完美地结合了起来，如图1-7所示。神奇的是它可用于检测微弱的电荷或起电程度。伏特、拉普拉斯和拉瓦锡正是利用这种仪器证明了，在煤炭燃烧、铁屑在矾酸中溶解以及水蒸发等过程中，残留物中释出了少量电荷。［4］

图1-7 伏特的电容式静电计。

伏特正是利用这样的高灵敏度验电器，测量了各种金属或非金属的组合产生的接触电压的高低。他在1794年测定了下列序列：锌、锡、铅、铁、铜、铂、金、银、石墨、木炭。这些物质在序列中相距越远，效应就越强烈。

伏特起初依据自己的研究认为，电的激发力只存在于不同金属间的接触点上，动物或其他液体仅仅起导体的作用。但进一步的研究使他认识到，当一种金属与一种导电液体接触时，也会产生电。他称这些金属为一级导体或一级电动体，把液体称为二级导体或二级电动体。伏特的研究表明，在一个完全由一级导体构成的电路中，不发生任何电的运动（也就是说不能产生电流）。但是，当让两个一级导体与一个二级导体（潮湿的中间层）相连接，并且它们彼此直接或通过另一导体相连接而形成一个导电通路时，便会产生电的流动。伏特的这一伟大发现，直接导致了原电池的诞生。毫不夸张地说，这在当时，是电磁学发展史上最伟大的发现。虽然只是技术层面的，但没有这一关键的发现，电磁场理论的发展就无从谈起。不过，用两个一级导体和一个二级导体所构成的组合，显然是伏特为了排除“动物电”而刻意取消掉其中的动物组织而采取的办法，结果导致了一场意外的惊喜和收获。静电时代的思维定势，驱使伏特努力地提高这种电池的电张力（电压），以便能够显现静电的宏观效应。于是，伏特就把许多单个原电池组合起来形成一个“电堆”。后人称其为“伏特电堆”（Voltaic pile，见图1-8）。这就是说，电源的串联技术是和电源同时诞生的。

图1-8 伏特电堆

伏特这一绝顶重要的发明，最早是以一封写给英国皇家学会会长约瑟夫·班克斯（Joseph Banks，1743—1820）爵士的信的形式公之于众的，时间是1800年3月20日。他在信中说，在他进行接触电实验的过程中，他成功地制成了一种新装置。他说，它具有非常微弱的莱顿瓶性质，但又具有一个远远优于莱顿瓶的特点：无需从外部充电，而只要按适当方式接触便可自发地生电。他把这种装置的作用和布置比作电的电器官。但是，他承认，他解释不了为什么这两类物质的接触会如通常所观察到的那样导致起电。伏特电堆见图1-9，其中的Fig．2、Fig．3和Fig．4都是伏特论文中的原始插图。伏特这样描述它的结构：取30块、40块、60块或更多块铜片，银片更好，使每一块都施加于一块锡片，施加锌片更好。取同样数目的水层或其他诸如盐水或碱液等导电性能优于纯水的液体层，或者同样数目的在这些液体中浸泡过的卡纸或皮革等，这些层夹在每对或每个组合所包含的两种不同金属之间。一个这种间隔的系列，并且这三种导体总是按同样顺序排列，这就构成了我的仪器。［4］

图1-9 伏特电堆，伏特论文中的原始插图。

伏特的发明很快在科学家中传播开来，科学家们纷纷仿制和改进，并由此发展起了电解、电镀工艺。