Prinzip der Voltasche Säule
Die erste elektrische Batterie erzeugte Gleichstrom durch die Übereinanderlagerung von Paaren unterschiedlicher Metallscheiben (z. B. Zink und Kupfer), die durch ein mit Salzlake getränktes Tuch getrennt waren. Jedes Paar bildete eine galvanische Zelle, und die Reihenschaltung erhöhte die Gesamtspannung. Diese Anordnung demonstrierte die erste kontinuierliche Umwandlung chemischer Energie in elektrische Energie und ebnete den Weg für die moderne Elektrochemie.
Die Voltasche Säule basiert auf dem Grundprinzip der elektrochemischen Spannungsreihe. Werden zwei Metalle, wie Zink und Kupfer, durch einen Elektrolyten (in diesem Fall salzgetränktes Papier) miteinander verbunden, kommt es zu einer elektrochemischen Reaktion. Zink ist reaktiver und oxidiert leicht, wobei Elektronen abgegeben werden und Zinkionen entstehen, die sich im Elektrolyten auflösen. Diese Elektronen wandern über den äußeren Metallpfad zur Kupferscheibe. An der Kupferoberfläche findet eine Reduktionsreaktion statt; typischerweise nehmen Wasserstoffionen aus dem Wasser im Elektrolyt die Elektronen auf und bilden Wasserstoffgas. Dieser Elektronenfluss erzeugt einen elektrischen Strom.
Jedes Zink-Kupfer-Paar, getrennt durch den Elektrolyten, bildet eine einzelne „Zelle“, die eine geringe Spannung (etwa 0,76 Volt) erzeugt. Voltas geniale Konstruktion bestand darin, diese Zellen in Reihe zu schalten. Durch die Anordnung übereinander (Kupfer, Zink, mit Salzlösung getränktes Tuch, Kupfer, Zink usw.) addieren sich die Spannungen der einzelnen Zellen. Ein Stapel von 20 Zellen konnte etwa 15 Volt erzeugen. Dies war die erste Vorrichtung, die im Gegensatz zu den statischen Entladungen der Leidener Flasche eine stetige, kontinuierliche elektrische Stromquelle bereitstellte.
Die Voltasche Säule hatte jedoch erhebliche Einschränkungen. Das an der Kupferelektrode entstehende Wasserstoffgas bildete eine Blasenschicht, die die Elektrode vom Elektrolyten isolierte. Dieses als Polarisation bekannte Phänomen erhöhte den Innenwiderstand schnell und führte zu einem Spannungsabfall. Darüber hinaus konnte der Elektrolyt austreten und verdampfen, und es konnten lokale Kurzschlüsse auftreten, was die praktische Lebensdauer verkürzte.
UNESCO Nomenclature: 2203
- Elektrochemie
Vorläufer
- Luigi Galvanis Entdeckung der „tierischen Elektrizität“ in Froschschenkeln
- Erfindung der Leidener Flasche zur Speicherung statischer Ladung
- Verständnis von elektrischen Leitern und Isolatoren
- Das Konzept der elektrochemischen Spannungsreihe der Metalle
Anwendungen
- frühe Elektrolyse-Experimente (z. B. Zersetzung von Wasser)
- Stromquelle für die ersten elektrischen Telegrafen
- Galvanisieren
- Lichtbogenbeleuchtungsvorführungen
Potenzielle Innovationsideen
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Verwandt mit: Voltasche Säule, Alessandro Volta, Batterie, Gleichstrom, galvanische Zelle, Elektrochemie, Zink, Kupfer.