要闻 前沿 天文 自然 生命 人文 健康 心理 人物 解惑 军事 探索
886803908198168589.jpg

他们的电学成就,居然源于一条青蛙腿!

来源:蝌蚪五线谱 2017-11-15     

  摩擦所起的静电和贮存在莱顿瓶中的静电进行放电时,瞬间就消失了,不能形成持续的电流。当富兰克林、利赫曼等科学家冒着生命危险研究静电时,另一些科学家则投入持续电流的研究中。

  很显然,持续电流所起的作用,是静电无法比拟的。事实上,我们今天所用的电,绝大多数都是可以在导线中流动的持续电流。发现持续电流后,人类对电的运用才有了突飞猛进的发展。

  持续电流的发现,与动物电的发现息息相关。而动物电研究的起点,居然是科学大咖实验中的一条青蛙腿!

  伽伐尼:首提“动物电”

  公元1786年秋季的一天,意大利博洛尼亚大学的实验室里,伽伐尼(注一)教授正专心致志地做一个解剖青蛙的实验。一只解剖过的青蛙挂在铁架子上。他双手分别拿着不同材质的金属器械,当器械无意中碰到青蛙的大腿时,其腿部的肌肉居然抽搐了一下。

  图片1

  实验中抽动的青蛙腿(来源于网络)

  “这是怎么回事?难道青蛙没有死透?”心细如发的伽伐尼没有放过这个偶然的发现,脑中迸发出这个念头。作为闻名全国的医学家,伽伐尼从1859年就开始从医,并在博洛尼亚大学开设医学讲座。公元1766年,他当上大学解剖学陈列室示教教师后,更是热衷于解剖学的学习。为了弄清动物身体的构造,他经常在实验室里解剖小动物。

  在长期的动物解剖实验中,伽伐尼对电学产生了极大的兴趣。为了研究方便,他在大学里自建了一个设备完善的实验室:里面不但有许多标本、解剖用具,还有像起电机、莱顿瓶等一样的电设备。深知静电能使活体的肌肉痉挛的伽伐尼,经常利用电击研究生物反应。

  为了证明蛙腿是否真的带电,伽伐尼又做了一个实验:他找来一根铁筷子,把蛙腿和铁架子连接在起来,蛙腿上的肌肉同样也发生了强烈的抽搐,就像他过去曾经做过的用莱顿瓶或起电器给青蛙腿通电的情况一样。

  “很显然,蛙腿受到电的刺激才抽搐。那么电又是从哪里来呢?”伽伐尼不禁喃喃自语,“看来,要找到电的来源,还要继续做实验。”

  图片2

  伽伐尼画像(网络图)

  于是,他选择不同时间、不同条件进行反复试验。他发现,无论晴天还是雷雨天,在屋外还是封闭的房间,重复这个实验,蛙腿都会有收缩。

  “动物电!动物电!”伽伐尼兴奋地叫出声来。具有丰富经验的他认为,这个电不是外来电,而是动物本身所有的。两种不同金属与之接触,就把这种电激发出来了。

  几年后,伽伐尼把长期从事青蛙腿痉挛的研究成果写成一篇名为《论肌肉中的电力》的论文,并发表在媒体上。文中首次提到“动物电”这一概念。“动物电”观点不但引起科学界的震惊,也得到许多科学家的支持。因为人们早就知道,海洋中像电鳗、电鲶一样的鱼都存在放电现象。一时之间,蛙腿几乎成为实验室的必备物品。

  但也有科学家不同意伽伐尼的观点,意大利人伏打就是其中之一。

  图片3

  可放电的电鳗(网络图)  

  伏打:有创意的实验

  伏打(注二)时任意大利帕维亚大学的教授。他从小就聪明好学,青年时代醉心于电学,28岁时发明电盘,并被聘为教授,成为闻名欧洲的电学专家。其实,伏打最先赞同伽伐尼的观点,并认为“动物电”理论“在物理学和化学史上足以称得上划时代的伟大发现之一”。作为一位治学态度严谨的电学专家,他认真阅读伽伐尼的论文后觉得,“动物电”理论要进一步用实验来验证。通过多次实验,伏打开始怀疑伽伐尼的观点。

  “看来,要完成伽伐尼的动物电实验,必须用两种不同的金属。如果用两种相同的金属就不会引起蛙腿的收缩。”伏打得出这样的结论。因为他早就发现,电产生于不同的金属与潮湿物体间的接触,蛙腿只起到了检验金属是否带电(即检电器)的作用。

  图片4

  伏打(伏特)画像(网络图)

  于是,伏打决定以“哪些金属能让死蛙腿收缩”为主旨进行实验设计。日复一日,通过七年的辛苦研究,他终于有了新的发现。这个发现的基础是一个很简单的实验。他先准备了一个铁架,铁架中间立一根铁棍,然后把一个铜环穿过铁棍落到铁架底部,再穿一个金属锌环,锌环上放一张泡过盐水的纸;接着再放铜环、锌环和纸。如此重复,叠成一个柱状。此时,铁棍两端产生了流动的电。伏打进一步研究得知,这个柱叠得越高,流动的电就越强。这个柱子后来被科学家们称为伏打(或伏特)电堆或伏打(或伏特)电池。

  “看来,让死蛙腿收缩的金属并不多。”伏打从这个实验中,仿佛看到了曙光。于是,他用其它的金属环替换铜环与锌环,得出电学方面的两个重要理论:一是换成不同的金属,铁棍就会出现异性电荷,即有了电压;二是不是所有金属接触都会产生电压,比如铝、锌、锡、镉、锑、铋……金属序列中,前一种金属与后面的金属接触时,前面的带正电,后面的带负电,这是世界上第一个电气元素表。

  图片5

  伏打电堆实物及示意图(来源于网络) 

  公元1800年3月20日,55岁的伏打写成一篇名为《论不同金属材料接触所激发的电》的论文,文中称:电荷就像水一样,可以在线中流动,并且从高电压处流向低电压处。论文经英国皇家学会的刊物发表后,很快引起轰动。人们把伏打的实验用于节目表演或魔术,而法国国王拿破仑也让伏打当众表演电堆的实验。俄国科学院院士彼得罗夫把金属环一直往上叠,一共叠加了4200个,创造了当时伏打电堆的世界之最。为此,他还写一部书,书名也是当时最长的,叫《关于物理学家彼得罗夫在圣彼得堡外科医学院借助有时由4200个铜环与锌环构成的巨大电池组所作的伽伐尼——伏打实验的消息》。

  电池的起源(视频)

  伏打电堆的问世,意味着人们对电的认识跃出了静电的领域:除了摩擦毛皮上的电,莱顿瓶里的电,雷雨中的电,动物身上的电,还有一类可以控制的持续电流。自此,电学进入了飞速发展的电磁效应时期。

  科学家们通常把电学发展分为三个时期,即静电、持续电流、电磁。而静电向持续电流的转变,是科学家伽伐尼与伏打从一条青蛙腿入手,契而不舍、孜孜不倦的科学研究。为此,伏打曾真诚地把伏打电堆称作伽伐尼电堆;而后人为了纪念伏打,则用他的名字“伏”来作为电压的单位。

  图片6

  伏打(左)向拿破仑国王展示伏打电堆(网络图) 

  话说伽伐尼与伏打沉醉于动电研究的时候,有一位科学家正全力研究静电力的大小;伏打电堆发明后,他又将此力的研究延伸到电磁学上。欲知此人是谁,有什么精彩故事,请看下集《“称”电力的人》。

  【备注】

  注一:伽伐尼(1737年9月9日—1798年12月4日),意大利医生和生物学家,从小接受正规教育,1756年进入波洛尼亚大学学习医学和哲学。因发现动物电而闻名。

  注二:亚历山德罗·伏打(1745年2月18日-1827年3月5日),又译作“伏特”,意大利物理学家,因发明伏打电堆而著名。后来受封为伯爵。

[责任编辑:李阳阳]