人类创造的世界光彩夺目，绚丽耀眼，令人赞叹称奇。它为什么是现在的这个样子？迎着阳光，在现代文明精致的面庞和魁梧的身躯后面，有一条长长的影子，从那里，可以看到岁月、历史和长路。
文明的起源：34.电和电池的简史
有很多人有过这样的问题：电是什么？谁发明了电？我想说这个问题本身就是错误的，电是一种自然现象，它是被发现的，而不是被发明的。
就像牛顿在年用“万有引力”解释了我们跳起来必然会落到地面上这样的自然现象（实际上我们现在都不能说牛顿的解释是正确的，是绝对的真理，因为爱因斯坦在年否定了“万有引力”这个概念。但同样的，爱因斯坦也不一定是正确的），这也是发现，而不是发明。
描述自然现象和解释蕴含在自然现象中的一般规律，是发现。比如说人类发现了金属、发现了石油、发现了空气和空气的组成、发现了身体器官的某种功能，等等；利用自然现象和自然规律所产生的应用，是发明。比如中国人发明了制陶工艺、雷奈克发明了听诊器、萨维利发明了蒸汽机，等等。
如果针对文字意义上的“电”或者electric，那我们就不得不说这是一种发明。
人类很早就发现了电的存在，闪电、摩擦起电和某些带电的鱼类。人们可能不知道为什么乌云密布的雷雨天会有划破天际的像利剑一样的光亮，为什么用毛皮摩擦过的琥珀会吸引轻小的物体，为什么触摸“尼罗河的雷使者”会让手指觉得麻木而且非常不舒服，但我相信历史上有很多不为人知的个人对电有相当的研究兴趣和正确的见解。
年代，英国医学家和物理学家威廉·吉尔伯特试图深入地研究摩擦起电，发明了用来测试静电的静电计（不流动的电荷称作静电，流动的电荷是电流），这是人类历史上第一个电学仪器。他还发明了单词electricus用来表示电这种东西或者现象。这是一个新造的拉丁单词，意思是“类似琥珀”，而琥珀的拉丁文是elektron，于是，电就被语言形象化和专业化了。
此时的中国接近明朝晚期。
静电计年，另一个英国人托马斯·布朗把这个词转换成了英语，就是electricity；年，德国马德堡市的市长格里克（OttovonGuericke,他也是设计了证明大气压存在的著名实验——马德堡半球实验的人）制作了最早的一种摩擦起电机来研究静电。他也许观察到了摩擦起电机的金属集电端能向其它金属放火花(电)，但这更多的是个游戏和玩具，没有实际的作用，人们也没仔细想过电是不是能储藏的问题，直到荷兰莱顿大学的教授马森布罗克(PieterVonMusschenbrock)在年代发明了被后世称作“莱顿瓶”的小玩意儿，人们才知道原来电是可以储藏起来的。“莱顿瓶”并不是为了储存电而有意发明的，那只是一次意外的发现再加上一些有意的改进。“莱顿瓶”就是电子元器件“电容器”的最初形式。
两个相互靠近的导体，中间夹一层不导电的绝缘介质，这是现代电容器的理论基础，而莱顿瓶就是电容器的最初实践。
年代的美国政治家和科学家富兰克林就使用了莱顿瓶收集闪电，他在研究电的过程中还给出了正电和负电以及电流的概念。
莱顿瓶实物莱顿瓶构造简图年代前后，意大利博洛尼亚大学的解剖学教授伽伐尼(Galvani)因为有研究生物电击反应的兴趣，也或者因为他的妻子喜欢吃青蛙，所以无意间发现：完全不带电的两种金属——比如一把镊子和一把钳子，一根铜丝和一根铁丝——用手拿着同时分别接触到被剥了皮的青蛙腿的两端，会让青蛙腿发生痉挛。
伽伐尼用动物组织自带动物电来解释这种现象。但是伽伐尼的朋友，意大利里帕维亚大学的物理学教授亚历山大罗·伏特（Volta，物理学上被译作伏特，化学上被译作伏打）在听说这件事并多次重做实验后认为，电不是产生于动物组织内的，但很可能跟金属有关。于是他使用不同的两个金属片叠合在一起，用静电计测出了两种金属接触面存在电，但不连续。他又联想到了伽伐尼的经验中的那条青蛙腿，它是湿的，于是他准备了很多不同的金属片，两个一组浸在盐水中，用金属线把两块金属片连接在一起，在金属线上发现了电流。这个装置现在被称作“原电池”。
年，伏特又做了这样一个设计：用很多银片和锌片，中间隔着用盐水浸泡过的纸板(也可能是布)交替叠在一起组成一个柱体，将最上面的银片和最下面的锌片用金属导线连接在一起组成回路，就有持续的电流发生，这就是当时被誉为“是人类发明的最神奇的仪器”的“伏打电堆”。
伏打电堆简图现在，我们需要讲一点有关于电的现代知识，以便于我们能更好地理解“伏打电堆”和电池技术的发展。
两千多年前的古希腊人就有探寻物质世界的兴趣，德谟克里特认为物质由最小的微粒构成，他使用了希腊语atomos来代表这个想法，意思是不可分割的。虽然19世纪末的科学家证明“组成物质的最小微粒”并不是不可分割的，但由atomos演变成的英文atom始终是，而且现在也是具有电子、质子和中子结构的微粒的语言代表，而在中文中用“原子”来表示。
年，英国自然哲学家道尔顿确认了原子的存在，他认为原子是圆形的，是一个不能再分割的整体；
年，英国物理学家汤姆生发现了电子，他认为电子是均匀分布在原子上的，这个发现证明了原子不可再分的设想是错误的；
年，新西兰物理学家卢瑟福用氦离子轰击金箔的实验证明了原子的大部分质量都集中在原子中央的原子核上，并认为原子核是带正电的，而电子则像行星围绕太阳一样环绕着原子核。年，他发现了质子，质子是原子核的组成部分；
年，卢瑟福的学生，英国物理学家查德威克以居里夫妇的某个实验为基础提出了中子的概念。
到这里，原子的基本理论已经成型了：原子由决定原子质量的带正电的原子核和质量可以忽略的围绕原子核带负电的电子组成，稳定的原子的正负电是平衡的，不显电性，但电子是相对来说不那么稳定的物质，原子核又包含着带正电的质子和不带电的中子，具有相同质子数的原子被定义为一种元素，质子数相同但中子数不同的几种原子同样是归类于一种元素，但这些原子被定义为同位素。
那么电是什么？就目前的科学解释来看，电是与原子的结构密切相关的，所以我们首先介绍了一下原子的结构。电是由于电子的运动造成原本稳定的原子结构被破坏而表现出来的现象。比如两种不同的物质相互摩擦，组成其中一种物质的原子容易得到电子，组成其中另一种物质的原子容易失去电子。那么在摩擦的过程中，前者就会吸引后者的电子而形成了带负电(电子比稳定结构多)的不稳定结构；后者因为失去了电子而形成了带正电(电子比稳定结构少)的不稳定结构。那么摩擦后的两个物体都带电了，无论是带正电还是带负电。
正电和负电之间有相互吸引的性质，那么这两个物体是能像磁铁吸引某些金属一样地粘合在一起，但这个现象是瞬间的，因为在它们接触的一瞬间，正负电就会在两个物体之间重新分配，很快两者就不带电了。但如果用摩擦后的某个物体去靠近轻小的物体，比如头发或者棉线丝，就会把那轻小物体吸引住。这是因为带电物体具有一种被称作“电场”的能量——就像“磁场”一样——它很可能不是物质，而是像爱因斯坦所说的“空间扭曲”之类的现象。
伏特认为他的发明能产生电的原因是金属的某种机械性能，但现代科学可不这么看。现代电化学是这样解释的：两种化学活泼性不同的金属片被分开浸泡在电解质溶液中，金属露在溶液外的部分用导线连接成回路，只要氧化还原反应能在其中一个金属和电解质溶液之间进行，就能在回路上产生电流。
比如现代模拟的最典型的原电池就是锌铜原电池，电解质溶液可以是盐水，也可以是硫酸那样的酸。比如下图中，如果电解质是盐水，那么锌和铜都不与盐水发生化学反应，但锌会在盐水作用下易于失去电子，变成带正电，锌失去的电子沿导线流向铜片那一端，这就形成了电流（当然，虽然电流的方向应是带负电的电子流动方向，但富兰克林规定的电流方向是正电流向负电，所以现在也规定电流的方向就是电子流动的反方向）。在铜那一端，电子被水中的氢离子得到，变成氢气挥发了。有人说为什么锌失去的电子不就地被氢离子吸收而要流向铜那一端再被氢离子吸收呢？这就牵涉到导线和电解质溶液的导电性了，导线的电阻更低，导电性更强，所以电子就先选择走导线，在铜那一端没有出路之时，再被氢离子吸收。
锌铜电池实验由金属和电解质溶液组成的原电池的原理，在生活中也能发现一些自然现象。比如放在盐水中的铁块比放在水中的铁块更容易生锈，钢筋混凝土不能用海砂(含盐)，等等。
让我们回到伏特电堆，伏特电堆就是很多个原电池串联起来组成的电池组。虽然伏特电堆是一个神奇的发明，但伏特并不能正确说明其中的原理，可想而知这是一个非常困难而且完全依据经验和大量实验的发明。
在原电池中使用的锌和铜，对它们的选择实际上是基于金属的活泼性。越活泼的金属越容易失去电子，所以原电池需要选择一种活泼的金属和一种不活泼的金属。比较典型和常见的金属的活泼性依次减弱的排列是这样的：钾-钙-钠-镁-铝-锌-铁-锡-铅-铜-汞-银-铂-金（金属活泼性有两个常用的排序方式，但不仅仅是这两种：与氧气反应和与酸反应的剧烈程度）。但对于活泼金属的选择又不能选择前三位的，因为它们在空气和水中都能发生剧烈反应，基本是在空气和水中无法存在的金属单质。伏特的原电池和电堆实验并不是在清楚地知道金属活泼性的前提下进行选择的，是基于经验。
我们了解了原电池和伏特电堆，接下来，电池技术开始引起人们的注意并发展起来。
年，英国人丹尼尔使用硫酸锌溶液和锌片配合，硫酸铜溶液和铜片配合，并在两种溶液之间加入盐桥制成了金属电极不发生消耗的原电池；
年，法国人雷克兰士用碳棒取代铜片作为电池正极；
至此，电解液依然是液体的，但是有人想到了将纯液体的电解液做成浆糊状：年，英国人赫勒森将这种想法应用并改进，做成了“干电池”。
现在的干电池品种很多，有普通锌-锰干电池、碱性锌-锰干电池、镁-锰干电池、锌-空气电池、锌-氧化汞池、锌-氧化银电池、锂-锰电池等。有别于一次性干电池的充电电池，是起源于爱迪生在年发明的铁镍电池，现在的充电电池大概有五种：镍镉、镍氢、锂离子、铅蓄和铁锂。
锌-锰电池示意图在比较典型的锌-锰电池中发生的化学反应是：
负极：Zn-2e-=Zn2+
正极：2Mno2+2NH4++2e-=Mn2o3+2NH3+H2o
总反应：Zn+2Mno2+2NH4+=Zn2+Mn2o3+2NH3+H2o
锌锰干电池的电动势为1.5V。因产生的NH3气被石墨吸附，引起电动势下降较快。如果用高导电的糊状KOH代替NH4Cl，正极材料改用钢筒，Mn层紧靠钢筒，就构成碱性锌锰干电池，由于电池反应没有气体产生，内电阻较低，电动势也为1.5V，比较稳定。