• How Volta Invented the First Battery Because He Was Jealous of Galvanis Frog[1]

01 伏打電池

一、前言

??如何一個人的妒忌心理引發(fā)了一項發(fā)明？ 為啥有的人對青蛙大腿這么在意？ 在這段Kathy老師講述的故事中包含了學(xué)術(shù)誠信、 刺痛感的金屬、復(fù)活的尸體、學(xué)術(shù)爭論、拿破侖政治等，以及如何使用硬幣和醋來點亮LED燈，如何從水中獲得氫氣和氧氣。

二、伽爾伐尼與伏打

??在1791年一位意大利的解剖學(xué)教授，名叫 路易吉·伽爾伐尼偶然發(fā)現(xiàn)一個現(xiàn)象，如果使用探針觸碰青蛙的尸體，它居然還能夠跳躍。這個探針需要被靜電發(fā)電機充電。后來他還發(fā)現(xiàn)如果青蛙腿被兩種不同的金屬觸碰也能夠運動，這不需要靜電發(fā)電機充電或者空氣放電，也就是說兩個金屬再加上青蛙的腿可以產(chǎn)生電。

??這次，伽爾伐尼正確判斷出電與生命有關(guān)系。不出意料他的這篇論文工作引起了軒然大波。一個人對于他發(fā)表的論文非常感興趣。這個人就是意大利一流的電氣專家，名叫亞歷山大·伏打。

▲ 圖1.1 路易吉·伽爾伐尼

??伏打是一位話癆，整天神神叨叨，喋喋不休，具有語言天賦，喜歡周游世界，能夠說多國語音。他的同時期人稱為一個天才，整天絮叨他的一些稀奇古怪的實驗，聚會吃飯的時候逢酒必醉，逢杠必抬。使用靜電來撩撥妹子，他是整個歐洲最懂電的人。

▲ 圖1.2 亞歷山大·伏打

??實際上伏打最初靠偷竊別人的發(fā)明獲得名聲的，那個發(fā)明他稱為靜電起電盤。之后幾年中伏打獨自獲得了屬于他自己的一些新的發(fā)現(xiàn)，比如發(fā)現(xiàn)了甲烷。當(dāng)然他的大部分的名氣還是來自于起電盤和過于自我膨脹的人品。

▲ 圖1.3 起電盤

三、學(xué)術(shù)爭論

??伏打看過伽爾伐尼論文之后便重新復(fù)現(xiàn)了他的實驗，認(rèn)為伽爾伐尼的發(fā)現(xiàn)實在是太神奇了，太不可思議了。伏打?qū)善煌慕饘侬B加在一起放在青蛙的背部和大腿上，可以使青蛙跳躍。伏打認(rèn)為伽爾伐尼并沒有令青蛙起死回生，實際上活的青蛙也會在類似的兩種金屬的電刺激下蹦跳。所以他認(rèn)為電是來自于不同的金屬，青蛙僅僅是對兩種金屬產(chǎn)生的電刺激給出反應(yīng)而已，這個電可以來自于發(fā)電機、兩種金屬甚至有閃電的云層。

??很快這就引起了一場大的爭論，青蛙跳躍究竟是因為它具有生命？還是因為兩個金屬所產(chǎn)生的的電刺激？整個歐洲分成了兩個陣營：伏打派與伽爾伐尼派。

??順便說一下，實際上兩個陣營的觀點都具有一部分的合理性，也都包含有錯誤的成份。伽爾伐尼認(rèn)為所有的生命體都會產(chǎn)生和利用電來促使肌肉運動，神經(jīng)可以傳送電信號。這說明了為什么人工加上電信號，死的動物也會產(chǎn)生反應(yīng)。伏打認(rèn)為電來自于兩種不同的金屬，這與是否有活的生命無關(guān)。但伏打所不知道的是青蛙腿中的酸性物質(zhì)會對不同的金屬產(chǎn)生不同的反應(yīng)，說句人話，就是這里面涉及到化學(xué)反應(yīng)，需要有化學(xué)物質(zhì)，包括酸性和堿性物質(zhì)才能夠發(fā)生反應(yīng)。

▲ 圖1.4 伏打與伽爾伐尼

??伽爾伐尼不能夠很好的為他的學(xué)派進行辯論。在1797年他還丟掉了工作，禁止對公眾發(fā)言，這一切都是因為他反對拿破侖占領(lǐng)意大利。不僅貧困潦倒而且政治上受到打擊，第二年他便不明不白的去世了。對伽爾伐尼學(xué)說以最大的支持的人是他的侄子，伽爾伐尼·阿爾蒂尼。雖說阿爾蒂尼是一位物理學(xué)教授，但他卻熱衷于街頭表演。比如他喜歡在廣眾之下通過電擊牛頭，使得牛眼、牛嘴活動，甚至使用剛剛被斬首罪犯的腦袋來代替牛頭，他之所以熱衷這么做就是為了博得眾人眼球。這可比現(xiàn)在的 一些網(wǎng)紅的做法NX多了。很快依靠這種嚇人的電擊把戲他博得了全歐洲人的關(guān)注。

▲ 圖1.5 擺弄處決罪犯的身體

▲ 圖1.6 公眾展示死人的眼球

▲ 圖1.7 使用電擊來驅(qū)動尸體活動

??一年后，一位年輕的女子做了一個關(guān)于伽爾伐尼的噩夢，并將噩夢的內(nèi)容寫成了一個恐怖故事，故事名字叫弗蘭肯斯坦。不管公眾對這些展示有什么反應(yīng)，這些戲劇性的展示在學(xué)術(shù)上并沒有什么幫助。

??話說回來，另外一個學(xué)派的伏打獲得了一枚英國著名獎?wù)拢元剟钏麑柗ツ釋嶒灥恼f明。但伏打卻老大不高興，他并不希望這個獎?wù)率菫榱霜剟钏麑e人的實驗的理解，而希望獲得屬于他自己發(fā)現(xiàn)的獎?wù)?。所以他需要一個決定性的實驗來證明他的學(xué)說是正確的。但似乎他的處境有點尷尬了，在當(dāng)時唯一能夠用于研究電的敏感設(shè)備只有青蛙的腿，他需要設(shè)計一個只使用非生物材料制作非常強大的儀器。

??首先伏打需要確定什么樣的金屬刺激青蛙腿的效果最好。他發(fā)現(xiàn)金屬銀和金屬鋅似乎刺激作用最好。如果他把一片銀子和鋅片放在自己的嘴中，他可以感受到輕微的刺痛。但是如果將兩種金屬放在一起，然后使用導(dǎo)線把他們接入嘴巴里，就什么也感受不到了。所以他開始猜測是否這里面需要金屬表面潮濕才行，因此他把一片銀子和金屬銀放在一杯水中形成電池裝置，突然間他嘴巴里感受到了強大的電擊。他將這些電池串聯(lián)起來，于是所獲得的電擊感覺更強大了。

▲ 圖1.8 伏打電池的原型

??伏打?qū)⑦@些電池裝置樹立起來，使用紙板把銀片和鋅片一層層隔離堆疊起來，這樣他獲得了相當(dāng)大的電擊感覺。使用更多的金屬盤可以獲得更大的電擊，并把清水更換成鹽水。如果你在手濕潤的情況下觸碰電池堆，整個身體就會感受到強烈的電擊。

??在這個系統(tǒng)中并不存在生物物體，也用不著摩擦，系統(tǒng)可以持續(xù)產(chǎn)生電。實際上，伏打發(fā)明了一種原電池裝置。在1800年他隆重發(fā)表了自己的工作，但當(dāng)時他并不將這個裝置叫做電池，因為電池早已被用于稱呼萊頓瓶。 萊頓瓶是當(dāng)時所使用的最強大的電設(shè)備。 萊頓瓶所產(chǎn)生的放電只是一瞬間，但伏打電池則可以持續(xù)產(chǎn)生放電，所以它們有很大的不同。

▲ 圖1.9 伏打電池堆

??伏打推廣他的成就的過程中，他稱自己的電池裝置為電子電池的相似物，你可以看到物體的名稱是如何通過借鑒來獲得的。

??伏打的這次勝利是徹底的，就連大名鼎鼎的拿破侖對于這個裝置也非常感興趣，并獎勵伏打一筆獎金，來表彰他的發(fā)明功績。電池的電壓使用的單位就是根據(jù)伏打的名字來命名的，被稱為伏特。伏打獲得了很多獎?wù)?，退休后積累了很多財富，之后也沒有任何值得發(fā)表的業(yè)績了。

??有趣的是，在那片著名的1800年的論文中，他還趁機侮辱了他的老對手，伽爾伐尼。那時伽爾伐尼已經(jīng)去世兩年了。論文中介紹研究背景時，伏打說自己的研究是為了揭露伽爾伐尼虛假的動物電概念。

??與現(xiàn)在電池相比，伏打的金屬堆電池性能怎么樣？為了說明清楚，這里需要討論兩個概念， 電動勢以及最大電流。電動勢就像水泵中的動力，它可以產(chǎn)生水管中的壓力，即使沒有水流這個壓力仍然存在。手機中的電池有3.7伏的電動勢。典型的伏打電池會產(chǎn)生10伏，甚至20伏特的電壓。

▲ 圖1.10 伏打電池的輸出電壓

??你可以非常容易的制作自己的伏特電池堆。一些銅硬幣，鋅墊片以及被醋浸濕的紙片。你可以像伏打那樣吧鋅墊片、蘸有醋的紙張以及銅硬幣堆疊起來，就形成一個自制電池堆了。只需要10個美分硬幣的電池堆便可以產(chǎn)生8伏的電壓。

??是否可以通過這一堆硬幣來對手機進行充電呢？很遺憾這不太現(xiàn)實。這涉及到另外一個概念，電流。電流像水管中的水流。關(guān)于最大電流涉及到兩個標(biāo)準(zhǔn)。一個就是在電池一秒鐘內(nèi)輸出的最大電流，此時電池還沒有發(fā)熱著火或者崩潰。這個最大電流值沒有太大的實際用途。另外一個最大電流概念是電池可以長時間持續(xù)輸出的最大電流。這個電流數(shù)值對應(yīng)手機運行的電流。手機通常情況下消耗大約100mA到400mA的電流，用于通話發(fā)短信息等。

??從伏打電池堆所能夠獲得的電流，持續(xù)輸出1秒鐘的最大電流大約為15mA，但持續(xù)輸出的最大電流只有0.5mA。的確很小，無法滿足手機工作的需要。但這個電流點亮一個LED燈還是綽綽有余的。很神奇，對吧？

??那么問題來了，在LED被發(fā)明之前，人們使用伏打電池干什么呢？難道僅僅為了獲得電擊的感覺嗎？或者刺激動物或者死人的尸體產(chǎn)生運動，來嚇人玩耍，搞惡作??？

▲ 圖1.11 使用伏打電池產(chǎn)生電擊的感覺

??在1800年人們使用伏打電池所做的大多數(shù)有用的研究是與化學(xué)有關(guān)系。你們清楚，在伏打發(fā)表他的工作的相同的一周內(nèi)，一對英國好朋友偶然將電池的兩個接頭放在水杯中，很快看到接頭上出現(xiàn)了氣泡。一個電極上的氣泡為氫氣，另外一個電極的氣泡為氧氣。另外，氫氣的體積大約是氧氣的兩倍，由此他們證明了水是由氫氣和氧氣組成的。這個實驗激發(fā)了一位英俊的青年化學(xué)家，名叫漢弗萊·戴維來建造世界上最強大的電池組，超過了2000片銅和鋅片浸泡在酸池內(nèi)。

??在1807年到1808年，戴維使用電化學(xué)方法分離出八種新的化學(xué)元素，把所知的化學(xué)元素個數(shù)增加了20%。戴維這位冉冉升起的科技新星展示了超酷的外觀、戲劇性的展示以及多種藥品的使用的重要性。

參考資料

[1]

How Volta Invented the First Battery Because He Was Jealous of Galvanis Frog: https://www.youtube.com/watch?v=f6wJfx0VYRY