ダニエル細胞とは？

ダニエルセルは、2つの金属の間に多孔質の障壁を使用する一種の銅亜鉛電池です。 1836年にイギリスの化学者ジョン・フレデリック・ダニエルによって発明されました。 かつて欧州の電信産業で広く使用されていたが、19世紀後半には、より近代的なバッテリー設計に取って代わられました。 現在、主に教室でバッテリーの動作を実証するために使用されています。

イタリアの科学者アレッサンドロ・ヴォルタは、1800年にバッテリーを発明しました。彼のデザインは、亜鉛と銅の交互のディスクの列を使用し、各金属片の間に塩水で満たされた厚紙を積み重ねました。 このVoltaicパイルは多くの電気実験で使用されましたが、1時間未満のバッテリー寿命で、実際の産業用途はありませんでした。 DaniellはVoltaの設計を修正して、長寿命のバッテリーを作成し、実用化できるようにしました。

ダニエルのバッテリーとヴォルタのバッテリーの背後にある原理は同じです。 Voltaの設計では、金属板間のブラインである電解質と呼ばれる液体溶質が、亜鉛と銅を正に帯電したイオンに溶解し始めます。 イオンが金属を離れると、自由電子が残ります。 亜鉛は銅よりも速く溶解します。つまり、亜鉛にはすぐに多くの電子が含まれます。 2つの金属片をワイヤで接続すると、電子がワイヤを介して亜鉛から銅に移動し、電流が発生します。

Voltaicパイルのように、亜鉛と銅が同じ電解質に溶解している場合、2つのプロセスによってバッテリーの寿命が短くなります。 電気が引き出されずに保管されている場合、電解液中の銅イオンは負に帯電した亜鉛端子に引き寄せられます。 これらのイオンは、亜鉛の電子と結合し、その電荷を中和します。 最終的には、これ以上の亜鉛は溶解できなくなります。 このプロセスはリダクションとして知られています。

他のバッテリーを殺すプロセスは、電気が流れているときに発生します。 亜鉛イオンは電解質中の水素を銅に押し出し、そこで水素が表面に蓄積し、最終的に電気の流れを止めます。 このプロセスは分極として知られています。 ダニエルセルは、亜鉛の還元と分極の2つの問題に対応して設計されました。 亜鉛と銅を別々の電解質に分離することにより、これらの問題を解決します。

ダニエルのセルを作るには、素焼きの陶器の容器に硫酸を入れ、そこに亜鉛片を浸します。 容器は、硫酸銅で満たされた銅缶の内側に配置できます。 土器の障壁により、亜鉛と銅が反対側に保持されます。 これにより、亜鉛イオンが銅に水素を送るのを防ぎ、分極を防ぎます。 また、銅イオンを亜鉛から遠ざけ、亜鉛の還元を防ぎます。 ダニエルは、分極化を防ぐため、彼の細胞を常時電池と呼んでいました。

バリアの細孔により、正に帯電した硫酸イオンが銅側から亜鉛側に移動できます。 これにより、回路が完成したときに亜鉛から銅への電子の流れが均衡します。 ダニエルセルによって生成される電位の量はボルトと名付けられました。 現代のボルトの値はわずかに異なります。 ダニエル電池は、今日の約1.1ボルトを生成し、約2オームの内部抵抗を持っています。