Kas ir Daniela šūna?

Itāļu zinātnieks Alesandro Volta izgudroja akumulatoru 1800. gadā. Viņa dizainā tika izmantota mainīga cinka un vara disku kolonna ar sālījumā piesātinātiem kartona gabaliem, kas bija sakrauti starp katru metāla gabalu. Šī Voltaic kaudze tika izmantota daudzos elektriskos eksperimentos, taču ar mazāk nekā stundu akumulatora darbības laiku tai nebija reālas rūpnieciskas pielietošanas. Daniels pārveidoja Volta dizainu, lai izveidotu akumulatoru ar ilgāku kalpošanas laiku, ļaujot to praktiski izmantot.

Daniela un Volta akumulatora darbības princips ir vienāds. Šķidrais šķīdinātājs, ko sauc par elektrolītu – Volta dizainā, sālījums starp metāla plāksnēm – sāk šķīdināt cinku un varu pozitīvi lādētos jonos. Kad joni atstāj metālu, brīvie elektroni paliek aiz muguras. Cinks izšķīst ātrāk nekā varš, kas nozīmē, ka cinks drīz satur vairāk elektronu. Ja viens savieno divus metāla gabalus ar stiepli, elektroni migrēs caur vadu no cinka uz varu, radot elektrisko strāvu.

Ja cinks un varš izšķīst vienā elektrolītā, tāpat kā Voltaic kaudzē, divi procesi saīsinās akumulatora darbības laiku. Ja tas tiek uzglabāts bez elektrības padeves, elektrolītā esošie vara joni tiks piesaistīti negatīvi lādētā cinka spailei. Pēc tam šie joni savienosies ar elektroniem cinkā, neitralizējot tā lādiņu. Galu galā šķīdināšanai vairs nebūs pieejams cinks. Šis process ir pazīstams kā samazināšana.

Cits akumulatoru iznīcināšanas process notiek, kad tiek paņemta elektrība. Cinka joni virzīs ūdeņradi elektrolītā uz varu, kur ūdeņradis uzkrājas uz virsmas un galu galā aptur elektrības plūsmu. Šis process ir pazīstams kā polarizācija. Daniela šūna tika izstrādāta, reaģējot uz dubultajām cinka samazināšanas un polarizācijas problēmām. Tas atrisina šīs problēmas, izolējot cinku un varu atsevišķos elektrolītos.

Lai izgatavotu Daniela šūnu, neglazēto māla trauku var piepildīt ar sērskābi un iegremdēt tajā cinka gabalu. Pēc tam konteineru var ievietot vara tvertnē, kas ir piepildīta ar vara sulfātu. Māla barjera notur cinku un varu pretējās pusēs; tas neļauj cinka joniem nosūtīt ūdeņradi uz varu, novēršot polarizāciju. Tas arī attur vara jonus no cinka, novēršot cinka samazināšanos. Daniels savu šūnu sauca par pastāvīgu akumulatoru, jo tas novērš polarizāciju.

Barjeras poras ļauj pozitīvi uzlādētiem sulfāta joniem pārvietoties no vara puses uz cinka pusi. Tas līdzsvaro elektronu plūsmu no cinka uz varu, kad ķēde ir pabeigta. Daniela šūnas radītā elektriskā potenciāla daudzums tika nosaukts par voltu. Mūsdienu volta vērtība ir nedaudz atšķirīga; Daniela šūna saražo apmēram 1.1 no mūsdienu voltiem, un tās iekšējā pretestība ir aptuveni 2 omi.