著:姚荏富

電學噴發的時代

  在前一篇賈伐尼我們已經提過,18世紀電學因為起電機的發明後開始快速發展,各式電學的基礎知識也在此時開始建立了起來,隨著越來越多與電相關的現象被注意到,人們也開始對電的理解有了更深一層的認識。從原本只是單純帶電後吸引排斥的現象(用帶電體吸小紙片),到後來發現帶電體接觸物質後能使特定物質帶電的電傳導現象,再到利用閃電以及萊頓瓶的放電現象推論出來的電流體概念(簡單來說就是電除了傳導之外流動還有特定的流動方向)。

  總結一下在電池被發明的前夕,科學家其實已經知道電荷(帶電體的單位名稱)之間會互相作用,當帶電體接觸時電荷會重新分配(概念有點像正負會相消喇),而這些接換電荷的現象其實就是電流體的流動過程。用現象來解釋的話就是,你將萊頓瓶充好電接著你去碰萊頓瓶會被電到,這個電到的現象就是萊頓瓶裡的電荷流過你的身體所造成的。如果電荷量在差多一點,就可以觀察到像是閃電這樣的電火花,因為兩種帶電體(雲和地)的電荷差過大,兩者還不用接觸就足以發生電荷流動的現象。

動物電其實也有遵守當時的電學規則

  而賈伐尼對於動物電的認知則是神經中具有電源,經過金屬這樣的導體傳至肌肉引發痙攣。這樣的假設配合其他生物發電的舉例對當時來說,可以說是相當有力的證據,所以當賈伐尼的著作發表後,很快地就引起了科學家們的注意,除了受到大家肯定之外,也有許多電學科學家嘗試重複賈伐尼的實驗,希望可以從這個神奇的現象中找到更多有關電的線索,而來自義大利的電學科學家伏打就是當時被蛙腿實驗引起好奇的一員。

  伏打是一名電學科學家,在1775年時曾經發明過起電盤,而且還是研究電容(與本文內容無關就先不講了)的專家,他最廣為人知的就是發明了"電池"這項全新的電力裝置,而這項發明一切都源於賈伐尼的動物電實驗。當初伏打在聽到賈伐尼的實驗後馬上就著手重現賈伐尼的實驗,在成功藉由兩種金屬使蛙腿神經與肌肉連接引發痙攣後,當下伏打十分贊同賈伐尼的發現

「這肯定是物理、化學、生理學上的劃時代發現!」

  身為研究電的專家,伏打對這項發現當然是能怎麼研究就怎麼研究,所以做了非常多次測試,但就在研究的過程中,伏打開始發現了賈伐尼實驗中的問題,那就是"為什麼一定要用兩種金屬呢?"

來自金屬的電,就是正確的嗎?

  其實早在賈伐尼的實驗之前就已經有科學家做過類似(嚴格來說其實不太像)的實驗,1752年薩爾哲在柏林發表一項發現。當他把兩片不同的金屬夾住舌頭時,舌尖會感覺到酸味,而這個實驗其實就是兩片金屬夾住舌頭後有微弱的電流產生所造成。只是當時薩爾哲與科學家們都沒有將這樣的發現與電連結在一起。

  在前面伏打研究"動物電"的過程中,他遇到與賈伐尼當時同樣的狀況。當他使用相同材質的金屬盤與手術刀時,蛙腿就不會有痙攣的現象,這樣的差異引起了伏打的注意。這時與賈伐尼站在同一個交叉口上的伏打,並沒有馬上將痙攣的原因歸咎在在神經上,而是開始思"電源是不是其實來自不同金屬"呢?在經過測試後,伏打更加肯定讓蛙腿痙攣的其實是"不同的金屬"而不是"神經"。

  為了證明自己的論點正確,伏打進行了一連串的實驗,他利用一只靈敏的金箔驗電器,接著將各種不同的金屬兩兩搭配,藉由驗電器金箔張開的角度來判斷電力(正式應該叫接觸電勢差)的大小,並在過程中記錄下金屬在組合中的電性(當時就已經能驗出帶正或是負電了唷)。最後伏打將測試過的金屬排出了一個序列,這個序列大概是長這樣,鋅—鉛—錫—鐵—銅—銀—金—石墨,只要隨意抓兩種金屬出來配對,排序在前面的金屬便會帶正電,反之則會帶負電。更有趣的是,這樣的關係還有一種特殊的性質,那就是像尺標一樣的大小關係,像是鋅和鉛的電動勢經過量測是5,鉛和錫的電動勢則是1,在來錫和鐵的電動勢是3,以照上面的排序你會發現,鋅和鐵的電動勢就會是鋅和鉛、鉛和錫、錫和鐵個別電動勢的總和。伏打這樣的發現幾乎全面解釋了賈伐尼的動物電實驗,並且用"金屬電"來取代了原本賈伐尼所假設的"動物電"。

理論很強力,但強力理論必須配強力的實驗

  1793年,伏打在《最新物理通訊》中發表了他反對動物電的理論,他在內容中提到他認為蛙腿的痙攣只是金屬產生電流時經過神經所造成的現象。並發表了他對金屬電的研究,他認為只要有乾導體(金屬)與濕導體(蛙腿或鹽水布等等的導電物質)接觸時就會有電的流動產生(但至少要一組也就是乾濕乾的組合),但他並沒有解釋會發生這種現象的原因

「我無法回答為什麼會這樣,但這至少是一條原理,一條可以再現原理」

  這樣的發現不只引起了科學界的好奇,也引來動物電支持者的攻擊。其中同樣是電學科學家的庫侖就十分支持伏打的看法,只是伏打的發現其實不是非常好觀察,因為一兩組金屬片能夠產生的電流真的太微弱了,雖然能夠再現出來,但對於大眾來說,跟萊頓瓶能夠產生的電火花比起來,這項發現似乎還是不夠厲害。為了讓所有人都能心服口服,伏打繼續埋首設計金屬電裝置,因為只要他做出電力足夠強而且不需要動物的金屬電裝置,動物電的支持者就無話可說了。

從蛙腿到劃時代的偉大發明

  在經過幾年漫長的研究,1800年伏打正式對外發表了他的研究結果——伏打電堆,這項研究成果轟動了全歐洲。伏打在研究金屬電的過程中發現,只要將原本不同金屬與導體(這邊是用鹽水紙片)以特定的方式組合(錫→紙→銅),接著將這樣的組合一直延伸下去(錫紙銅→錫紙銅這樣),就可以得到更強的電力,甚至可以做出類似萊頓瓶的電火花與爆炸效果。於是伏打將這樣的特性加以開發,做出了一次四五十層伏打電堆,這些電堆不只可以發電,還可以長時間的發出電,雖然電力強度不及充滿電的萊頓瓶,但這種全新的電力裝置,擁有過去的電力裝置都沒有的重要特性——持續性,這讓原本不這麼注意金屬電的科學家開始意識到,金屬電似乎跟人們原本了解的電不太一樣。

「這些成果中最重要的,是一種設備的構造,他只不過是若干不同的良導體按一定方式組合而已。30塊或是更多的銅片(銀會更好),每塊都與一塊錫(鋅會更好)接觸,再配以相對數目的導電液體層,就構成了這個新工具。他能模擬出萊頓瓶的各種效應,雖然效果不如他們大,但他並不需要特別去充電(萊頓瓶放電一瞬間就放完了),這在持續性上遠勝過他們。」

  伏打電堆的發表吸引了大量科學家的關注,連當政的拿破崙特別請伏打展示這項神奇的發明給他認識。伏打為了可以展示這項發明還將原本笨重的金屬片電堆改良成可以攜帶的"伏打電池",還設計出了現在的"電池串聯"功能,這樣電力穩定又能夠控制電壓大小的裝置,使人們可以研究專心研究電流產生的各種效應,原本難以觀察到的許多電學現象,都在電池出現後開始顯現。此後,電學便進入了高速發展的時期。不過這也才距今200多年而已,在前面漫長的電學發展中人們了解到許多電學性質,但就在伏打電池發明後,前面的知識反而只是電學中的一小部分,而電學這個領域因為電池的出現,使得人類能夠去探索更寬廣的宇宙。


參考資料

《化學通史》凡異出版

《數理化通俗演義》好讀出版

《不朽的科學家》洪建全出版

《化學的故事》倚天出版

《從故事看科學》世潮初版

《回到起初—科學大師發現的起點》 時報出版

《科學史》華立文化出版

《科學的1000個瞬間》究竟出版

《化學簡史》中國人民大學出版

《關於化學的100個故事》宇河出版

《超乎想像的化學課》天下文化出版

《A History of Western 》PrenticeHall