从杠杆到量子 · 一部按时间走的物理学第 22 章 / 第四单元 · 电与磁
第 22 章 · 1780—1827

电流的诞生

电怎样从莱顿瓶里一闪即逝的火花，变成一股可以持续流动、可以拆开物质、也可以用数字记账的电流。

阅读约 25 分钟两个可以动手的演示公式：2 个
序章第四单元 · 电与磁 · 3 / 6终章

时代速写博洛尼亚解剖台上的一条蛙腿

1780 年，博洛尼亚。解剖学教授路易吉·伽伐尼（Luigi Galvani）的桌上摆着一台静电起电机，旁边是一只剥了皮、只剩下腿和脊髓的青蛙。一名助手用解剖刀尖碰了一下蛙腿里的股神经，恰好另一名助手让起电机打出一个火花。那两条早已死去的腿猛地一蹬，所有肌肉都剧烈收缩起来1。

伽伐尼此后在青蛙身上做了十多年实验1。他换着法子刺激蛙腿：用起电机，用莱顿瓶，用雷雨天从屋顶引下来的大气电。1786 年，他把铜钩插进青蛙的神经，挂在铁栅栏上，发现就算天上没有雷电，只要铜钩压到铁上，腿也会抽动1,2。他认定，青蛙身体里本来就藏着一种电。

这一章讲的是这个念头引出的一连串事情。二十年之内，一位物理学家为了反驳它，造出了人类第一块电池；几个星期之内，又有人用这块电池把水拆成了氢和氧；七年之后，伦敦的一位化学家用更大的电池从苛性钾里“拆”出了一种前所未见的金属。再过二十年，科隆的一位中学教师给这股新的“电流”立了规矩：它有多大，取决于推它的力量和挡它的阻力。

上一章的电是静的：琥珀、玻璃球、莱顿瓶，攒起一堆电荷，一放就没了。这一章的电开始流动。

  • 1780伽伐尼在博洛尼亚开始用静电刺激蛙腿1。
  • 1786铜钩挂在铁栅上的蛙腿，在晴天也会抽动1,2。
  • 1792伽伐尼的《论肌肉运动中的电力》面世，帕维亚的伏打重复实验，几个月后转为反对3。
  • 18003 月 20 日，伏打写信给英国皇家学会会长班克斯，描述电堆。5 月 2 日，伦敦的尼科尔森和卡莱尔用电堆分解了水4,5。
  • 1801伏打在巴黎法兰西研究院演示电堆，拿破仑在场6。
  • 1807戴维在伦敦皇家研究院电解苛性钾和苛性钠，得到钾和钠7,8。
  • 1826欧姆用温差电偶做稳定电源，测出电流、电压和电阻的关系9。
  • 1827欧姆出版《用数学处理的伽伐尼电路》10。

问题一闪而过的电，和青蛙身体里的电

到 1780 年代，欧洲人已经很会玩电了。第 21 章讲过，起电机能摩擦出电，莱顿瓶能把电攒起来，避雷针能把天上的电引进地里，库仑用扭秤量出了电荷之间的力。可这些电有一个共同点：它们都是一下子的事。莱顿瓶放电只有一瞬间，火花一闪，瓶里就空了。想研究电持续流过一样东西会发生什么，当时没有工具。

另一个谜在生物学里。人们早就知道电鳐和电鳗能电人，那是当时公认的唯一一种“动物电”3。神经怎样指挥肌肉收缩，却没人说得清。流行的说法是神经里流着某种看不见的“神经流体”，它和电有没有关系，争了几十年。

伽伐尼把这两个问题接在了一起。他的实验做得很仔细：用玻璃或树脂去连接神经和肌肉，蛙腿不动；换成金属，蛙腿就动，而且有的金属效果比别的好1。他认为，电是动物身体自己产生的，金属只是让它流过的通道。

伽伐尼的模型：肌肉是一只莱顿瓶

他手边最熟悉的电学器件就是莱顿瓶，于是他用莱顿瓶来想象肌肉：每一根肌肉纤维的里面和外面带着相反的电，像瓶子的内壁和外壁；神经伸进纤维内部，像瓶子中间那根导杆。用金属把神经和肌肉外表连起来，等于把莱顿瓶的内外两层接通，电就放出来，肌肉随之收缩1,3,11。他写道，神经到肌肉之间仿佛形成了一个“精细的神经流体的回路”，就像莱顿瓶放电时完成的那个电路11。

伽伐尼著作图版局部：桌上一只带导杆的莱顿瓶，左右各挂一副用钩子吊着的蛙腿，右边玻璃瓶里也装着蛙腿
伽伐尼《论肌肉运动中的电力》第三图版，图 22。桌子中央是一只莱顿瓶（A），左右两副蛙腿用金属钩吊着，一副通过弯曲的导线（C）连到瓶的外壁，一副（E）连到瓶的导杆。看两边蛙腿的位置：它们分别接在莱顿瓶的“里”和“外”。伽伐尼正是拿莱顿瓶来类比肌肉的。Wellcome Collection，CC BY 4.0 · Wikimedia Commons

这本书登在博洛尼亚科学院院刊上，卷上印的年份是 1791，实际在 1792 年初才面世3,12。两个月内，帕维亚、帕多瓦、摩德纳和米兰都有人照着书里的办法剖青蛙；到 1792 年夏末，日内瓦、巴黎、伦敦、爱丁堡和德意志各邦的学者都在讨论动物电3。读得最认真的，是帕维亚大学的实验物理教授亚历山德罗·伏打（Alessandro Volta）。

1792 — 1800伏打：一台没有青蛙的“人造电器官”

1792从相信到怀疑

伏打当时已是公认的电学权威。他发明过起电盘，也发明过能测出极微弱电量的“电容器”，还是伦敦皇家学会的会员3。他在 1792 年 3 月和同校的医生卡尔米纳蒂一起重复了伽伐尼的实验，起初完全接受动物电。他很快注意到另一件事：准备好的蛙腿对电极其敏感，他称之为一台“比任何高灵敏电计都灵敏得多的动物电计”3。

几个月的实验让他改变了看法。他发现，用两种不同的金属去接触神经，效果远比一种金属强；而且只要两种金属碰在一起、又都碰到湿的神经，就算不碰肌肉也能引起抽动。1792 年 11 月 24 日，他在一篇写给伽伐尼外甥阿尔迪尼的论文里摊牌：电流是由两种彼此不同的金属引起的，金属才是真正的“激发者和推动者”，动物的器官和神经只是被动的；照这样看，伽伐尼的整套理论“岌岌可危”3。

1794 — 1797伽伐尼的反击

伽伐尼没有认输。1794 年 4 月，他匿名发表了一篇论文，做了一个后来被称为“第三实验”的关键实验：不用任何金属，直接让蛙腿的神经去碰同一条腿的肌肉，腿照样收缩3。他还把腿放进一个盛水的容器，神经放进另一个，用一条湿纸连通两个容器，腿也会动1。这些实验排除了金属，说明动物组织自己确实能产生电。他反问：如果这种电完全属于动物本身，伏打那套想把动物电整个否定、把伽伐尼的发现降格为“一台精巧的动物电计”的说法，又该怎么办3？

两个人都对了一半。伽伐尼说对了生物体内有电，伏打说对了两种金属加上湿的东西就能产生电。这场争论一直持续到 1798 年伽伐尼去世3。它逼着两人不断设计新实验，伏打的那一半，直接通向了电池。

1797 — 1800照着电鳐造一台机器

伏打要证明金属接触能产生电，就得把这种微弱的效应放大。他的灵感来自他的对手常提的那种动物：电鳐。电鳐和电鳗的发电器官，是由许多湿的薄片一层层叠成的柱子3。伏打想，如果把一对对金属也这样叠起来，效应会不会一层层加上去？

在 1797 到 1799 年的大量尝试里，他找到了办法：在每一对金属之间，夹一片浸过盐水的圆形纸板3。1800 年 3 月 20 日，他从家乡科莫用法文给伦敦皇家学会会长约瑟夫·班克斯写了一封长信，原信 21 页，附英译 36 页，至今保存在皇家学会档案馆4。信里描述的装置，他称为“人造电器官”，并且说它“在本质上和电鳐的天然电器官相同，形状也很像”3,6。这封信于 6 月 26 日在皇家学会宣读，刊登在《哲学汇刊》上，题目是《论不同导电物质单纯接触所激发的电》4。

做法很简单。取两种金属的圆片，银或铜配锌，再取同样大小的纸板或皮革圆片，用水或盐水浸湿。按“金属、另一种金属、湿片”的顺序一组组往上叠，叠成一根柱子。伏打说，大约四十组就足以产生明显的效果：能给电计充电，能打出火花，用手同时碰两端会感到轻微的电击。最重要的是，这股电不会一下子放完，接上导线，它就一直流下去13。

《哲学汇刊》1800 年图版：上方一排五只杯子用弯曲金属条相连，下方是几种叠成柱状的电堆，底部连到盛水的碗里
伏打信件的附图，《哲学汇刊》1800 年，图版 XVII。图 1（最上面）是“杯冕”：一排盛盐水的杯子，每只杯里插一块银（A）和一块锌（Z），用弯曲的金属条把这只杯的锌和下一只杯的银连起来。图 2 到图 4 是叠起来的电堆，每层标着 Z 和 A，即锌和银。图 3、图 4 把一根太高的柱子拆成两根、四根，顶上用金属条（c）串起来，两头各伸进一碗水（b），手指放进两个碗就能感到电击。Wellcome Collection，CC BY 4.0 · Wikimedia Commons

伏打在信里还描述了另一种排法，后人叫它“杯冕”：把一圈杯子盛上盐水，每只杯里插两种金属片，再把一只杯的锌连到下一只杯的银4,13。杯冕和电堆是同一个原理，只是把湿纸片换成了一杯盐水。

伏打本人始终认为，电来自两种金属的接触，湿纸只是导电的通道。这个解释后来被证明不对，下面“误解”一节会讲。不过，他找到了一条极有用的规律：电堆的电压是每一组的电压加起来的。现代电化学家估计，他那种锌、银加酸性湿片的原型，每一组大约能提供 0.75 伏14。四十组，就是三十伏上下。

一根由数十片圆形金属片和纸片叠成的柱子，立在木座上，四根木杆围住，侧面有一条铜片引出
科莫“伏打神殿”展出的一根电堆。四根木杆把几十组圆片夹成一根柱子，看侧面那条长了铜绿的金属片，它从柱子一端引出电来。圆片边缘那一圈圈发白、发黑的痕迹，是盐水干了以后留下的结晶和金属腐蚀。Dario Crespi 摄，CC BY-SA 4.0 · Wikimedia Commons

电堆也有毛病。叠得太高，上面的圆片会把下面的压扁，把盐水挤出来；金属片很快腐蚀，用不了多久15。在伦敦重复实验的人记录说，用纸板或呢片的电堆大约能用两天，撑不到第三天；锌片朝着湿片的那一面会被氧化，每次重新搭之前都得刮干净16。可它毕竟是人类第一次拥有一个能持续供电的东西。

1801巴黎与拿破仑

1801 年，伏打应邀到巴黎，在法兰西研究院演示电堆，第一执政拿破仑在场，并提议授予他一枚金质奖章6,14。此后他接连获得荣誉军团骑士、铁冠勋章，1809 年成为意大利王国参议员，1810 年受封伯爵6。1814 年 6 月，伏打把一根在米兰做的电堆送给了随戴维游历欧洲的年轻助手迈克尔·法拉第，这根电堆今天陈列在伦敦皇家研究院的法拉第博物馆里17。第 23 章会讲法拉第后来做了什么。

1800 — 1834电堆拆开了水，又拆开了碱

1800尼科尔森和卡莱尔：一滴水引出的发现

伏打的信分两部分寄到伦敦。正式宣读之前，班克斯把第一部分的前几页给外科医生安东尼·卡莱尔看了。卡莱尔照着描述搭了一根电堆，4 月 30 日，他和朋友威廉·尼科尔森开始重复信中的实验5。尼科尔森是一位化学家，1797 年创办了英国第一份月刊科学杂志5,18。

他们的电堆用的是 36 枚半克朗银币，配上同样多的锌片和纸板16。为了让顶上的接触更可靠，他们在最上面的金属片上滴了一滴水。卡莱尔注意到，插进这滴水里的导线周围冒出了气泡；尼科尔森凑近闻了闻，觉得像氢气16,5。

尼科尔森想到一个主意：把电路断开，中间换成一管水。他们在一根直径约半英寸、灌满水的玻璃管两头各塞一个软木塞，各穿一根黄铜丝进去，两根线头在水里相距大约 1¾ 英寸。接上电堆，接银那一端的导线立刻冒出一串细密的气泡，另一根导线先变成橙色，再变黑16。两个半小时，他们收集到大约 2/30 立方英寸的气体，掺上空气一点就炸16。

让他们“相当惊讶”的是位置：氢从一根导线上冒出来，氧却跑到将近两英寸外的另一根导线上，和那根黄铜化合了16。水分子是怎样被拆开、两种气体又怎样隔着一段水分头出现的，这个问题要等几十年后才有答案。他们换成铂丝，导线不再氧化，两根线上都冒气，一根多，一根少。再用一根 68 组的电堆，把两根铂丝分别通进两只倒扣在水里的瓶子，通电 13 个小时，两种气体排开的水分别重 72 格令和 143 格令（约 4.7 和 9.3 毫升），氢差不多是氧的两倍，正是水的组成比例16。

这个结果 1800 年 5 月 30 日先上了伦敦的《晨报》，尼科尔森的正式论文 7 月发表在他自己的杂志上，比伏打的信印出来还早5,18。用电分解水其实并不是第一次：1789 年起，荷兰化学家用莱顿瓶的电火花一下下打，也分解过水，但极其费力5。电堆的意义在于，它让这件事变得随手可做，任何人搭一根电堆、插两根导线就能看到。电化学从此诞生。

下面这个演示把电堆和电解水放在一起。拖动滑块改变电堆的组数，看总电压怎样一组组加上去，再看它够不够拆开水。

伏打电堆与电解水演示 1 · 拖动滑块改变组数，再点“通电”

把滑块拖到 1，一组电堆只有 0.75 伏，再怎么等也拆不开水。拆开水在理论上至少要 1.23 伏，真实的电极还要再多一些，化学家叫它“过电位”19。拖到 36 和 68，就是尼科尔森和卡莱尔的两根电堆。再往上拖会发现，组数翻一倍，电流并不翻倍，因为每一组湿纸板本身也挡着电流。这一点，要等到本章后面的欧姆才说清楚。

1807戴维：从苛性钾里跑出来的“水银珠”

汉弗莱·戴维的全身油画像，身穿深色外套，左手扶着铺红布的桌子，桌上放着一盏带金属网罩的灯
汉弗莱·戴维，托马斯·劳伦斯绘，伦敦国家肖像馆藏。看画面左下角桌上那盏细高的灯，那是他后来为煤矿设计的安全灯。公有领域 · Wikimedia Commons

电堆能拆开水，那么别的化合物呢？伦敦皇家研究院的年轻化学教授汉弗莱·戴维（Humphry Davy）用越来越大的电池，把这个问题推到了极致20。他的目标是“苛性钾”和“苛性钠”。当时人们猜它们是某种金属的化合物，可谁也没法把那种金属分出来。

他先试着电解这两种碱的浓水溶液，结果只把水拆了，碱纹丝不动7。他意识到问题出在水身上，于是改用熔化的碱。他用的电源是皇家研究院几组电池并在一起：12 英寸见方的铜锌板 24 对，6 英寸的 100 对，4 英寸的 150 对7。

决定性的一步很朴素。他取一小块苛性钾，在空气里放几秒钟，让表面吸一点潮气，好让它导电，然后把它放在一块接电池负极的铂片上，再用一根接正极的铂丝去碰它的上表面。碱块很快在两个接触点上熔化，上面剧烈冒泡；下面没有冒气，却出现了一颗颗“有高度金属光泽、和水银一模一样”的小珠子。有的小珠一出现就爆燃，冒出明亮的火焰；有的留了下来，表面很快蒙上一层白膜7。

这就是钾。几天之后，他用同样的办法从苛性钠里得到了钠8。他在 1807 年 11 月 19 日的贝克讲座里宣布了这两种新金属，原文拼写是 Potasium 和 Sodium7。他的笔记显示，他还考虑过叫它们 potarchium 和 sodarchium21。第二年，他又用电解法得到了钙、锶、钡、镁的汞齐7,20。一种新工具，几年内给化学元素的名单添了好几个成员。

发现的确切日期有两种说法。戴维的弟弟约翰·戴维在 1836 年的传记里说，戴维自己在讲座中写的是 10 月 6 日；而另一位传记作者帕里斯根据实验室登记簿，认为是 10 月 19 日8。约翰·戴维还转述了当时做助手的堂弟埃德蒙的回忆：戴维看见钾的小珠冲破碱壳、一碰空气就着火，高兴得在屋里跳起舞来，过了好一会儿才平静下来接着做实验8。这是唯一的出处，而且是二手回忆。

1808—1809 年，一批赞助人出钱为皇家研究院造了一台“大电池”，据记载有约 2000 组14,22。科学史家认为，这是英国第一次有具名的个人掏钱为一项科学研究购置设备22。电化学从一开始就是一门烧钱的学问。

1834法拉第给电解记账

戴维的助手法拉第后来把电解变成了一门定量的学问。他在 1834 年的论文里证明：电流在电解中产生的化学作用，和通过的电量成正比；不同物质析出的量，按各自的“电化学当量”成比例，以氢为 1，氧是 8，氯是 36，铅是 10423。为了描述这些现象，他向剑桥的学者惠威尔请教，定下了一套沿用至今的词：电极、阳极、阴极、电解质、离子23,24。法拉第的故事是第 23 章的主角，这里只记住一点：演示 1 里氢气的体积，正是按法拉第的这条定律，从电流算出来的25。

1825 — 1827欧姆：给电流记账

有了电堆，人们可以让电一直流，却说不清“流了多少”。电压、电流、电阻这几个词，当时要么没有，要么含义模糊。把它们变成可以计算的量的人，是一位名不见经传的中学老师。

格奥尔格·西蒙·欧姆（Georg Simon Ohm）1789 年生于巴伐利亚的埃尔朗根，父亲是锁匠，自学成才，在家里教他数学和物理10。1817 年起，他在科隆的一所文理中学教书，那里有一间设备不错的物理实验室10。1820 年，丹麦的奥斯特发现电流能让旁边的磁针偏转（第 23 章会讲），这给了欧姆一个测量电流的办法：电流越强，磁针偏得越厉害10。

欧姆的椭圆形半身像，头发蓬乱，身穿深色外套
格奥尔格·西蒙·欧姆。原书图注说这是唯一一幅照着他本人画的像。他测出电流定律时，还是科隆一所中学的数学和物理老师。Wellcome Collection，CC BY 4.0 · Wikimedia Commons

1825第一次尝试：不稳定的电池

欧姆的测量仪器是从库仑扭秤改来的：一根细金属丝吊着一根小磁棒，电流从下面的导线流过，把磁棒推偏；他转动扭秤顶上的旋钮，把磁棒扭回原位，读出要扭多少度，就知道电流有多强26。导线的两头浸在盛水银的小杯里，换一根不同长度的导线只要拔出来再插进去26。

他第一次用的电源是一组普通的伏打槽式电池，铜、锌加稀硫酸。结果他在 1825 年的论文里写下了一个对数关系，和今天的欧姆定律对不上9。问题出在电池上：它的输出时强时弱，很难测准9。

刚接手德国《物理与化学年鉴》的年轻主编波根多夫在刊登这篇论文时加了一条编者注，建议作者改用“温差电池”，因为它的效果比湿电池稳定得多9。温差电偶是塞贝克 1821 年发现的：两种不同的金属接成回路，两个接头一冷一热，回路里就有电流9。

1826冰水、沸水和一根铋棒

欧姆照办了。他用铋和铜做成温差电偶，一个接头泡在冰水里，另一个泡在烧开的水里26。两个温度都是固定的，电偶给出的推力也就固定了。这一次，数据规整得多9。他发现，电流的大小等于推动电的“力”，除以整个回路的阻碍，而这个阻碍是电源内部的那一份加上外面导线的那一份9。写成今天的样子，就是本章的公式。

化学家奥斯特瓦尔德后来评价说，欧姆的贡献比一条经验规律大得多：在他之前，电压、电流强度、电阻都没有被定义成可以计算的量；是欧姆第一次把电压看作推动电运动的力，把电流强度定义为单位时间里流过的电量，把电阻看作一个和电压无关、只属于导体本身的量9。

1827一本没人喝彩的书

1827 年，欧姆在柏林出版了《用数学处理的伽伐尼电路》，把整个理论写成了数学10,27,28。反响很冷淡10。当时德国的物理学界更看重实验描述，不太欢迎这种数学推演的写法；柏林一位信奉黑格尔哲学的教授波尔在书评里把它全盘否定10,27。欧姆后来离开了科隆的教职，过了好几年不如意的日子，1833 年才在纽伦堡理工学校当上教授10,27。

承认先从国外来。1841 年，伦敦皇家学会授予他科普利奖章，第二年选他为外籍会员10,27。1849 年他到慕尼黑大学任职，1852 年终于得到物理学讲席，两年后去世10。

概念电压、电流、电阻：一条水管里的账

欧姆用的比方来自热学：他仿照傅里叶研究热传导的数学来写电的传导10。今天更常用的是水管的比方。它不完美，但足够帮你建立直觉。

电压 U · 伏特水管两头的水压差。电池就像一台水泵，把水从低处抽到高处。伏打电堆每多叠一组，就多一级水泵。
电流 I · 安培每秒钟流过某个截面的水量。电流是每秒流过的电量，1 安培就是每秒 1 库仑。
电阻 R · 欧姆水管的窄和长。管子越细越长，同样的压差推出的水越少。导线越细越长，电阻越大。

欧姆定律把这三者连成一句话：

I = U ÷ R
I
电流，单位安培（A）
U
电压，单位伏特（V）。中文课本用 U，英文常写 V
R
电阻，单位欧姆（Ω）。严格说要包括电池自己的内阻
读法：电压加倍，电流加倍；电阻加倍，电流减半。一节 1.5 伏的电池接一只 3 欧的小灯，电流是 0.5 安。

注意定义里的“严格说”。欧姆 1826 年的公式里，分母是电源内部的阻碍加上外部导线的阻碍9。这正是演示 1 里组数翻倍、电流却不翻倍的原因：每多一组电堆，电压多 0.75 伏，内阻也多一份。

两只灯怎么接

两只灯可以首尾相接排成一串，叫串联；也可以各自连到电池两端，像两条并排的水管，叫并联。电阻的合法则这样算：

R串 = R1 + R2
1 ÷ R并 = 1 ÷ R1 + 1 ÷ R2
R串
串联后的总电阻：两段窄管接成一条更长的窄管，阻碍相加
R并
并联后的总电阻：多开一条通道，总阻碍反而变小，比其中最小的那个还小
读法：两只 6 欧的灯，串起来是 12 欧，并起来是 3 欧。串联时两只灯流过同一个电流；并联时两只灯两端是同一个电压。

下面的演示是一个小电路。左边是一串 1.5 伏的电池，右边是两只灯泡。灯的亮度取决于它消耗的功率，功率等于电压乘电流。试着在三种接法之间切换，看哪只灯更亮。

欧姆的电路演示 2 · 调电池节数和灯丝电阻，切换接法

默认的 6 欧和 12 欧两只灯，串联时 12 欧的 B 灯更亮，并联时 6 欧的 A 灯更亮。原因都在欧姆定律里：串联时电流相同，电阻大的那只分到的电压多；并联时电压相同，电阻小的那只流过的电流多。你家墙上的插座都是并联的，所以开一盏灯不会让冰箱变暗。

电荷其实走得很慢

演示里的小圆点跑得飞快，真实导线里的电子却慢得惊人。按铜里的自由电子数目估算，一根两三平方毫米粗的铜线通 10 安的电流，电子的平均“漂移”速度只有每秒零点几毫米。开关一合灯就亮，是因为沿着导线传过去的是电场这个“信号”，它的速度接近光速，整根导线里的电荷几乎同时开始挪动29。水管的比方在这里也成立：拧开龙头，水马上出来，出来的却是早已在管子里的水。

伏特和欧姆成了单位

欧姆定律让电学有了可以互相换算的量，接下来要的就是统一的尺子。1836 年，伦敦国王学院的丹聂尔发明了一种用硫酸锌和硫酸铜两种溶液的电池，不再冒氢气泡，输出非常稳定30。1860 年代英国科学促进会制定电学单位时，就是用丹聂尔电池的输出来确定电压单位的大小，这个单位以伏打命名，叫伏特30,31。1881 年，巴黎国际电学大会让伏特、欧姆等一套实用单位获得了国际地位31。今天电池上印的“1.5 V”、电阻上标的“Ω”，就是这两位的名字。

影响它怎么改变了世界

电堆诞生的头几十年，几乎全部用在实验室里。真正的工业要等到 19 世纪下半叶有了发电机，才有足够便宜的电。但化学家、工匠和电报员很早就开始用它，下面四条线从 1800 年一直通到你今天手里的东西。

一 · 铝：从比银还贵，到易拉罐

戴维用电解拆出了钾和钠，同样的思路后来用在了地壳里含量最多的金属上。铝极难从矿石里提炼，19 世纪中叶它比金子还稀罕，拿破仑三世只拿铝餐具招待最重要的客人32。1859 年一磅铝约 17 美元，和银差不多；1884 年华盛顿纪念碑顶上装了一个 6 磅重的铝帽，而那一年全世界只产了 3.6 吨铝32。

1886 年，两个都生于 1863 年的年轻人在大西洋两岸各自找到了办法：把氧化铝溶进熔融的冰晶石，再通电电解33,34。美国人霍尔在俄亥俄州奥伯林家里的柴房做实验，用的电源是一组本生—格罗夫电池，也就是伏打电堆的后代；法国人埃鲁用母亲给的最后五万法郎买了一台 400 安、30 伏的发电机33。埃鲁 4 月 23 日先拿到法国专利，霍尔 2 月 23 日就做出了铝，后来靠家人的信件证明了他在美国的优先权33,32。

霍尔的公司搬到尼亚加拉瀑布旁边用便宜的水电之后，铝价从每磅 2 美元降到 75 美分，再降到 30 美分34。1900 年全世界产铝 4682 吨，2013 年是 4970 万吨33。易拉罐、飞机机身、手机外壳，都来自这口通着大电流的熔盐槽。

二 · 电镀：给便宜的金属穿一层金衣

尼科尔森和卡莱尔注意到，通电时一根导线上冒气、另一根导线变色。别人很快发现，导线上还能“长”出金属。1801 年，英国的克鲁克香克用电堆从铅盐和铜盐溶液里，在导线上析出了针状的金属；1805 年，意大利的布鲁尼亚泰利把两枚银奖章接到电堆的负极，浸进金的溶液里，给它们镀上了一层金35。

1840 年，伯明翰的埃尔金顿兄弟和外科医生赖特合作，用氰化钾镀液拿到了英国第一项镀金专利35。便宜金属做的餐具外面镀一层银或金，看上去就和贵金属器皿一样；埃尔金顿公司后来还为泰坦尼克号供应了全部镀银餐具35。1871 年格拉姆发电机问世后，电镀用上了廉价的电，迅速普及35。20 世纪 40 年代末起，金镀层因为导电好、不生锈，被大量用在电路的接点上35。你手机充电口和电路板上那些金黄色的触点，用的就是这类镀金层。

三 · 电池家谱：从一摞银币到锂电池

伏打电堆只能用两三天。1836 年的丹聂尔电池输出稳定，成了电报时代的主力，1858 年和 1866 年铺设大西洋海底电缆时，通信用的都是它30。电报的故事在第 25 章。1859 年发明的铅酸蓄电池可以反复充电，今天仍是汽油车的启动电池36。

1970 年代的石油危机让人们寻找更轻、更强的可充电电池。惠廷厄姆做出了两伏多的锂电池，1980 年古迪纳夫用钴酸锂把电压提高到四伏，1985 年吉野彰做出了第一块实用的锂离子电池。1991 年，一家日本电子公司开始出售锂离子电池，手机变小了，电脑可以带着走了36。三位发明人分享了 2019 年诺贝尔化学奖36。从伏打到手机电池，原理是同一个：两种材料、中间隔着能让离子通过的东西，化学反应推动电子从外电路绕过去。

四 · 神经是电的：伽伐尼的遗产

伏打的电池赢得了掌声，伽伐尼的“动物电”被冷落了几十年。1838 到 1844 年，意大利的马泰乌奇用灵敏的电流计在肌肉里测到了它自己的电流；德国的杜布瓦-雷蒙接着发现，肌肉受刺激时这股电流会短暂地减弱，这个“负变化”就是沿神经和肌肉传播的信号；亥姆霍兹测出神经信号的传播速度大约每秒 27 米1。伽伐尼说对了：生命确实在用电。今天的神经科学就从这里出发。

这个念头也进入了大众想象。1803 年 1 月，伽伐尼的外甥阿尔迪尼在伦敦皇家外科医学院，给一名刚被绞死的犯人的尸体通电，报纸记录说死者下巴颤动、一只眼睛睁开了37。1818 年，玛丽·雪莱出版了《弗兰肯斯坦》37。她在 1831 年修订版的序言里回忆构思时的念头：也许尸体能够复活，伽伐尼电流已经显示过这类迹象38。

误解谁赢了，电池里装着什么，电子跑多快

误解一 · 伏打证明了伽伐尼是错的

教科书常把这段历史讲成物理学家纠正了生理学家：伏打的电池证明电来自金属，“动物电”是误会。实际上两人各对了一半。伽伐尼 1794 年不用任何金属也让蛙腿收缩，证明动物组织自己能产生电3；一百年里马泰乌奇、杜布瓦-雷蒙、亥姆霍兹的工作，把神经和肌肉的电一步步测了出来1。伏打则说对了另一件事：两种金属加上湿的导体就能持续产生电。科学史家指出，这场争论之所以有成果，恰恰因为它逼着双方不断设计新实验；伏打的电池本身，也是以电鳐这种“动物电”为参照造出来的3。

误解二 · 电池里装着“电”，用完就空了

伏打本人以为，电来自两种金属的接触，湿纸板只负责导电。另一派认为，电流来自锌和电解液之间的化学反应。这场“接触说”与“化学说”之争贯穿了整个 19 世纪，法拉第站在化学说一边9。今天化学家的共识是：电池是把化学能转变成电能的装置9。尼科尔森当年就看到了线索：电堆里的锌片在湿面一侧被氧化，每次都得刮干净重新用16。

电池也不是把“电荷”装在里面、一点点放出去。演示 2 的串联电路里，流进 A 灯和流出 B 灯的电流完全相同，电荷一路上一个也没少。电池消耗的是化学反应的能量，电荷只是被它一圈圈推着走。所以“没电了”的准确说法是：里面能反应的物质用完了。

误解三 · 电流就是电子在导线里飞速奔跑

前面“概念”一节算过，电子在导线里的平均漂移速度每秒不到一毫米，快的是沿导线传播的电场信号29。另外，本章所有人都不知道电子的存在。他们说的是“电流体”，并约定电流从正极流向负极；法拉第 1834 年说得很清楚，他这样说只是遵循一个约定，不表示他知道电的本性23。后来发现导线里真正移动的电子带负电，方向和约定正好相反，但约定已经沿用下来。电子要到第 32 章才登场。

承上启下电和化学会合，下一站是磁

第 21 章结束在库仑的扭秤上：静电变成了可以测量的力。这一章，电第一次流动起来。伽伐尼的蛙腿引出伏打的电堆，电堆在几个星期内拆开了水，几年内拆出了钾和钠，二十多年后，欧姆用温差电偶和扭秤给电流立了账：I = U ÷ R。

这一章里有两次会合。一次是电和化学：电解证明化学键和电有关，戴维和法拉第由此开创了电化学。另一次是电和生命：伽伐尼的“动物电”在半个世纪后被证实，神经的信号是电的。

第三次会合已经在门口了。欧姆之所以能测电流，靠的是 1820 年奥斯特的一个发现：通电的导线会让旁边的指南针偏转。那根指针，就是第 20 章讲过的磁针。电和磁之间到底是什么关系？下一章，法拉第会接过伏打送他的那根电堆，用它去回答这个问题，并且反过来让磁产生电。

自测五个问题

1. 伽伐尼和伏打对蛙腿抽动各有什么解释？后来的研究证明谁对？
伽伐尼认为电是动物身体自己产生的，肌肉像一只莱顿瓶，金属只是让电流过的通道。伏打认为电是两种不同金属的接触产生的，蛙腿只是一台极灵敏的电计。两人各对一半：伽伐尼 1794 年不用金属也让蛙腿收缩，19 世纪的马泰乌奇、杜布瓦-雷蒙等人证实了神经和肌肉的电；伏打则说对了不同金属加湿导体能产生持续的电，并由此造出了电池。
2. 在演示 1 里，为什么一组电堆无论通电多久都分解不了水？
一组锌—银电堆大约只有 0.75 伏，而把水拆成氢和氧在理论上至少需要 1.23 伏，真实电极还要再加一些过电位。电压不够时，等多久也不会发生反应，至少要把两组以上串联起来。
3. 尼科尔森和卡莱尔收集到的两种气体，体积比大约是多少？这说明了什么？
氢气排开的水约 143 格令，氧气约 72 格令，氢差不多是氧的两倍。这正是水的组成比例（两个氢原子、一个氧原子），说明电流确实把水分解成了它的组成部分。
4. 欧姆 1825 年的结果为什么不对？1826 年他做了什么改变？
1825 年他用的是普通的伏打槽式电池，输出时强时弱，得出了一个错误的对数关系。1826 年他接受波根多夫的建议，改用铋—铜温差电偶，一个接头泡冰水、一个泡沸水，电源稳定了，测出了电流等于电压除以（内阻加外电阻）的规律。
5. 两只灯，一只 6 欧、一只 12 欧，接在 6 伏电源上。串联和并联时，各是哪只更亮？
串联时总电阻 18 欧，电流 1/3 安，两只灯电流相同，12 欧的灯分到 4 伏、功率约 1.33 瓦，比 6 欧的灯（约 0.67 瓦）亮。并联时两只灯都是 6 伏，6 欧的灯电流 1 安、功率 6 瓦，12 欧的灯 0.5 安、3 瓦，6 欧的更亮。

参考来源本章依据

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图片：均来自 Wikimedia Commons，许可见各图说明。

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