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Nommé professeur de physique au lycée de Côme en 1774, il y met au point l’électrophore, première machine électrique à influence, qui lui permet d’accomplir de nombreuses expériences. Il étudie par ailleurs la composition du gaz des marais et isole, en 1778, le méthane.
Professeur à l’université de Pavie à partir de 1779, il construit un électromètre sensible à brins de paille puis obtient le premier condensateur - plan métallique recouvert d’une couche de vernis, avec lequel il met en évidence l’électricité développée par le contact des métaux.
De 1780 à 1782, il visite la France, l’Allemagne, les Pays-Bas et l’Angleterre et collabore avec Antoine de Lavoisier et Pierre de Laplace à une étude de l’électricité atmosphérique.
La découverte de l’électricité animale par Luigi Galvani amène Volta à étudier dès 1792 les conditions d’excitation des muscles d’une grenouille. Il peut alors rejeter la théorie de Galvani qui privilégiait la présence de tissu animal et mettre l’accent sur la nécessité d’un circuit électrique fermé constitué de métaux.
En mars 1800, Volta publie dans une lettre au président de la Royal Society l’invention de la pile qu’il a mise au point, empilement de couples de disques zinc-cuivre en contacts directs, chaque couple étant séparé du suivant par un carton humide. Il y souligne le fait que, lorsqu’on les sépare, la lame de cuivre prend une charge négative et celle de zinc une charge positive. En novembre 1801, Volta présente sa pile devant l’Institut de France et y énonce la loi des tensions ainsi que la valeur des tensions de contact des métaux classés par ordre d’électropositivité décroissante, du zinc à l’argent.
Napoléon Bonaparte, qui assiste à cette séance, lui fait décerner une médaille d’or, lui accorde une pension et le nomme comte et sénateur du royaume de Lombardie.
Volta étudia également la dilatation des gaz et inventa l’eudiomètre, instrument servant à l’analyse volumétrique des mélanges gazeux, avec lequel il réalisa la première synthèse de l’eau.
En 1819, Volta se retire dans sa ville natale où il meurt le 5 mars 1827. L’unité de tension électrique sera baptisée volt en son honneur.