導語
你必須準備好，當實驗表明它們是錯誤時，立即放棄即使是最有吸引力的想法。
—— 亞曆山德羅·伏特
陳關榮 | 作者
在電學和日常生活裡，電壓采用的國際标準機關是“伏特”（volt），簡稱“伏”，符号為V。在電場中任意兩點之間，如果電場力将1庫侖正電荷從一點移至另一點所做的功為1焦耳，則該兩點之間的電壓為1伏特。工業應用中常常為了友善以千伏（kV）、毫伏（mV）、微伏（μV）作為電壓機關。
“伏特”是一位意大利人的英文姓氏，他有一個長長的名字：亞曆山德羅·朱塞佩·安東尼奧·阿納斯塔西奧·伏特（Alessandro Giuseppe Antonio Anastasio Volta，1745年2月18日 – 1827年3月5日）。其中，Volta（意大利文發音：伏打）是他的姓，Alessandro是他的名，而Giuseppe Antonio Anastasio分别是他與宗教以及祖父和伯父或母親相關的名字。不過，到了現代，傳統意大利人名的中間稱謂已經不再重要甚至不再被保留。伏特如果還活在當下，那麼他在法律檔案上的名字很可能隻是“亞曆山德羅·伏特”（Alessandro Volta）。
圖1 亞曆山德羅·伏特（掃描肖像）
伏特出生于意大利北部Lombardy地區Como市的一個富裕天主教家庭。Como市是個風景勝地，以其Como Lake聞名于世。伏特的父親（Filippo Volta，1692–1752）和母親（Donna Maria Maddalena Inzaghi, 1714–1782）共養育有6個子女：Giovanni、Marianna、Luigi、Gian Domenico、Alessandro和Chiara。伏特的兄弟姐妹大多從事神職事業，隻有他後來成為科學家。
伏特小時候并非那種資質聰慧的“鄰家孩子”。他4歲才會說話，父母擔心他智力遲鈍而對他的前途沒有太大信心。但是到了7歲，伏特的智力便趕上了其他小孩，接下來還慢慢超過了他們。不幸的是，伏特7歲時父親去世，年幼的他和姐妹Marianna及Chiara 由在Como大教堂當副執事的叔叔撫養。1757 年，12 歲的伏特在家裡完成國小水準的教育之後進入了Como皇家神學院就讀。伏特15歲時，老師試圖說服他去跟随神職人員受訓，沒有成功。叔叔也建議他去學習法律，同樣不見成效。其實，這時的伏特已經對自然科學産生了極大興趣，他特别喜歡電學并決心成為一名實體學家。當年，他讀完英國科學家約瑟夫·普裡斯特利（J. Joseph Priestley，1733–1804）的名著《電學史》之後還寫了一首關于電的長詩，受到了老師和長輩們的稱贊。
圖2 伏特的第一篇學術論文
1763 年，18歲的伏特開始與著名法國實體學家阿貝·諾萊（Abbé J. A. Nollet，1700–1770）通信，談及他對電力和引力之間所作的的類比。後來，他又寫信給Turin大學實體學教授、當年意大利最重要的靜電實驗實體學家喬瓦尼·貝卡裡亞 （Giovanni B. Beccaria，1716–1781），讨論他所了解的一些電現象。貝卡裡亞給他的忠告是要多做實體實驗，讓他銘記于心。1769 年，伏特發表了他的第一篇題為“論電火吸引的力量”（On the forces of attraction of electric fire）的學術論文。這篇文章引起了學界一些關注，并幫助他在 1774 年獲得了第一個職位，成為Como皇家神學院（Royal Seminary）的實體學講師。次年，他宣布發明了一種能夠永不休止地産生靜電荷的電泳儀（electrophorus）。儀器主要由一塊金屬闆構成，其中放置了硬化樹脂混合物。實驗員可以用絲布擦拭樹脂使其帶電，然後将另一塊金屬闆放在其頂部讓它帶電。之後，實驗員可以把頂闆移除令它的電荷消失，然後再把它放回樹脂上讓它重新帶電，之後又再次把它移除。該過程可以無限次地重複下去。當時這個有趣的電學實驗引起了轟動，讓伏特聲名鵲起，他也因之而被學院提升為實驗實體學教授。
1776年起，伏特開始研究氣體化學。他發現了并分離出甲烷（methane）。他設計了一些重要的實驗，例如在自行設計的封閉容器（稱為 eudiometer）中通過電火花來點瓦斯體。他完善了冷凝驗電器，那是一種基于電泳儀檢測少量電荷的裝置。他發明了可以研究氣體燃燒時容積變化的氣體燃化計，測定了空氣膨脹系數。此外，他還建議了利用讓靜電通過絕緣鐵電纜進行傳輸的方式來傳遞資訊。他還驗證了一條“伏特電容定律”（Volta's Law of Capacitance）：給定物體上的電勢和電荷成正比。
1779年，他應邀到了Pavia大學成為實驗實體學講座教授。他在這個位置上任職近 40 年，期間還當過學院院長。在1780–1790年間，伏特獲得了政府資助在歐洲多國開展調研之旅，接觸到了當時許多重要的科學家，包括亨利·卡文迪什（Henry Cavendish）、本傑明·富蘭克林（Benjamin Franklin）、安托尼·拉瓦錫（Antoine Lavoisier）、約瑟夫·普裡斯特利（Joseph Priestley）、皮埃爾-西蒙·拉普拉斯（Pierre-Simon Laplace）、克洛德·貝托萊（Claude Berthollet）、約瑟夫-路易斯·拉格朗日（Joseph-Louis Lagrange）和詹姆斯·瓦特（James Watt）。
1782年，他被選為法國科學院外籍院士，1791年又被選為倫敦皇家學會院士。
1791 年，伏特的好朋友、實體學和生物學家路易吉·加爾瓦尼（Luigi Galvani，1737–1798）宣稱，兩種不同的金屬與一個有皮青蛙的腿肌肉相連時可以産生電流，導緻蛙腿抽搐。加爾瓦尼将其解釋為在活組織中發現的一種新形式的電，并稱之為“動物電”。伏特則認為青蛙腿隻是在兩種金屬之間傳導電流，稱之為“金屬電”。為了證明他的想法，伏特次年便開始僅用金屬來進行類似的實驗。他将不同金屬的圓盤放在舌頭上，以檢測不同金屬圓盤之間的微弱電流。他發現并不需要動物組織來産生電流。伏特的實驗報告引起了動物電追随者和金屬電倡導者之間的激烈争辯。那次争論持續了數年，最後因1800年“伏特電池”的發明而告結束，因為電池本身證明了電流的确是由金屬産生的。不過，伏特和加爾瓦尼的科學論點分歧完全是君子之争，并無傷大雅，留下了一段佳話。
1794年，由于在電學和化學上的傑出貢獻，伏特獲得了倫敦皇家學會頒發的榮譽極高的科普利獎章（Copley Medal）。同年，49歲的伏特與一位伯爵的女兒、瑪麗亞·佩雷格裡尼（Donna Maria Alonsa Teresa Peregrini，1764–1841）結了婚。夫婦倆養育有三個男孩：Zanino（1795–1869），Flaminio（1796–1814）和Luigi Tobia（1798–1876）。不幸的是，老二在 18 歲時因病去世，他曾被認為是一位極有前途的未來數學家。伏特悲痛至極。他在給朋友的信中寫道：“這個損失讓我深受打擊。我感到永遠不會再有快樂的一天了。”有幸的是，另外兩個兒子長大後都頗有出息，老三成為一名律師而老大甚至當上了Como市長。
圖3 伏特電池（Tempio Voltiano 博物館）
1800年，55歲的伏特在持續四年反複實驗之後完成了他一生中最傑出的發明——伏特電池（也稱為“伏打電池”）。他在當年3月20日給倫敦皇家學院院長約瑟夫·班克斯爵士（Sir Joseph Banks，1743–1820）送出了一份報告，宣告了他的發明并給出了建構新電池的詳細說明。1832年，伏特的成果以題為“論不同種類導電物質的單純接觸所激發的電”（On the electricity excited by the mere contact of conducting substances of different kinds）的論文發表在《倫敦皇家學會彙刊》（Proceedings of the Royal Society of London）。
和1745年由荷蘭萊頓（Leyden）的實體學家彼得·馮·穆森布羅克（Pieter van Musschenbroek，1692–1761）設計的隻能存儲固定靜電的電容器“萊頓瓶”（Leyden jar）不同，伏特電池是可以通過把化學能轉換成電能而産生電的容器。伏特電池由一系列互相接觸的銀圓盤和鋅圓盤組成。在每對金屬圓盤之間放置有一個由紙闆或吸收材料制成的圓盤，并用鹽水泡浸。這些串聯圓盤數量越多，電效應就越大。伏特用這個可重複的實驗證明：金屬電池能夠産生雖然較弱但是十分穩定的電動勢和連續的電流。對于新電池的發明，伏特感謝了威廉·尼科爾森（William Nicholson，1753–1815）、提比略·卡瓦洛（Tiberius Cavallo，1749–1809）和亞伯拉罕·班尼特（Abraham Bennet，1749–1799）等化學家和實體學家的早期研究工作對他實驗的啟發和影響。
伏特電池的發明是破天荒的，它不但催生了電化學（Electrochemistry）而且預示了随之而來的電子和電氣化工業革命，并且很快引導出了一大批與電相關的重要科學發現和技術創造。例如，1800 年威廉·尼克爾森（William Nicholson，1753–1815）和安東尼·卡萊爾（Anthony Carlisle，1768–1840）利用電池産生的電流将水分解為氫和氧。1807年，漢弗萊·戴維爵士（Sir Humphry Davy，1778–1829）使用電池從堿中分離出鈉和鉀。邁克爾·法拉第（Michael Faraday，1791–1867）在其開創性的電磁學研究中也充分地使用了電池。
1801年，法國皇帝拿破侖一世（Napoleon Bonaparte，1769–1821）在法國研究院（Institut de France）召見了伏特，觀摩了他的示範，并授予他一枚精緻的金質獎章，還封他為伯爵（Volta Count of the Kingdom of Lombardy），讓他名滿天下。
1815年，奧地利國王任命伏特為Padova大學哲學（自然科學）教授。
圖4 伏特向拿破侖一世示範他的電池（J.-I. Charmet油畫）
伏特一生不問政事，潛心做科學研究。但他在完成電池研制工作之後便退出了公衆的視野，隐居在家鄉Como市郊的Camnago。1823年起，伏特病重，1827年3月5日逝世，享年82歲。他被安葬在Camnago。為了紀念伏特，後人在Como Lake附近修建了Tempio Voltiano 博物館，裡面陳列着他生前的實驗儀器和學術論文。在歐元推出之前，伏特的肖像和這座博物館以及伏特電池一起被印刷在意大利 10,000 裡拉的紙币上。
圖5 意大利 10,000 裡拉紙币
1998年，國際電化學學會歐洲分會設立了“亞曆山德羅·伏特獎章”，每兩年頒發一次，旨在表彰電化學和固态實體科學技術研究領域有傑出成就的學者。
圖6 亞曆山德羅·伏特獎章
最後，有一則轶事值得提及。伏特生長在一個虔誠的天主教家庭，年輕時在教會學校讀書，撫養他的叔叔以及他的兄弟姐妹幾乎都是神職人員，他是個教徒無疑。但是他畢生太投入科學研究了，當然也可能對宗教不算太虔誠，他常常不去教堂，疏于教會活動，是以背後招來不少非議。為此，伏特在晚年似乎很勉強但卻很清晰地留下了一段自辯：
我不明白怎麼會有人懷疑我對我所信奉的宗教的真誠和依戀。我出生長大在羅馬、天主教和使徒宗教環境下，并且一直在做着心靈内外的忏悔。盡管我事實上經常未能履行作為天主教基督徒标志的種種善行，而且我為自己的許多罪過深感慚愧，但我确信，由于上帝的寬恕仁慈，我從未動搖過自己的信仰……在這種信仰裡，我認識到上帝的純粹恩賜和超自然的恩典。不過，我也沒有忽視那些證明了的信念并推翻有時會出現疑慮等個人行為。我認真研究過宗教的根基和依據、辯護者和攻擊者的作品、支援和反對的理由。我可以說，這些研究的結果是給宗教賦予一定程度的可信性。即使隻是出于自然原因，每一個未被罪惡或激情所扭曲的信念，每一個天生高貴的精神都必須熱愛和接受它。願這份我自己決定、自願付出并親筆書寫和簽署的忏悔書在将來可以展示給他人。我不會以福音為愧，而會祝願它結出美好的果實來！
——摘自Alessandro Volta, Epistolario
Vol. 5, p. 29
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來源：集智俱樂部
原标題：伏特是電壓的機關，還有呢？丨陳關榮
編輯：利有攸往