Вольтов столб был первой электрической батареей , которая могла непрерывно обеспечивать электрический ток в цепи. [1] Он был изобретен итальянским химиком Алессандро Вольтой , который опубликовал свои эксперименты в 1799 году. [2] Его изобретение можно проследить до спора между Вольтой и Луиджи Гальвани , коллегой Вольты итальянским ученым, который проводил эксперименты на лягушачьих лапках. [3] Использование вольтова столба позволило быстро сделать ряд других открытий, включая электрическое разложение ( электролиз ) воды на кислород и водород Уильямом Николсоном и Энтони Карлайлом (1800), а также открытие или выделение химических элементов натрия (1807), калия (1807), кальция (1808), бора (1808), бария (1808), стронция (1808) и магния (1808) Хэмфри Дэви . [4] [5]
Вся электротехническая промышленность 19-го века работала на батареях, родственных батареям Вольта (например, элемент Даниэля и элемент Гроува ), вплоть до появления динамо-машины (электрического генератора) в 1870-х годах. [6]
Изобретение Вольты было основано на открытии Луиджи Гальвани 1780-х годов, что цепь из двух металлов и лапки лягушки может вызвать реакцию лапки лягушки. [1] В 1794 году Вольта продемонстрировал, что когда два металла и пропитанная рассолом ткань или картон расположены в цепи, они также производят электрический ток. В 1800 году Вольта сложил несколько пар чередующихся медных (или серебряных ) и цинковых дисков ( электродов ), разделенных тканью или картоном, пропитанными рассолом, что увеличило общую электродвижущую силу. [7] Когда верхний и нижний контакты были соединены проводом, электрический ток протекал через вольтов столб и соединительный провод. Вольтов столб, вместе со многими научными приборами, принадлежавшими Алессандро Вольте , хранятся в Музее истории университета Павии , где Вольта преподавал с 1778 по 1819 год. [8]
Вольтов столб был создан в 1800 году Алессандро Вольта и стал первой «настоящей» батареей, которая давала непрерывный заряд. [3]
20 марта 1800 года Алессандро Вольта написал в Лондонское Королевское общество, чтобы описать технику получения электрического тока с помощью своего устройства. [9] Узнав о вольтовом столбе, Уильям Николсон и Энтони Карлайл использовали его для открытия электролиза воды. Гемфри Дэви показал, что электродвижущая сила , которая движет электрический ток через цепь, содержащую один гальванический элемент, была вызвана химической реакцией, а не разницей напряжений между двумя металлами. Он также использовал вольтов столб для разложения химикатов и получения новых химикатов. Уильям Хайд Волластон показал, что электричество от вольтовых столбов имеет идентичные эффекты с электричеством, производимым трением . В 1802 году Василий Петров использовал вольтовы столбы для открытия и исследования эффектов электрической дуги .
Хамфри Дэви и Эндрю Кросс были среди первых, кто разработал большие вольтовы столбы. [10] Дэви использовал столб из 2000 пар, изготовленный для Королевского института в 1808 году, чтобы продемонстрировать разряд угольной дуги [11] и выделить пять новых элементов: барий, кальций, бор, стронций и магний. [12]
Поскольку Вольта считал, что электродвижущая сила возникает при контакте двух металлов, столбы Вольты имели иную конструкцию, чем современная конструкция, проиллюстрированная на этой странице. Его столбы имели один дополнительный диск меди наверху, контактирующий с цинком, и один дополнительный диск цинка внизу, контактирующий с медью. [13] Развивая работу Вольты и работу своего наставника Гемфри Дэви по электромагнетизму , Майкл Фарадей использовал как магниты, так и столб Вольта в своих экспериментах с электричеством. Фарадей считал, что все «электричества», изучавшиеся в то время (вольтаическое, 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 убеждениями того времени, изложенными Вольтой тридцатью годами ранее. [14] Благодаря их вкладу в понимание этой области исследований, Фарадей и Вольта оба считаются одними из отцов электрохимии . [15] Слова «электрод» и «электролит», использованные выше для описания работы Вольта, принадлежат Фарадею. [16]
Сила столба выражается через его электродвижущую силу , или ЭДС, заданную в вольтах. Теория контактного напряжения Алессандро Вольты считала, что ЭДС, которая движет электрический ток через цепь, содержащую гальванический элемент, возникает при контакте между двумя металлами. Вольта не считал электролит, который обычно представлял собой рассол в его экспериментах, существенным. Однако химики вскоре поняли, что вода в электролите участвует в химических реакциях столба и приводит к выделению газообразного водорода из медного или серебряного электрода. [4] [17] [18] [19]
Современное атомистическое понимание ячейки с цинковыми и медными электродами, разделенными электролитом, следующее. Когда ячейка обеспечивает 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 . При попадании цинка в электролит два положительно заряженных иона водорода (H + ) из электролита принимают два электрона на поверхности медного катода, восстанавливаются и образуют незаряженную молекулу водорода (H2 ) :
Эта реакция называется восстановлением . Электроны, используемые медью для образования молекул водорода, производятся внешним проводом или цепью, которая соединяет ее с цинком. Молекулы водорода, образованные на поверхности меди в результате реакции восстановления, в конечном итоге пузырятся 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 как «химически инертный» благородный металлический проводник для переноса электронов в цепи и химически не участвует в реакции в водной фазе. Медь действует как катализатор для 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 можно заменить в системе любым достаточно благородным/инертным и каталитически активным металлическим проводником (Ag, Pt, нержавеющая сталь, графит, ...). Глобальная реакция может быть записана следующим образом:
Это удобно стилизовать с помощью обозначения электрохимической цепи:
в котором вертикальная черта каждый раз представляет интерфейс. Двойная вертикальная черта представляет интерфейсы, соответствующие электролиту, пропитывающему пористый картонный диск.
Когда ток не поступает из кучи, каждая ячейка, состоящая из цинка/электролита/меди, генерирует 0,76 В с рассолом-электролитом. Напряжения ячеек в куче складываются, поэтому шесть ячеек на схеме выше генерируют 4,56 В электродвижущей силы.
В период с 1800 по 1830 годы было изобретено несколько высоковольтных сухих столбов в попытке определить источник электричества мокрого вольтова столба, и в частности, чтобы подтвердить гипотезу Вольты о контактном напряжении. Действительно, сам Вольта экспериментировал с столбом, картонные диски которого высохли, скорее всего, случайно.
Первым, кто опубликовал открытие сухой сваи, производящей ток, был Иоганн Вильгельм Риттер в 1802 году, хотя и в малоизвестном журнале; в течение следующего десятилетия об этом неоднократно объявляли как о новом открытии. Одной из форм сухой сваи является свая Замбони . Фрэнсис Рональдс в 1814 году был одним из первых, кто понял, что сухие сваи также работают посредством химической реакции, а не контакта металла с металлом, хотя коррозия не была видна из-за очень малых генерируемых токов. [20] [21]
Сухую батарею можно назвать предком современной сухой батареи . [ оригинальное исследование? ]
Во время действия простого круга, например, цинка и меди, возбужденных разбавленной серной кислотой, весь водород, образовавшийся в гальваническом действии, выделяется на поверхности меди.
