伏打电池

一、前言

  如何一个人的妒忌心理引发了一项发明？为啥有的人对青蛙大腿这么在意？在这段Kathy老师讲述的故事中包含了学术诚信、 刺痛感的金属、复活的尸体、学术争论、拿破仑政治等，以及如何使用硬币和醋来点亮LED灯，如何从水中获得氢气和氧气。

二、伽尔伐尼与伏打

  在1791年一位意大利的解剖学教授，名叫 路易吉·伽尔伐尼偶然发现一个现象，如果使用探针触碰青蛙的尸体，它居然还能够跳跃。这个探针需要被静电发电机充电。后来他还发现如果青蛙腿被两种不同的金属触碰也能够运动，这不需要静电发电机充电或者空气放电，也就是说两个金属再加上青蛙的腿可以产生电。

  这次，伽尔伐尼正确判断出电与生命有关系。不出意料他的这篇论文工作引起了轩然大波。一个人对于他发表的论文非常感兴趣。这个人就是意大利一流的电气专家，名叫亚历山大·伏打。

  伏打是一位话痨，整天神神叨叨，喋喋不休，具有语言天赋，喜欢周游世界，能够说多国语音。他的同时期人称为一个天才，整天絮叨他的一些稀奇古怪的实验，聚会吃饭的时候逢酒必醉，逢杠必抬。使用静电来撩拨妹子，他是整个欧洲最懂电的人。

  实际上伏打最初靠偷窃别人的发明获得名声的，那个发明他称为静电起电盘。之后几年中伏打独自获得了属于他自己的一些新的发现，比如发现了甲烷。当然他的大部分的名气还是来自于起电盘和过于自我膨胀的人品。

三、学术争论

  伏打看过伽尔伐尼论文之后便重新复现了他的实验，认为伽尔伐尼的发现实在是太神奇了，太不可思议了。伏打将两片不同的金属叠加在一起放在青蛙的背部和大腿上，可以使青蛙跳跃。伏打认为伽尔伐尼并没有令青蛙起死回生，实际上活的青蛙也会在类似的两种金属的电刺激下蹦跳。所以他认为电是来自于不同的金属，青蛙仅仅是对两种金属产生的电刺激给出反应而已，这个电可以来自于发电机、两种金属甚至有闪电的云层。

  很快这就引起了一场大的争论，青蛙跳跃究竟是因为它具有生命？还是因为两个金属所产生的的电刺激？整个欧洲分成了两个阵营：伏打派与伽尔伐尼派。

  顺便说一下，实际上两个阵营的观点都具有一部分的合理性，也都包含有错误的成份。伽尔伐尼认为所有的生命体都会产生和利用电来促使肌肉运动，神经可以传送电信号。这说明了为什么人工加上电信号，死的动物也会产生反应。伏打认为电来自于两种不同的金属，这与是否有活的生命无关。但伏打所不知道的是青蛙腿中的酸性物质会对不同的金属产生不同的反应，说句人话，就是这里面涉及到化学反应，需要有化学物质，包括酸性和碱性物质才能够发生反应。

  伽尔伐尼不能够很好的为他的学派进行辩论。在1797年他还丢掉了工作，禁止对公众发言，这一切都是因为他反对拿破仑占领意大利。不仅贫困潦倒而且政治上受到打击，第二年他便不明不白的去世了。对伽尔伐尼学说以最大的支持的人是他的侄子，伽尔伐尼·阿尔蒂尼。虽说阿尔蒂尼是一位物理学教授，但他却热衷于街头表演。比如他喜欢在广众之下通过电击牛头，使得牛眼、牛嘴活动，甚至使用刚刚被斩首罪犯的脑袋来代替牛头，他之所以热衷这么做就是为了博得众人眼球。这可比现在的 一些网红的做法NX多了。很快依靠这种吓人的电击把戏他博得了全欧洲人的关注。

  一年后，一位年轻的女子做了一个关于伽尔伐尼的噩梦，并将噩梦的内容写成了一个恐怖故事，故事名字叫弗兰肯斯坦。不管公众对这些展示有什么反应，这些戏剧性的展示在学术上并没有什么帮助。

四、伏打电池

  话说回来，另外一个学派的伏打获得了一枚英国著名奖章，以奖励他对伽尔伐尼实验的说明。但伏打却老大不高兴，他并不希望这个奖章是为了奖励他对别人的实验的理解，而希望获得属于他自己发现的奖章。所以他需要一个决定性的实验来证明他的学说是正确的。但似乎他的处境有点尴尬了，在当时唯一能够用于研究电的敏感设备只有青蛙的腿，他需要设计一个只使用非生物材料制作非常强大的设备。

  首先伏打需要确定什么样的金属刺激青蛙腿的效果最好。他发现金属银和金属锌似乎刺激作用最好。如果他把一片银子和锌片放在自己的嘴中，他可以感受到轻微的刺痛。但是如果将两种金属放在一起，然后使用导线把他们接入嘴巴里，就什么也感受不到了。所以他开始猜测是否这里面需要金属表面潮湿才行，因此他把一片银子和金属银放在一杯水中形成电池装置，突然间他嘴巴里感受到了强大的电击。他将这些电池串联起来，于是所获得的电击感觉更强大了。

  伏打将这些电池装置树立起来，使用纸板把银片和锌片一层层隔离堆叠起来，这样他获得了相当大的电击感觉。使用更多的金属盘可以获得更大的电击，并把清水更换成盐水。如果你在手湿润的情况下触碰电池堆，整个身体就会感受到强烈的电击。

  在这个系统中并不存在生物物体，也用不着摩擦，系统可以持续产生电。实际上，伏打发明了一种原电池装置。在1800年他隆重发表了自己的工作，但当时他并不将这个装置叫做电池，因为电池早已被用于称呼莱顿瓶。莱顿瓶是当时所使用的最强大的电设备。莱顿瓶所产生的放电只是一瞬间，但伏打电池则可以持续产生放电，所以它们有很大的不同。

  伏打推广他的成就的过程中，他称自己的电池装置为电子电池的相似物，你可以看到物体的名称是如何通过借鉴来获得的。

  伏打的这次胜利是彻底的，就连大名鼎鼎的拿破仑对于这个装置也非常感兴趣，并奖励伏打一笔奖金，来表彰他的发明功绩。电池的电压使用的单位就是根据伏打的名字来命名的，被称为伏特。伏打获得了很多奖章，退休后积累了很多财富，之后也没有任何值得发表的业绩了。

  有趣的是，在那片著名的1800年的论文中，他还趁机侮辱了他的老对手，伽尔伐尼。那时伽尔伐尼已经去世两年了。论文中介绍研究背景时，伏打说自己的研究是为了揭露伽尔伐尼虚假的动物电概念。

五、电压与电流

  与现在电池相比，伏打的金属堆电池性能怎么样？为了说明清楚，这里需要讨论两个概念， 电动势以及最大电流。电动势就像水泵中的动力，它可以产生水管中的压力，即使没有水流这个压力仍然存在。手机中的电池有3.7伏的电动势。典型的伏打电池会产生10伏，甚至20伏特的电压。

  你可以非常容易的制作自己的伏特电池堆。一些铜硬币，锌垫片以及被醋浸湿的纸片。你可以像伏打那样吧锌垫片、蘸有醋的纸张以及铜硬币堆叠起来，就形成一个自制电池堆了。只需要10个美分硬币的电池堆便可以产生8伏的电压。

  是否可以通过这一堆硬币来对手机进行充电呢？很遗憾这不太现实。这涉及到另外一个概念，电流。电流像水管中的水流。关于最大电流涉及到两个标准。一个就是在电池一秒钟内输出的最大电流，此时电池还没有发热着火或者崩溃。这个最大电流值没有太大的实际用途。另外一个最大电流概念是电池可以长时间持续输出的最大电流。这个电流数值对应手机运行的电流。手机通常情况下消耗大约100mA到400mA的电流，用于通话发短信息等。

  从伏打电池堆所能够获得的电流，持续输出1秒钟的最大电流大约为15mA，但持续输出的最大电流只有0.5mA。的确很小，无法满足手机工作的需要。但这个电流点亮一个LED灯还是绰绰有余的。很神奇，对吧？

  那么问题来了，在LED被发明之前，人们使用伏打电池干什么呢？难道仅仅为了获得电击的感觉吗？或者刺激动物或者死人的尸体产生运动，来吓人玩耍，搞恶作剧？

六、伏打电池的作用

  在1800年人们使用伏打电池所做的大多数有用的研究是与化学有关系。你们清楚，在伏打发表他的工作的相同的一周内，一对英国好朋友偶然将电池的两个接头放在水杯中，很快看到接头上出现了气泡。一个电极上的气泡为氢气，另外一个电极的气泡为氧气。另外，氢气的体积大约是氧气的两倍，由此他们证明了水是由氢气和氧气组成的。这个实验激发了一位英俊的青年化学家，名叫汉弗莱·戴维来建造世界上最强大的电池组，超过了2000片铜和锌片浸泡在酸池内。

  在1807年到1808年，戴维使用电化学方法分离出八种新的化学元素，把所知的化学元素个数增加了20%。戴维这位冉冉升起的科技新星展示了超酷的外观、戏剧性的展示以及多种药品的使用的重要性。

参考资料