【原电池的发展简史综述7000字】

第第页共16页原电池的发展简史综述(一)原电池的早期发展雏形科学和哲学的发展总是息息相关。从古代人们发现雷电开始，人们就开始思考人类世界和自然世界的关系，而这也开始了社会哲学和自然科学相互发展的过程。而在十七世纪，世界上对于电的科学研究才刚刚开始拉开序幕。1663年，德国人葛利克（OttoVonGuerickc，1602-1686）建造了一台可以发电的机器。用手摩擦硫磺球会产生大量静电，这非常有效。1676年，善于观察和思考的法国人J.Picard（1620-1680）对一项实验感到惊讶，该实验表明，真空中的汞在玻璃墙上振动时会发光。1734年，法国物理学家杜菲（CharlesFrancoisdeSisterneyduFay，1693-1739年）根据平板玻璃的电和松香的电将电分为两种。第一个被称为“玻璃电”，第二个被称为“松香电”，不过只是仅仅是认识到这两个对象，而对其还没有形成完全的科学理论，如果没有科学理论那么发展就无从谈起。此后，美国科学家本杰明·富兰克林（1706-1790）通过一个著名的实验“风筝实验”，通过这个实验他证明了“自然中的雷电和实验中产生的经典相统一”的思想，并且富于想象的富兰克林通过引用当时数学的“正”和“负”确定出正电和负电，正是因为他有这种矛盾对立统一的这种哲学观念，才能带动他想到正负这一概念，也真正的让世界电学的发展达到一个前所未有高度。而英国人浩克斯比（F.Hauksbee，1666-1713年）用玻璃球代替了硫磺球，并用皮革垫子代替了双手，善于发现浩克斯比的惊奇的发现，摩擦后产生的电荷继续转移到巨型金属上，就比如车身吴旭冉,贾志军,马洪运,廖斯达,王保国.电化学应用(Ⅱ)——吴旭冉,贾志军,马洪运,廖斯达,王保国.电化学应用(Ⅱ)——电化学电容器的发展与应用[J].储能科学与技术,2013,2(06):636-641.1746年，荷兰莱顿的物理学教授PetervanMuschenbroke（1692-1761）根据前人发现电的实践成果进行研究，他进行了一个思考：我们能不能把电来贮存起来并且为我们所用呢？带着这个思考新的认识，他进行了一系列的实验实践研究，最终通过他的不懈努力实践，他公开展示了自己发明的电容器，以保持瓶子的电荷完好无损（英）斯蒂芬.F.梅森著；周煦良等译.自然科学史[M].上海：上海译文出版社.1980.448。它是一种玻璃瓶，它的内部和外部都在收缩，并带有镀金层。并通过瓶销将金属棒插入瓶中，在顶部连接一个金属球，在底部连接一个金属链，使其与内部金属箔接触，进行电的存储和使用苏更林.避雷针:挑战雷电威胁的利器[J].农村青少年科学探究,2011(03):8-9.，这就是著名的“莱顿瓶”，成了当时研究电学的主要实验仪器之一，具有着极其重要的意义。这就是原电池的早期发展雏形，为以后原电池的发展打下了坚实的基础（英）斯蒂芬.F.梅森著；周煦良等译.自然科学史[M].上海：上海译文出版社.1980.448苏更林.避雷针:挑战雷电威胁的利器[J].农村青少年科学探究,2011(03):8-9.图3“莱顿瓶”(二)原电池的发明历史过程1.伽伐尼电效应的发现历史过程如果真的要谈起原电池真正的发展历程，我们要了解的是在18世纪末，电流的发现和伏塔的形成。电流的发现使电学研究达到了无法想象的高度，极大地促进了原电池的发明。这实际上是由于意大利博洛尼亚大学的LuigiGalvani教授（1737-1798）的功劳。学会通过观察生活和实验中的一些现象，是进行科学研究发展的开始，如果没有，则科学研究无从谈起，而观察如果不是在自然环境观察到的就是在是在实验环境观察到的，观察必须用到理论语言来描述出来。1780年，伽伐尼（Garvani）意外地用铜手术刀碰到了一只躺在铁板上的青蛙的腿。他认为那只死青蛙的腿颤抖了好几次，并且有微小的电流在流动。据说这是自然世界生物本身特有的自发流动梁宏.电池发展史[J].多媒体世界,2004(10):58-59.。这是一种新型的电学现象，这种新型现象不仅没让伽伐尼感到惊奇，反而让伽伐尼感到兴奋，梁宏.电池发展史[J].多媒体世界,2004(10):58-59.之后，他做了一个对比试验：他将将青蛙的腿放在金属板上，用金属丝刺穿小腿，另一端碰到金属板，并且青蛙的腿也局促起来，但是当把青蛙的腿穿上玻璃棒，放在玻璃板上的电线不起作用。当两种不同的金属（例如铜和铁以及铜和银）结合并触及两只死青蛙的肌肉时，身体就会剧烈伸展和抽筋。我们都知道懂得比较是解开自然科学的神秘世界的重要支撑。而比较法是科学家们在科学研究经常使用到的一个方法，只有在自然科学研究中懂得比较结果，才能够有新的感悟，产生新的发现，更好的帮助构建科学认知。作为生物学家，他始终专注于肌肉和神经，因此他认为这不是大气电的影响。他称这种活液体为“动物电”或“生物电”张国顺.从“电妖鱼”到“燃料电池”[J].学科教育,1995(02):40-41.，这种模糊的解释是缺乏根据的修明磊.IHV教学模式在《元素周期表》教学中的应用研究[D].山东师范大学,2012.，他在1791年发表了《电对肌肉运动的影响张国顺.从“电妖鱼”到“燃料电池”[J].学科教育,1995(02):40-41.修明磊.IHV教学模式在《元素周期表》教学中的应用研究[D].山东师范大学,2012.图4伽伐尼的青蛙实验RobertM.FerGuson.Electricity[M].LondonandEdinburgh:WilliamandRobertChambers,1866：2182.伏打电堆的发明伽伐尼关于“生物电”的论文发表后，引起电气，医学，化学和生物学界受到广泛关注。1791年，意大利帕维亚大学的物理学教授亚历山德罗·伏尔塔吉奥·安纳斯塔西娅·伏打（1745-1827）看了Galvanic的“生物电”实验，然后也对电产生了浓厚的兴趣，而我们都知道“兴趣是最好的老师”，正是因为有了兴趣伏打才能更好的去做实验，Volta重复了Galvanic的“生物电”实验，用实际实验再次证明了“生物电”的存在，因此在起初伏打开始时相信伽伐尼的见解是正确的，但是伏打也是一位善于思考的科学家，他在一次实验中感觉电不是出自于动物，在重复实验和研究后，他发现最终的“能源供应”与动物无关。他将两根弯曲的金属棒的一端插入嘴中，另一端连接眼睛上方，注意到触摸时有一种光的感觉。他还放入金币和银币在舌头上，如果用电线连接它们，可能会感到酸涩。经过一系列的实验后，伏打认为动力不是动物和肌肉，而是两种不同金属的接触。最近发现的原电池应称为“金属电”或“接触电”，而不是“动物电”林为民.科学的1000个瞬间:改变人类历史的发明与发现[M].北京出版社,2005：131。1794年，他开始证明这一假设。在许多实验中，用一块浸有盐或碱性水的纸和亚麻布将两种类型的金属板分开，然后用金属线将它们连接起来，无论是否有青蛙肌肉都没关系。由于电流流过青蛙腿的神经，因此它是具有极高灵敏度的显示器。经过实践检验的经验发现，起电顺序如下林为民.科学的1000个瞬间:改变人类历史的发明与发现[M].北京出版社,2005：131锌-铅-锡-铁-铜-银-金-石墨如果任何一种金属在第一种带正电的金属上方且按其顺序接触，则它具有负电荷。还发现从当前的“金属对”中，盐水仅被非常弱但稳定的水隔开。于是他把一对对（50对左右）圆形的铜片和锌片相问地叠起来，而且每一对铜、锌片之间隔以盐水浸湿的麻布片，这时只要用两条金属线各与顶面的锌片和底面的铜片焊接起来典史.电池的历史有多久[J].监督与选择,2004(07):43.，则两金属线端点间就会产生电压，足以使人感到“电震”，而数量越多，性能越强；如果用白银替换板上的铜，则有正向影响。这就是“伏打电堆”（Volta典史.电池的历史有多久[J].监督与选择,2004(07):43.在哲学中我们都知道事物之间相互影响、相互联系的，任何一件事物产生不是简简单单，无缘无故的，就像刚刚所描述的“伏打电堆”，伏打能制作出来绝对不是一次在偶然事件中发生的，而是伏打在平时的生活中善于观察并且善于思考，将思考应用于实践，伏打自身的努力固然重要，但是我们试想一下，如果没有伽伐尼电现象的发现，那么“伏打电堆”也是无法谈起。1800年，Volta向世界推出了其“电堆”。伏特运往装备过来演示，一位警官过来告诉他，等一下有人想见他。推开门，原来是拿破仑皇帝想接见他，说他所做的是科学的事业，并且伏特还获得了伯爵的头衔，并宣布被任命为意大利王国参议员。事物之间相互影响、相互联系的例子还有很多：伏特的发明发现对于电池的未来发展至关重要后面电压的单位用他的名字来命名，大卫使用电源发现了许多元素，法拉第利用电解定律发现了物理化学，并用新技术描述了电弧，例如电动机，这是现代科学的巨大发展，并且对时代的发展产生了刺激作用。任何事物的发展不是一蹴而就的，而是有联系的。图5伏打电堆的组成示意图RobertM.FerGuson.Electricity[M].LondonandEdinburgh:WilliamandRobertChambers,1866：178伏打电堆的构造如图5所示，伏打电堆由一块块锌铜原电池叠加而成，其中的锌板，它作为该电池的负极；其中的铜板，它作为该电池的正极，一块铜板和一块锌板相互交错焊接而成，聚在一起，积攒起来，让铜板面向一个方向，锌面向另一个方向；每个复合板之间有一块浸湿用普通盐或稀硫酸溶液的圆形毛布，起到电解液促进电子更好的流动的作用，其中竖着的的一条黑色长条是固定棒，起到固定伏打电堆作用RobertM.FerGuson.Electricity[M].LondonandEdinburgh:WilliamandRobertChambers,1866：178RobertM.FerGuson.Electricity[M].LondonandEdinburgh:WilliamandRobertChambers,1866：178在结构上，伏打发现实际上是许许多多铜锌原电池的串联起来的，该电池的总电势是各个铜锌原电池的电动势之和R.Wormell.ElectricityInTheServiceOfR.Wormell.ElectricityInTheServiceOfMan[M].LONDONPARIS&MELBOURNE:CASSELL&COMPANY,1890：157伏打电池作为第一个电池，虽然还是有一些小问题，比如持续时间不够长，但是伏打电池作为第一个人工制作的原电池，具有里程碑式的意义，在原电池的发展历史长河中书写了浓墨重彩的一笔。3.极化思想的提出与改进事物是永恒向上持续发展的。伏打电堆的发明极大的促进了原电池的发展，不过作为一个刚刚起步的新兴事物，伏打电池还是有许许多多无法解决的实际问题，尤其是在当时社会即将进入快速发展阶段，这些实际问题必须要得到妥善解决才能更好的促进原电池的发展，就在这时，有很多人提出了各种各样的理论，希望能够解决这些问题，其中最具有代表性的就是极化思想。原电池中的极化思想真正源于电化学中的电解实验，始于威廉·尼科尔森（WilliamNicholson，1753-1815）和安东尼·卡莱尔（AnthonyCarlisle，1768-1840）。在1795-1796年，伏打已经很清晰地解释了伽伐尼电现象的原因，并且还使用了比较实验的方法，让当时的人接受了他的“接触电”学说。1800年，伏打（AlessandroVolta）写信给伦敦皇家学会主席约瑟夫·班克斯爵士（SirJosephBanks）宣布，这一点将在新的伏特“电堆”中找到陈晨星.半封信揭开电学帷幕[N].中国科学报,2020-04-02(008).01。西塞罗·尼科尔森（CiceroNicholson）读了伏打给班克斯的一封信。他们便引导了施电流于水的实验：使用36半克朗（crown）的银币和浸有盐水的锌盐薄片的半圆形硬纸板成为电极。气体立即就从电极上跑出，但是通过电解获得了1.1立方米的气体却花费了13个小时赵匡华.化学通史[M].高等教育出版社,1990.。不过令他们欣喜的是，产生的氧气和氢气的体积比一致，已被确定为氧气和氢气。之后有关此实验的报告《利用电池电解水》发表在1800年第4期《自然哲学、化学及工艺杂志》（《J.Natl.Phil，Chem》，1797年尼克尔森创办，这是第一份独立的科学杂志）上WilliamM.Sudduth.TheVoltaicPileandElectro-ChemicalTheoryin1800[J].Ambix,2013,27(1).，但是在当时发表的时候也出现一些问题，有人说他们剽窃了Volta的科研成果，不过他们没有因此气馁，而是尽自己最大努力进行辩解，在他们的不懈努力之下发表了《亚历山大·伏打先生的新的电装置或称伽伐尼装置的说明,以及用它所进行的实验陈晨星.半封信揭开电学帷幕[N].中国科学报,2020-04-02(008).01赵匡华.化学通史[M].高等教育出版社,1990.WilliamM.Sudduth.TheVoltaicPileandElectro-ChemicalTheoryin1800[J].Ambix,2013,27(1).刘劲生.关于尼科尔森电解水实验的补正[J].科学、技术与辩证法,1987(03):89-90.科学理论是通过真实的实验现象而表述出来的。在1803年，德国化学家里特（JohannWilhelmRitter，1776-1810）做了一个电解氯化钠溶液实验，在实验中，善于观察的他突然发现只要将电堆中的两个电极用导线链接之后，就能立马产生放电的现象，这个现象引起了里特的极大兴趣，他就立即进行再次实践，毕竟自然科学的发展离不开实践，只有实践才能出真知，只有实践才能更好的去检验自己的假说，最后通过大量的实验，他认为电解后的电堆能够瞬间有电流，他把这个电流称作“二次电流”。虽然在当时伏特的地位已经很高，没有人敢于去挑战他，但是他敢于去质疑，不畏强权，这也极大地促进了自然科学的发展，正是在敢于质疑中，原电池的秘密才能慢慢的被揭开，里特的敢于质疑为解开原电池的秘密指引了方向。图6里特和里特电堆图片来源：/sport/b722143/里特的这个理论一经出现，就得到了社会上的广泛关注，但是这个“二次电流”理论却给伏打的“接触电”学说当头一棒，这彻底让伏打感觉到了一些危险，然后他了解到柏尔采留斯的电化学二元说，柏尔采留斯指出在电池中溶液的盐被电流分解为碱（带正电荷）和酸（带负电荷）J.R.柏廷顿.化学简史[M]北京:商务印书馆，1979：165。伏打根据他的学说立即对自己的理论根据里特的学说进行了修改，为此他重新做了一次里特的实验，他认为里特的电解实验过程中出现了不同的“碱”和“酸”，而这些“碱”和“酸”让该电堆变得更加活泼。并且伏打又产生了一个新的定律——伏打接触定律：如果串联连接的各种化学温度的组成较大，并且一侧上有一些金属，则两端之间会产生电势差J.R.柏廷顿.化学简史[M]北京:商务印书馆，1979：165Becquerel对“二次电流”效应的解释是真实的，并且在评估实验电解时，“二次电流”本质其实就是逆电解的过程乔辰光,姜红军.贝克勒尔原电池极化思想辨析[J].咸阳师范学院学报,2019,34(04):72-77+99.乔辰光,姜红军.贝克勒尔原电池极化思想辨析[J].咸阳师范学院学报,2019,34(04):72-77+99.贝克勒尔把里特地“二次电流”理论给完善起来，他透过“二次电流”现象看到了事物的本质，敢于提出自己的见解，而我们都知道自然科学是在求真务实，不断创新发展的，他指出在里特电堆中，电流会让不同电解质向电堆两极分化，并命名为“电极极化”乔辰光.原电池的实用化历程及晚清传入的电池知识研究[D].内蒙古师范大学,2019.乔辰光.原电池的实用化历程及晚清传入的电池知识研究[D].内蒙古师范大学,2019.4.贝克勒尔电池和丹尼尔电池贝克勒尔发现了“二次电流”效应又到了电极极化的现象，他认为“二次电流”是让伏打电池无法能够真正的持续时间较长的原因，而且如果不能及时解决，电池的发展也就无从谈起。因此，他开始着力研究怎样能够把“二次电流”给消除掉，以更好地让电池持续工作，发挥更大的效益。他通过多方细致的研究，善于比较的的贝克勒尔通过比较伏打和里特的电堆，他惊奇的发现一个重要的问题，他们的电堆都是只有一种联通的电解质溶液，因此他做了一个非常大胆的假设：只要每个电池只要有一种电解质溶液并且联通，就能出现二次电流。发现了电池中性能不好的的矛盾，那么怎样才能够把这个矛盾极力避免呢？这还需要我们科学家们的不懈努力。经过多次实验的实践，敢于创新的贝克勒尔在1829年，他对伏打电池进行了相应的改造：制作了一种可以由两种不同的溶液隔开以固律物质所组成的电池，从而消除了“二次电流”，这个电池可以以稳定的电压提供持续的电流。图7贝克勒尔电池的构造他把一个溶液部分用一个薄膜给分开成两个溶液部分，每一个溶液部分中都用完全相同的稀酸溶液，由于薄膜两侧的溶液相同，因此有科学家认为这个隔膜没有很大的的意义，但是通过这个隔膜可以防止电池使用的时候产生的物质在电极的聚集，以此来更好地减弱极化效应，更好的防止“二次电流”的产生。因此能更好地促进电池的可持续使用，但是如想真正的去投入使用，还是远远不够的。善于观察的Becquerel在此实验中发现研究了有趣的现象。如果新电池为伏特液，则溶液中会浸入两片金属，暴露在阳光下，产生额外的伏打电势。这种现象称为“光伏效应”葛彤彤.基于变步长自适应控制的小功率光伏并网发电系统设计研究[D].辽宁石油化工大学,2019.，在未来太阳能电池的生产和发展在投机方面起着重要的辅助作用葛彤彤.基于变步长自适应控制的小功率光伏并网发电系统设计研究[D].辽宁石油化工大学,2019.1836年，英国物理学家约翰·丹尼尔（JohnDaniell，1790-1845）为了更好的去解决贝克勒尔电池产生的“二次电流”问题，也对原电池进行了相应改造。科学的发展就是敢于探索，不断螺旋上升的过程。丹尼尔根据贝克勒尔的想法，又产生了一个新的想法，除了两种不同的溶液，他还想把锌铜原电池中的锌铜电极给相互分开，以阻止锌在铜电极上析出。图8单个丹尼尔电池和多个丹尼尔电池串联R.Wormell.ElectricityInTheServiceOfMan[M].LONDONPARIS&MELBOURNE:CASSELL&COMPANY,1890：170丹尼尔电池结构如图8所示：其中b是铜罐，它包含饱和铜的硫酸盐溶液，而图中的c是多孔的某种生物膜，该生物膜是由牛的食道的一部分组成的，电池盒的中间有一个锌瓶，该锌瓶与负极相连。密闭的多孔小室中的液体是稀硫酸，这种液体的高度在实验中可以用肉眼看出来，并且多余的酸可以通过管g流走，防止对电池造成腐蚀，损坏电池寿命R.Wormell.ElectricityInTheServiceOfR.Wormell.ElectricityInTheServiceOfMan[M].LONDONPARIS&MELBOURNE:CASSELL&COMPANY,1890：170丹尼尔电池的内部和外部电池，由多孔隔板隔开；铜和锌是金属。铜不会浪费，因此可能用于外层电池，这个多孔陶瓷可以是无釉多孔陶瓷，也可以是羊皮纸，甚至牛皮纸等一些材料。当锌被放置在内电池中，铜板形成外部容器，内部电池中的液体是稀硫酸，外电池中是硫酸铜溶液。这个溶液最好是饱和的，当电流被切断时的动作流动过程如下：锌溶于稀释的H2SO4，形成ZnSO4，然而，氢的自由原子并没有到达铜，被交给多孔细胞，他们通过，他们取代了硫酸铜中的铜R.Wormell.ElectricityInTheServiceOfR.Wormell.ElectricityInTheServiceOfMan[M].LONDONPARIS&MELBOURNE:CASSELL&COMPANY,1890：171而在串联的丹尼尔电池中，铜棒c下陷。铜带着一个小筛子，用来装铜的硫酸盐晶体，每根铜棒与下一根锌棒相连通过一根金属丝a制成的圆筒，这么连接起来也能够更好的对电池进行去极化。5.碱性锌锰电池的发展史此后科学家们对电池的研究出现了一个前所未有的高度，有许许多多的科学家开始投身于电池的研究之中，并且产生了各种各样的原电池，其中最具有代表性的就是碱性锌锰电池。1868年，法国列克兰乔治（George）在圆筒区域内推入二氧化锰粉末，将炭棒作为电池的正极，将锌棒插入由氯化铵（NH4Cl）水溶液组成的溶液中作电池的负极，并且把这些都装在一个玻璃瓶，这样一块锌锰电池就大功告成。1886年，俄国科学家约翰