Voltin stub: dan kada je rođena prva prava baterija i kontinuirana struja

Uvod u rađanje moderne ere elektriciteta

Pronalazak Voltinog stuba predstavlja jedan od onih retkih, prelomnih trenutaka u istoriji nauke kada se celokupno razumevanje prirode menja iz korena. Do samog kraja osamnaestog veka, fenomen elektriciteta bio je uglavnom tretiran kao kuriozitet. Naučnici i entuzijasti su se bavili statičkim elektricitetom, stvarajući varnice pomoću mašina sa trenjem i čuvajući kratkotrajne naboje u Lajdenskim bocama. Međutim, statički elektricitet se praznio u deliću sekunde – bio je impresivan za javne demonstracije, ali suštinski neupotrebljiv za bilo kakav kontinuiran rad.

Sve to se promenilo u proleće 1800. godine, kada je italijanski fizičar Alesandro Volta pismom obavestio Kraljevsko društvo u Londonu o svom novom pronalasku, uređaju koji je mogao neprekidno, satima, pa i danima, isporučivati stabilnu električnu struju. Njegov uređaj, nazvan Voltin stub (ital. pila voltaica), oslobodio je elektricitet iz okova kratkotrajnih varnica i pretvorio ga u dinamičku silu kojom se moglo upravljati. Ovaj članak nudi izuzetno detaljan, stručan i sveobuhvatan pregled istorije, principa rada i nezamenljivog nasleđa Voltinog stuba.

Sukob ideja: Galvani protiv Volte

Da bismo razumeli kako je Voltin stub nastao, neophodno je vratiti se deceniju unazad i razumeti čuveni naučni spor između Luiđija Galvanija i Alesandra Volte. Tokom osamdesetih godina 18. veka, Galvani, profesor anatomije na Univerzitetu u Bolonji, eksperimentisao je sa seciranim žabama. Primetio je da se mišići žabljih nogu snažno trzaju kada se dodirnu sa dva različita metala (na primer, skalpelom od čelika i kukom od bakra ili mesinga). Galvani je, oslanjajući se na svoje medicinsko znanje, zaključio da u samom mišiću postoji "životinjski elektricitet" (bioelektricitet) i da metali samo deluju kao provodnici koji prazne taj skriveni biološki naboj.

Volta, tada već ugledni profesor fizike na Univerzitetu u Paviji i stručnjak za elektricitet (izumeo je elektrofor), u početku je bio oduševljen Galvanijevim otkrićem i pokušao je da reprodukuje eksperimente. Međutim, Volta je bio izuzetno precizan eksperimentator i ubrzo je primetio ključan detalj: trzaj se dešavao isključivo kada su u igri bila dva različita metala. Ukoliko bi koristio dva ista metala (npr. gvožđe i gvožđe), žablja noga bi ostala nepomična.

Ovo je Voltu navelo na potpuno drugačiji, revolucionaran zaključak. On je postavio hipotezu da izvor elektriciteta nije u samoj žabi, već u kontaktu između dva različita metala, dok žablji mišić, prepun slanih tečnosti, deluje samo kao izuzetno osetljiv elektroskop – indikator i provodnik te struje. Ovaj zaključak, da se elektricitet generiše neorganskim putem, bio je u direktnoj suprotnosti sa Galvanijevom teorijom i izazvao je žučnu raspravu u naučnim krugovima širom Evrope. Volta je ovaj novi fenomen nazvao "metalni elektricitet" ili kontaktni elektricitet.

Dizajn i konstrukcija prvog Voltinog stuba

U naporu da pojača slab električni naboj koji nastaje pri kontaktu dva različita metala, Volta je osmislio ingeniozno rešenje. Primetio je da ako poređa više takvih metalnih parova, snaga elektriciteta se sabira. Međutim, da bi se efekat sabirao, svaki par morao je biti odvojen provodljivim materijalom koji nije metalni, kako bi se sprečio direktan kratki spoj na način koji bi poništio efekat.

Volta je izabrao diskove cinka (Zn) i bakra (Cu), a u nekim varijantama i srebra. Kao separator, koristio je okrugle komade kartona ili tkanine koje je natapao u slanu vodu (rastvor natrijum-hlorida, NaCl) ili u slabu kiselinu.

Sastav ćelije

Redosled slaganja (od dna prema vrhu) bio je sledeći:

1. Disk bakra
2. Disk cinka
3. Sloj kartona natopljenog slanom vodom
4. Disk bakra
5. Disk cinka
6. Sloj kartona natopljenog slanom vodom

... i tako dalje, desetinama puta.

Jedan par (bakar i cink) odvojen vlažnim kartonom predstavljao je jednu galvansku ćeliju. Volta je ređao desetine ovakvih slojeva jedan na drugi u formi visokog cilindra ili "stuba" (odakle potiče naziv). Što je stub bio viši, to je "šok" (napon) koji je osoba osećala prilikom dodira gornjeg i donjeg kraja bio jači. Ovim je Volta demonstrirao takozvani "zakon tenzije" (napona), pokazujući da se naponi pojedinačnih ćelija u serijskoj vezi sabiraju.

Uporedna tabela: Materijali u originalnom Voltinom stubu

Elektrohemijski principi i šta se zapravo dešavalo

Volta nije u potpunosti razumeo hemijsku prirodu svog pronalaska. On je čvrsto verovao u svoju "teoriju kontakta", po kojoj se elektricitet stvara pukim fizičkim dodirom dva različita metala, dok vlažni karton služi samo kao provodnik. Međutim, ono što je Volta stvorio bila je prava elektrohemijska ćelija u kojoj su se odvijale oksidaciono-redukcione (redoks) reakcije. Prava priroda Voltinog stuba biće objašnjena tek kasnije, trudom naučnika poput Majkla Faradeja.

U Voltinom stubu od cinka, bakra i slane vode, odvijaju se sledeći procesi:

1. Na anodi (cink):

Cink je hemijski aktivniji (reaktivniji) metal. Atomi cinka na površini diska imaju tendenciju da izgube elektrone i pređu u rastvor u obliku pozitivnih jona (oksidacija). $$Zn (s) \rightarrow Zn^{2+} (aq) + 2e^{-}$$ Ovo gomilanje elektrona čini cinkanu pločicu negativnim polom stuba.

1. Na katodi (bakar):

Bakar je plemenitiji (manje reaktivan) i služi kao površina na kojoj se dešava reakcija redukcije. Elektroni putuju kroz spoljašnje kolo od cinka ka bakru. Kada stignu do površine bakra, reaguju sa vodom i kiseonikom iz vlažnog kartona (ili sa vodoničnim jonima ako je korišćena kiselina). U slučaju neutralne slane vode (najčešće kod Volte), dešava se redukcija vode uz formiranje vodonika: $$2H_{2}O (l) + 2e^{-} \rightarrow H_{2} (g) + 2OH^{-} (aq)$$ Ova reakcija apsorbuje elektrone, čineći bakar pozitivnim polom (struja teče spoljašnjim kolom od pozitivnog ka negativnom polu, dok elektroni teku obrnuto).

[!WARNING] Ključni nedostatak Voltinog stuba bio je fenomen polarizacije. Zbog formiranja mehurića vodonika (H2) na površini bakarne elektrode, stvarao se izolacioni sloj gasa. Ovi mehurići su drastično povećavali unutrašnji otpor i smanjivali efektivnu površinu elektrode, što je dovodilo do brzog pada napona nakon što bi se struja zatvorila na duže vreme.

Osim polarizacije, još jedan veliki problem Voltinog stuba bila je težina samih diskova. Kada bi se sagradio veoma visok stub (da bi se dobio visok napon), težina gornjih metalnih slojeva bi stisnula donje slojeve kartona, istiskujući slanu vodu iz njih. Ovo bi isušilo separatore, izazvalo kratke spojeve i curenje elektrolita niz sam stub.

Kako bi rešio problem istiskivanja tečnosti, Volta je dizajnirao varijantu uređaja pod nazivom couronne de tasses (kruna od šolja). U ovom rasporedu, umesto vertikalnog slaganja diskova, Volta je koristio seriju staklenih čaša napunjenih slanom vodom. U svaku čašu je uranjao bakarnu i cinkanu elektrodu, a zatim je spajao cink iz prve čaše sa bakrom iz druge čaše pomoću metalne žice. Ovo je rešilo problem kompresije elektrolita, iako je postrojenje bilo glomaznije. Obe verzije dokazale su postojanje jednosmerne, trajne struje.

Nasleđe i transformacija sveta

Zvanična objava Voltinog pronalaska usledila je kroz njegovo pismo predsedniku britanskog Kraljevskog društva, ser Džozefu Banksu, u pismu datiranom 20. marta 1800. godine. Pismo je pročitano pred Društvom u junu iste godine. Objava je izazvala pravu senzaciju u naučnom svetu i odjeknula brzinom svetlosti.

U roku od samo nekoliko nedelja od objavljivanja Voltinog otkrića, engleski naučnici Vilijam Nikolson i Entoni Karlajl napravili su sopstveni Voltin stub. Igrajući se njime, napravili su epohalno otkriće: iskoristili su struju iz Voltinog stuba da propuste kroz vodu i otkrili da se voda raspada na gasove vodonik i kiseonik. Ovaj proces, poznat kao elektroliza, pokazao je da se elektricitet može koristiti za cepanje hemijskih jedinjenja na njihove osnovne elemente. To je rođenje potpuno nove grane hemije – elektrohemije.

Dalje, ser Hamfri Dejvi je u Kraljevskoj instituciji u Londonu napravio masivnu "bateriju" koristeći na stotine Voltinih ćelija u ogromnim drvenim koritima sa kiselinom. Koristeći ovu ekstremno jaku struju, Dejvi je postao prvi čovek koji je izolovao elemente kao što su natrijum, kalijum, kalcijum, magnezijum, barijum i stroncijum.

U čast Alesandra Volte, jedinica za električni napon i elektromotornu silu u Međunarodnom sistemu jedinica (SI) nazvana je Volt (V) ^[1]. Voltin stub nije samo prvi funkcionalan izvor kontinuirane struje, već je uređaj bez koga se ne mogu zamisliti kasniji pronalasci: od elektromagneta, telegrafa i elektromotora, pa sve do savremene elektronske revolucije. Dokazavši da elektricitet može teći stabilno poput vode u reci, Volta je otvorio vrata za industrijsku eksploataciju električne energije, ostavljajući neizbrisiv trag u ljudskoj istoriji.

--- ## Zaključak

Voltin stub nije savršena baterija po današnjim standardima – on je curio, gubio snagu zbog gasova i imao izuzetno nizak kapacitet. Ipak, on predstavlja prvi, herojski skok čovečanstva ka ovladavanju energijom na zahtev. Svaki pametni telefon, svaki električni automobil i svaka litijum-jonska ćelija danas direktni su potomci tog jednostavnog stupca cinka i bakra nastalog u laboratoriji u Paviji pre više od dva veka.

Reference

• Faraday, M. (1839). Experimental Researches in Electricity. London: Richard Taylor and William Francis.
• Kragh, H. (2000). Confusion and Controversy: Nineteenth-Century Theories of the Voltaic Pile. In: Nuova Voltiana.
• Piccolino, M. (1998). Animal electricity and the birth of electrophysiology: the legacy of Luigi Galvani. Brain Research Bulletin, 46(5), 381-407.