ボルタ電池　The Voltaic Pile: The First Continuous Source of Electric Current

The Voltaic Pile: The First Continuous Source of Electric Current

The field of electricity has a rich history, and one of the most important milestones in its development is the invention of the voltaic pile. The voltaic pile, created by Italian chemist Alessandro Volta in 1799, marked the birth of the first electrical battery capable of continuously providing an electric current to a circuit. This groundbreaking invention revolutionized the study of electricity and paved the way for numerous discoveries in the 19th century.

The voltaic pile came about as a result of a scientific disagreement between Volta and his fellow Italian scientist Luigi Galvani. Galvani had conducted experiments involving frog's legs and had observed that when a circuit of two metals and a frog's leg was connected, the frog's leg would respond. Intrigued by this phenomenon, Volta set out to explore it further and eventually discovered that when two metals, such as copper and zinc, were arranged in a circuit with brine-soaked cloth or cardboard, they produced an electric current. In 1794, Volta demonstrated this phenomenon and laid the foundation for his later invention.

In 1800, Volta took his discovery a step further by stacking several pairs of alternating copper (or silver) and zinc discs, separated by cloth or cardboard soaked in brine, to increase the total electromotive force. By connecting the top and bottom contacts of this stack with a wire, an electric current flowed through the voltaic pile and the connecting wire. This invention, known as the voltaic pile, became the cornerstone of the 19th-century electrical industry, powering various scientific instruments and enabling further breakthroughs.

One significant discovery made possible by the voltaic pile was the electrolysis of water into oxygen and hydrogen. In 1800, William Nicholson and Anthony Carlisle utilized the voltaic pile to achieve this feat. The pile's continuous supply of electric current allowed them to decompose water into its constituent elements, opening up new avenues of study. Additionally, Humphry Davy used the voltaic pile to isolate several chemical elements, including sodium, potassium, calcium, boron, barium, strontium, and magnesium, further expanding our understanding of the periodic table.

The dominance of voltaic piles in the electrical industry continued until the 1870s when the dynamo, the electrical generator, emerged as a more efficient power source. Nevertheless, the impact of Volta's invention was profound and long-lasting.

Volta's work built upon Luigi Galvani's discovery of the response of frog's legs to electrical stimulation, demonstrating that the contact between two metals was the source of electromotive force. However, Volta's piles had a different design from the modern concept. His piles included an extra disc of copper at the top, in contact with the zinc, and an extra disc of zinc at the bottom, in contact with the copper.

The voltaic pile played a significant role in the development of electrochemistry, with researchers such as Humphry Davy and Michael Faraday furthering its applications. Faraday, in particular, believed that all forms of electricity—voltaic, magnetic, thermal, and animal—were fundamentally the same, leading him to propose revolutionary laws of electrochemistry that challenged existing scientific beliefs.

The functioning of a voltaic pile can be understood from a modern perspective. When an external circuit is connected, the zinc anode at the surface of the pile's zinc electrode oxidizes and dissolves into the electrolyte as electrically charged zinc ions. Simultaneously, positively charged hydrogen ions from the electrolyte accept electrons at the copper cathode surface, becoming reduced and forming hydrogen gas. The electrons flow through the external wire, completing the circuit. Although the copper electrode does not participate chemically in the aqueous phase, it acts as a catalyst for the hydrogen-evolution reaction. This overall reaction can be represented as Zn + 2H+ → Zn2+ + H2.

The strength of a voltaic pile is measured by its electromotive force (emf), expressed in volts. Each cell in the pile generates 0.76 V when not supplying current. The voltages of the cells add up, resulting in a total electromotive force.

Over time, scientists sought to understand the source of electricity in the voltaic pile and experimented with variations, leading to the development of dry piles. Dry piles, such as the Zamboni pile, worked through chemical reactions rather than direct metal-to-metal contact. These early dry piles laid the foundation for modern dry cells, such as the batteries we use today.

In conclusion, the voltaic pile, invented by Alessandro Volta, marked a pivotal moment in the history of electricity. Its continuous supply of electric current enabled a series of groundbreaking discoveries in the 19th century. The voltaic pile played a crucial role in the development of electrochemistry and set the stage for the subsequent advancements in electrical technology. Volta's invention remains a testament to the power of scientific curiosity and its ability to shape our understanding of the world.

ボルタ電柱: 最初の連続電流源

電気の分野には豊かな歴史があり、その発展における最も重要なマイルストーンの 1 つは、ボルタパイルの発明です。 1799 年にイタリアの化学者アレッサンドロ ボルタによって作成されたボルタ電池は、回路に電流を継続的に供給できる最初の電池の誕生を示しました。 この画期的な発明は電気の研究に革命をもたらし、19 世紀における数多くの発見への道を開きました。

ボルタ電柱は、ボルタと彼の同僚のイタリア人科学者ルイージ・ガルバーニの間の科学的見解の相違の結果として生まれました。 ガルヴァーニはカエルの足に関する実験を行っており、2つの金属の回路とカエルの足が接続されると、カエルの足が反応することを観察していました。 この現象に興味を持ったボルタ氏はさらに調査を開始し、最終的に銅や亜鉛などの 2 つの金属を塩水に浸した布やボール紙で回路に配置すると電流が発生することを発見しました。 1794 年、ボルタはこの現象を実証し、後の発明の基礎を築きました。

1800 年、ヴォルタは発見をさらに一歩進め、銅 (または銀) と亜鉛のディスクを交互に数対積み重ね、塩水に浸した布またはボール紙で隔て、総起電力を増加させました。 このスタックの上下の接点を電線で接続すると、ボルテージパイルと接続線に電流が流れます。 ボルタ電杭として知られるこの発明は、19 世紀の電気産業の基礎となり、さまざまな科学機器に動力を供給し、さらなる進歩を可能にしました。

ボルタパイルによって可能になった重要な発見の 1 つは、水を酸素と水素に電気分解することでした。 1800 年、ウィリアム ニコルソンとアンソニー カーライルは、ボルタ電杭を利用してこの偉業を達成しました。 杭から継続的に電流が供給されることで、水をその構成要素に分解することができ、新たな研究の道が開かれました。 さらに、ハンフリー・デイビーは、ボルタ電杭を使用して、ナトリウム、カリウム、カルシウム、ホウ素、バリウム、ストロンチウム、マグネシウムなどのいくつかの化学元素を分離し、周期表についての理解をさらに深めました。

電気産業における電圧杭の優位性は、より効率的な電源としてダイナモ、つまり発電機が登場する 1870 年代まで続きました。 それにもかかわらず、ボルタの発明の影響は大きく、長く続きました。

ボルタの研究は、電気刺激に対するカエルの足の反応に関するルイージ ガルヴァーニの発見に基づいており、2 つの金属間の接触が起電力の源であることを実証しました。 しかし、ボルタの杭は現代の概念とは異なるデザインでした。 彼の杭には、上部に亜鉛と接触する追加の銅のディスクと、銅と接触する下部に追加の亜鉛のディスクが含まれていました。

ボルタ電杭は電気化学の発展において重要な役割を果たし、ハンフリー・デイビーやマイケル・ファラデーなどの研究者がその応用を進めました。 特にファラデーは、すべての電気形態（電圧、磁気、熱、動物）は基本的に同じであると信じており、既存の科学的信念に異議を唱える電気化学の革命的な法則を提案するに至りました。

ボルタパイルの機能は現代の観点から理解できます。 外部回路が接続されると、パイルの亜鉛電極表面の亜鉛アノードが酸化し、帯電した亜鉛イオンとして電解液に溶解します。 同時に、電解質からの正に帯電した水素イオンが銅の陰極表面で電子を受け取り、還元されて水素ガスを形成します。 電子は外部配線を通って流れ、回路が完成します。 銅電極は水相に化学的に関与しませんが、水素発生反応の触媒として機能します。 この全体的な反応は、Zn + 2H+ → Zn2+ + H2 として表すことができます。

ボルタパイルの強度は、ボルトで表される起電力 (emf) によって測定されます。 電流を供給していない場合、パイル内の各セルは 0.76 V を生成します。 セルの電圧が加算され、合計起電力が生じます。

時間が経つにつれ、科学者たちはボルタパイルの電力源を理解しようとさまざまなバリエーションを実験し、乾式パイルの開発につながりました。 ザンボーニ杭などの乾式杭は、金属同士が直接接触するのではなく、化学反応によって機能します。 これらの初期の乾式杭は、今日私たちが使用している電池など、現代の乾電池の基礎を築きました。

結論として、アレッサンドロ ボルタによって発明されたボルタ電池は、電気の歴史において極めて重要な瞬間を画しました。 継続的に電流が供給されるため、19 世紀には一連の画期的な発見が可能になりました。 ボルタ電柱は電気化学の発展において重要な役割を果たし、その後の電気技術の進歩の舞台を整えました。 ボルタの発明は、科学的好奇心の力と、世界に対する私たちの理解を形作るその能力の証しとなっています。