文明的起源:34.電和電池的簡史

人類創造的世界光彩奪目，絢麗耀眼，令人讚嘆稱奇。它為什麼是現在的這個樣子？迎著陽光，在現代文明精緻的面龐和魁梧的身軀後面，有一條長長的影子，從那裡，可以看到歲月、歷史和長路。

文明的起源：34.電和電池的簡史

有很多人有過這樣的問題：電是什麼？誰發明了電？我想說這個問題本身就是錯誤的，電是一種自然現象，它是被發現的，而不是被發明的。

就像牛頓在1687年用「萬有引力」解釋了我們跳起來必然會落到地面上這樣的自然現象（實際上我們現在都不能說牛頓的解釋是正確的，是絕對的真理，因為愛因斯坦在1915年否定了「萬有引力」這個概念。但同樣的，愛因斯坦也不一定是正確的），這也是發現，而不是發明。

描述自然現象和解釋蘊含在自然現象中的一般規律，是發現。比如說人類發現了金屬、發現了石油、發現了空氣和空氣的組成、發現了身體器官的某種功能，等等；利用自然現象和自然規律所產生的應用，是發明。比如中國人發明了制陶工藝、雷奈克發明了聽診器、薩維利發明了蒸汽機，等等。

如果針對文字意義上的「電」或者"electric"，那我們就不得不說這是一種發明。

人類很早就發現了電的存在，閃電、摩擦起電和某些帶電的魚類。人們可能不知道為什麼烏雲密布的雷雨天會有劃破天際的像利劍一樣的光亮，為什麼用毛皮摩擦過的琥珀會吸引輕小的物體，為什麼觸摸「尼羅河的雷使者」會讓手指覺得麻木而且非常不舒服，但我相信歷史上有很多不為人知的個人對電有相當的研究興趣和正確的見解。

1600年代，英國醫學家和物理學家威廉·吉爾伯特試圖深入地研究摩擦起電，發明了用來測試靜電的靜電計（不流動的電荷稱作靜電，流動的電荷是電流），這是人類歷史上第一個電學儀器。他還發明了單詞"electricus"用來表示電這種東西或者現象。這是一個新造的拉丁單詞，意思是「類似琥珀」，而琥珀的拉丁文是elektron，於是，電就被語言形象化和專業化了。

此時的中國接近明朝晚期。

靜電計

1646年，另一個英國人託馬斯·布朗把這個詞轉換成了英語，就是electricity；1650年，德國馬德堡市的市長格裡克（Otto von Guericke,他也是設計了證明大氣壓存在的著名實驗——馬德堡半球實驗的人）製作了最早的一種摩擦起電機來研究靜電。他也許觀察到了摩擦起電機的金屬集電端能向其它金屬放火花(電)，但這更多的是個遊戲和玩具，沒有實際的作用，人們也沒仔細想過電是不是能儲藏的問題，直到荷蘭萊頓大學的教授馬森布羅克(PieterVon Musschenbrock)在1740年代發明了被後世稱作「萊頓瓶」的小玩意兒，人們才知道原來電是可以儲藏起來的。「萊頓瓶」並不是為了儲存電而有意發明的，那只是一次意外的發現再加上一些有意的改進。「萊頓瓶」就是電子元器件「電容器」的最初形式。

兩個相互靠近的導體，中間夾一層不導電的絕緣介質，這是現代電容器的理論基礎，而萊頓瓶就是電容器的最初實踐。

1750年代的美國政治家和科學家富蘭克林就使用了萊頓瓶收集閃電，他在研究電的過程中還給出了正電和負電以及電流的概念。

萊頓瓶實物

萊頓瓶構造簡圖

1780年代前後，義大利博洛尼亞大學的解剖學教授伽伐尼(Galvani)因為有研究生物電擊反應的興趣，也或者因為他的妻子喜歡吃青蛙，所以無意間發現：完全不帶電的兩種金屬——比如一把鑷子和一把鉗子，一根銅絲和一根鐵絲——用手拿著同時分別接觸到被剝了皮的青蛙腿的兩端，會讓青蛙腿發生痙攣。

伽伐尼用動物組織自帶動物電來解釋這種現象。但是伽伐尼的朋友，義大利裡帕維亞大學的物理學教授亞歷山大羅·伏特（Volta，物理學上被譯作伏特，化學上被譯作伏打）在聽說這件事並多次重做實驗後認為，電不是產生於動物組織內的，但很可能跟金屬有關。於是他使用不同的兩個金屬片疊合在一起，用靜電計測出了兩種金屬接觸面存在電，但不連續。他又聯想到了伽伐尼的經驗中的那條青蛙腿，它是溼的，於是他準備了很多不同的金屬片，兩個一組浸在鹽水中，用金屬線把兩塊金屬片連接在一起，在金屬線上發現了電流。這個裝置現在被稱作「原電池」。

1800年，伏特又做了這樣一個設計：用很多銀片和鋅片，中間隔著用鹽水浸泡過的紙板(也可能是布)交替疊在一起組成一個柱體，將最上面的銀片和最下面的鋅片用金屬導線連接在一起組成迴路，就有持續的電流發生，這就是當時被譽為「是人類發明的最神奇的儀器」的「伏打電堆」。

伏打電堆簡圖

現在，我們需要講一點有關於電的現代知識，以便於我們能更好地理解「伏打電堆」和電池技術的發展。

兩千多年前的古希臘人就有探尋物質世界的興趣，德謨克裡特認為物質由最小的微粒構成，他使用了希臘語"atomos"來代表這個想法，意思是不可分割的。雖然19世紀末的科學家證明「組成物質的最小微粒」並不是不可分割的，但由"atomos"演變成的英文"atom"始終是，而且現在也是具有電子、質子和中子結構的微粒的語言代表，而在中文中用「原子」來表示。

1808年，英國自然哲學家道爾頓確認了原子的存在，他認為原子是圓形的，是一個不能再分割的整體；

1897年，英國物理學家湯姆生發現了電子，他認為電子是均勻分布在原子上的，這個發現證明了原子不可再分的設想是錯誤的；

1909年，紐西蘭物理學家盧瑟福用氦離子轟擊金箔的實驗證明了原子的大部分質量都集中在原子中央的原子核上，並認為原子核是帶正電的，而電子則像行星圍繞太陽一樣環繞著原子核。1919年，他發現了質子，質子是原子核的組成部分；

1932年，盧瑟福的學生，英國物理學家查德威克以居裡夫婦的某個實驗為基礎提出了中子的概念。

到這裡，原子的基本理論已經成型了：原子由決定原子質量的帶正電的原子核和質量可以忽略的圍繞原子核帶負電的電子組成，穩定的原子的正負電是平衡的，不顯電性，但電子是相對來說不那麼穩定的物質，原子核又包含著帶正電的質子和不帶電的中子，具有相同質子數的原子被定義為一種元素，質子數相同但中子數不同的幾種原子同樣是歸類於一種元素，但這些原子被定義為同位素。

那麼電是什麼？就目前的科學解釋來看，電是與原子的結構密切相關的，所以我們首先介紹了一下原子的結構。電是由於電子的運動造成原本穩定的原子結構被破壞而表現出來的現象。比如兩種不同的物質相互摩擦，組成其中一種物質的原子容易得到電子，組成其中另一種物質的原子容易失去電子。那麼在摩擦的過程中，前者就會吸引後者的電子而形成了帶負電(電子比穩定結構多)的不穩定結構；後者因為失去了電子而形成了帶正電(電子比穩定結構少)的不穩定結構。那麼摩擦後的兩個物體都帶電了，無論是帶正電還是帶負電。

正電和負電之間有相互吸引的性質，那麼這兩個物體是能像磁鐵吸引某些金屬一樣地粘合在一起，但這個現象是瞬間的，因為在它們接觸的一瞬間，正負電就會在兩個物體之間重新分配，很快兩者就不帶電了。但如果用摩擦後的某個物體去靠近輕小的物體，比如頭髮或者棉線絲，就會把那輕小物體吸引住。這是因為帶電物體具有一種被稱作「電場」的能量——就像「磁場」一樣——它很可能不是物質，而是像愛因斯坦所說的「空間扭曲」之類的現象。

伏特認為他的發明能產生電的原因是金屬的某種機械性能，但現代科學可不這麼看。現代電化學是這樣解釋的：兩種化學活潑性不同的金屬片被分開浸泡在電解質溶液中，金屬露在溶液外的部分用導線連接成迴路，只要氧化還原反應能在其中一個金屬和電解質溶液之間進行，就能在迴路上產生電流。

比如現代模擬的最典型的原電池就是鋅銅原電池，電解質溶液可以是鹽水，也可以是硫酸那樣的酸。比如下圖中，如果電解質是鹽水，那麼鋅和銅都不與鹽水發生化學反應，但鋅會在鹽水作用下易於失去電子，變成帶正電，鋅失去的電子沿導線流向銅片那一端，這就形成了電流（當然，雖然電流的方向應是帶負電的電子流動方向，但富蘭克林規定的電流方向是正電流向負電，所以現在也規定電流的方向就是電子流動的反方向）。在銅那一端，電子被水中的氫離子得到，變成氫氣揮發了。有人說為什麼鋅失去的電子不就地被氫離子吸收而要流向銅那一端再被氫離子吸收呢？這就牽涉到導線和電解質溶液的導電性了，導線的電阻更低，導電性更強，所以電子就先選擇走導線，在銅那一端沒有出路之時，再被氫離子吸收。

鋅銅電池實驗

由金屬和電解質溶液組成的原電池的原理，在生活中也能發現一些自然現象。比如放在鹽水中的鐵塊比放在水中的鐵塊更容易生鏽，鋼筋混凝土不能用海砂(含鹽)，等等。

讓我們回到伏特電堆，伏特電堆就是很多個原電池串聯起來組成的電池組。雖然伏特電堆是一個神奇的發明，但伏特並不能正確說明其中的原理，可想而知這是一個非常困難而且完全依據經驗和大量實驗的發明。

在原電池中使用的鋅和銅，對它們的選擇實際上是基於金屬的活潑性。越活潑的金屬越容易失去電子，所以原電池需要選擇一種活潑的金屬和一種不活潑的金屬。比較典型和常見的金屬的活潑性依次減弱的排列是這樣的：鉀-鈣-鈉-鎂-鋁-鋅-鐵-錫-鉛-銅-汞-銀-鉑-金（金屬活潑性有兩個常用的排序方式，但不僅僅是這兩種：與氧氣反應和與酸反應的劇烈程度）。但對於活潑金屬的選擇又不能選擇前三位的，因為它們在空氣和水中都能發生劇烈反應，基本是在空氣和水中無法存在的金屬單質。伏特的原電池和電堆實驗並不是在清楚地知道金屬活潑性的前提下進行選擇的，是基於經驗。

我們了解了原電池和伏特電堆，接下來，電池技術開始引起人們的注意並發展起來。

1836年，英國人丹尼爾使用硫酸鋅溶液和鋅片配合，硫酸銅溶液和銅片配合，並在兩種溶液之間加入鹽橋製成了金屬電極不發生消耗的原電池；

1860年，法國人雷克蘭士用碳棒取代銅片作為電池正極；

至此，電解液依然是液體的，但是有人想到了將純液體的電解液做成漿糊狀：1887年，英國人赫勒森將這種想法應用並改進，做成了「乾電池」。

現在的乾電池品種很多，有普通鋅-錳乾電池、鹼性鋅-錳乾電池、鎂-錳乾電池、鋅-空氣電池、鋅-氧化汞池、鋅-氧化銀電池、鋰-錳電池等。有別於一次性乾電池的充電電池，是起源於愛迪生在1890年發明的鐵鎳電池，現在的充電電池大概有五種：鎳鎘、鎳氫、鋰離子、鉛蓄和鐵鋰。

鋅-錳電池示意圖

在比較典型的鋅-錳電池中發生的化學反應是：

負極：Zn-2e-=Zn2+

正極：2Mno2+2NH4++2e-=Mn2o3+2NH3+H2o

總反應：Zn+2Mno2+2NH4+= Zn2+ Mn2o3+2NH3+H2o

鋅錳乾電池的電動勢為1.5V。因產生的NH3氣被石墨吸附，引起電動勢下降較快。如果用高導電的糊狀KOH代替NH4Cl，正極材料改用鋼筒，Mn層緊靠鋼筒，就構成鹼性鋅錳乾電池，由於電池反應沒有氣體產生，內電阻較低，電動勢也為1.5V，比較穩定。