你必须准备好,当实验表明它们是错误时,⽴即放弃即使是最有吸引⼒的想法。——亚历⼭德罗·伏特
在电学和⽇常⽣活⾥,电压采⽤的国际标准单位是“伏特”(volt),简称“伏”,符号为V。在电场中任意两点之间,如果电场⼒将1库仑正电荷从⼀点移⾄另⼀点所做的功为1焦⽿,则该两点之间的电压为1伏特。⼯业应⽤中常常为了⽅便以千伏(kV)、毫伏(mV)、微伏(μV)作为电压单位。
“伏特”是⼀位意⼤利⼈的英⽂姓⽒,他有⼀个⻓⻓的名字:亚历⼭德罗·朱塞佩·安东尼奥·阿纳斯塔⻄奥·伏特(Alessandro Giuseppe Antonio Anastasio Volta,1745年2⽉18⽇ – 1827年3⽉5⽇)。
其中,Volta(意⼤利⽂发⾳:伏打)是他的姓,Alessandro是他的名,⽽Giuseppe Antonio Anastasio分别是他与宗教以及祖⽗和伯⽗或⺟亲相关的名字。
伏特出⽣于意⼤利北部Lombardy地区Como市的⼀个富裕天主教家庭。Como市是个⻛景胜地,以其Como Lake闻名于世。
伏特的⽗亲(Filippo Volta,1692–1752)和⺟亲(Donna Maria Maddalena Inzaghi, 1714–1782)共养育有6个⼦⼥:Giovanni、Marianna、Luigi、Gian Domenico、Alessandro和Chiara。伏特的兄弟姐妹⼤多从事神职事业,只有他后来成为科学家。
伏特⼩时候并⾮那种资质聪慧的“邻家孩⼦”。他4岁才会说话,⽗⺟担⼼他智⼒迟钝⽽对他的前途没有太⼤信⼼。但是到了7岁,伏特的智⼒便赶上了其他⼩孩,接下来还慢慢超过了他们。不幸的是,伏特7岁时⽗亲去世,年幼的他和姐妹Marianna及Chiara由在Como⼤教堂当副执事的叔叔抚养。
1757年,12岁的伏特在家⾥完成⼩学⽔平的教育之后进⼊了Como皇家神学院就读。
伏特15岁时,⽼师试图说服他去跟随神职⼈员受训,没有成功。叔叔也建议他去学习法律,同样不⻅成效。其实,这时的伏特已经对⾃然科学产⽣了极⼤兴趣,他特别喜欢电学并决⼼成为⼀名物理学家。当年,他读完英国科学家约瑟夫·普⾥斯特利(J. Joseph Priestley,1733–1804)的名著《电学史》之后还写了⼀⾸关于电的⻓诗,受到了⽼师和⻓辈们的称赞。
1763年,18岁的伏特开始与著名法国物理学家阿⻉·诺莱(Abbé J. A. Nollet,1700–1770)通信,谈及他对电⼒和引⼒之间所作的的类⽐。后来,他⼜写信给Turin⼤学物理学教授、当年意⼤利最重要的静电实验物理学家乔瓦尼·⻉卡⾥亚(Giovanni B. Beccaria,1716–1781),讨论他所理解的⼀些电现象。⻉卡⾥亚给他的忠告是要多做物理实验,让他铭记于⼼。
1769年,伏特发表了他的第⼀篇题为“论电⽕吸引的⼒量”(On the forces of attraction of electric fire)的学术论⽂。这篇⽂章引起了学界⼀些关注,并帮助他在1774年获得了第⼀个职位,成为Como皇家神学院(Royal Seminary)的物理学讲师。次年,他宣布发明了⼀种能够永不休⽌地产⽣静电荷的电泳仪(electrophorus)。
仪器主要由⼀块⾦属板构成,其中放置了硬化树脂混合物。实验员可以⽤丝布擦拭树脂使其带电,然后将另⼀块⾦属板放在其顶部让它带电。之后,实验员可以把顶板移除令它的电荷消失,然后再把它放回树脂上让它重新带电,之后⼜再次把它移除。该过程可以⽆限次地重复下去。当时这个有趣的电学实验引起了轰动,让伏特声名鹊起,他也因之⽽被学院提升为实验物理学教授。
1776年起,伏特开始研究⽓体化学。
他发现了并分离出甲烷(methane)。他设计了⼀些重要的实验,例如在⾃⾏设计的封闭容器(称为eudiometer)中通过电⽕花来点燃⽓体。他完善了冷凝验电器,那是⼀种基于电泳仪检测少量电荷的设备。他发明了可以研究⽓体燃烧时容积变化的⽓体燃化计,测定了空⽓膨胀系数。此外,他还建议了利⽤让静电通过绝缘铁电缆进⾏传输的⽅式来传递信息。
他还验证了⼀条“伏特电容定律”(Volta's Law of Capacitance):给定物体上的电势和电荷成正⽐。
1779年,他应邀到了Pavia⼤学成为实验物理学讲座教授。他在这个位置上任职近40年,期间还当过学院院⻓。
在1780–1790年间,伏特获得了政府资助在欧洲多国开展调研之旅,接触到了当时许多重要的科学家,包括亨利·卡⽂迪什(Henry Cavendish)、本杰明·富兰克林(Benjamin Franklin)、安托尼·拉瓦锡(Antoine Lavoisier)、约瑟夫·普⾥斯特利(Joseph Priestley)、⽪埃尔-⻄蒙·拉普拉斯(Pierre-Simon Laplace)、克洛德·⻉托莱(Claude Berthollet)、约瑟夫-路易斯·拉格朗⽇(Joseph-Louis Lagrange)和詹姆斯·瓦特(James Watt)。
1782年,他被选为法国科学院外籍院⼠,1791年⼜被选为伦敦皇家学会院⼠。1791年,伏特的好朋友、物理学和⽣物学家路易吉·加尔瓦尼(Luigi Galvani,1737–1798)宣称,两种不同的⾦属与⼀个有⽪⻘蛙的腿肌⾁相连时可以产⽣电流,导致蛙腿抽搐。加尔瓦尼将其解释为在活组织中发现的⼀种新形式的电,并称之为“动物电”。伏特则认为⻘蛙腿只是在两种⾦属之间传导电流,称之为“⾦属电”。
为了证实他的想法,伏特次年便开始仅⽤⾦属来进⾏类似的实验。他将不同⾦属的圆盘放在⾆头上,以检测不同⾦属圆盘之间的微弱电流。他发现并不需要动物组织来产⽣电流。伏特的实验报告引起了动物电追随者和⾦属电倡导者之间的激烈争辩。那次争论持续了数年,最后因1800年“伏特电池”的发明⽽告结束,因为电池本身证明了电流的确是由⾦属产⽣的。
不过,伏特和加尔瓦尼的科学论点分歧完全是君⼦之争,并⽆伤⼤雅,留下了⼀段佳话。
1794年,由于在电学和化学上的杰出贡献,伏特获得了伦敦皇家学会颁发的荣誉极⾼的科普利奖章(Copley Medal)。同年,49岁的伏特与⼀位伯爵的⼥⼉、玛丽亚·佩雷格⾥尼(Donna Maria Alonsa Teresa Peregrini,1764–1841)结了婚。
夫妇俩养育有三个男孩:Zanino(1795–1869),Flaminio(1796–1814)和Luigi Tobia(1798–1876)。不幸的是,⽼⼆在18岁时因病去世,他曾被认为是⼀位极有前途的未来数学家。伏特悲痛⾄极。他在给朋友的信中写道:“这个损失让我深受打击。我感到永远不会再有快乐的⼀天了。”有幸的是,另外两个⼉⼦⻓⼤后都颇有出息,⽼三成为⼀名律师⽽⽼⼤甚⾄当上了Como市⻓。
1800年,55岁的伏特在持续四年反复实验之后完成了他⼀⽣中最杰出的发明——伏特电池(也称为“伏打电池”)。他在当年3⽉20⽇给伦敦皇家学院院⻓约瑟夫·班克斯爵⼠(Sir Joseph Banks,1743–1820)提交了⼀份报告,宣告了他的发明并给出了构建新电池的详细说明。
1832年,伏特的成果以题为“论不同种类导电物质的单纯接触所激发的电”(On the electricity excited by the mere contact of conducting substances of different kinds)的论⽂发表在《伦敦皇家学会汇刊》(Proceedings of the Royal Society of London)。
和1745年由荷兰莱顿(Leyden)的物理学家彼得·冯·穆森布罗克(Pieter van Musschenbroek,1692–1761)设计的只能存储固定静电的电容器“莱顿瓶”(Leyden jar)不同,伏特电池是可以通过把化学能转换成电能⽽产⽣电的容器。伏特电池由⼀系列相互接触的银圆盘和锌圆盘组成。在每对⾦属圆盘之间放置有⼀个由纸板或吸收材料制成的圆盘,并⽤盐⽔泡浸。
这些串联圆盘数量越多,电效应就越⼤。伏特⽤这个可重复的实验证明:⾦属电池能够产⽣虽然较弱但是⼗分稳定的电动势和连续的电流。
对于新电池的发明,伏特感谢了威廉·尼科尔森(William Nicholson,1753–1815)、提⽐略·卡瓦洛(Tiberius Cavallo,1749–1809)和亚伯拉罕·班尼特(Abraham Bennet,1749–1799)等化学家和物理学家的早期研究⼯作对他实验的启发和影响。
伏特电池的发明是破天荒的,它不但催⽣了电化学(Electrochemistry)⽽且预示了随之⽽来的电⼦和电⽓化⼯业⾰命,并且很快引导出了⼀⼤批与电相关的重要科学发现和技术创造。例如,1800年威廉·尼克尔森(William Nicholson,1753–1815)和安东尼·卡莱尔(Anthony Carlisle,1768–1840)利⽤电池产⽣的电流将⽔分解为氢和氧。
1807年,汉弗莱·戴维爵⼠(Sir Humphry Davy,1778–1829)使⽤电池从碱中分离出钠和钾。迈克尔·法拉第(Michael Faraday,1791–1867)在其开创性的电磁学研究中也充分地使⽤了电池。
1801年,法国皇帝拿破仑⼀世(Napoleon Bonaparte,1769–1821)在法国研究院(Institut de France)召⻅了伏特,观摩了他的演示,并授予他⼀枚精致的⾦质奖章,还封他为伯爵(Volta Count of the Kingdom of Lombardy),让他名满天下。1815年,奥地利国王任命伏特为Padova⼤学哲学(⾃然科学)教授。
伏特⼀⽣不问政事,潜⼼做科学研究。但他在完成电池研制⼯作之后便退出了公众的视野,隐居在家乡Como市郊的Camnago。1823年起,伏特病重,1827年3⽉5⽇逝世,享年82岁。他被安葬在Camnago。为了纪念伏特,后⼈在Como Lake附近修建了Tempio Voltiano博物馆,⾥⾯陈列着他⽣前的实验仪器和学术论⽂。
在欧元推出之前,伏特的肖像和这座博物馆以及伏特电池⼀起被印刷在意⼤利10,000⾥拉的纸币上。
1998年,国际电化学学会欧洲分会设⽴了“亚历⼭德罗·伏特奖章”,每两年颁发⼀次,旨在表彰电化学和固态物理科学技术研究领域有杰出成就的学者。
最后,有⼀则轶事值得提及。伏特⽣⻓在⼀个虔诚的天主教家庭,年轻时在教会学校读书,抚养他的叔叔以及他的兄弟姐妹⼏乎都是神职⼈员,他是个教徒⽆疑。
但是他毕⽣太投⼊科学研究了,当然也可能对宗教不算太虔诚,他常常不去教堂,疏于教会活动,因此背后招来不少⾮议。为此,伏特在晚年似乎很勉强但却很清晰地留下了⼀段⾃辩:我不明⽩怎么会有⼈怀疑我对我所信奉的宗教的真诚和依恋。我出⽣⻓⼤在罗⻢、天主教和使徒宗教环境下,并且⼀直在做着⼼灵内外的忏悔。
尽管我事实上经常未能履⾏作为天主教基督徒标志的种种善⾏,⽽且我为⾃⼰的许多罪过深感惭愧,但我确信,由于上帝的宽恕仁慈,我从未动摇过⾃⼰的信仰……在这种信仰⾥,我认识到上帝的纯粹恩赐和超⾃然的恩典。不过,我也没有忽视那些证实了的信念并推翻有时会出现疑虑等个⼈⾏为。我认真研究过宗教的根基和依据、辩护者和攻击者的作品、⽀持和反对的理由。我可以说,这些研究的结果是给宗教赋予⼀定程度的可信性。
即使只是出于⾃然原因,每⼀个未被罪恶或激情所扭曲的信念,每⼀个天⽣⾼贵的精神都必须热爱和接受它。愿这份我⾃⼰决定、⾃愿付出并亲笔书写和签署的忏悔书在将来可以展示给他⼈。我不会以福⾳为愧,⽽会祝愿它结出美好的果实来!——摘⾃Alessandro Volta, Epistolario Vol. 5, p. 29