科普知識:你知道電的來源嗎
1800年以前,科學家們只知道電是靜態的或固定的,這些靜電包括物體上所載的正電荷或負電荷,通常靜電都是由摩擦產生的。隨著一個義大利貴族製作出電流,電的發展便掀開了新的一頁。
1791年,義大利物理學家、解剖學教授賈法尼報道了「動物電」——在解剖一隻死青蛙時,他發現當用兩種金屬片觸到青蛙時,它會抽搐。1800年,義大利物理學家亞歷山德羅·伏特用鹽溶液浸泡過的紙板代替動物組織進行實驗。紙板一段放一塊銅片或銀片,另一端放一塊鋅片,當用導線將兩塊金屬片連接起來時,導線中就有了電流。後來,他把許多這樣的版堆疊,以此獲得更高的電壓,這就是福特電池,是世界上首個真正的電池。
今天,科學家把伏特發明的電池稱作原電池,所用的金屬片叫做電極,而金屬片之間的溶液叫做電解液。1836年,英國化學家約翰·丹尼爾製造出一種效率更高的原電池,該電池包含一根插入稀硫酸中的鋅棒電極,稀硫酸裝在多孔的陶罐中。陶罐浸入一個裝著硫酸銅溶液的銅製容器(作為另一電極)中。當金屬線連接兩個電極後,電流從銅質容器(正極)流向鋅棒(負極)。丹尼爾電池可產生較伏特電池更穩定的電流,並解決了電池極化的問題,即在銅質電極上會聚焦大量的氫氣氣泡群,這會阻止電子的流動,最終使伏特電池停止工作。
法國工程師喬治·勒克朗謝於1866年發明了勒克朗謝乾電池,同樣解決了伏特電池的極化問題。勒克朗謝乾電池負極也是鋅棒,但鋅棒是浸在氯化銨電解液中。正極是被二氧化錳粉末包裹的碳棒。電池產生的電壓約有1.5伏。今天我們日常生活中用的乾電池包含相同的構成,電解液為氯化銨膠糊,外殼為鋅筒,二氧化錳包裹的碳棒位於鋅筒的中心位置。
德國化學家羅伯特·本生也發明了鋅—碳原電池,電池採用酸作電解液,能產生1.9伏的電壓。1893年,英裔美國電氣工程師愛德華·威斯頓發明了鎘電池,該電池可產生1.0186伏的電壓,1908年,科學委員會正式將其作為標準電壓。威斯頓標準電池的負極為汞,正極是鎘—汞金屬的混合物,電解液是硫酸鎘溶液。在這21年前,即1872年,英國電氣工程師約西亞·克拉克發明了克拉克標準電池,該電池負極採用鋅代替鎘。
原電池放電完全後,就會停止工作,電池也就廢掉了。於原電池不同的一類電池,名稱很多,比如二次電池、存儲電池,或蓄電池,這一類的電池可以通過充電重複使用。1859年,法國化學家加斯東·普朗特發明了鉛酸蓄電池。鉛酸蓄電池是最早的蓄電池,今天仍最為常用。鉛酸蓄電池電解液為稀硫酸,鉛或「鉛板」作為負極,另一塊覆蓋了氧化鉛的鉛板作為正極。這種鉛酸蓄電池被用在大多數汽車上。1900年,美國發明家托馬斯·愛迪生髮明了鹼性鎳鐵蓄電池,這是另一種類型的蓄電池。任意蓄電池放電完畢後,可以用直流電源對電池充電。例如,汽車電動機還在運轉時,蓄電池就會繼續充電。
無論是原電池還是二次電池,它們都是將化學能轉化為電能。正是因為此過程的存在,就會不斷地消耗電極材料或電解液。1839年,威爾士物理學家兼法官威廉·格萊夫在一項實驗中發現了第一種燃料電池,他通過將水的點解過程逆轉而發現了燃料電池的原理,能夠從氫氣和氧氣中獲取電能,通過氫和氧的化合生電,其唯一的副產品是無害的水蒸氣。燃料電池能夠將燃料所含的化學能直接轉化為電能。
在所有這些前面介紹的科學家中,我們應該記住這樣一個名字——亞歷山德羅·伏特。1905年,國際電氣學會為紀念他的成就,根據他的名字,將「伏特」作為國際單位制中電勢的基本單位。
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