從蛙腿“生物電”到人類歷史上第一個電池

宗禾

前不久，國務院辦公廳印發的《新能源汽車產業發展規劃（2021-2035年）》明確，到2035年，純電動汽車成為新銷售車輛的主流。

新能源汽車的發展是汽車發展史上不可逆的潮流，而電池技術又在新能源汽車中扮演著極其重要的角色。電池是生活中再常見不過的物品了，但是它出現的時間之早，超出了我們的想象。在我們享受電池帶來的生活便利時，不能忘記科學家為之奮斗的那段歷史。

1786年11月6日，意大利博洛尼亞解剖學教授伽伐尼無意間用外科手術刀觸及已解剖的青蛙腿上外露的神經，令人驚訝的是，蛙腿立即劇烈抽搐起來。這一現象引起了伽伐尼的極大興趣，他開始研究出現這個現象的原因……

1800年伏打電堆的發明對人類科學產生了巨大影響，而伽伐尼在蛙腿中發現電流直接導致了伏打電堆的發明。伽伐尼的這一發現也使電學與化學建立起緊密的聯系。

伽伐尼發現生物電流

偉大科學家的素質之一，就是對異常現象的敏銳和絕不放棄的執著。

1786年的那一天，伽伐尼正在認真地解剖一只青蛙，他全神貫注，一絲不茍，先用手中的解剖刀準確地切開青蛙的腹部肌肉，接著細心地找出了青蛙的下肢神經進行研究。當他在解剖另一只青蛙時，旁邊有一臺起電機正好在工作，解剖刀無意碰到了起電機，他再解剖青蛙神經時，一個以前沒有見到的現象發生了，青蛙腿部肌肉明顯地抽搐起來。

這一現象引起了伽伐尼的極大興趣。他開始以為是青蛙一時沒有死透，后來，他終于發現了起電機、解剖刀和青蛙神經抽搐之間的必然聯系。他決定檢驗一下，空氣中的電是否也會使蛙腿產生同樣的反應。伽伐尼將蛙腿神經的一端用導線連接到一根絕緣的金屬棒上，將金屬棒放置在屋頂上，同時使蛙腿神經的另一端接地。他發現，在雷雨天，這條蛙腿也會不時抽搐。

接下來，伽伐尼又做了一個實驗。當他把掛著蛙腿神經的黃銅鉤子搭在鐵棍上，青蛙肌肉就發生抽搐，而且即使在晴朗的日子里，這種現象也一樣發生。最后，他用兩種不同的金屬分別觸及死蛙的肌肉和神經，并把兩種金屬聯結起來，死蛙肌肉也會抽搐顫動起來。

這些現象本來應該使伽伐尼意識到，青蛙的抽搐來自外界的電流。然而，一向酷愛研究生物電現象的伽伐尼卻認為，青蛙的生物電與外界構成了回路。伽伐尼因而推斷，電能來源于活的肌肉。兩種不同性質的金屬，正好形成青蛙神經和肌肉之間的電路，他把這種電稱為“生物電”。

1793年，伽伐尼在英國皇家學會會議上闡述了他的發現和見解。在會后的演示實驗上，人們都為伽伐尼的偉大發現而喝彩，與會的人們都欣然地接受了伽伐尼對這一發現的分析。

伽伐尼的發現和理論使整個歐洲科學界興奮異常，“青蛙實驗”成了街談巷議的話題。后來，就連羅馬宮廷也對伽伐尼的青蛙實驗大感興趣，派人邀請伽伐尼前來表演。

伏打發明人類歷史上首個電池

意大利物理學家伏打了解到這一實驗后，做了進一步研究。據此，他發明了能產生持續電流的伏打電堆，從此改變了整個世界。

1799年，伏打在過了45歲生日后，受伽伐尼的影響，決定沿著“生物電”的路子研究下去。伏打把一個金屬鋅環放在一個銅環上，壓上一塊浸透鹽水的紙或呢絨環，再放上鋅環、銅環，如此重復下去，10個、20個、30個疊成了一個柱狀，便產生了明顯的電流。這就是后人所稱的伏打電堆或伏打電池（因音譯不同，也稱為伏特電堆或伏特電池）。

柱疊得越高，電流就越強。原來，伏打經過實驗創立了一個了不起的電位差理論。就是說不同金屬接觸，表面就會出現異性電荷，也就是說有電壓。他還找到了這樣一個序列：鋁、鋅、錫、鎘、銻、鉍、汞、鐵、銅、銀、金、鉑、鈀，在這個序列中任何一種金屬與后面的金屬相接觸時，總是前面帶負電，后面帶正電。這是世界上第一個電氣元素表。只要有了電位差、電勢差，即電壓，就會有電流。如此，人們對電的認識一下子就躍出了靜電的領域，就不再是摩擦毛皮上的電、雷雨中的電、萊頓瓶里的電，也不只是動物身上的電，而是能控制流動的電。

1800年3月20日，伏打正式對外宣布：電荷就像水，在電線中流動，會由電壓高的地方向電壓低的地方流動，產生電流，即為電勢差。為此，他寫成一篇論文《論不同金屬材料接觸所激發的電》，寄給英國皇家學會，不幸受到當時皇家學會負責論文工作的秘書尼克爾遜有意的擱置。后來，伏打以自己名義發表，終于使尼克爾遜的竊取行為遭受學術界的唾棄。

當年的11月20日，法國皇帝拿破侖在巴黎召見伏打，觀看了電堆實驗。激動的拿破侖當場命令法國學者成立專門委員會，進行大規模相關實驗，并頒發6000法郎的獎金和勛章給伏打，還發行了以伏打頭像為主體的紀念金幣。

科學界的電池研發之路

伏打電堆的發明，引發了科學界的電池研發之路。

伏打電堆堪稱人類的第一種電池。1836年，英國科學家丹尼爾對伏打電堆進行改良：使用稀硫酸當電解液，解決了電池極化問題，制造出第一個能保持平衡電流的鋅銅電池。因為這種電池能充電，可以反復使用，所以稱它為蓄電池。

1887年，英國人赫勒森發明了最早的干電池，其電解液為糊狀，不會溢漏，便于攜帶，因此獲得了廣泛應用。

1890年，愛迪生發明了可充電的鐵鎳干電池，把電池的發明推向一個新階段。

隨著科學技術的發展，干電池發展成為一個大的家族，到目前為止已經有100多種，比如鋅一錳干電池、堿性鋅一錳干電池、鎂一錳干電池、鋅一空氣電池、鋅一氧化汞電池、鋅一氧化銀電池、鋰一錳電池等。這些干電池，其實就是改良版的伏打電堆：用氯化銨的糊狀物代替了當初的鹽水，用石墨棒代替了當初的銅板作為正極，而外殼仍然用鋅皮作為電池的負極。

伽伐尼的青蛙實驗，就像一只金雞下了一個金蛋，造福了整個人類。直到晚年，伏打還一直在說：“沒有伽伐尼的青蛙實驗，就絕不會有伏打電池。人們在使用伏打電池時，首先應該想到的是伽伐尼，是他的青蛙實驗像閃電一樣，開啟了我的智力之門。”

（責任編輯：嵇刊）