第1章 电池

1.1 伽凡尼电

18世纪80年代，在电磁学的发展史上还处于静电时代。欧洲大批的自然哲学家、数学家、神职人员以及医生都投入到了这个领域的研究。意大利博洛尼亚大学解剖学教授路易吉·伽凡尼（Luigi Galvani，1737—1798，见图1-1）在他的解剖实验室放置了一台摩擦静电起电机。在当时，摩擦静电起电机就像200年后的20世纪80年代的微型数字电子计算机一样时髦（见图1-2）。

图1-1 路易吉·伽凡尼，意大利医生、解剖学家。

图1-2 伽凡尼动物电实验图中有解剖的青蛙、摩擦起电机放电和莱顿瓶放电实验。

1780年9月20日，伽凡尼和他的助手在解剖青蛙时，发现了一个莫名其妙的现象，当用手术刀碰到蛙腿的神经后，青蛙腿会出现痉挛现象。对这一细微的现象，伽凡尼进行了长达10年的研究。他总结道：“我用通常方法解剖好了一只青蛙，因为有其他事情，我把它放在一个离起电机不远的桌子上。当我的助手用解剖刀接触青蛙的股神经时，青蛙腿的全部肌肉发生强烈的收缩。在场的另一个人认为这是起电机放出火花引起的现象……”“帮助我做电学实验的另一个人回忆说，他注意到这时在起电机上发生了一个电火花。我自己当时正在从事另一件工作，但当他使我注意到这一现象时，我很愿意自己试一试，以发现其中的道理，于是我也在别人引出一个火花的同时，用刀尖去触动这一条或那一条神经，并且跟以前完全一样，同一现象又重现。”［1］

最初伽凡尼认为，起电机产生的火花，是青蛙腿痉挛的前提条件，但使伽凡尼不解的是，所观察到的青蛙腿痉挛是在起电机与它之间没有任何联系的情况下发生的。但确实是，若无电火花时，则什么也不发生。另外当握住解剖刀的骨柄而不触及金属刀片时，实验也会失败。这意味着这个现象包含电的因素。伽凡尼再交替用玻璃棒和铁棒去触碰神经，结果只有用铁棒时电火花才产生这种效应。依今天的观点解释，这种现象显然是人体感应的静电通过金属传导给青蛙的神经所致。

1752年7月，在当时还被欧洲人称为新大陆的北美地区的本杰明·富兰克林（Benjamin Franklin，1706—1790）进行了历史上著名的风筝引雷实验，毫无争辩地证明了雷电和莱顿瓶放电在性质上是完全一样的。伽凡尼试图观察到由雷电引起的青蛙腿痉挛现象，因为伽凡尼通过用莱顿瓶替代起电机放电时，观察到了相同的效应，而且无论是用活动物还是死的标本时。在一次雷雨中，伽凡尼用相同的方法制备的蛙和一些温血动物的腿的神经被缚在长铁丝上，脚则用类似导线连接至大地。结果不出伽凡尼所料，就在闪电闪现的同时，青蛙腿部肌肉强烈地痉挛起来。雷电不是天天有，伽凡尼在实验过程中曾经观察到，若把制备的青蛙缚于一个铁杆上，并把黄铜钩刺进脊髓，则不仅在雷雨天气，而且甚至在晴朗天气，也会出现偶发的痉挛（见图1-3）。他想，这些现象肯定是因大气电状态的变更而引起的，因而他就在一天中各个不同时间观察被他钉住的动物。但是，这些动物的肌肉很难出现痉挛现象。最后，他等得不耐烦了，便把铜钩贴压在铁格子上。结果，他立即看到了他起初将之归因于大气电状态的变更而引起的反复痉挛。同样，当他把一个标本拿进屋内放在一块铁板上，并把插入脊髓的铜钩贴压在这块铁板上时，他又观察到了类似的痉挛［4］。伽凡尼这时认识到，他正在研究一种根本料想不到的崭新现象，它与大气电的变化毫无关系。

图1-3 伽凡尼动物电实验。图中正在用解剖的青蛙做雷电放电实验。

“当我将动物移到一个封闭的房间里，放在铁板上，并开始用手按那个放在铁板上的穿过脊髓的吊钩时，会产生同样的抽搐，同样的运动！”［2］

伽凡尼改变了实验方式，把青蛙放在一块不导电的玻璃板上，并把铜钩与蛙足连接起来。如果用另一种金属作连线，则痉挛就会产生，但如果用同种金属或非导体，就没有这种痉挛。伽凡尼发现，以铜制的手术刀碰触到置于铁盘内的青蛙，就会产生肌肉抽搐现象，而且与手握手术刀的位置有关。如果握住导体部分，则有肌肉抽搐现象发生；如果握住绝缘体部分，则什么现象也不会产生。他在论文中是这样叙述的：

目前我们已知，相当干燥的骨头是具有所谓电性的（可以带电），但只有金属刀口与铁铆钉才具有传导能力或所谓非电性，则我们就可以由此假定说，在手指抓住（手术刀的）骨柄时，在青蛙身上产生这样或那样活动的电液就不能进入，但如果我们触到刀口或连接刀口与柄的铆钉时，则电液就可以进入。［2］

在伽凡尼的部分实验中，蛙腿痉挛与外界的各种放电没有必然的因果关系。那么，电是由哪里来的呢？金属与蛙腿接触肯定有放电过程发生，但电来自何处呢？伽凡尼是一位解剖学家，他相信电来自有机体内部。因此，他提出，动物体内部存在着“动物电”（Animal electricity）。这种电只有用一种以上的金属与之接触时才能激发出来。他认为，这种电与摩擦电完全一样，只是起因不同。伽凡尼设想这种电从脑流经神经而到达肌肉，并把肌肉比作莱顿瓶，设想肌肉表面和内部充有相反的电荷。当把神经与肌肉表面（它们各相当于莱顿瓶的内侧和外侧）相连接时，就会发生放电，他设想肌肉收缩就是这种放电的一个结果。伽凡尼于1791年发表了《论肌肉运动中的电力》（De viribus electricitatis in motu musculari commentaries），轰动了科学界。文章中指出：“在抽搐现象发生时，有一种很细的神经流体从神经流到肌肉中去了，就像莱顿瓶中的电流一样。”［3］