Stos Volty lub ogniwo galwaniczne


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".

Pierwszy stos VoltyStos Volty         wykonany z monet Foto 2 Stos 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 ?).



Zegar na ziemniaka i cebulę

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.

Kwaśna temperówka

Foto 5 Kwaśna temperówka - korpus z duraluminium a ostrze ze stali nierdzewnej, oddzielone bibułą nawilżoną śliną daje napięcie 1.08 V