サイエンスタイムマシン |電池の「誕生」は実はカエルのおかげである？

科学者の重要な資質の一つは、異常な現象に対する鋭い洞察力と、絶え間ない探究心です。 1786年、イタリアの生物学者ガルヴァーニが、解剖したカエルの脚の露出した神経に誤って外科用メスで触れたところ、驚くべき光景が起こりました。カエルの脚が一瞬にして激しくけいれんしたのです。この予期せぬ発見はガルヴァーニの友人であるイタリアの物理学者ボルタに刺激を与えた。このカエルの足の実験にヒントを得て、ボルタは1,800年前に人類史上初の電池であるボルタ電池の開発に成功しました。

同年3月20日、ボルタは自身の発明を詳細に説明した原稿をロンドン王立協会に提出した。当時の「ライデン瓶」に比べ、両端の金属線を接続することで連続的に電力を供給することができる電池で、現代の電池の先駆けとなりました。ボルタ電池の発明は、人類が初めて比較的安定した電流源を手に入れたことを意味し、科学研究に前例のない条件を提供し、電気の分野を定量的研究の新たな段階に押し上げました。

ガルヴァーニは生体電気を発見した

1786年、ガルヴァーニはカエルを解剖した際、研究のために腹部の筋肉を正確に切り開き、下肢の神経を細心の注意を払って分離しました。 2匹目のカエルを解剖しているとき、メスが偶然近くで作動している発電機に触れ、カエルの脚の筋肉が異常にけいれんしているのが観察された。

ガルヴァーニはこの現象に非常に興味を持ち、当初はカエルが完全に死んでいないのではないかと誤解していました。さらに調査を進めると、彼は電気発電機、メス、カエルの神経のけいれんの間に関連性があることを突き止め、空気中の電流が同じ反応を引き起こすかどうかを調べ始めた。ガルヴァーニは、カエルの脚の神経の一方の端を屋根の上に設置した絶縁金属棒に接続し、もう一方の端を地面に接続することで、雷雨のときにカエルの脚もピクピク動くことを発見しました。

その後、彼はさらなる実験を行い、カエルの脚の神経が付いた真鍮のフックを鉄の棒に取り付けたところ、天候に関係なくカエルの筋肉がピクピク動くことを発見した。最後に、ガルヴァーニは2つの異なる金属を使って死んだカエルの筋肉と神経を接触させて接続し、筋肉のけいれんも観察しました。

これらの現象は、けいれんが外部電流によって引き起こされたことを示唆しているはずでしたが、生体電気の研究に焦点を当てていたガルヴァーニは、カエル自身の生体電気が外界との回路を形成していると信じていました。彼は、電気は生きた筋肉から生成され、2つの異なる金属がカエルの神経と筋肉の間の回路を形成していると推測し、この電気を「生体電気」と名付けました。

ボルタは人類史上初の電池を発明した

イタリアの物理学者アレッサンドロ・ボルタは、関連する実験を知った後、徹底的な調査を行い、大きな進歩を遂げました。 1800 年、彼は連続電流を生成できるボルタ電池の発明に成功し、世界を永遠に変えました。

1799年、45歳の誕生日を迎えた後、ボルタはガルヴァーニの研究に触発され、「生体電気」現象についてさらに研究を進めることを決意しました。彼は独創的な装置を設計しました。金属の亜鉛リングと銅リングを交互に積み重ね、塩水に浸した紙または羊毛で隔てました。リングの数が増え、10 個、20 個、さらには 30 個に積み重ねられると、柱状の構造が形成され、大きな電流が生成されます。これがボルタ電池の原型でした。

ボルタは、層を積み重ねるほど、発生する電流が強くなることを発見しました。彼は実験を通じて、電位差の理論を提唱しました。異なる金属が接触すると、その表面に反対の電荷が発生し、電圧が形成されるというものです。彼はまた、金属の順序、つまり電気元素の表も開発しました。この表では、どの金属も正に帯電し、順序内の次の金属は、次の金属と接触すると負に帯電します。この発見により、電圧と電流の本質的な関係が明らかになり、人類の電気に対する理解は静電気の範囲を超え、制御可能な流れる電流の時代へと進みました。

1800 年 3 月 20 日、ボルタは、電荷が水のように電線内を流れ、高電圧から低電圧へと流れて電流、つまり電位差を形成することを正式に提唱しました。彼はこの理論を「異なる金属材料間の接触によって励起される電気について」と題する論文にまとめ、ロンドン王立協会に送りました。

同年11月20日、フランス皇帝ナポレオンはボルタを自らパリに召喚し、電池の実験を視察した。ナポレオンは深い衝撃を受け、直ちにフランスの学者たちに、この革命的な発明をさらに研究し、推進するための特別委員会を設立するよう命じました。科学研究を促進するために、関係部門は一連の大規模な実験を組織し、ボルタに6,000フランのボーナスと名誉勲章を授与しました。さらに、ボルタの多大な貢献を称えるために、彼の肖像が描かれた記念金貨が発行されました。

科学界のバッテリー開発への道

ボルタ電池の出現は、科学界における電池の研究開発の始まりを示しました。人類史上初の電池であるボルタ電池は画期的な出来事です。 1836年、イギリスの科学者ダニエルは希硫酸を電解質として使うボルタ電池を発明し、電池の分極問題を解決し、安定した電流を維持できる最初の亜鉛銅電池を開発しました。この電池は充電可能で再利用できるため「蓄電池」と名付けられています。

1887年、イギリスのヘレスンが世界初の乾電池を発明しました。電解液がペースト状なので液漏れの心配がなく、持ち運びも楽だったため、急速に普及しました。 1890年、エジソンは電池技術の発展をさらに推進しました。彼は充電可能な鉄ニッケル乾電池を発明し、電池の研究開発を新たな段階に導きました。

技術の進歩に伴い、乾電池の種類は増え続け、現在までに亜鉛マンガン乾電池、アルカリ亜鉛マンガン乾電池、亜鉛銀酸化物電池、リチウムマンガン電池など 100 種類以上が開発されています。これらの乾電池は本質的にはボルタ電池の改良版であり、元の塩水を塩化アンモニウムペーストに置き換え、正極として銅板をグラファイト棒に置き換え、負極として亜鉛箔を引き続き使用しています。

晩年、ボルタは「ガルヴァーニのカエルの実験がなければ、ボルタ電流は存在しなかっただろう。ボルタ電流を使うとき、まずガルヴァーニを思い出すべきだ。私の知恵への道を稲妻のように照らしてくれたのは、彼のカエルの実験だった」と強調した。

参考資料：中国科学普及局、「青年知識百科」