3.4 动物电的研究和伏打电堆的发明

18 世纪末，电学从静电领域发展到电流领域，这是一大飞跃，它发端于动物电的研究，意大利学者伽伐尼（Aloisio Galvani，1737—1798）和伏打（Alessandro Volta，1745—1827）在这方面起了先锋作用。

3.4.1 伽伐尼的研究

伽伐尼是一位解剖学教授，1780 年 9 月的一天，他在解剖青蛙时偶然发现电效应，他和学生一起做解剖实验，一名学生用手术刀轻轻触动了青蛙的小腿神经，这只青蛙立即痉挛了起来。当时，另一学生正在附近练习使用摩擦起电机。他注意到青蛙痉挛时，正好是起电机发出火花的那一瞬间（如图 3 – 20）。伽伐尼没有放过这一机会，立即研究起来。他早就知道，动物有某些特殊行为与电有关。例如，从古代人们就发现有两种会放电的鱼，叫鱼鳗和鱼鯆。莱顿瓶发明后，人们开始考虑鱼鳗的电效应可能与莱顿瓶类似。1772 年，英国的华尔士发现鱼鳗的放电是在背脊和胸腹的两点之间。解剖的结果是：在鱼体内有一长圆柱体，电就是从那里发出来的。伽伐尼认为，青蛙神经的痉挛，很可能就是来自青蛙自身的某种动物电所致，然而，这一现象和手术刀有什么关系？为什么正好在这时起电机也放电呢？

伽伐尼为了掌握青蛙痉挛的规律，安排了一系列实验。起先他只用刀尖触青蛙神经，然后只让起电机打电火花，都不能使蛙腿痉挛。接着，伽伐尼把青蛙用铜钩子挂在花园的铁栏杆上，结果发现在闪电来临时，青蛙也会痉挛。他在实验中澄清了，靠绝缘体或单一导体的刺激并不能引起蛙腿肌肉的痉挛；只有当使用两种不同金属连接而成的导体，把它的两端分别与青蛙肌肉和神经接触时，才会引起蛙腿的痉挛。伽伐尼又把青蛙放在铁桌上，用铜钩子碰青蛙腿，只要铜钩子另一端触及桌面，即使没有任何其他带电体在场，蛙腿也会痉挛。显然他已触及现象的本质，可是，由于动物电的观念先入为主，他坚持用动物电说明所有这些现象，使他无法作出正确的解释。伽伐尼在 1791 年发表了题为《肌肉运动中的电力》，文中写道：

“我们想到用不导电或不大导电的其他物体，如由玻璃、橡皮、树脂、石或木等物质制成的，但都是干的东西来试。结果都不发生这样的现象，既看不到肌肉的痉挛，也看不到肌肉的运动。这当然激起了我们的惊奇，并使我们以为动物本身就有电。我们认为这种看法是正确的，因为我们的假定是，在痉挛现象发生时，有一种很细的神经流体从神经流到肌肉中去，就像莱顿瓶中的电流一样。”[1]

伽伐尼的著作发表后，立刻引起了广泛注意，很多人投入到这项实验之中，展开了一场持久的争论。

3.4.2 伏打的研究

在这些研究者中间，有一位意大利的自然哲学教授伏打，他细心重复了伽伐尼的实验，发现伽伐尼的神经电流说有问题。他拿来一只活青蛙，用两种不同金属构成的弧叉跨接在青蛙身上，一端触青蛙的腿，一端触青蛙的脊背，青蛙就可以痉挛（如图 3 – 21），用莱顿瓶经青蛙的身体放电，青蛙也发生痉挛，说明两种不同金属构成的弧叉和莱顿瓶的作用是一样的。换句话说，这些现象是外部电流作用的结果。

后来，在伏打的外部电（金属接触说）和伽伐尼的内部电（神经电流说）之间展开了长期的争论。

为了阐明自己的观点，伏打继续进行了大量实验。他用一只灵敏的金箔验电器比较各种金属的接触，从验电器箔片张开的角度显示电分离（按：即接触电势差）作用的大小，他按金属相互间的接触电动势把各种金属排列成表，其中有一部分是：锌—铅—锡—铁—铜—银—金—石墨。只要将表中任意两种金属接触，排在前面的金属必带正电，排在后面的必带负电。例如锌—铅 = 5，铅—锡 = 1，锡—铁 = 3，而锌—铁 = 9，正好等于 5 + 1 + 3。于是，伏打提出了“递次接触定律”。[2]这样，伏打一举就全面地解释了伽伐尼和其他人做过的各种动物电实验。

1800 年，伏打正式发表他的研究成果，第一次公布了他的发明。在给英国皇家学会会长班克斯（J.Banks）的信中，他做了如下的描述（这封信很快就发表在英国皇家学会的《哲学学报》上，受到科学界的广泛重视）：

“经过长期沉默后（我不是乞求原谅）。我荣幸地把我获得的惊人成果汇报给你，并通过你呈交皇家学会。这些成果是我在进行用不同种类金属的简单的相互接触，甚至用其他导体（不论是液体还是含有一些具有导电能力的液体的物体）中不相同的导体接触来激发电的实验时得到的。这些成果中最重要的、实际上也就是包括了所有其他的，是一种设备的构造……我所说的装置无疑会使你大吃一惊，它只不过是若干不同的良导体按照一定方式的组合而已。30 块，40 块，60 块或更多块铜片（或是银就更好些），每一块与一块锡（或是锌就更好些）接触，再配以相同数目的水层或一些其他比纯水导电力更强的液体层，如盐水、碱液层，或浸过这类液体的纸板或革板，当把这些层插在两种不同金属组成的对偶或结合体中，并使三种导体总是按照相同的顺序串成交替的序列时，就构成了我的新工具。我曾经说过，它能模拟出莱顿瓶或电瓶组的效应，产生电扰动。说真的，它在电力、在爆炸声响、在电火花，以及在电火花通过的距离等诸方面，远远比不上高度充电的这些电瓶组；其效应只与一台大容量但充电微弱的电瓶组的效应相当；但它在另一些方面却大大超过了这些电瓶组，它不需像它们那样由外电源给它提前充电，而且只要适当接触它（的端点），它就会产生扰动，这在任何时候都是可以做到的。”[3]

伏打把锌片和铜片夹在用盐水浸湿的纸片中，重复地叠成一堆，形成了很强的电源，这就是著名的伏打电堆。他这样描述这种柱形的电堆：

“我把一块金属板，如银板，水平放在一张桌子上或一个基础上。在这块板上再放第二块板锌板，再在这第二块板上放一层湿盘。接着又放一块银板，又置一块锌板，在其上我再放一块湿盘。就这样，我继续按同样的方法使银和锌配对，总是沿着相同的方向，即是说总是银在下、锌在上（反之亦然，只要按照我开始的一种做法就行），再在这些金属对偶中插入湿盘。瞧，我继续堆砌，经过这样几步就砌成不会倒落的柱子了！”

伏打把锌片和铜片插入盐水或稀酸杯中（如图 3 – 23 的上部），形成了另一种电源，叫做伏打电池。

“我们把几只用除金属外的任何物质做成的杯或碗，如装有一半水（如盐水或碱液就更好）的木杯、贝壳杯、陶土杯，或最好是晶体杯（小酒杯或无柄酒杯是很理想的）放成一排，用双金属弧把它们连成一条链。这种弧的一臂 Aa 仅仅放在一只酒杯中的一端 A，或是红铜或是黄铜做成的，或最好用镀银铜做成的；放在第二只杯中的另一端 Z 是锡做成的，或最好是锌做成的……把构成弧的两种金属在高出浸在液体部分的某一个地方焊接起来……它还可以加上不同于浸在酒杯中液体里的两种金属的第三种金属；因为由几种不同的金属直接接触产生的电流的作用，及驱赶这种电流体到达两端的力，与由第一个金属和最后一个金属在没有任何中间金属情况下直接接触产生的作用或力是绝对相等或几乎一样的。这一点我曾通过直接实验证明过，我将来还会在其他地方要说到这个问题。”

伏打为了尊重伽伐尼的先驱性工作，在自己的著作中总是把伏打电池称为伽伐尼电池。所以，以他们两人名字命名的电池，实际上是一回事。

伏打电堆（电池）的发明，提供了产生恒定电流的电源，使人们有可能研究电流的规律和电流的各种效应。从此，电学进入了一个飞速发展的时期研究电流（流电学）和电磁效应（电磁学）的新时期。

[1] Magie W F.A Source Book in Physics.MeGraw-Hill，1935.441

[2] Wolf A.A History of Science，Technology and Philosophy in the Eighteenth Century.Allen & Unwin，1938.264

[3] Volta A.Phil.Trans.1800（90），403

发布时间：2024/2/3 下午7:55:31  阅读次数：2036