伏打電池

伏打電池是由幾組圓板對堆積而成，每一組圓板包括兩種不同的金屬板。所有的圓板之間夾放著幾張鹽水泡過的布，潮濕的布具有導電的功能。

基本介紹

• 中文名：伏打電池
• 外文名：Votaic Battery
• 別稱：伏打電堆

概述

伏打電堆是由幾組圓板對堆積而成，每一組圓板包括兩種不同的金屬板。所有的圓板之間夾放著幾張鹽水泡過的布，潮濕的布具有導電的功能。伏打進一步試驗不同金屬對所產生的電動勢效果，得到以下的關係；

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

同時他也試過不同的導電液，後來就用稀硫酸液代替鹽水。至於電堆的原理，伏打則認為是由於金屬接觸的機械原因所導致的，一直到後來赫爾姆霍茲才指出這是錯誤，而認為這是化學作用所引起的。 在不同金屬與電解質溶液間兩兩接觸之後，溶液中的離子形成定向移動從而產生電流。1800年伏打將十幾年研究成果，寫成一篇論文《論不同金屬材料接觸所激發的電》，寄給英國皇家學會，不幸受到當時皇家學會負責論文工作的一位秘書尼克爾遜有意的擱置，後來伏打以自己名義發表，終於使尼克爾遜的竊取行為遭受學術界的唾棄。

原理

伏打電池的原理為：在食鹽水中， 金屬鋅和金屬銀的電勢不同，存在一個電勢差，當金屬鋅和金屬銀之間以一個導體（通常為金屬）聯通時，電子就會從電勢低的一段端向電勢高的一端移動，形成電流，而使電路中的電燈泡發亮。伏打電池中電極的電動勢通常通過能斯特方程來計算。

影響因素

影響伏打電池工作效率的因素有很多，比如電極材料， 電極狀態，電解質溶液種類，電解質溶液濃度， 鹽橋等都會對伏打電池的工作效率產生影響。鹽橋的主要作用是可以減小不同電解質之間的液接電勢。

背景

當時對於電已經有相當的認識（靜電、導電、電的種類），加上對雷電的正確了解，尤其是避雷針的研製成功，消除人們對於雷電的畏懼。特別是蓄電裝置的發現後，科學家開始動腦筋去想如何能夠有效地運用電。

青蛙腿的啟示

義大利波洛尼亞大學的解剖學教授伽伐尼(Luigi Galvani 1737..1798)經常利用電擊研究生物反應，1780年秋天無意間發現，即使沒通電源的情況下，剝下來的青蛙腿也會發生痙攣的現象，後來經過十年的研究，在1791年發表成果。他一直認為這是一種由動物本身的生理現象所產生的電，稱為動物電，因此開發了一支新的科學電生理學的研究。同時也帶動了電流研究的開始，觸使電池的發明。關於這次意外的發現說法如下；

一次尋常的閃電，使伽伐尼解剖室台上的起電機發生電氣火花的同時，放在桌子上與鉗子和鑷子環連線觸的一隻青蛙腿發生痙攣，而此時起電機與青蛙腿之間並無導體連線。接著他把青蛙腿的一隻腳吊高，再用黃銅鉤刺在脊髓上，並使其接觸銀制的台板，讓另一隻腳可以在台板上方自由活動，當它碰到銀台時，腳的肌肉就起收縮而離開台板，但是離開台板後即又再度伸長碰到銀台，如此反覆搖擺。如果將鉤與台改換成同一種金屬，就看不到這種現象。

又有一說法為：

伽伐尼的妻子因健康原因要經常吃蛙腿。1780年的一天，伽伐尼把青蛙剝皮後，放在靠近起電機旁的桌子上。當他妻子偶然拿起電機旁的外科手術刀時，刀尖觸及到了蛙腿外露的小腿神經，蛙腿抽動起來，好像活的一樣。她把這件事告訴了伽伐尼。伽伐尼重複了這個試驗，他把蛙腿放在玻璃板上，用兩把叉子，一個叉尖是銅的，另一個叉尖是鐵的，去碰蛙腿的神經和肌肉，生碰一下，蛙腿就引縮一次。

為了探究這個現象的原因，伽伐尼選擇了各種不同的條件，重複這個實驗。開始，伽伐尼用銅絲把青蛙與鐵窗相連，在雨天和晴天作實驗，青蛙的腿都痙攣。接著，他只用銅絲去接觸蛙腿，蛙腿卻不發生痙攣。後來，他找了一間封閉的房間將青蛙放在鐵板上，用銅絲去觸它，結果和以前一樣，又發生了收縮，這就排除了外來電的可能性。伽伐尼選擇不同的日子，不同的時辰，用各種不同的金屬多次重複，總是得到相同的結果，只是在使用某些金屬時，收縮更強烈而已。

後來他又用各種不同的物體來做這個實驗，但用諸如玻璃、橡膠、松香、石頭和乾木頭代替金屬，都不出現這個現象。

進一步的實驗使伽伐尼認為蛙的神經中有電源，很可能是從神經優越性到肌肉的特殊電流質引起的“動物電”。

伽伐尼的實驗使許多科學家感到驚奇。伏打在1792－1796年重複伽伐尼的實驗時發現，只要有兩種不同金屬互相接觸，中間隔以濕的硬紙、皮革或其他海綿狀的東西，不管有沒有蛙腿，都有電流產生，從而否定了動物電的觀點。伏打認識到蛙腿收縮只是放電過程的一種表現，兩種不同金屬的接觸才是電流現象的真正原因。

伏打和伽伐尼的爭辯

義大利利帕維亞大學的物理學教授伏打(Alessandro Vlota 1745..1827)，反覆重做伽伐尼的實驗，仔細觀察後發現電並不是發生於動物組織內，而是由於金屬或是木炭的組合而產生的。於是伏打完全不使用動物的組織，僅用不同的金屬相接觸，使用萊頓瓶及金箔驗電器進行實驗，發現在接觸面上會產生電壓，稱為接觸壓。這種裝置可以同時用不同的幾種的金屬，提高實驗效果，但是總無法產生連續不斷的電流。

伏打

伏打同時注意到伽伐尼的實驗中也是使用不同的金屬，而實驗中的青蛙腿可以看作一種潮濕的物質，所以就使用能夠導電的鹽水液體代替動物組織試驗之，終於因此發現了電池的原理，做出了著名的伏打電堆與伏打電池。

伽伐尼和伏打是朋友，伽伐尼相當堅持自己的看法，伏打的反對意見觸使伽伐尼更進一步的研究，這一次他乾脆不用任何金屬做導體，剝出一條青蛙腿的神經，一端縛在另一條腿的肌肉上，另一端和脊髓相接，結果腿仍然會有抽搐現象，證明了表現在青蛙腿上的電刺激，可以僅僅來自動物本身，這就是所謂的伽伐尼電池、伽伐尼電流(Galvanic Cell、Galvanic Current、Gagnometer)。伽伐尼發現動物電，導致電生理學的建立。

伏打電池的影響

在伏打之前，人們只能套用摩擦發電機，運用旋轉以發電，再將電存放在萊頓瓶中，以供使用，這種方式相當麻煩，所得的電量也受限制。伏打電池的發明改進了這些缺點，使得電的取得變成非常方便，電氣所帶來的文明，伏打電池是一個重要的起步，他帶動後續電氣相關研究的蓬勃發展，後來利用電磁感應原理的電動機，和發電機研發成功也得歸功於它，而發電機之後電氣文明的開始，導致第二次產業革命改變人類社會的結構。

丹麥丹尼爾(J.F.Daniell)和勒克蘭社(Leclanche) 發明鉛電池。 西元1859年,普蘭特(R.L.G.Plante)發明鉛蓄電池。

英國的化學家漢弗萊·戴維(Humphry Davy 1778..1829)後續 的研究發現了幾種鹼金屬，導致電氣化學工業的興起。 戴維在電流的磁效應上面的研究有過重要的貢獻，著名的物理大師法拉第，曾經在戴維實驗室當助理學習。

伏打電堆（電池）的發明，提供了產生恆定電流的電源——化學電源，使人們有可能從各個方面研究電流的各種效應。從此，電學進入了一個飛速發展的時期——電流和電磁效應的新時期。

直到現在，我們用的乾電池就是經過改良後的伏打電池。乾電池中用氯化銨的糊狀物代替了鹽水，用石墨棒代替了銅板作為電池的正極，而外殼仍然用鋅皮作為電池的負極。

優點

伏打電池雖然實用價值不大，但它有明顯的優點：

（1）結構很簡單；

（2）取材容易；

（3）工藝要求不高。