Вольтов столб был первой электрической батареей , которая могла непрерывно подавать электрический ток в цепь. Его изобрел итальянский химик Алессандро Вольта , опубликовавший свои эксперименты в 1799 году. Его изобретение можно проследить до спора между Вольтой и Луиджи Гальвани , коллегой Вольты, итальянским ученым, который проводил эксперименты на лягушачьих лапках. [1] Вольтова батарея затем способствовала быстрой серии других открытий, включая электрическое разложение ( электролиз ) воды на кислород и водород Уильямом Николсоном и Энтони Карлайлом (1800 г.) и открытие или выделение химических элементов натрия (1807 г.), калий (1807 г.), кальций (1808 г.), бор (1808 г.), барий (1808 г.), стронций (1808 г.) и магний (1808 г.) Хамфри Дэви . [2] [3]
Вся электротехническая промышленность 19-го века питалась от батарей, родственных батареям Вольты (например, элемент Даниэля и элемент Гроува ), до появления динамо-машины ( электрического генератора) в 1870-х годах.
Изобретение Вольты было основано на открытии Луиджи Гальвани в 1780-х годах того, как цепь из двух металлов и лягушачьей лапки может вызвать реакцию лягушачьей лапки. В 1794 году Вольта продемонстрировал, что, когда два металла и пропитанная рассолом ткань или картон соединены в цепь, они производят электрический ток. В 1800 году Вольта сложил несколько пар чередующихся медных (или серебряных ) и цинковых дисков ( электродов ), разделенных тканью или картоном, пропитанным рассолом, чтобы увеличить общую электродвижущую силу. [4] Когда верхний и нижний контакты были соединены проводом, электрический ток протекал через гальваническую батарею и соединительный провод. Вольтов столб вместе со многими научными инструментами, принадлежавшими Алессандро Вольте , хранятся в Музее истории университета Павии , где Вольта преподавал с 1778 по 1819 год. [5]
Вольтова батарея была создана в 1800 году Алессандро Вольтой и стала первой «настоящей» батареей, которая давала непрерывный заряд. Ключом к электричеству является движение частиц, несущих электрический заряд. В гальваническом столбе эти частицы перемещаются от одного металла к другому через раствор, называемый электролитом. Электролит – это жидкость, содержащая частицы, несущие заряд.
20 марта 1800 года Алессандро Вольта написал в Лондонское королевское общество письмо, в котором описал технику получения электрического тока с помощью своего устройства. [6] Узнав о гальванической батарее, Уильям Николсон и Энтони Карлайл использовали ее для открытия электролиза воды. Хамфри Дэви показал, что электродвижущая сила , которая пропускает электрический ток через цепь, содержащую один гальванический элемент, вызвана химической реакцией, а не разницей напряжений между двумя металлами. Он также использовал гальваническую батарею для разложения химикатов и производства новых химикатов. Уильям Хайд Волластон показал, что электричество от гальванических столбов имеет идентичный эффект с электричеством, производимым трением . В 1802 году Василий Петров использовал гальванические столбы для открытия и исследования эффектов электрической дуги .
Хамфри Дэви и Эндрю Кросс были одними из первых, кто разработал большие гальванические батареи. [7] Дэви использовал стопку из 2000 пар, изготовленную для Королевского института в 1808 году, чтобы продемонстрировать разряд угольной дуги [8] и выделить пять новых элементов: барий, кальций, бор, стронций и магний. [9]
Поскольку Вольта считал, что электродвижущая сила возникает при контакте между двумя металлами, сваи Вольта имели конструкцию, отличную от современной конструкции, показанной на этой странице. Его сваи имели один дополнительный диск меди вверху, контактирующий с цинком, и один дополнительный диск цинка внизу, контактирующий с медью. [10] Расширяя работу Вольты и работу своего наставника Хамфри Дэви в области электромагнетизма , Майкл Фарадей использовал как магниты, так и гальваническую батарею в своих экспериментах с электричеством. Фарадей считал, что все изучаемые в то время «электричества» (гальваническое, магнитное, тепловое и животное) были одним и тем же. Его работа по доказательству этой теории привела его к предложению двух законов электрохимии, которые находились в прямом противоречии с современными научными представлениями того времени, сформулированными Вольтой тридцатью годами ранее. [11] Благодаря своему вкладу в понимание этой области исследований Фарадей и Вольта считаются одними из отцов электрохимии . [12] Слова «электрод» и «электролит», использованные выше для описания работы Вольты, принадлежат Фарадею. [13]
Прочность сваи выражается через ее электродвижущую силу или ЭДС, выраженную в вольтах. Теория контактного напряжения Алессандро Вольты считала, что ЭДС, которая пропускает электрический ток через цепь, содержащую гальванический элемент, возникает при контакте между двумя металлами. Вольта не считал важным электролит, которым в его экспериментах обычно был рассол . Однако вскоре химики поняли, что вода в электролите участвует в химических реакциях котла и приводит к выделению газообразного водорода из медного или серебряного электрода. [2] [14] [15] [16]
Современное атомистическое понимание элемента с цинковым и медным электродами, разделенными электролитом, следующее. Когда ячейка подает электрический ток через внешнюю цепь, металлический цинк на поверхности цинкового анода окисляется и растворяется в электролите в виде электрически заряженных ионов (Zn 2+ ), оставляя 2 отрицательно заряженных электрона (
е−
) сзади в металле:
Эта реакция называется окислением . Пока цинк поступает в электролит, два положительно заряженных иона водорода (Н + ) из электролита принимают два электрона на поверхности медного катода, восстанавливаются и образуют незаряженную молекулу водорода (Н2 ) :
Эта реакция называется редукцией . Электроны меди, используемые для образования молекул водорода, состоят из внешнего провода или цепи, которая соединяет их с цинком. Молекулы водорода, образующиеся на поверхности меди в результате реакции восстановления, в конечном итоге улетучиваются в виде газообразного водорода.
Можно заметить, что глобальная электрохимическая реакция не включает непосредственно электрохимическую пару Cu 2+ /Cu (Ox/Red), соответствующую медному катоду. Таким образом, медный металлический диск служит здесь только «химически инертным» проводником из благородного металла для транспорта электронов в цепи и не участвует химически в реакции в водной фазе. Медь действительно действует как катализатор реакции выделения водорода, которая в противном случае могла бы происходить с тем же успехом непосредственно на цинковом электроде без протекания тока через внешнюю цепь. Медный электрод в системе можно заменить любым достаточно благородным/инертным и каталитически активным металлическим проводником (Ag, Pt, нержавеющая сталь, графит и т. д.). Глобальную реакцию можно записать следующим образом:
Это удобно стилизовать с помощью обозначения электрохимической цепи:
в котором вертикальная полоса каждый раз представляет интерфейс. Двойная вертикальная черта представляет границы раздела, соответствующие электролиту, пропитывающему пористый картонный диск.
Когда ток от батареи не подается, каждая ячейка, состоящая из цинка/электролита/меди, генерирует напряжение 0,76 В с рассолным электролитом. Напряжения ячеек батареи складываются, поэтому шесть ячеек на диаграмме выше генерируют электродвижущую силу напряжением 4,56 В.
В период с начала 19 века по 1830-е годы было изобретено несколько сухих свай высокого напряжения в попытке определить источник электричества влажной гальванической батареи и, в частности, для поддержки гипотезы Вольта о контактном напряжении. Действительно, сам Вольта экспериментировал со стопкой картонных дисков, высохших, скорее всего, случайно.
Первым, кто опубликовал это открытие, был Иоганн Вильгельм Риттер в 1802 году, хотя и в малоизвестном журнале, но в течение следующего десятилетия об этом неоднократно объявлялось как о новом открытии. Одной из форм сухой сваи является свая Замбони . Фрэнсис Рональдс в 1814 году был одним из первых, кто осознал, что сухие сваи также работают за счет химической реакции, а не контакта металла с металлом, хотя коррозия не была видна из-за очень малых генерируемых токов. [17] [18]
Сухую кучу можно назвать прародителем современной сухой камеры . [ оригинальное исследование? ]
При действии простого круга, например цинка и меди, возбужденного разбавленной серной кислотой, весь водород, образующийся при гальваническом действии, выделяется на поверхности меди.
