從蛙腿“生物電”到人類歷史上第一個電池

宗禾

前不久，國務(wù)院辦公廳印發(fā)的《新能源汽車產(chǎn)業(yè)發(fā)展規(guī)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(fā)展是汽車發(fā)展史上不可逆的潮流，而電池技術(shù)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(xiàn)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(shù)刀觸及已解剖的青蛙腿上外露的神經(jīng)，令人驚訝的是，蛙腿立即劇烈抽搐起來。這一現(xiàn)象引起了伽伐尼的極大興趣，他開始研究出現(xiàn)這個現(xiàn)象的原因……

1800年伏打電堆的發(fā)明對人類科學產(chǎn)生了巨大影響，而伽伐尼在蛙腿中發(fā)現(xiàn)電流直接導致了伏打電堆的發(fā)明。伽伐尼的這一發(fā)現(xiàn)也使電學與化學建立起緊密的聯(lián)系。

伽伐尼發(fā)現(xiàn)生物電流

偉大科學家的素質(zhì)之一，就是對異?，F(xiàn)象的敏銳和絕不放棄的執(zhí)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(jīng)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(jīng)時，一個以前沒有見到的現(xiàn)象發(fā)生了，青蛙腿部肌肉明顯地抽搐起來。

這一現(xiàn)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(fā)現(xiàn)了起電機、解剖刀和青蛙神經(jīng)抽搐之間的必然聯(lián)系。他決定檢驗一下，空氣中的電是否也會使蛙腿產(chǎn)生同樣的反應(yīng)。伽伐尼將蛙腿神經(jīng)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(jīng)的另一端接地。他發(fā)現(xiàn)，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(jīng)的黃銅鉤子搭在鐵棍上，青蛙肌肉就發(fā)生抽搐，而且即使在晴朗的日子里，這種現(xiàn)象也一樣發(fā)生。最后，他用兩種不同的金屬分別觸及死蛙的肌肉和神經(jīng)，并把兩種金屬聯(lián)結(jié)起來，死蛙肌肉也會抽搐顫動起來。

這些現(xiàn)象本來應(yīng)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(xiàn)象的伽伐尼卻認為，青蛙的生物電與外界構(gòu)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(zhì)的金屬，正好形成青蛙神經(jīng)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(fā)現(xiàn)和見解。在會后的演示實驗上，人們都為伽伐尼的偉大發(fā)現(xiàn)而喝彩，與會的人們都欣然地接受了伽伐尼對這一發(fā)現(xiàn)的分析。

伽伐尼的發(fā)現(xiàn)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(fā)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(jù)此，他發(fā)明了能產(chǎn)生持續(xù)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(huán)放在一個銅環(huán)上，壓上一塊浸透鹽水的紙或呢絨環(huán)，再放上鋅環(huán)、銅環(huán)，如此重復下去，10個、20個、30個疊成了一個柱狀，便產(chǎn)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(jīng)過實驗創(chuàng)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(xiàn)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(lǐng)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(chǎn)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(fā)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(fā)表，終于使尼克爾遜的竊取行為遭受學術(shù)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(guī)模相關(guān)實驗，并頒發(fā)6000法郎的獎金和勛章給伏打，還發(fā)行了以伏打頭像為主體的紀念金幣。

科學界的電池研發(fā)之路

伏打電堆的發(fā)明，引發(fā)了科學界的電池研發(fā)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(fā)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(yīng)用。

1890年，愛迪生發(fā)明了可充電的鐵鎳干電池，把電池的發(fā)明推向一個新階段。

隨著科學技術(shù)的發(fā)展，干電池發(fā)展成為一個大的家族，到目前為止已經(jīng)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(yīng)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）