Heute in der Wissenschafts- und Technologiegeschichte | 20. März 1800 Der Wissenschaftler Volta erfand die erste Batterie der Menschheitsgeschichte

Zu den Eigenschaften eines großen Wissenschaftlers gehört seine Sensibilität für ungewöhnliche Phänomene und seine Beharrlichkeit, niemals loszulassen. Im Jahr 1786 berührte der italienische Biologe Galvani versehentlich mit einem chirurgischen Skalpell den freiliegenden Nerv an einem sezierten Froschschenkel. Überraschenderweise begann das Froschschenkel sofort heftig zu zucken. Später ließ sich sein Freund, der italienische Physiker Volta, von Galvanis Froschschenkelexperiment inspirieren und erfand die erste Batterie der Menschheitsgeschichte – die Voltasche Säule.

Am 20. März 1800 schickte Volta ein Manuskript mit der Beschreibung seiner Erfindung an die Royal Society of London. Die Voltasche Säule ist der Leidener Flasche insofern überlegen, als dass die Metalldrähte an beiden Enden der Säule verbunden werden können, um einen Dauerstrom zu erzeugen. Es war der Prototyp der modernen Batterie, die wir heute weithin verwenden. Mit der Erfindung der Voltasche Säule gelang es den Menschen erstmals, einen relativ stabilen elektrischen Strom zu erzeugen, was die Voraussetzungen für weitere Untersuchungen schuf und die Elektroforschung in das moderne Stadium der quantitativen Forschung brachte.

Galvani entdeckte die Bioelektrizität

Eines Tages im Jahr 1786 sezierte Galvani sorgfältig einen Frosch. Er war voll konzentriert und gewissenhaft. Er benutzte zunächst das Skalpell in seiner Hand, um die Bauchmuskeln des Frosches präzise durchzuschneiden, und suchte dann vorsichtig nach den Nerven der unteren Gliedmaßen des Frosches, um sie zu untersuchen. Als er einen anderen Frosch sezierte, war in der Nähe ein Generator in Betrieb und das Skalpell berührte ihn versehentlich. Als er die Nerven des Frosches erneut sezieren wollte, trat ein Phänomen auf, das er noch nie zuvor gesehen hatte: Die Beinmuskeln des Frosches begannen merklich zu zucken.

Dieses Phänomen weckte bei Galvani großes Interesse. Er dachte zunächst, dass der Frosch, der eben noch gesund und munter gewesen war, noch nicht ganz tot sei. Später entdeckte er schließlich den unvermeidlichen Zusammenhang zwischen dem Generator, dem Skalpell und den Nervenzuckungen des Frosches. Er beschloss zu testen, ob Elektrizität in der Luft die gleichen Reaktionen der Froschschenkel hervorrufen würde. Galvani verband ein Ende des Froschschenkelnervs mit einem isolierten Metallstab mit einem Draht, platzierte den Metallstab auf dem Dach und erdete das andere Ende des Froschschenkelnervs. Er stellte fest, dass das Bein des Frosches bei Gewittern von Zeit zu Zeit zuckte.

Als nächstes führte Galvani ein weiteres Experiment durch. Als er den Messinghaken mit dem Froschschenkelnerv auf die Eisenstange legte, begannen die Muskeln des Frosches zu zucken, und dieses Phänomen trat sogar an sonnigen Tagen auf. Schließlich berührte er mit zwei verschiedenen Metallen jeweils die Muskeln und Nerven des toten Frosches und verband die beiden Metalle miteinander, woraufhin die Muskeln zu zucken und zu zittern begannen.

Diese Phänomene hätten Galvani klar machen müssen, dass das Zucken des Frosches von einem externen elektrischen Strom herrührte. Galvani hingegen, der sich schon immer für die Erforschung bioelektrischer Phänomene interessierte, glaubte, dass die Bioelektrizität der Frösche einen Kreislauf mit der Außenwelt bildet. Galvani schlussfolgerte daher, dass elektrische Energie von lebenden Muskeln stammt. Die beiden Metalle mit unterschiedlichen Eigenschaften bildeten einen Stromkreis zwischen den Nerven und Muskeln des Frosches und er nannte diese Elektrizität „Bioelektrizität“.

◆Volta erfand die erste Batterie der Menschheitsgeschichte

Im Jahr 1799, als Volta 45 Jahre alt wurde, beschloss er unter dem Einfluss von Galvani, seine Forschungen zur „Bioelektrizität“ fortzusetzen.

Volta legte einen metallischen Zinkring auf einen Kupferring, drückte ihn mit einem in Salzwasser getränkten Stück Papier oder Wollring fest und legte dann einen weiteren Zinkring und einen Kupferring darauf. Er wiederholte diesen Vorgang, bis 10, 20 oder 30 Ringe zu einer Säule gestapelt waren, die einen deutlichen elektrischen Strom erzeugte. Dies ist das, was spätere Generationen die Voltasche Säule nannten.

Je höher die Säulen gestapelt sind, desto stärker ist die Strömung. Es stellt sich heraus, dass Volta durch Experimente eine erstaunliche Theorie der Potentialdifferenz aufgestellt hat: Wenn verschiedene Metalle in Kontakt kommen, erscheinen auf den Oberflächen entgegengesetzte Ladungen, das heißt, es entsteht Spannung. Er fand auch eine solche Reihenfolge: Aluminium, Zink, Zinn, Cadmium, Antimon, Wismut, Quecksilber, Eisen, Kupfer, Silber, Gold, Platin und Palladium. Wenn ein beliebiges Metall in dieser Reihe mit dem dahinterliegenden Metall in Kontakt kommt, ist das vordere immer positiv und das hintere negativ geladen. Dies war die weltweit erste Tabelle elektrischer Elemente. Solange eine Potenzialdifferenz, also Spannung, besteht, fließt Strom. Auf diese Weise ging das Verständnis der Menschen für Elektrizität plötzlich über den Bereich der statischen Elektrizität hinaus. Es ging nicht mehr um die Elektrizität auf reibendem Fell, die Elektrizität bei Gewittern, die Elektrizität in Leidener Flaschen oder einfach nur um die Elektrizität bei Tieren, sondern um die Fähigkeit, den „Fluss der Elektrizität“ zu kontrollieren.

Am 20. März 1800 verkündete Volta offiziell der Öffentlichkeit: Elektrische Ladungen fließen in Leitungen wie Wasser von Bereichen mit hoher Spannung zu Bereichen mit niedriger Spannung und erzeugen dabei elektrischen Strom, also einen Potenzialunterschied. Zu diesem Zweck verfasste er eine Abhandlung mit dem Titel „Über die durch den Kontakt ungleicher metallischer Werkstoffe hervorgerufene Elektrizität“ und schickte sie an die Royal Society of London. Unglücklicherweise wurde es von Nicholson, der damals als Sekretär für den Papierkram der Royal Society zuständig war, absichtlich auf Eis gelegt. Später veröffentlichte Volta es unter seinem eigenen Namen, was schließlich dazu führte, dass Nicholsons Plagiat von der akademischen Gemeinschaft verurteilt wurde.

Am 20. November desselben Jahres bestellte der französische Kaiser Napoleon Volta nach Paris, um sich das Batterieexperiment persönlich anzusehen. Napoleon war so aufgeregt, dass er sofort französische Wissenschaftler mit der Einrichtung eines Sonderausschusses zur Durchführung groß angelegter Experimente zu diesem Thema beauftragte und Volta mit einer Prämie von 6.000 Francs und einer Medaille belohnte. Er gab auch eine Gedenkgoldmünze heraus, die hauptsächlich das Bildnis Voltas zeigte.

◆Der Weg der wissenschaftlichen Gemeinschaft zur Batterieforschung und -entwicklung

Mit der Erfindung der Voltaschen Säule begann in der Wissenschaftsgemeinde der Weg in die Batterieforschung und -entwicklung.

Die Voltaschen Säule kann als erste Batterie der Menschheit angesehen werden. Im Jahr 1836 verbesserte der britische Wissenschaftler Daniel die „Voltasche Säule“: Er verwendete verdünnte Schwefelsäure als Elektrolyt, löste das Problem der Batteriepolarisation und schuf die erste Zink-Kupfer-Batterie, die einen ausgeglichenen Strom aufrechterhalten konnte. Da diese Batterie wiederaufladbar und mehrfach verwendbar ist, wird sie als „Akkumulator“ bezeichnet.

Im Jahr 1887 erfand der Brite Helleson die erste Trockenbatterie. Der Elektrolyt lag in Pastenform vor, war lecksicher und leicht zu transportieren, sodass er weite Verbreitung fand.

Im Jahr 1890 erfand Edison die wiederaufladbare Eisen-Nickel-Trockenbatterie, die die Erfindung der Batterie auf eine neue Stufe brachte.

Mit der Entwicklung von Wissenschaft und Technologie haben sich Trockenbatterien zu einer großen Familie entwickelt. Bisher gibt es mehr als 100 Typen, wie etwa Zink-Mangan-Trockenbatterien, alkalische Zink-Mangan-Trockenbatterien, Magnesium-Mangan-Trockenbatterien, Zink-Luft-Batterien, Zink-Quecksilberoxid-Batterien, Zink-Silberoxid-Batterien, Lithium-Mangan-Batterien usw. Diese Trockenbatterien sind eigentlich verbesserte Versionen der Voltaschen Säule: Ammoniumchloridpaste ersetzt das ursprüngliche Salzwasser, Graphitstäbe ersetzen die ursprünglichen Kupferplatten als positive Elektrode und die Außenhülle verwendet weiterhin Zinkblech als negative Elektrode der Batterie.

Bis in seine späten Jahre sagte Volta immer wieder: „Ohne Galvanis Froschexperiment hätte es nie Voltaischen Strom gegeben. Wenn man Voltaischen Strom verwendet, sollte man zuerst an Galvani denken. Es war sein Froschexperiment, das mir wie ein Blitz die Tür zu meiner Intelligenz öffnete.“