[科普中国]-伏打电池

概述

伏打电堆是由几组圆板对堆积而成，每一组圆板包括两种不同的金属板。所有的圆板之间夹放著几张盐水泡过的布，潮湿的布具有导电的功能。伏打进一步试验不同金属对所产生的电动势效果，得到以下的关系；

Zn -- Pb -- Sn -- Fe -- Cu -- Ag -- Au

同时他也试过不同的导电液，后来就用稀硫酸液代替盐水。至于电堆的原理，伏打则认为是由于金属接触的机械原因所导致的，一直到后来赫尔姆霍兹才指出这是错误，而认为这是化学作用所引起的。 在不同金属与电解质溶液间两两接触之后，溶液中的离子形成定向移动从而产生电流。1800年伏打将十几年研究成果，写成一篇论文《论不同金属材料接触所激发的电》，寄给英国皇家学会，不幸受到当时皇家学会负责论文工作的一位秘书尼克尔逊有意的搁置，后来伏打以自己名义发表，终于使尼克尔逊的窃取行为遭受学术界的唾弃。

原理伏打电池的原理为：在食盐水中， 金属锌和金属银的电势不同，存在一个电势差，当金属锌和金属银之间以一个导体（通常为金属）联通时，电子就会从电势低的一段端向电势高的一端移动，形成电流，而使电路中的电灯泡发亮。伏打电池中电极的电动势通常通过能斯特方程来计算。1

影响因素影响伏打电池工作效率的因素有很多，比如电极材料， 电极状态，电解质溶液种类，电解质溶液浓度， 盐桥等都会对伏打电池的工作效率产生影响。盐桥的主要作用是可以减小不同电解质之间的液接电势。2

背景当时对于电已经有相当的认识（静电、导电、电的种类），加上对雷电的正确了解，尤其是避雷针的研制成功，消除人们对于雷电的畏惧。特别是蓄电装置的发现后，科学家开始动脑筋去想如何能够有效地运用电。

青蛙腿的启示

意大利波洛尼亚大学的解剖学教授伽伐尼(Luigi Galvani 1737..1798)经常利用电击研究生物反应，1780年秋天无意间发现，即使没通电源的情况下，剥下来的青蛙腿也会发生痉挛的现象，后来经过十年的研究，在1791年发表成果。他一直认为这是一种由动物本身的生理现象所产生的电，称为动物电，因此开发了一支新的科学电生理学的研究。同时也带动了电流研究的开始，触使电池的发明。关于这次意外的发现说法如下；

一次寻常的闪电，使伽伐尼解剖室台上的起电机发生电气火花的同时，放在桌子上与钳子和镊子环连接触的一只青蛙腿发生痉挛，而此时起电机与青蛙腿之间并无导体连接。接著他把青蛙腿的一只脚吊高，再用黄铜钩刺在脊髓上，并使其接触银制的台板，让另一只脚可以在台板上方自由活动，当它碰到银台时，脚的肌肉就起收缩而离开台板，但是离开台板后即又再度伸长碰到银台，如此反覆摇摆。如果将钩与台改换成同一种金属，就看不到这种现象。

又有一说法为：

伽伐尼的妻子因健康原因要经常吃蛙腿。1780年的一天，伽伐尼把青蛙剥皮后，放在靠近起电机旁的桌子上。当他妻子偶然拿起电机旁的外科手术刀时，刀尖触及到了蛙腿外露的小腿神经，蛙腿抽动起来，好像活的一样。她把这件事告诉了伽伐尼。伽伐尼重复了这个试验，他把蛙腿放在玻璃板上，用两把叉子，一个叉尖是铜的，另一个叉尖是铁的，去碰蛙腿的神经和肌肉，生碰一下，蛙腿就引缩一次。

为了探究这个现象的原因，伽伐尼选择了各种不同的条件，重复这个实验。开始，伽伐尼用铜丝把青蛙与铁窗相连，在雨天和晴天作实验，青蛙的腿都痉挛。接着，他只用铜丝去接触蛙腿，蛙腿却不发生痉挛。后来，他找了一间封闭的房间将青蛙放在铁板上，用铜丝去触它，结果和以前一样，又发生了收缩，这就排除了外来电的可能性。伽伐尼选择不同的日子，不同的时辰，用各种不同的金属多次重复，总是得到相同的结果，只是在使用某些金属时，收缩更强烈而已。

后来他又用各种不同的物体来做这个实验，但用诸如玻璃、橡胶、松香、石头和干木头代替金属，都不出现这个现象。

进一步的实验使伽伐尼认为蛙的神经中有电源，很可能是从神经优越性到肌肉的特殊电流质引起的“动物电”。

伽伐尼的实验使许多科学家感到惊奇。伏打在1792－1796年重复伽伐尼的实验时发现，只要有两种不同金属互相接触，中间隔以湿的硬纸、皮革或其他海绵状的东西，不管有没有蛙腿，都有电流产生，从而否定了动物电的观点。伏打认识到蛙腿收缩只是放电过程的一种表现，两种不同金属的接触才是电流现象的真正原因。

伏打和伽伐尼的争辩

意大利利帕维亚大学的物理学教授伏打(Alessandro Vlota 1745..1827)，反覆重做伽伐尼的实验，仔细观察后发现电并不是发生於动物组织内，而是由于金属或是木炭的组合而产生的。于是伏打完全不使用动物的组织，仅用不同的金属相接触，使用莱顿瓶及金箔验电器进行实验，发现在接触面上会产生电压，称为接触压。这种装置可以同时用不同的几种的金属，提高实验效果，但是总无法产生连续不断的电流。

伏打同时注意到伽伐尼的实验中也是使用不同的金属，而实验中的青蛙腿可以看作一种潮湿的物质，所以就使用能够导电的盐水液体代替动物组织试验之，终于因此发现了电池的原理，做出了著名的伏打电堆与伏打电池。

伽伐尼和伏打是朋友，伽伐尼相当坚持自己的看法，伏打的反对意见触使伽伐尼更进一步的研究，这一次他干脆不用任何金属做导体，剥出一条青蛙腿的神经，一端缚在另一条腿的肌肉上，另一端和脊髓相接，结果腿仍然会有抽搐现象，证明了表现在青蛙腿上的电刺激，可以仅仅来自动物本身，这就是所谓的伽伐尼电池、伽伐尼电流(Galvanic Cell、Galvanic Current、Gagnometer)。伽伐尼发现动物电，导致电生理学的建立。

伏打电池的影响在伏打之前，人们只能应用摩擦发电机，运用旋转以发电，再将电存放在莱顿瓶中，以供使用，这种方式相当麻烦，所得的电量也受限制。伏打电池的发明改进了这些缺点，使得电的取得变成非常方便，电气所带来的文明，伏打电池是一个重要的起步，他带动后续电气相关研究的蓬勃发展，后来利用电磁感应原理的电动机，和发电机研发成功也得归功於它，而发电机之后电气文明的开始，导致第二次产业革命改变人类社会的结构。

丹麦丹尼尔(J.F.Daniell)和勒克兰社(Leclanche) 发明铅电池。 西元1859年,普兰特(R.L.G.Plante)发明铅蓄电池。

英国的化学家汉弗莱·戴维(Humphry Davy 1778..1829)后续 的研究发现了几种碱金属，导致电气化学工业的兴起。 戴维在电流的磁效应上面的研究有过重要的贡献，著名的物理大师法拉第，曾经在戴维实验室当助理学习。

伏打电堆（电池）的发明，提供了产生恒定电流的电源——化学电源，使人们有可能从各个方面研究电流的各种效应。从此，电学进入了一个飞速发展的时期——电流和电磁效应的新时期。

直到现在，我们用的干电池就是经过改良后的伏打电池。干电池中用氯化铵的糊状物代替了盐水，用石墨棒代替了铜板作为电池的正极，而外壳仍然用锌皮作为电池的负极。

优点伏打电池虽然实用价值不大，但它有明显的优点：3

（1）结构很简单；

（2）取材容易；

（3）工艺要求不高。