W 1791 roku, Luigi
Galvani, lekarz z zawodu, zauważył, że
mięśnie martwej żaby kurczą się, jeśli znajdują się między dwoma różnymi
metalami, np. cynowym talerzem i srebrnym nożem. Galvani wykonał szereg
doświadczeń na spreparowanych mięśniach
żab pozostając w mniemaniu, że natura
"elektryczności jest biologiczna, nie fizyczna". Eksperymenty doktora
pobudziły ciekawość jego rodaka Aleksandra Volty, który w konsekwencji
zbudował "stos".
Foto 2Stos
Volty: po prawej - replika oryginalnego (foto G. Karwasz), po lewej - z monet, np. 20 i 5 gr.,
przekładanych bibułą nawilżoną w słonej wodzie (20gr - 5gr - bibuła - 20gr
- 5gr itd.). Świeże monety, dobre kontakty i duży opór wewnętrzny użytego
miernika pozwalają na odczyt napięcia 4,5 V z 20 par monet.
Oryginalne ogniwo
Volty - to pionowa kolumna monet dwóch
rodzajów, ułożonych na przemian i oddzielonych (co druga) papierem
nawilżonym w słonej wodzie, aż do stu takich par. Na wystawie w Paryżu w
1800 roku Volta pokazał zarówno stos, jak i ciąg ogniw z dwoma płytkami
zanurzonymi w kwasie (foto 2). Volta pisał "W przypadku dwóch różnych metali
możliwe jest, że jeden z nich absorbuje płyn elektryczny z ciała mokrego a
drugi oddaje, powodując w ten sposób stan nierównowagi, czyli przepływ
prądu".
Ogniwo Volty (czy też Galvaniego) jest bardziej urządzeniem chemicznym niż fizycznym: transport ładunku elektrycznego odbywa się za pośrednictwem reakcji chemicznych: redukcji (w terminologii fizycznej "przyłączanie elektronów") lub utleniania ("oddawania elektronów"). Na przykład w trakcie pracy ogniwa Zn/Cu atomy cynku z elektrody ujemnej przechodzą do roztworu a jony miedzi wytrącają się na elektrodzie dodatniej. Tzw. potencjały elektrochemiczne są cechą charakterystyczną metalu - a właściwie jonu w określonym roztworze. Dla przykładu, redukcja jednowartościowej miedzi Cu+ + e - Cu ma potencjał elektrochemiczny +0,521 V a miedzi dwuwartościowej Cu2+ + 2e - Cu ma potencjał +0,342 V. Potencjał tej samej reakcji, ale w roztworze rtęci (amalganacie) jest nieco inny, +0,345 V. Potencjał zależy też np. od typu fazy krystalicznej, np. potencjał reakcji tworzenia się gazu zwanego fosfiną (trującego, powstającego m.in. w trakcie gnicia śmieci) : P + 3H+ + 3e - PH3 wynosi -0.11V dla fosforu czerwonego, natomiast -0,06V dla fosforu białego.
Do ilustracji zasady działania ogniwa Volty wystarczy
stosik 20 i 5 groszowych monet oraz bibuła nasączona słoną wodą
(foto 2), dwie jakiekolwiek płytki z różnych metali połączone przez
ciało człowieka (foto 3), przez ziemię w doniczce z kwiatami, pomidor lub
ziemniak (foto 4). Napięcie "voltaiczne" jest też przyczyną "kwaśnego"
smaku metalowej temperówki: napięcie między aluminiowym korpusem a
stalowym ostrzem, używając np. śliny jako elektrolitu, wynosi aż 1,08 V (foto 5).
Foto 3
Zestaw do badania "potencjału intelektualnego" uczniów: dwie
kolumny płytek z różnych metali (stal, aluminium, miedz, blacha
ocynkowana) i woltomierz. Płytki z obu kolumn są podłączone (przewodami
pod deską) do dwóch biegunów miernika. Układ pozwala na ciekawe
doświadczenia interakcyjne: jak mierzone napięcie zależy od rodzaju pytek,
stanu ich powierzchni, czy wreszcie od stopnia przygotowania ucznia do
odpowiedzi (wilgotności dłoni ?).
Foto 4 Zegar na warzywa. Zamiast cebuli i ziemniaka można użyć doniczki
z kwiatami, cytryny, pomidora, ogórka lub jakiegokolwiek innego
elektrolitu organicznego lub nieorganicznego - foto PAP Słupsk.
Elektrody wykonane są z miedzi i aluminium.
Foto 5 Kwaśna temperówka - korpus z
duraluminium a ostrze ze stali nierdzewnej, oddzielone bibułą nawilżoną
śliną daje napięcie 1.08 V