Who/What is伏特？他開啟電流時代的里程碑

在科學(xué)的浩瀚星空中，總有那么一些耀眼的星辰，以其獨特的光芒照亮了人類前行的道路。而亞歷山德羅·伏特（Alessandro Volta）無疑是其中最璀璨的一顆。1800 年 3 月 20 日，這位意大利物理學(xué)家向倫敦皇家學(xué)會提交了一封信件，信的內(nèi)容如同一顆重磅炸彈，在科學(xué)界掀起了巨大的波瀾。他宣布自己發(fā)明了一種名為“伏達電堆”（Voltaic Pile）的裝置。別小看這個看似簡單的裝置，它可有著劃時代的意義呢！它為人類提供了首個可持續(xù)的直流電源，把電學(xué)研究從那些枯燥的靜電現(xiàn)象（比如摩擦起電，就像你冬天脫毛衣時噼里啪啦的小火花）一下子拉到了充滿活力的電流領(lǐng)域，奠定了現(xiàn)代電力技術(shù)的堅實基石。

咱們先來好好瞧瞧伏達電堆到底是個啥玩意兒。它最核心的奧秘就在于電化學(xué)堆疊效應(yīng)。想象一下，你面前有一堆金屬圓盤，這些圓盤可不是普通的擺設(shè)，而是由鋅盤和銀盤（或者銅盤）交替疊放而成的。每兩層金屬之間，還夾著浸透了鹽水或者醋的紙板或布料。這些材料在濕潤的環(huán)境中緊密接觸，就像一個個小的導(dǎo)電橋梁，確保了電流能夠順暢地流動。

接下來就是重頭戲——化學(xué)反應(yīng)啦！在這個奇妙的裝置里，鋅扮演著陽極的角色，它很“無私”，愿意把自己的電子“奉獻”出去，被氧化（化學(xué)方程式是 Zn→Zn2?+2e?）。而銀（或者銅）則是陰極，它可“懶”得很，只等著接收電子，發(fā)生還原反應(yīng)（2H?+2e?→H?↑）。于是，電子就像一群勤勞的小蜜蜂，從鋅這邊出發(fā)，一路飛奔到銀那邊，形成了我們熟悉的電流。而且，這種化學(xué)反應(yīng)是在濕潤的環(huán)境中進行的，就像在穩(wěn)定的流水線上生產(chǎn)電流，使得電流能夠持續(xù)穩(wěn)定地輸出。

說到電壓產(chǎn)生，那更是妙不可言。單層的鋅-銀組合就能產(chǎn)生大約 0.7-1 伏的電動勢，這就好比是一個小小的能量泵，能把電子從低能量的地方往高能量的地方推。要是覺得這點電壓還不夠用，那就簡單了，只要像疊羅漢一樣增加層數(shù)，電壓就能顯著提升。想獲得更高的電壓輸出？多疊幾層就行啦，簡直就像是個可以根據(jù)需求調(diào)節(jié)的“電力發(fā)電機”。

伏達電堆的出現(xiàn)，對科學(xué)史來說，那可真是翻天覆地的大事兒。在此之前，電學(xué)研究的舞臺基本被靜電霸占著（比如庫侖定律、萊頓瓶之類的玩意兒），根本沒辦法實現(xiàn)持續(xù)的電流。伏達電堆就像是一個勇敢的開拓者，第一次通過化學(xué)反應(yīng)驅(qū)動電子流動，開創(chuàng)了“流動電”（電流）的研究新紀(jì)元。這一突破，不僅徹底改變了電學(xué)研究的方向，還像是給后來的電氣工程和電子技術(shù)發(fā)展鋪了一條又寬又直的大道。

說到這兒，你可能會好奇，伏特這名字為啥這么熟悉呢？嘿，這可得好好說道說道。為了紀(jì)念伏特的卓越貢獻，“伏特”（Volt）被定為國際單位制中電壓的單位。伏達電堆的發(fā)明，更是為后續(xù)的電池技術(shù)（比如丹尼爾電池、鉛酸電池）打下了堅實的基礎(chǔ)，還直接啟發(fā)了電磁學(xué)理論的發(fā)展（比如法拉第的電磁感應(yīng)）。伏特的創(chuàng)新思想和實驗方法，就像一顆顆種子，在科學(xué)界這片肥沃的土地上生根發(fā)芽，茁壯成長，推動了多個領(lǐng)域的進步。

伏特向拿破侖一世演示他的電池（J.-I. Charmet油畫）

不過，伏達電堆在誕生之初，也并非一帆風(fēng)順。伏特最初給自己的裝置取名叫“電堆”（Pile），主要是想突出它的層疊結(jié)構(gòu)?？僧?dāng)時科學(xué)界那些大牛們，腦子一熱，誤以為這個裝置的原理和生物電（比如伽伐尼的青蛙實驗，就是拿青蛙腿做實驗，發(fā)現(xiàn)電能刺激肌肉收縮）有關(guān)。后來，隨著研究的深入，科學(xué)家們才恍然大悟，原來伏達電堆的原理純粹是化學(xué)反應(yīng)在起作用，這才把之前的誤解給澄清了。當(dāng)然啦，科學(xué)家們可沒閑著，他們不斷對伏達電堆的設(shè)計進行優(yōu)化，提高它的效率和穩(wěn)定性，讓它在實際應(yīng)用中更加可靠，也更加實用。

伏特可不是個只有一項發(fā)明的科學(xué)家，他的貢獻可不止伏達電堆呢。他還引入了“電張力”（Tension）這個概念，用它來描述電場中兩點之間的能量差異，現(xiàn)在我們管它叫電壓。這個概念可重要啦，對于理解電路中的能量傳輸和轉(zhuǎn)換，就像是找到了一把神奇的鑰匙。而且，他還發(fā)明了“電容計”（Condenser），這個工具能夠量化電容器儲存電荷的能力。在電路設(shè)計和分析中，電容計可是一個得力的助手，幫助工程師們更好地理解和利用電容器的功能。

伏達電堆的故事，不僅僅是一個技術(shù)的起點，更是一個科學(xué)方法論的典范。伏特就像是一個神奇的魔術(shù)師，通過簡單材料的組合（金屬+電解質(zhì)），構(gòu)建出了一個具有復(fù)雜功能（發(fā)電）的裝置。這種系統(tǒng)集成的思維方式，在現(xiàn)代科技研發(fā)中依然大放異彩。它鼓勵著科學(xué)家和工程師們從基本元素出發(fā)，就像搭積木一樣，創(chuàng)造出復(fù)雜的系統(tǒng)和設(shè)備。

再看看伏達電堆的跨學(xué)科融合，那更是厲害。它把化學(xué)（電化學(xué)反應(yīng)）和物理學(xué)（電現(xiàn)象）完美地結(jié)合在一起，就像是兩個原本互不相識的朋友，在伏特的引導(dǎo)下，手拉手一起跳起了科學(xué)的舞蹈。這種跨學(xué)科的合作，預(yù)示著未來學(xué)科交叉的趨勢。伏特的工作向我們展示了不同學(xué)科之間的相互作用和互補，為現(xiàn)代科學(xué)研究提供了寶貴的啟示，也促進了多學(xué)科合作和創(chuàng)新。

想象一下，如果沒有伏特和他的伏達電堆，我們今天的生活會是什么樣子呢？可能就沒有了那些五彩斑斕的霓虹燈，沒有了方便快捷的電動汽車，甚至連手機、電腦這些我們離不開的電子設(shè)備都無從談起。伏達電堆的出現(xiàn)，就像是在黑暗中點亮了一盞明燈，照亮了人類對電力的探索之路。

中國的特高壓輸電

如今，我們站在巨人的肩膀上，享受著電力帶來的種種便利。但別忘了，這一切都要感謝亞歷山德羅·伏特和他的伏達電堆。他們不僅開啟了電流時代，更為我們樹立了一個勇于探索、敢于創(chuàng)新的榜樣。讓我們向這位偉大的科學(xué)家致敬，也期待著未來的科學(xué)家們能夠繼續(xù)在科學(xué)的道路上，創(chuàng)造出更多令人驚嘆的奇跡！

作者簡介：梁仁海，桂林理工大學(xué)教師，高級實驗師；科普中國專家，2023年、2024年科普中國百佳科普號《桂粵科普》運營者。中國科普作家協(xié)會會員，廣西科學(xué)家精神宣講團成員，廣東省十大科學(xué)傳播達人，廣東省科普講師團成員，中國青少年科技教育工作者協(xié)會高級青少年科技輔導(dǎo)員。