物理爱好者

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伽伐尼“动物电”的偶然发现



张宪魁



　　1780年，意大利解剖学和医学教授伽伐尼（1737～1789）在一次解剖青蛙中，获得了一个偶然的发现。当时，他的妻子遵照医嘱，需要食用青蛙腿做的菜肴。他将剥去皮的青蛙放在实验桌上的金属板上，金属板在起电机（这是当时大多数实验室都有的时髦装置）的旁边。他的妻子在取一把解剖刀时偶然触及了青蛙的腿神经。这时起电机刚好打出一个火花，同时，青蛙的腿猛烈地抽搐了一下。妻子惊讶的叫声引起了伽伐尼的注意。他立即抓住这一现象重复这个实验，不但又观察到了同样的结果，而且还发现了用金属接触青蛙神经才有电火花。之后他又以严谨的科学态度，选择各种不同的条件，在不同的天气重复这类实验。起先，他用钢丝与铁窗连着，在雨天和晴天做实验，发现无论晴天还是雨天，青蛙的腿都能发生痉挛。开始，他认为这是“大气电”的作用。但是后来，他在一间密闭的房间里，将青蛙放在铁板上，用钢丝去触它，结果像以前一样，蛙腿也发生了痉挛性收缩，这就排除了外来电的可能性。以后他又用各种不同的物体做实验，但是当用玻璃、橡胶、松香、石头和干木头等代替金属导体时，就不发生上述现象。

　　针对这些现象，伽伐尼猜想，在动物体内存在着某种电，如果使神经和肌肉同两种不同的金属相接触，再使这两种金属相连接，这种电就会被激发出来，所以这很可能是从神经传到肌肉的特殊的“电流质”引起的“动物电”。当然现代已证明，咖伐尼的假设是错误的。但是他的发现却使电学的研究开始从静电转向动电。所以人们没有忘记伽伐尼的贡献，直到今天英文还把电疗叫galvanism（伽伐尼电）。

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动物电

张宪魁

伽伐尼发现的“动物电”，在欧洲科学界引起很大兴趣，许多人认为这是了不起的发现。“动物电”的假说也被许多人无条件地接受下来，因为那时人们已经知道有一些鱼类是带电的，如电鳗、电鯆等，所以相信别的动物体内也可能贮有这种“动物电”。一时间蛙腿几乎成为每个实验室里必备的物品。 　　消息传到意大利帕维亚大学，当时伏打教授（1745～1927）也赞成伽伐尼的观点，称赞这是“在物理学和化学史上足以称得上划时代的伟大发现之一。” 　　但是，伏打是一位治学态度十分严谨的电学专家。他认为伽伐尼的观点还要进一步用实验来验证。通过多次实验，伏打又开始怀疑并反对伽伐尼的观点了。因为他从实验中发现，用两种不同的金属接触自己的舌头，也可以产生电，并不一定要接触裸露出来的肌肉。可见电并不是从肌肉和神经中产生的。而且通过实验伏打发现，产生“动物电”必须用两种不同的金属，如果用两种相同的金属就不会引起蛙腿的收缩。由此，伏打认为电是产生于不同的金属与潮湿物体的接触，蛙腿只是起到了“验电器”的作用。所以，他提出用“金属电”代替“动物电”。 　　伏打决心重新研究这个现象。他想，如果用两种不同的金属，再加上动物体内的某种什么东西。就可以产生电流，那么这种东西是什么呢？通过分析，他终于想到这种物质可能是食盐溶液，因为食盐溶液广泛地存在于生物体内。 　　伏打着手用食盐水和金属制作电池。为了缩小体积和增强效果，他用铜和锌做成了许多小圆片，然后按铜片、吸水纸、锌片、铜片、吸水纸、锌片、……的顺序叠成一摞。其中每张吸水纸都饱含盐水。最后，用一根电线接在最下面的铜片上成为正极，一根电线接在最下面的锌片上成为负极。于是世界上第一个电池便诞生了。 　　伏打制作的电池使人类第一次获得了持续的电流。这在电学史上是件有重大意义的事。直到今天在伏打发明的基础上制造的各种电池还在工业、民用、军事等方面广泛地发挥着作用。 　　伏打还发明了验电器、储电器、起电盘等电学仪器。所以有人称他为电学的奠基人。科学界为了纪念他，用他的名字命名电压的单位。称为伏特。

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柠檬使电钟转动



白炳汉



　　1979年7月的一天早卜，在英国伦敦一条小巷的一家钟表店里，挂出了一只新颖别致的电钟。电钟的下面用导线连接着一个像拳头那么大的柠檬。

　　这只闪光发亮的别致电钟，立即吸引了前来修钟的顾客。他们纷纷向店老板阿希尔提出各种问题，并不住地开着玩笑：

　　“安东尼·阿希尔先生，你那个电钟下面怎么吊了个柠檬？”

　　“你们仔细看，正是这个小小的柠檬在带动着电钟走动呢！”阿希尔老板笑呵呵地说。

　　一天，两天，一月，两月……五个月过去了，好奇的人们几乎三天两头来观看这只用柠檬带动的电钟。这时，尽管柠檬变得又小又干瘪，可那电钟却走得十分准确。阿希尔自豪地对前来观看的人说：

　　“虽然这只柠檬表皮已经干皱了，但只要柠檬里有汁，它仍能使电钟转动。”

　　柠檬怎么会使电钟转动呢？

　　大家知道，插上不同金属片的柠檬相当于一只电池，柠檬电池的原理跟化学电池的原理是一样的，柠檬汁就好比化学电池中一种带酸的液体。如果换用土豆等也可以收到同样的效果。

　　下面我们再讲一个由于这样的电池引出的一个故事。

　　不久前，人们看到这样一篇报道，瑞典一位失明了23年的妇女，拔去几颗蛀牙以后，重见光明了。　册

　　这一奇迹，使她欣喜若狂。医生分析了她重见光明的原因。原来失明前她补过牙齿，补牙用的东西里含有金和银，这两种金属和唾液作用，形成了一个小“电池”。“电池”发出的微弱的电流刺激了她的神经。由于她对这种刺激特别敏感，便失明了。如今“病根”除去便复明了。

　　因为补牙而失明，当然是一种极罕见的现象。但是，两种金属遇见盐类、碱类或酸类形成一个电池，倒是千真万确的。

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形形色色的现代电池



张协成



　　在电池的大家族中，有许多成员。尽管种类繁多，但总的说来，可以分为化学电池和物理电池两大类。化学电池主要包括干电池、蓄电池、燃料电池、微生物电池、金属—空气电池等等；物理电池有太阳能电池和放射性同位素电池两种。

　　也许同学们在电视或科学画报上看见过宇航员在宇宙飞船里喝水的情景。但你能想到宇航员喝的水，是由一种特殊的电池提供的吗？这种电池就是燃料电池。

　　我们知道，一般电池由正极、负极和电解液三部分构成。燃料电池也是如此。通常燃料电池以氢、甲醇、甲烷、甲醛作燃料，用氧气、空气、双氧水作氧化剂。燃料和氧化剂通过催化剂的作用，在两个电极上分别发生氧化和还原反应。如果在飞船上采用氢氧燃料电池，氢就会在电极上氧化生成水，供宇航员饮用，从而大大减少飞船携带水的数量。可见，燃料电池既提供电能又提供饮水，真是一举两得。

　　燃料电池与其他电池或一般发电方式比较，它最大的特点就是效率高，一般可达60～80％。此外，它无噪声、少污染；因为燃料和氧化剂都是从电池的外面连续地往里输送，故它不需要充电再生；它的功率范围大，可以从几十毫瓦到几万千瓦。因此，燃料电池现在已被广泛地应用到宇宙航行的通信设备、潜艇以及无人照顾的场合，像航标、气象站等地方。

　　放射性同位素能放出各种射线，如α、β、γ射线，并放出大量的热量。人们把这种热能转变成电能；或把射线作用于某些物质转变成荧光，再使荧光作用于硅光电池产生电流，这样就做成了放射性同位素电池，即核电池。

　　核电池的可靠性很高，工作寿命可达5～10年。目前人们正在设计能工作15～20年的核电池。同时核电池还可以在很大的温度范围和恶劣的环境中工作。例如，它不怕月球表面127℃～183℃巨大的温度变化，也不怕深海下的高压和腐蚀。正因为如此，人造五星、空间探测器，以及高寒山区、远海孤岛等地方，核电池倍受青睐。

　　在密闭的宇宙飞舱里，必须处理宇航员排出的尿。美国为此设计了一个巧妙的方案：用一种芽孢杆菌来处理人尿。生产出氨气；氨作为电极活性物质在铂电极上发生电极反应。这样就构成了微生物电池，亦称生物化学电池。一个人一天排出的尿，可获得47瓦的电力。这样既处理了尿液，又获得了电，在宇宙飞行中，又是一个两全其美的成果。

　　近几年来，日本研制成功一种比纸还薄的超薄电池，为电子计算机及电子手表的微型化开辟了美好的前景。这种电池的大小为4毫米2，厚度仅0．034毫米，大约是头发直径的一半左右。超薄电池可以重复充放电达两千次，每次充电后可使用200～300小时，而且提供的电压基本稳定在2．5伏。它可贴在太阳能电池的里层，白天利用太阳能电池充电，晚上向太阳能电池放电，可以说是一种“永久性”的电池。

　　随着电子化技术的发展，研制体积更小、寿命更长、适应性更强、能量更大的电池，是今后的重要课题。

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新旧电池可以搭配使用吗？

张宪魁

手电筒里的电池用一段时间，灯泡会逐渐变暗，这时就需要更换新的电池。有的人舍不得把旧电池扔掉，装上一节新电池再搭配上一节旧电池，以为这样可以充分利用旧电池。 　　真是这样吗？我们不妨做个实验。用一节新电池一节旧电池或者用三节旧电池串联起来使用，结果你会发现灯泡比用两节新电池时要暗得多。为什么呢？用我们学过的电学知识就能解释了。 　　原来电池的两极间有一定的电压，如果我们用伏特计量一量，就可知道，干电池的电压是1．5伏。电池的内部是一些导电的物质，它们有一定的电阻，叫做电池的内电阻，新电池的内电阻比较小，大约0．5欧姆。我们可以用图2－8虚线框内的部分表示一节电池，为了便于说明问题，把内电阻画在电池外面了。电池在使用过程中，两端的电压在逐渐降低，而它的内电阻却逐渐增大。 　　假设我们用两节新电池串联给灯泡供电，这时两节电池的总压为E1＝2×1．5＝3伏；两节电池的总电阻为R内1＝2×0．5＝1欧；若灯泡的电阻为R灯＝0．3欧，那么电路中的电流 ，灯泡两端的电压为U灯1＝I1R灯＝0．3×9伏＝2．7伏，灯泡消耗的电功率P灯1＝I1U灯1＝0．3×2．7瓦＝0．81瓦。 　　如果改用一节新电池与一节旧电池串联供电。假设旧电池的电压降为E2＝1．2伏，内阻增大为10欧姆，仿照以上计算可知，这时电路中的电流变为，灯泡两端的电压为U灯2＝I2R灯＝0．138×9伏＝1．24伏，灯泡上获得的功率为P灯2＝I2U灯2＝0．138×1．24瓦＝0．17瓦。大约只是两节新电池供电时的功率0．81瓦的五分之一。所以灯泡暗。这是因为旧电池的内电阻大，大部分能量消耗在电池的内电阻上，使电池发热，白白地消耗了能量。因此，新旧电池不宜搭配使用。

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怎样使干电池复活？

张宪魁

干电池有一定的寿命，用一段时间以后就不能再用了，也就是我们平常说的“电用完了”。那么能不能再让它复活呢。 　　还是先让我们解剖一个干电池，看看它的构造吧。如图2－9所示，干电池有两个电极，一个是正极，就是立在圆筒中央的碳棒，它的顶端有一个小铜帽；一个是负极，就是用锌做成的圆筒。锌筒的内壁衬着氯化锌溶液和淀粉混合做成的糊状物。在碳棒和糊状物之间，装有用氯化铵溶液喷湿过的二氧化锰和碳粉的混合物。 　　当碳棒和锌浸在氯化锌溶液中时，在电极（碳棒和锌皮）与氯化锌之间就进行着化学反应。结果使碳棒带正电，成为正极，锌筒带负电，成为负极，也就是说，化学反应就像电子泵一样，把碳棒上的电子搬到锌筒上，这样，碳棒缺少电子而带正电，锌筒多了电子而带负电，两个电极之间就有了电压。如果用导线把一个小灯泡与两个电极相连，小灯泡就会发亮。只要化学反应不停止，电流就可以持续下去。如果化学反应进行完了，电源就失去作用了，也就没有电流了。一般手电筒常用的电池叫一号电池，如果电路上接5欧姆的电阻，每天连续放电30分钟，可用850分钟。 　　不能进行化学反应的主要原因是电糊干了，氯化铵不能与锌继续起作用了，或者是由于氯化铵少了的缘故。 　　针对以上原因，我们可以让电池再复活。办法是：在干电池的底部用铁钉打两个小孔，孔要打在靠锌皮的地方，如图2-10，深度要超过电池高度的2／3以上。在小孔内分别灌入氯化铵饱和溶液，如果没有氯化铵，可用普通食盐。饱和溶液的制法是，取一杯热水，渐渐加入氯化铵或食盐，不断地搅拌，待杯底有一些沉淀而且不再溶化了，就停止加氯化铵或食盐。放置24小时以后，上面澄清的水就是饱和溶液（有条件的话，再加入0．3～0．5％的氯化汞更好）。然后将该溶液注入小孔内，一直到注不进去为止，最后用熔化的蜡封住两个小孔，干电池就复活了。用它可使小灯泡重放光明。 　　这种干电池复活的方法，虽然从经济上讲价值不大，但是当干电池不能用时，我们自己用简单的方法使它重新复活，确是一件很有趣味的事情。同学们不妨试一试。需要注意的是，一节干电池用这种方法使它复活一般只能重复进行2、3次，次数多了就不起作用了。

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做脑电图要通电吗？







　　为了诊断病人脑子的疾病，医生常给病人做脑电图。做脑电图时，是不是要给脑子通电呢？其实不用。原来脑子本身就像发电机一样，能发出电来，只是产生的电压太微弱，只有1微伏左右，很难测出。所以，做脑电图时，医生总是再用脑电机把病人的脑电压放大一百万倍以上，这样差不多有1伏左右，跟一节干电池的电压接近，然后把放大的脑电压描绘在记录纸上，从而得到脑电压曲线，也就是所谓的脑电图了。脑电图为诊断病情提供科学依据。