Voltaelement

Schematischer Aufbau einer Voltaschen Säule

Voltasäule

Die Voltasche Säule oder auch Voltasäule ist eine von Alessandro Volta 1799/1800 entwickelte Anordnung, die als Vorläuferin heutiger Batterien im 19. Jahrhundert eine große Bedeutung als Stromquelle hatte. Sie besteht aus vielen übereinander geschichteten Kupfer- und Zinkplättchen, zwischen denen sich in bestimmter regelmäßiger Folge elektrolytgetränkte Papp- oder Lederstücke befinden. Statt Kupfer wurde auch Silber, statt Zink auch Zinn verwendet.

Ein einzelnes Element der Voltaschen Säule wird Voltaelement genannt. Es besteht beispielsweise aus einer Kupferfolie, einer Elektrolytschicht und einer Zinkfolie. Es liefert nur eine geringe Spannung, weshalb in der Säule viele solcher Elemente übereinander gestapelt sind. Dabei ergibt sich die Stapelfolge Kupfer - Elektrolyt - Zink - Kupfer - Elektrolyt - Zink, d.h. Kupfer und Zink wechseln sich ab und der Elektrolyt befindet sich in diesem Beispiel immer zwischen Kupfer und Zink, aber nicht zwischen Zink und Kupfer.

Bedeutung

Die Voltasche Säule kann als eine der bedeutendsten Erfindungen aller Zeiten eingestuft werden, da sie als erste brauchbare kontinuierliche Stromquelle die Erforschung der Elektrizität ermöglichte – lange vor der Erfindung des elektrischen Generators. Damit hat die Voltasche Säule sowohl der Elektrotechnik als auch der Elektronik und vielen weiteren technischen Bereichen, beispielsweise der Galvanik, den Weg bereitet. Ganz besonders wurden intensive Forschungen hinsichtlich der therapeutischen Anwendung des Gleichstromes (galvanischer Strom, Galvanotherapie) unmittelbar nach Bekanntmachung der Galvani-Voltschen Säule von zahlreichen Ärzten durchgeführt, wie z.B. John Wesley, England, Bischoff, C.H.E., Jena-1801 (De Usu Galvanisimi in Arte Medica), Grapengiesser, Martens, Berlin-1803, Golding Bird, London-1840, Duchenne, Paris-1855 oder Remak, Berlin-1858. Die Voltasche Säule war die erste bedeutende Batterie und ermöglichte die Entdeckung der Elektrolyse und damit die erstmalige Herstellung vieler unedler Elemente, insbesondere der Metalle Natrium, Kalium, Barium, Strontium, Calcium und Magnesium durch Humphry Davy in den Jahren 1807 und 1808. Auch die ersten Versuche zur Nachrichtenübermittlung durch die elektrische Telegrafie wurden erst durch die Erfindung Voltas möglich.

Historisches

Eine historische Versuchsanordnung

Am 20. März 1800 schrieb Volta an die Royal Society in London und beschrieb seine Vorrichtung zur Erzeugung von elektrischem Strom.

Funktionsweise

Bei der Voltaschen Säule handelt es sich um eine Reihe von hintereinander geschalteten galvanischen Zellen. Am negativen Pol, der hier Anode ist, da hier die Oxidation stattfindet, geht das unedlere Metall in Lösung: Das Zinkplättchen löst sich auf: Jedes Zinkatom, das als Zinkion in Lösung geht, gibt zwei Elektronen ab; in der Zinkelektrode entsteht so ein Elektronenüberschuss, weshalb sie den negativen Pol bildet. An der positiven Elektrode, der Kathode, da hier die Reduktion stattfindet, sind mehrere Reaktionen möglich. Handelt es sich um Kupferplatten, die nicht poliert wurden, sind sie mit einer Oxidschicht bedeckt. Dann läuft zunächst die Reduktion ab. Diese kann auch erfolgen, wenn das Kupfer aufgrund der Anwesenheit von Luftsauerstoff in Lösung gegangen ist. Die Voltasche Säule funktioniert aber auch, wenn poliertes Kupfer oder Silber als Elektroden verwendet werden, wenn also gar keine Kupfer- oder Silberionen vorhanden sind. Dann wird Sauerstoff aus der Luft am Kupfer oder Silber reduziert: Verwendet man an Stelle eines neutralen Elektrolyten (z. B. Salzwasser) einen sauren (z. B. Essig oder verdünnte Schwefelsäure oder Salzsäure), so werden am Kupfer bzw. Silber Wasserstoffionen reduziert. Die Wasserstoffentwicklung erfolgt nicht nur an der Zinkelektrode, weil Wasserstoff an Zink eine deutlich größere Überspannung hat als an Kupfer oder Silber.