很小的时候,我就被“摩擦生电”深深地吸引。这种电可以让摩擦过的琥珀粘上小纸片。从巴拉德菲尔德回来之后,我开始阅读关于“发电机”的文章。你用曲轴旋转圆盘或者某种不会导电的圆球,然后用手、布或者其他垫子摩擦,就可以产生强烈的静电火花。看上去制作一台这样的机器非常简单,我第一次作这种尝试的时候,用了一张老唱片当做圆盘。那时的唱片是由硬橡胶制作的,这样就可以很容易地摩擦生电。唯一的问题就是它们太薄、太脆弱了,很容易破碎。后来,我用一块厚玻璃板和一块覆了皮革并涂有锌汞合金的垫子做了一个更结实的机器。我用它得到了漂亮的火花。如果天气很干燥的话,火花足有两三厘米长。如果天气潮湿,就没效果了,因为这种时候每一样东西都导电。
可以将发电机与莱顿瓶连到一起。莱顿瓶是一个双面都粘有锡纸的玻璃缸,并且上部有一个金属球,一条金属链将它与里面的箔连到一起。如果将几个这样的瓶连接起来,产生的电火花就会大得惊人。我从书上看到,这正是18世纪出现的莱顿瓶“电池”。有人曾经在一次实验中运用了这种电池,它释放出来的力量让800名手拉着手的士兵全都因电击而跳起来了。
我还有一个小型的维姆胡斯特起电机,这台机器上有着漂亮的玻璃片,能够产生十几厘米长的火花。当维姆胡斯特起电机的平板快速旋转的时候,机器周围的每一样东西都带上强电:流苏带电了,四散飞扬;木球也会飞离。人们的皮??都能感觉到带电。这时,如果附近有个尖锐的物体,它就会放电,产生带电光球。流出来的“电风”还可以将蜡烛吹灭,或者使枢轴上的旋翼转动。我曾经使用一个四个轮子支撑的简单的绝缘座,让电通过我哥哥们的身体,让他们的头发竖起来。这些实验表明,电荷之间有排斥力,并且流苏的每一根线、人的每一根毛发都因为同种电相互排斥。与此相反,我的第一次实验显示出带电物体的引力,那次我是用摩擦过的琥珀和纸屑来做的实验。可见,引力与斥力同时存在。
我想知道是否可以用维姆胡斯特起电机产生的静电将戴维舅舅的电灯泡点亮。舅舅告诉我,没有什么东西可以点亮他的电灯泡,但是,他给了我一些细金属丝,这些金属丝是用银和金子制作的,直径只有大概0.9厘米。当我在一张卡片上将维姆胡斯特起电机的黄铜球与一根长近七八厘米的含银电线连到一起并转动起电机手柄的时候,线突然爆掉了,卡片上只留下奇怪的图案。当我试着用一根含金的电线来做的时候,线立即就蒸发了,变成了红色的蒸气,这就是气态的金。这些实验显示出摩擦电非常强大,但是它太强烈、太难处理了,根本就不能应用。
戴维舅舅认为,电化学中离子的吸引也是符合异性相吸的道理,比如正电荷很多的钠离子和负电荷很多的氯离子,两者的结合,正像天雷勾动地火。但是他也认为大多数的元素带有的电荷有多有少,且金属离子的正电性与其化学活性成正比,正电性强的还原能力或取代能力都比正电性弱的强。
这种类型的换位,炼金术士在生产金属涂层或者“金属树”的时候就已经探索过了。据说这种树是通过向金属盐(比如银盐)中插入锌棍来制作的。这样就能用锌来代替银,并且金属银能在溶液中沉淀下去,像树木一样生长(炼金术士给这些树起了非常魔幻的名字,所以人们将银树叫做戴安娜树,将铅树称为土星树,锡树称为木星树)。
我一度希望制作出所有金属元素的“树”--铁和钴的树、铋和镍的树、黄金的树、白金的树、其他铂系金属的树、铬和钼的树,当然也想制作出钨的树。但是,考虑了很多(不只考虑了某些金属盐的昂贵价格)之后,我只制作了十几种常见金属的树。但是,这些“树”绝对可以为人们带来美学的感受,没有看上去一模一样的两棵,哪怕是用同样的金属制作出来的树,这就像雪花和冰晶。并且,不同金属的沉淀方法也不一样。很快,我的心思就转向了比较系统的研究:什么条件下一种金属能够使另外一种金属沉淀?我用一根锌条做实验。一开始的时候,我将这根锌条放到硫酸铜溶液中,这样它就有了一层非常漂亮的壳--镀铜。后来我又用锡盐、铅盐以及银盐做了实验,将锌条放到这些金属的溶液中,相继产生了闪闪发光的透明的锡树、铅树和银树。但是当我试着制作锌树时,将铜棒放到了硫酸锌溶液中,却什么都没有发生。很明显,锌是一种更为活泼的金属,能够用来代替铜,但是不能被铜代替。要想制作一棵锌树,就应该使用一种比锌还要活泼的金属。后来我发现用镁条来制作锌树效果很好。很明显,这些金属呈现出某一种共性。
为了防止轮船的铜板在海水中生锈,戴维舅舅提倡用电化学的取代作用,将铁或者锌拴在船底,这样的话正电性强的金属就会腐蚀,船的铜板则安然无恙,这就是所谓的阴极保护。尽管这种方法在实验室的条件下效果很好,但是,在海里还不能奏效,因为新的金属板会被海中生物附着。因此戴维舅舅的建议遭到了别人的嘲笑。不过,阴极保护的提法确实非常绝妙。戴维舅舅死后,阴极保护最终成为了保护远洋轮船的标准方法。
阅读了戴维舅舅的文章并观看了他的实验后,我非常渴望去做其他类型的电化学实验。我在水里面放了一枚铁钉,为了防止铁钉生锈,我在铁钉上放了一片锌。我把妈妈那已经生锈的银勺子放到了一个盛有热碳酸氢钠溶液的铝皿中,这样原本光泽暗淡的银汤匙变得焕然一新。妈妈对此感到非常高兴。于是,我再接再厉,决定用铬作为阳极,家庭用品作为阴极,进一步尝试电镀术。我找出了每一样可以镀铬的东西--铁钉、铜片、剪刀(这一次我妈妈非常恼怒),还有那把已经变得很亮的银勺子。
开始的时候我没有意识到这些实验与我实验时使用的电池之间的关系,虽然我认为这只是一种巧合:第一次使用的那一组金属--锌和铜--能够产生一棵树,或者在电池中产生电流。当我认识到为了得到更高的电压,就要使用银和铂这类昂贵的金属制作电池时,我才意识到金属树和电压有相通之处。所以从某种意义上来说,化学活性和电位是一体两面。
我们家的厨房里放着一块非常大的老式电池,是一块“湿电池”。这块电池用来提供我们家电铃所需要的电力。它的构造很复杂,一开始我根本就弄不明白。我一看到它,就被它深深地吸引了。因为电池有一根陶管,这根陶管中间有一根巨大的、闪闪发光的测压铜柱,所有这些都被放在一个玻璃盒中,玻璃盒里盛着液体,液体中放着一根锌条。它可以勉强称之为小规模的化学工厂。我有时会看见锌条冒泡。这种丹尼尔电池(过去人们是这样叫它的)完全具有19世纪的特点,并且它还可以自己发电,不用摩擦,只需借助化学反应。这是电的又一来源,不是摩擦电也不是静电,而是一种完全不同的电。当伏特在1800年发现这种电池的时候,这种电力似乎是一种新的、极为惊人的自然之力。以前只有不易捕捉、极易消逝的摩擦电--火花,现在人们可以自由选择稳定、均衡而不变的电流,并且只需要使用两种浸泡在导电介质中的金属--铜和锌或者是铜和银就可以产生电(伏特研究了一系列金属,发现不同金属做出的电池的电压以及电位差都不同)。
我自己制作的第一节电池是用水果和蔬菜做的。我将铜电极和锌电极插入到土豆或者柠檬中,这样产生的电流足够点燃一个1伏特的灯泡。如果将6个柠檬或者番茄用电线连到一起(这能产生更高的电压,或者说电力比较大),这样就能制作出“生物电池”。接下来,我开始尝试铜币和银币(必须使用1920年生产的银币,因为后来生产的质量都比较差),在硬币之间放上潮湿的吸纸(通常用唾液弄湿)。如果我使用小硬币、法新和六便士的话,一个挨着一个叠在一起,高约二三厘米。或者用百来个这样的组合,叠成30厘米高,放在管子里,甚至可以产生100伏特的电流。我想到,还可以制作一根电棍,电棍上面都是很细小的成对的铜箔或锌箔。铜箔和锌箔比硬币要薄得多,500对或者以上数量的铜或锌制成的电棍可能产生1000伏特的电流,甚至比电鳗的还要高,足以吓跑所有的攻击者--但我没做到这种程度。
19世纪研发的多种电池深深地吸引了我,其中的一些我在科学博物馆看见过。像伏特早期制作的电池,又或者是葛乐耐发明的电池,或者勒克朗谢发明的大电池或细长的银电池,还有丹尼尔、本生和格鲁夫电池(它使用铂丝电极)。它们数量众多,虽然设计都不一样,但都是为了保证得到可靠的更持久的电流,为了保护电极不受金属沉积物影响,使气泡不易黏附,也是为了避免产生毒气或燃烧起来(就像某些电池引起的那样)。
要时不时地将这些湿电池装满水,很明显,这与手电筒中的干电池是截然不同的。大哥马卡斯看出了我对此感兴趣,便用他那强有力的侦查刀给我切开了一个干电池,向我展示:外边是锌、中央为碳棒,而中间是发出奇怪气味的糨糊。他还向我展示了手提收音机里巨大的电池(在战争期间,这是很必要的,因为那时的供电很不稳定)。这个收音机里有80个连到一起的干电池,有几磅重。那时我们有一辆老式的沃尔斯利车,有一次他打开汽车盖,让我看蓄电池。蓄电池里有铅板和铅酸,他还解释了它是如何反复充电的。我非常喜欢电池,没有电的废电池我也爱。当家人知道我这个癖好后,他们都帮我收集各种形状、大小不一的电池,很快我就拥有了大量的电池(尽管这些电池都不能用),我拆开了很多电池并把它们都弄碎了。
但是我最喜欢的还是丹尼尔电池,当我们进入现代社会,有了漂亮的干电池后,我更加珍视丹尼尔电池。它只有1~1.5伏特的电压,这种电压与它产生的几安培的电流以及电池的大小正相匹配,这使它非常适合用于加热和点火实验。电压小没关系,只要电流源源不断就可以了。