بیوگرافی الساندرو ولتا، پیشگام صنعت الکتریسیته و کاشف متان

ناپلئون بناپارت از سیاست‌مداران مشهوری بود که دستاوردهای علمی ولتا را تحسین می‌کرد. او حتی دانشمند ایتالیایی را به انجمن علمی فرانسه دعوت کرد تا در آنجا پیرامون دستاوردهای خود سخنرانی کند. الساندرو ولتا از سوی پادشاه ایتالیا نیز تحسین می‌شد و در دوران زندگی، افتخارهای متعددی را از او دریافت کرد. کرسی فیزیک تجربی دانشگاه پاویا به‌مدت ۴۰ سال در اختیار ولتا بود و دانشجویانش احترام زیادی برای او قائل بودند.

الساندرو ولتا با وجود شهرت و اعتبار فراوان، دانشمندی متمایل به زندگی خانگی بود و به‌نوعی از اجتماع دوری می‌کرد. او زمان زیادی از زندگی را در کنار خانواده گذراند و دانشمندی منزوی محسوب می‌شد. ولتا سال‌های پایانی عمر تا زمان مرگ ناگهانی‌اش در سال ۱۸۲۷ را در خانه سپری کرد. یکای ظرفیت الکتریکی در واحد SI به‌ افتخار این دانشمند بزرگ، ولت نام‌گذاری شد. البته افتخارهای متعدد دیگری نیز در طول تاریخ به‌نام دانشمند ایتالیایی ثبت شد.

تولد و تحصیل

الساندرو ولتا در ۱۸ فوریه‌ی سال ۱۷۴۵ در کومو، لومباردی ایتالیا متولد شد. خانواده‌ی او از اشراف ایتالیا بودند، اما آن‌چنان ثروت‌مند محسوب نمی‌شدند. الساندرو تا چهار سالگی توانایی تکلم نداشت و خانواده‌اش نگران توانایی‌های ذهنی او شدند. البته پس از مدت کوتاهی، نگرانی آن‌ها به شگفت‌زدگی از توانایی‌های فکری و ذهنی او تبدیل شد.

پدر الساندرو زمانی فوت کرد که او هفت ساله بود. او تا ۱۲ سالگی در خانه و نزد عمویش تحصیل می‌کرد و سپس به مدرسه‌ای مذهبی از انجمن عیسی (Jesuit) ملحق شد. مدرسه‌ی مذکور، هزینه‌ای برای آموزش دریافت نمی‌کرد اما فشار زیادی روی الساندرو وجود داشت که او را به سمت کشیش شدن سوق می‌داد. به‌هرحال خانواده‌ی ولتا با رویکرد مذکور مخالف بودند و پس از چهار سال، الساندرو را از مدرسه خارج کردند. مقصد بعدی ولتا، مدرسه‌ای موسوم به Benzi Seminary بود که تا ۱۸ سالگی میزبان او شد.

خانواده‌ی ولتا دوست داشتند او وکیل شود، اما خودش علاقه‌ی شدیدی به دنیای پیرامون نشان می‌داد و دانشمند شدن را برای آینده‌ در نظر گرفته بود. الساندرو برخلاف سال‌های کودکی که زبان ایتالیایی را دیرتر از هم‌سالان خود فراگرفت، در نوجوانی استعداد بالایی در زبان از خود نشان داد. او پیش از پایان دوران مدرسه، زبان‌های لاتین، فرانسه، انگلیسی و آلمانی را آموخت. استعداد الساندرو در زبان، در سال‌های بعد که او برای توضیح دستاوردهای علمی‌اش در سرتاسر اروپا سفر می‌کرد، مزیت‌های زیادی برایش داشت.

الساندرو ولتا در ۱۸ سالگی به‌اندازه‌ی کافی کنجکاوی و شجاعت داشت که نامه‌نگاری با بزرگان علم الکتریسیته را برای بحث‌های تحقیقاتی شروع کند. او با افرادی همچون ژان آنتوان نله در پاریس و جووانی باتیستا بکاریا در تورین مکاتبه می‌کرد. بکاریا علاقه‌ای به برخی از ایده‌های ولتا نشان نمی‌داد و به او پیشنهاد کرد تا با مطالعه‌ و آزمایش بیشتر، آموزه‌های خود را افزایش دهد.

دانشمند آماتور، استاد فیزیک

ولتا باتوجه به پیشنهاد دانشمندان بزرگ، تصمیم به انجام آزمایش‌های بیشتر در حوزه‌ی فیزیک گرفت. او از کمک دوست ثروتمندش جولیو سزاره گاتونی هم استفاده کرد. جولیو در خانه‌ی خود یک آزمایش‌گاه فیزیک راه‌اندازی کرده بود و برای سال‌ها به ولتا اجازه داد تا از امکانات آن استفاده کند.

اولین مقاله‌ی علمی ولتا در سال ۱۷۶۵ و زمانی نوشته شد که او ۲۰ ساله بود. الساندرو در مقاله‌ی خود، بکاریا را مخاطب قرار داده بود. اثر برق مالشی، موضوعی بود که ولتا برای مقاله‌ی اول خود بررسی کرد. الکتریسیته‌ی مذکور، با مالیدن جسمی به جسم دیگر ایجاد می‌شود. چهار سال بعد، مقاله‌ی مهم‌تری به‌صورت یک رساله از ولتا منتشر شد که باز هم متمرکز بر موضوع الکتریسیته بود.

رساله‌ی سال ۱۷۶۹ ولتا، به‌نام On the Attractive Force of the Electric Fire, and on the Phenomena Dependent On It منتشر و نسخه‌ای از آن برای بکا ارسال شد. ولتا در مقاله‌ی خود، عوامل مؤثر بر جاذبه و دافعه‌ی الکتریکی را بررسی کرده و آن‌ها را با جاذبه‌ی زمین مقایسه کرده بود. او اعتقاد داشت که الکتریسیته‌ی ساکن مانند جاذبه، در فواصل دور هم تأثیر دارد. ولتا در رساله‌ی مشهور خود تحت تأثیر بزرگانی همچون ایزاک نیوتن، راجر باسکویچ، بنجامین برانکلین و خود بکاریا قرار داشت.

ولتا با ادامه‌ی مطالعه و تحقیق در حوز‌ه‌ی الکتریسیته، با دستاورد دانشمندان دیگر آشنا شد. او با خواندن مقاله‌ی تحقیق علمی جوزف پریسلی پیرامون الکتریسیته،‌ به این نتیجه رسید که بخشی از یافته‌های او قبلا توسط دانشمندان دیگر کشف شده است. به‌هرحال او در کنار تحقیقات خود‌، به‌خاطر شهرت کسب‌شده از دستاوردهای علمی، به‌عنوان معلم فیزیک در مدرسه‌های کومو مشغول به‌کار شد. ولتا از همان ابتدا اعتقاد داشت که تدریس در مدرسه‌های کومو باید مدرنیزه شود و دانش‌آموزان زمان بیشتری را به یادگیری علوم و زبان‌های مدرن اختصاص دهند.

دانشمند جوان ایتالیایی در سال ۱۷۵۵ نامه‌ای به جوزف پریستلی نوشت و خبر از اختراع دستگاهی با قابلیت تولید الکتریسیته‌ی ساکن (electrophorus) داد. او در نامه‌ی خود به امکان انتقال الکتریسیته اشاره کرده بود. ولتا در نامه به پریستلی به‌دنبال این بود که اول بودن اختراع خود را بررسی کند. پریستلی به او گفت که قبلا و در سال ۱۷۶۲، چنین دستگاهی توسط جوهات ویلک اختراع شده است، اما به‌هرحال اختراع ولتا رویکردی مستقل و ارزشمند بود.

تحقیقات پیرامون گازها و شهرت جهانی

ولتا در سال ۱۷۷۶ و در سن ۳۱ سالگی، موفق به ایزوله کردن گاز متان شد. او اولین دانشمندی بود که به چنین دستاوردی می‌رسید. ولتا کشف کرده بود که ترکیب هوا با متان نیز در یک محفظه‌ی بسته، با استفاده از جرقه‌ی الکتریکی منفجر می‌شود. دستاورد مذکور، بعدها پایه‌ی توسعه‌ی موتورهای اختراق داخلی را شکل داد. او در همان سال ادعا کرد که با استفاده از دستگاه جرقه‌زن می‌توان سیگنال‌های الکتریکی را از کومو به میلان ارسال کرد.

گازسنج (Eudiometer) اختراع بعدی الساندرو ولتا در علوم گازی بود که در سال ۱۷۷۷ محقق شد. گازسنج‌، مقدار اکسیژن را در هوا اندازه‌گیری می‌کند تا سالم بودن یا نبودن آن را برای تنفس تخمین بزند. گازسنج ولتا از هیدروژن برای واکنش با اکسیژن و اندازه‌گیری سطح آن استفاده می‌کرد و نسبت به دستگاه‌های قبلی، بازدهی بیشتری داشت. درواقع، واکنش دستگاه او تمیزتر و قابل اعتمادتر بود. شروع واکنش برای تخمین مقدار اکسیژن، با جرقه‌ی الکتریکی ممکن می‌شد. پس از جرقه‌ی الکتریکی، مقدار هیدروژن موجود در دستگاه به‌خاطر واکنش با اکسیژن و تشکیل آب، کاهش پیدا می‌کرد. مقدار کاهش در سطح هیدروژن، با مقدار اکسیژن موجود در هوا نسبت مستقیم داشت.

ولتا علاوه بر کشف متان، دستگاه‌های اندازه‌گیری گازی متعددی اختراع کرد

ولتا برای توسعه‌ی تحقیقات علمی خود، در سال ۱۷۷۷ سفری به سوئیس و فرانسه انجام داد. او با دیگر دانشمندان دیدار کرد و دستاوردهای خود در حوزه‌ی تجهیزات الکتریکی را با آن‌ها در میان گذاشت. هدف دیگر از سفر مذکور، افزایش شهرت در جامعه‌ی علمی خارج از ایتالیا بود.

در سال ۱۷۷۸ رخدادهای مهمی در زندگی کاری و علمی ولتا اتفاق افتاد. او کرسی تدریس فیزیک تجربی را در دانشگاه پاویا تصاحب کرد که در فاصله‌ی ۸۵ کیلومتری از کومو قرار داشت. دانشمند ایتالیایی به‌مدت ۴۰ سال در آن دانشگاه مشغول بود. در همان سال، او ظرفیت الکتریکی را کشف کرد که امروز به‌نام ولتاژ می‌شناسیم. ولتا در تعریف علمی به این نتیجه رسید که ظرفیت الکتریکی در یک مقاومت، نسبت مستقیم با بار الکتریکی دارد.

سفرهای علمی الساندرو ولتا در سال‌های ۱۷۸۱ و ۱۷۸۲ ادامه یافت و او به مراکز علمی متعددی در سرتاسر اروپا رفت. از میان مهم‌ترین آن‌ها می‌توان به آکادمی علوم فرانسه در پاریس اشاره کرد که ولتا، تجهیزات الکتریکی خود را در آنجا به نمایش گذاشت. دانشمندان بزرگی همچون آنتونی لاوازیه و بنجامین فرانکلین، دستگاه‌های ولتا را مشاهده کردند که موجب افزایش هرچه بیشتر شهرت علمی دانشمند ایتالیایی شد. از میان همان دستگاه‌های مهم می‌توان به مقاومت الکتریکی اشاره کرد که البته در آن زمان به‌نام کندانسور الکتریکی معرفی شد.

شهرت جهانی ولتا روز‌به‌روز افزایش می‌یافت و در دهه‌های پایانی قرن ۱۸، دانشمندان بزرگی با دستگاه‌های الکتریکی متعدد او آشنا شده بودند. الکتروسکوپ‌های ولتا که برای شناسایی و اندازه‌گیری اثر بار الکتریکی کاربرد داشتند، شهرت او را بیش‌ازپیش در جوامع علمی افزایش دادند. او در سال ۱۷۹۱ به‌خاطر شهرت و اعتبار بالا در سرتاسر اروپا، به‌عنوان عضوی از انجمن سلطنتی علوم لندن انتخاب شد. همین انجمن در سال ۱۷۹۴ جایزه‌ی بزرگ خود موسوم به کاپلی را به‌خاطر دستاوردهای علمی متعدد در درک الکتریسیته، به ولتا اهدا کرد.

اختراع باتری الکتریکی

ولتا ابتدا تصمیمی برای اختراع باتری الکتریکی نداشت. او تنها آزمایش‌هایی را پیش می‌برد تا نظریه‌ها و دستاوردهای دانشمند ایتالیایی دیگر، لوئیجی گالوانی را نقض کند. گالوانی استاد آناتومی بود و در سال‌های پایانی دهه‌ی ۱۷۸۰، تحقیقاتی پیرامون تأثیر الکتریسیته‌ی ساکن بر عصب‌ موجودات زنده انجام داد. گالوانی در جریان یکی از آزمایش‌های خود، چاقوی جراحی دارای الکتریسیته‌ی ساکن را به عصب پای یک قورباغه‌ی مرده نزدیک کرد که روی سطحی فلزی قرار داشت. او می‌گفت پای قورباغه در اثر تماس چاقوی باردار، حرکت می‌کند.

^{شماتیک آزمایش و دستگاه نهایی باتری الکتریکی ولتا}

نظریه‌ی گالوانی، کشفی بزرگ در دنیای علم محسوب می‌شد. طبق ادعای او، حرکت جان‌داران پایه‌ای الکتریکی داشت. مری شلی در سال ۱۸۱۷ براساس همین نظریه، رمان فرانکشتاین را نوشت که از مشهورترین دستاوردهای ادبی تاریخ شد. در رمان مذکور، دکتر فرانکشتاین موجودی را با اعضای بدن افراد مرده می‌سازد و با استفاده از الکتریسیته‌ی رعدوبرق، به او جان می‌دهد.

اختراع باتری الکتریکی، نتیجه‌ی تلاش‌های ولتا برای نقض نظریه‌های یک دانشمند دیگر بود

گالوانی در سال ۱۷۹۱ یافته‌های خود را پیرامون اثر الکتریسیته بر حرکت جان‌داران منتشر کرد. او اعتقاد داشت که حیوان‌ها الکتریسیته را در بدن خود ایجاد می‌کنند و مایعی در میان عصب‌های آن‌ها، الکتریسیته را به عضله‌ها منتقل می‌کند که درنهایت موجب حرکت می‌شود. گالوانی می‌گفت که الکتریسیته‌‌ی دریافت‌شده از منابع خارجی، جریانی از مایع الکتریکی را در اعصاب به‌راه می‌اندازد که منجر به پرش عضلات می‌شود. او همچنین معتقد بود که حیواناتی همچون مارماهی‌های برقی، توانایی تولید الکتریسیته‌ی بیشتر و ایجاد شوک‌های الکتریکی را دارند. درنهایت نظریه‌ی گالوانی ادعا می‌کرد که الکتریسیته‌ی حیوانی پدیده‌ای مشابه و غیر یکسان با الکتریسیته‌ی ساکن است و به‌عنوان یک خصوصیت منحصربه‌فرد در جانداران شناخته می‌شود.

ولتا با مطالعه‌ی دقیق دستاوردهای گلوانی در سال ۱۷۹۲ نظریه‌ی جدیدی را مطرح کرد. او اعتقاد داشت که استفاده از بخش و عبارت «حیوانی» در نظریه‌ی الکتریسیته‌ی حیوانی گالوانی لزومی ندارد. درواقع حیوانات تنها نسبت به الکتریسیته واکنش نشان می‌دهند و تفاوتی بین الکتریسیته‌ی آن‌ها با الکتریسیته‌ی عادی وجود ندارد. ولتا با ادامه‌‌ی آزمایش روی پاهای قورباغه به این نتیجه رسید که دلیل اصلی حرکت عضله‌ها، تماس آن‌ها با دو سطح متفاوت فلزی است. اگر هر دو فلز از یک نوع باشند، هیچ حرکتی در عضله‌‌ها دیده نمی‌شود.

آزمایش‌های ولتا روی تأثیر الکتریسیته در سال‌های بعد هم ادامه داشت. او در آزمایش‌های پیشرفته، تأثیر تماس دو فلز گوناگون را با هم مقایسه کرد. در ادامه فهرستی از فلزهای گوناگون تهیه شد که به نسبت نیروی محرکه‌ی الکتریسیته مرتب شدند. اصطلاح نیروی محرکه‌ی الکتریسیته توسط خود ولتا مطرح شده بود و هنوز، تعاریف براساس توانایی فلز در ایجاد حرکت مطرح می‌شدند. درواقع او به‌نوعی رسانایی فلزها را بررسی کرده بود. به‌هرحال روی، سرب، قلع، آهن، مس، نقره،‌طلا، گرافیت و سنگ منگنز به‌ترتیب در فهرست ولتا جای گرفتند. ولتا در فهرست خود، ظرفیت‌های الکترودی را ذکر کرده بود که‌ به‌نوعی اولین سری الکتروشیمیایی تاریخ هم محسوب می‌شد.

در توضیح فهرست منتشرشده توسط ولتا در زبان علمی امروزی باید بگوییم که هرچه فلزها در فهرست از هم دورتر باشند، ولتاژ تولیدشده در اثر تماس آن‌ها بزرگ‌تر خواهد بود. درصورت استفاده از چنان ترکیبی در سلول‌های الکتریکی یا باتری‌ها نیز، ولتاژ بیشتری تولید می‌شود. به‌عنوان مثال، سلول‌های روی-گرافیت، ولتاژ بیشتری نسبت به سلول‌های روی-قلع دارند. ولتا تا سال ۱۷۹۷ تحقیقات خود را درباره‌ی این ترکیب‌ها کامل کرده و نظریه‌ی تماس در الکتریسیته را با قطعیت مطرح کرد.

ولتا در ادامه‌ی تحقیقاتش به این نتیجه رسیده بود که برای ایجاد ولتاژ باید دو فلز از طریق یک محیط مرطوب (مانند پای قورباغه) به هم متصل شوند. محیط مرطوب نیز الزاما نباید حیوانی باشد. درنتیجه اتصال فلزها با قرار دادن آن‌ها در فنج‌های حاوی اسید رقیق نیز موجب ایجاد الکتریسیته می‌شد. در ادامه، رسانا‌های الکتریکی در نظریه‌های ولتا به دو دسته‌ی اصلی تقسیم شدند؛ دسته‌ی اول فلزها، گرافیت و زغال خالص بودند و دسته‌ی دوم شامل موادی می‌شد که امروز به‌نام الکترولیت می‌شناسیم. الکترولیت‌ها شامل مواردی همچون آب نمک یا اسید رقیق بودند. جریان الکتریکی زمانی ایجاد می‌شد که یک مدار بسته با استفاده از دو رسانای گروه اول در تماس با یک رسانا از گروه دوم ساخته می‌شد.

^{نمایش باتری ولتا در انجمن سلطنتی علوم لندن}

دستاوردهای آزمایش‌گاهی ولتا نشان داد که در آزمایش‌های گالوانی، پای قورباغه دو نقش حیاتی را بازی می‌کرد. آن‌ها به‌عنوان رساناهای نوع دوم، الکتریسیته را عبور می‌دادند و همچنین نوعی الکتروسکوپ حساس محسوب می‌شدند. الکتروسکوپ به هر دستگاهی گفته می‌شود که برای شناسایی و تشخیص جریان الکتریسیته به‌کار گرفته شود.

ولتا در ادامه‌ی تحقیقات خود متوجه شد که با افزایش جفت رساناهای متصل‌شده به‌کمک کارت‌های مرطوب، می‌توان ولتاژها‌ی بسیار بزرگ‌تری تولید کرد که به جریان‌های الکتریکی قابل‌توجه منجر شوند. ادامه‌ی آزمایش براساس این یافته‌ها، منجر به تولد باتری الکتریکی شد. ولتا برای ساخت اولین نمونه‌ از باتری خود،‌ از جفت‌های متناوب روی و نقره استفاده کرد که با استفاده از پارچه یا کارت‌های آغشته به آب نمک به هم متصل شده بودند.

در سال ۱۸۰۰، نامه‌ی سرنوشت‌ساز ولتا برای شرح دستاورد علمی جدید، به جوزف بنکس در انجمن سلطنتی علوم لندن ارسال شد. او با مشاوره با دیگر دانشمندان انجمن، جلسه‌ای را برای نمایش دستاورد ولتا به اعضا تدارک دید تا مقاله‌ی حاضر از آن، بعدا چاپ شود.

باتری الکتریکی، به دستاوردهای تحقیقاتی بیشتر در علم شیمی هم کمک کرد

باتری که ولتا اختراع کرد، به دانشمندان شیمی فرصت داد تا با روش‌‌های جدید روی مواد گوناگون مطالعه کنند. نکته‌ی مثبت دستگاه ولتا این بود که تقریبا همه توانایی ساخت یک نمونه از آن را داشتند. سکه‌های نقره‌ای و مسی در دسترس همه قرار داشت و فلزات دیگر همچون آهن و روی نیز آن‌چنان کم‌یاب نبودند. چند هفته پس از انتشار نتایج دستاوردهای ولتا، دانشمندان متعدد از باتری‌های مشابه برای ساخت دستگاهی به‌منظور تجزیه‌ی آب به هیدروژن و اکسیژن استفاده کردند.

همفری دیوی، ۶ سال بعد موفق به ساخت یک باتری قدرتمند شد که از عناصر شیمیایی عایق‌شده در آن‌ها استفاده کرده بود. او ادعا کرد که پیوندهای شیمیایی در طبیعت خود رفتار الکتریکی دارند. او با استفاده از دستگاهی مشابه با باتری ولتا توانست عناصر مهمی همچون باریم، کلسیم، لیتیم، منیزیم، پتاسیم، سدیم و استرانسیم را کشف کند. از دستاوردهای مهم دیگر وابسته به اختراع ولتا، می‌توان به ساخت اولین موتور الکتریکی توسط مایکل فارادی در سال ۱۸۲۱ اشاره کرد.

باتری ولتا، برای اولین‌بار به‌عنوان دستگاهی شناخته شد که توانایی ایجاد منبعی پایدار از جریان الکتریکی را دارد. همه‌ی دستگاه‌های الکتریکی به جریان الکتریکی نیاز دارند و بدون اختراع ولتا، شاید فناوری مدرن امروزی وجود نداشت.

سال‌های پایانی و مرگ

ولتا در سال ۱۸۱۹ تصمیم گرفت تا به فعالیت‌های علمی و تحقیقاتی‌اش پایان دهد. او آزمایشگاه‌های محبوب خود که پر از تجهیزات الکتریکی بودند را ترک کرده و دوران بازنشستگی را در خانه‌اش شروع کرد. به‌علاوه تدریس در دانشگاه نیز در همان سال پایان یافت و ولتا را تقریبا به‌صورت کامل از جامعه دور کرد. الساندرو ولتا و همسرش ماریا ترزا، سه پسر به‌نام‌های زانینو، فامینیو و لویجی داشتند. او در سال‌های بازنشستگی، همه‌ی زمان خود را با خانواده سپری می‌کرد.

^{موزه‌ی تمپیو ولتیانو}

خانه‌ی سال‌های بازنشستگی ولتا در منطقه‌ای به‌نام کامناگو از توابع کومو قرار داشت. این منطقه امروز به‌نام کامناگو ولتا شناخته می‌شود. الساندرو ولتا در پنجم مارس سال ۱۸۲۷ میلادی در سن ۸۲ سالگی از دنیا رفت. جسد او در همان منطقه‌ی کامناگو دفن شد. موزه‌ای به‌نام تمپیو ولتیانو در منطقه‌ی کومو قرار دارد که دستاوردهای افسانه‌ای ولتا را نگه‌داری می‌کند. در نزدیکی موزه، مرکز مدیریت بنیاد ولتیان به‌نام ویلا اولمو قرار دارد که از فعالیت‌های علمی حمایت می‌کند. مهم‌ترین یادگار الساندرو ولتا، واحد اندازه‌گیری ظرفیت الکتریکی است که در سال ۱۸۸۱ به‌نام ولت در سیستم SI ثبت شد.