ηλεκτρική στήλη

Σύστημα που μετατρέπει τη χημική, θερμική ή ηλεκτρομαγνητική ενέργεια σε ηλεκτρική. Την πρώτη στήλη εφηύρε ο Αλεσάντρο Βόλτα (1800) ύστερα από έρευνες πάνω σε μέταλλα, προς τις οποίες παρακινήθηκε από τις παρατηρήσεις του Γκαλβάνι (1780). Ο Βόλτα βρήκε ότι όταν δύο διαφορετικά μέταλλα εφάπτονται, παρουσιάζουν μια διαφορά δυναμικού (δ.δ.). Θεμελιώδης υπήρξε η παρατήρηση του Βόλτα, ότι παρεμβάλλοντας ένα αραιό διάλυμα άλατος ή οξέος μεταξύ δύο στοιχείων της σειράς αυξανόταν η δ.δ. στα άκρα της. Με βάση αυτές τις παρατηρήσεις, o Βόλτα κατασκεύασε την πρώτη στήλη με ζεύγη δίσκων ψευδαργύρου-χαλκού, τους οποίους τοποθέτησε τον έναν πάνω στον άλλο, παρεμβάλλοντας μικρούς δίσκους από ύφασμα τους οποίους είχε εμποτίσει σε όξινο διάλυμα. Με τις συνθήκες αυτές, η δ.δ. που προέκυπτε ήταν το άθροισμα των δ.δ. όλων των ζευγών που σχημάτιζαν τη στήλη. Στη συνέχεια ο Βόλτα τελειοποίησε τη στήλη κατασκευάζοντας ιδιαίτερα στοιχεία, το καθένα από τα οποία αποτελείτο από ένα δοχείο που περιείχε το διάλυμα και μέσα στο οποίο βύθισε δύο ηλεκτρόδια σε απόσταση μεταξύ τους, σε σχήμα ελάσματος, το ένα από χαλκό και το άλλο από ψευδάργυρο. Τα ηλεκτρόδια κάθε στοιχείου μπορούν να συνδεθούν με άλλα άλλου στοιχείου, τόσο σε σειρά όσο και παράλληλα. To διάλυμα που ο Βόλτα ονόμαζε αγωγό δεύτερης τάξης και στο οποίο απέδιδε την απλή αποστολή διαχωρισμού των ηλεκτροδίων, που απέτρεπε την εξουδετέρωση των ενδιάμεσων δυναμικών, έχει στην πραγματικότητα μια ουσιώδη λειτουργία. Πράγματι, όταν συνδεθούν τα ηλεκτρόδια σε ένα κύκλωμα όπου μπορεί να κυκλοφορήσει ρεύμα, στο διάλυμα εκδηλώνονται μετακινήσεις των ιόντων με βάση αντιδράσεις οξείδωσης-αναγωγής, που παράγουν στα ηλεκτρόδια χημικές αντιδράσεις (βλ. λ. ηλεκτροχημεία), με απελευθέρωση ενέργειας η οποία –με το να μετασχηματίζεται σε ηλεκτρική ενέργεια– χρησιμοποιείται στο εξωτερικό κύκλωμα. Στη στήλη του Βόλτα π.χ., που αποτελείται από ένα ηλεκτρόδιο ψευδαργύρου και από ένα ηλεκτρόδιο χαλκού βυθισμένα σε ένα διάλυμα θειικού οξέος, υπάρχουν βασικά δύο ομάδες αντιδράσεων. Από τη μία το ηλεκτρόδιο του ψευδαργύρου (άνοδος) παράγει στο διάλυμα ιόντα ψευδαργύρου, που ενώνονται με τα ιόντα του θειικού άλατος για να σχηματίσουν θειικό ψευδάργυρο· κατά την αντίδραση αυτή παραμένει πάνω στο ηλεκτρόδιο του ψευδαργύρου ένα περίσσευμα ηλεκτρονίων (αρνητικά φορτία). Από την άλλη, στο ηλεκτρόδιο του χαλκού (κάθοδος) έχουμε παραγωγή υδρογόνου. Η παραγωγή αυτή είναι δυνατή εφόσον το περίσσευμα των αρνητικών φορτίων πάνω στο ηλεκτρόδιο του ψευδαργύρου μεταφέρεται προς το ηλεκτρόδιο του χαλκού μέσα από το εξωτερικό κύκλωμα, εξουδετερώνοντας τα θετικά φορτία των ιόντων του υδρογόνου, που με αυτό τον τρόπο μετατρέπονται σε ουδέτερα άτομα. Η στήλη παράγει ρεύμα όσο υπάρχουν ιόντα υδρογόνου στο διάλυμα. Όταν έχει παραχθεί όλο το υδρογόνο πάνω στο ηλεκτρόδιο του χαλκού, αρχίζει η επικάθηση του ψευδαργύρου. Στο σημείο αυτό η επιφάνεια των δύο ηλεκτροδίων αρχίζει να καλύπτεται από το ίδιο μέταλλο, η δ.δ. μηδενίζεται και το στοιχείο παύει να παρέχει ρεύμα. Η ανάπτυξη αερίου σε ένα από τα ηλεκτρόδια προκαλεί ένα φαινόμενο το οποίο λέγεται πόλωση του στοιχείου και οφείλεται στον σχηματισμό πάνω σε αυτό ενός στρώματος αερίου με τη μορφή λεπτότατων φυσαλίδων που καταργεί τη δ.δ. μεταξύ ηλεκτροδίου και διαλύματος. Για να επανορθωθεί το μειονέκτημα αυτό, έχουν επινοηθεί διάφορα στοιχεία με αποπολωτικές ουσίες που βασίζονται στην αρχή του Μπεκερέλ, «των δύο υγρών», σύμφωνα με την οποία το ένα ηλεκτρόδιο έπρεπε να είναι βυθισμένο σε ένα όξινο διάλυμα και το άλλο σε ένα διάλυμα του ίδιου με το ηλεκτρόδιο άλατος (ή οποιουδήποτε που να μην επέτρεπε την ανάπτυξη του αερίου, επομένως αποπολωτικού) το οποίο θα χωριζόταν από το πρώτο με ένα πορώδες διάφραγμα. Οι ξηρές στήλες διαφέρουν από τις προηγούμενες μόνο στο ότι o ηλεκτρολύτης έχει μετατραπεί σε πολτώδη μάζα που συγκρατείται μέσα σε ένα στεγανό περίβλημα, με τρόπο ώστε να εμποδίζεται οποιαδήποτε εξάτμιση. Μια παραλλαγή της στήλης είναι ο συσσωρευτής. Άλλες στήλες, εκτός από εκείνες που περιγράφηκαν και οι οποίες ονομάζονται ηλεκτρικές ή βολταϊκές, είναι οι θερμοηλεκτρικές στήλες (βλ. λ. θερμοηλεκτρικό ζεύγος) και οι φωτοηλεκτρικές (βλ. λ. φωτοηλεκτρισμός) οι οποίες δεν εκμεταλλεύονται χημική ενέργεια για να δώσουν αρχή σε ηλεκτρικό ρεύμα, αλλά θερμική και φωτεινή ενέργεια αντίστοιχα. Η στήλη του Βόλτα σχηματίζεται από επαλληλία ζευγών δίσκων χαλκού-ψευδαργύρου, μεταξύ των οποίων παρεμβάλλεται ύφασμα εμποτισμένο σε οξινισμένο νερό.