歷史 物理

電磁英雄列傳之二:伏打

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撰文者:高崇文 教授 (中原大學物理系)
發文日期:2016-09-29
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  • 上一回的阿文開講介紹的是庫侖,接著這一回要接著介紹的是發明電池的義大利科學家伏打。電壓的單位伏特就是以他的名字來命名。至於為什麼伏打變成伏特呢? 其實是因為英國科學家Josiah Latimer Clark跟Charles Tilston Bright在1861年提議用前輩科學家的名字當做電磁學的單位時,依英語的發音習慣把Volta給簡化成Volt,把後頭的母音給拿掉了。(有注意到用義大利文唱歌劇特別好聽嗎?那是因為每個字都是母音結尾的關係啦) 1881年國際電工委員會的前身英國電氣工程師協會(IEE)正式採用Volt當做電壓的單位,一直沿用至今。雖說每個學生都學過電壓的單位是伏特,對伏打的生平卻大概所知有限,就讓阿文好好地介紹一番吧。

    伏打的全名是Alessandro Giuseppe Antonio Anastasio Volta。他在1745年2月18日出生在Como,現今義大利北部靠近瑞士邊境的一個小鎮。Como依山(阿爾卑斯山)傍水(科莫湖),景色非常美麗。其實說他是義大利科學家還真有待商榷,因為當時根本沒有一個叫義大利的國家。Como隸屬於米蘭公國,而米蘭公國雖說在文藝復興時曾跟佛羅倫斯、威尼斯並駕齊驅過,然而後來經歷過法國的入侵,接著又落入西班牙之手,1714年後又被併入奧地利成為哈布斯堡的領土。他的父親Filippo Volta早逝,母親Maddalena雖然來自一個伯爵世家Inzaghis,一個寡婦帶著九個小孩過得也很辛苦。所幸後來Alessandro繼承了一筆家族遺產,日子才寬裕了起來。一開始他在耶穌會所辦的學校求學,之後到Benzi Royal Seminary繼續深造,在那裡他結識了一生的好友Giulio Cesare Gattoni。雖然他的家族希望他去學法律,他卻迷上了新興的科學,尤其是化學。離開學校後Gattoni在自家建了一間設備不錯的實驗室,伏打就在這裡開始他的科學研究。

     
    1Alessandro_Volta
    Alessandro Giuseppe Antonio Anastasio Volta(圖片來源:wikimedia commons)

    雖然據說伏打到四歲才會開口講話,求學時卻顯現非凡的語言才能,英語、法語、德語、西班牙語、俄語都難不倒他,這使得他在年少時就能寫信給當時電學的權威,法國的Jean-Antoine Nollet 神父與英國化學家Priestley,向他們請益。Nollet 神父最出名的事蹟是他曾安排兩百位僧侶拿著萊頓瓶接龍,從一端開始放電,想測量電跑的速度,當然用這種方法是量不出來的。不過也顯示出當時沒有儀器能產生穩定的電流,使得電學研究變得相當困難。至於Priestley則是以發現氧而聞名。此外他還寫信在Turin任教的電學專家Giambatista Beccaria。Beccaria 特別鼓勵伏打要多作實驗來學習物理知識。1769年伏打的第一篇科學論文t就獻給了Beccaria。伏打在他們的鼓勵下逐漸嶄露頭角,逐漸擺脫業餘科學愛好者的身份成了科學家了。

    1774年伏打在Como開始教書一直到1778年。一開始的身分是Como皇家學校的總監,隔年成為該校的物理學教授。這段期間他獨力發明了起電機(electrophorus 有時翻譯為起電盤),興奮的伏打寫信給英國科學家Priestley,結果Priestley卻告訴他早在1762年由瑞典物理學家Johann Wilcke就已經發明了起電機,不過Priestley還是鼓勵他繼續從事科學研究,而伏打的起電盤也比原先的起電盤性能更好。伏打再接再厲,於1776年成功首次分離出甲烷,他還發現把甲烷放在罐子裡,裡頭產生電火花會產生爆炸呢!此外他又改良了化學常用的儀器量氣管(eudiometer)而且性能壓倒其他的設計。這種種成就讓伏打在1778年被任命為帕維亞(Pavia)大學的實驗物理學教授。帕維亞大學創立於1361年,算是米蘭公國的一流學府。伏打一直擔任此教席直到1819年才退休。到了帕維亞後不久伏打發明了新型的電容,以此他研究了電容中電壓(V)和電荷(Q)之間的關係,發現它們之間成正比,這被稱為電容的伏打定律。之後伏打展開了歐陸之旅,結識了許多當時科學界的大人物如拉普拉斯等人。1782年他拜訪倫敦的皇家學會,並在那裡宣讀有關他改良過的電容的論文。1790年他還量出空氣在溫度增加時體積隋之增加的比例常數。但是讓他留名青史的貢獻卻是在1791年讀到Luigi Galvani寄給他的一篇論文De viribus electricitatis in motu musculari commentarius (關於電產生肌肉運動的評論)後才展開的。請帶我慢慢道來:

    Luigi Galvani是Bologna大學的解剖學和生理學教授,(Bologna當時是教皇直轄的領土,Bologna大學則是全世界第一所大學,創立於1088年) Galvani在使用帶電的解剖刀解剖青蛙時,偶然發現被肢解的蛙腿居然發生踢腿的動作(如同活的青蛙一般)。吃驚之餘,他繼續實驗觀察,進一步發現,當使用不同金屬的兩把解剖刀碰到蛙腿時蛙腿也會痙攣。Galvani認為這個現象是由於生物體自行產生的電所造成的,所以他造了一個新詞叫"動物電"(animal electricity)並且認定讓蛙腿動起來的動物電是由青蛙的肌肉所產生的。Galvani的發現公開後,引起了眾多科學家對“動物電”的興趣。大概最驚悚的一次公開示範是在倫敦。1803年一名把老婆小孩都推下河淹死的罪犯叫George Forster被判死刑,被處刑後屍體從絞形臺放下然後交給科學家Giovanni Aldini,他將屍體的頭部通電,死者的下巴居然開始喀喀作響,連眼睛都張開來了。看完之後一位觀眾當場暴斃,大概是被嚇死的。後來的"科學怪人"的靈感據說就是從這次實驗而來。Giovanni Aldini正是Luigi Galvani的外甥。

    一開始伏打成功地重覆了Galvani的實驗也同意Galvanic的觀點,稱讚這一發現“在物理學和化學史上,是足以稱的上劃時代的偉大發現之一”。但隨著進一步的深入,伏打對Galvani “動物電”的說法開始產生了懷疑。因為Galvani強調"動物電"是生物獨有的一種現象,讓他不太服氣。其實早在1750年,瑞士科學家Johann Georg Sulzer (1720-1779)就發表過一篇論文。裡頭描述他把銀片和鉛片的一端靠在一起,另一端則把舌頭夾住,結果他的舌頭感到麻木和一股奇怪的酸味,這股酸味既不是銀片也不是鉛片的味道。Sulzer猜想可能是兩種金屬接觸時,金屬中的微小粒子產生振動而引起刺激舌頭產生的感覺。Sulzer的論文只是公佈了他的發現,但並沒有解釋原因,所以也沒引起其他人的注意。只有伏打在研究Galvani的“動物電”的時候,想起了Sulzer的這篇論文,所以他將一枚金幣和一枚銀幣頂住舌頭,當用導線將兩枚硬幣連接起來時,舌頭明顯感到了苦味。他又找來一根較長的導線將金幣和銀幣連接起來,一端含在嘴裡,另一端接觸眼皮上部,他驚奇地感到,當剛一接觸的瞬間,眼睛居然產生了光的感覺。

    伏打於是推論,金屬不僅是導體,而且不同金屬接觸還能產生電;電不僅能使蛙腿產生抽動,還能刺激人的視覺和味覺神經。所以電不是如Galvani所想的由動物肌肉產生,而是由不同金屬接觸而產生。他還意識到青蛙的腿既是電的導體(即是我們現在所說的電解質)又是電流的檢測器。就像人的舌頭一樣。所以他把青蛙的腿換成鹽水浸泡過的紙,並用其它方法檢測電流。為此他自己設計了一個驗電器,可以檢驗微小的電流。這就比看蛙腿抽動或是用舌頭感覺要準確的多。經過幾番實驗,他對自己的看法變得更加有信心。所以在1793年12月,伏打在一封信中公開提出了反對Galvani “動物電”的觀點。他一再強調電流在本質上是由金屬的接觸產生的,與金屬板是否壓在動物體上無關。他提倡用“金屬電”代替“動物電”這個名稱。他的這一觀點引起了激烈的爭論,有人支持,有人反對。但是他對生物電學的研究還是得到英國皇家學會的肯定,在1794年獲頒英國皇家學會的最高榮譽:Copley獎章。同一年他還跟一位名門閨秀結為連理,婚姻美滿,婚後有三個小孩,所謂"洞房花燭夜金榜題名時",伏打當時已經四十九歲,算是大器晚成吧。

    但是伏打知道要徹底擊倒動物電的理論,證明自己的理論才是對的,最好的方式就是製造出可以利用金屬的特性產生電流又跟生物毫不相干的儀器。終於在1799年時伏打將數對以鹽水混合物浸泡過的布或紙板隔開的鋅極與銅(或銀)極堆疊起來,當電池的頂端與底部以導線連接時,就有電流流經電池與導線。這就是第一個被發明的電池:伏打電堆(Voltaic Pile)。
    電池是利用鋅棒與銅棒作電極,以硫酸液作電解液,其反應如下:

    陽極反應: Zn--->Zn2++2e-  陰極反應: 2H++2e---->H2

    由鋅極釋放出的電子,經由導線流入銅極,再吸引電解液中的氫離子,行還原反應,產生氫氣。如此的反應持續發生,導線上就產生了穩定的電流。另外,伏打還設計了一種叫“杯冕”的裝置,將兩種金屬板插到盛有鹽水或稀酸的杯子裡,只要將兩種金屬板用導線接通,就有電流產生。把多個這樣的杯子一個個串起來,就形成了電池組。

    1800年3月20日,伏打在給英國皇家學會會長Sir Joseph Banks的信中寫到:“無疑你們會感到驚訝,我所介紹的裝置,只是用一些不同的導體按一定的方式疊起來的裝置。用30片、40片、60片甚至更多的銅片(當然最好是用銀片),將他們中的每一片與錫片(最好是鋅片)接觸,然後充一層水或導電性能比純水更好的食鹽水、鹼水等,或填上一層用這些液體浸透的紙皮或皮革等,........就能產生相當多的電荷。”指上跳躍著滿滿的得意之情呀!

    伏打在得意之餘仍然持續試著用不同的金屬來做實驗。他發現,一種金屬,可以帶正電,而與另一種金屬結合時,又可以帶負電。經過反覆多次的實驗比較,伏打給金屬排出了序列:鋅、錫、鉛、銅、銀、金......只要將這個序列裡前面的金屬與後面的金屬相接觸,前者就帶正電,後者帶負電,在序列中的距離越遠,帶電越多,產生的電流越強。做了一系列類似的實驗後,伏打發現了電池的電動勢就是兩個電極間電位差的定律。這被稱為電化學的伏打定律。

    伏打電堆的發明,使人們第一次獲得了比較強的穩定而持續的電流,科學家從此之後對靜電的研究逐漸轉變成對電流的研究。從此,電磁學的研究進入到了一個蓬勃發展的新時期!此外伏打電堆的發明,Willican Nichoson、Anthony Carlisle利用它發現了水的電解;Humphry Davy更是利用電池作了許多電解實驗發現了多種元素。可以說十九世紀物理與化學的發展都受惠於伏打的研究呢。

    就在伏打堆在電學引發一陣革命風潮的同時,伏打身處的米蘭公國也處在一陣驚濤駭浪之中。1796年一位來自科西嘉的少年將軍拿破崙率領著變成共和國的法軍在北義大利連戰連勝,把哈布斯堡的軍隊打得落花流水,哈布斯堡的勢力被趕出北義大利後拿破崙成立了阿爾卑斯山南共和國(Repubblica Cisalpina)。共和國的範圍包含了米蘭公國與Bologna等地。新的共和國要求所有大學教授向新政權宣誓效忠。Galvani和其他同事一道拒絕效忠。結果新政權剝奪了Galvani的一切學術職位和公共職位,從此他失去了全部經濟來源。1798年苦悶又貧困的Galvani在位於Bologna的兄弟家中去世。

    相形之下,伏打就幸運多了。1801年時任法國第一執政的拿破崙邀請伏打來巴黎演講。伏打先後在十一月七日十一日以及二十二日給了三場演講,地點在革命後重新建立的法蘭西學術院內。拿破崙還親自到場聆聽。兩人對彼此都留下非常好的印象。不久伏打不僅成了法蘭西學術院的海外院士,還獲得新設立的第六等的法國榮譽軍團勳章。接著更進一步他在1810年被拿破崙封為伯爵呢!至於阿爾卑斯山南共和國後來變成義大利共和國,隨著拿破崙稱帝義大利共和國也跟著改稱義大利王國。當然不管改成什麼名字,其實都是在拿破崙的控制中。拿破崙垮台後,米蘭公國重新回到哈布斯堡家族的手中,身為全歐聞名的科學家的伏打倒也沒有遭到任何麻煩。還是在帕維亞安穩過日。
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    伏打於巴黎演講(圖片來源:wikimedia commons)

    他的全部著作在1816年在佛羅倫斯出版,一共有五大卷呢。1819年他從大學退休,回到故鄉Como自家的產業去安享天年。八年後伏打於1827年3月5日與世長辭,享壽八十二。伏打為人謙遜有禮,尤其一生對Galvani推崇備至,縱使意見不同也從未惡言相向。下次換電池時,不要忘了這位溫和有禮的老紳士喔。

    下回電磁列傳要介紹誰呢? 請耐心等待,下回見囉!


    (1)中文 法文 英文 維基相關條目
    (2)Electrodynamics from Ampère to Einstein by Olivier Darrigol
    (3)MacTutor History of Mathematics archive
    (4)http://www.newadvent.org/cathen/11090b.htm
    (5)http://www.alessandrovolta.info/life_and_works_8.html
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