O električnih virih. Omenimo za začetek fizika Luigija Galvanija,[1] ki je že leta 1789 opazil tole: če je vpel žabji krak med dve med seboj kontaktirani palici iz različnih kovin, je zaznal trzljaj mišice. Galvani je s tem posredno opozoril na vzročno zvezo med električnim tokom in biokemičnimi procesi v tkivih.[2] Sledil mu je, spet Italijan, Alessandro Volta, po katerem je ime enote električnega potenciala in napetosti. Leta 1800 se je proslavil z galvanskim členom oziroma baterijo, ki je bila zmožna poganjati dokaj stalen električni tok; takšen je bil v tistih časih osnova za proučevanje lastnosti magnetne sile, delujoče na tokovodnik.[3]

Elektrodna napetost. Elektrodna napetost je električna napetost, ki vznikne med elektrolitom in vanj potopljeno elektrodo. Kaj se dogaja? Elektrolit topi elektrodo; vrši se oksidacija elektrode. Med njenim raztapljanjem prehajajo v raztopino kationi, ki se zbirajo okrog elektrode. Elektrolit dobiva pozitivne ione iz elektrode, na njej pa ostajajo prosti elektroni. Razmestitev kationov ob valju moremo modelirati z nabitim valjnim kondenzatorjem (slika 1).

Razdvojeni naboji gradijo poljsko jakost E, ki v kratkem zaustavi raztapljanje elektrode. Nasproti si očitno stojita dve sili: neelektrična oziroma kemična, ki teži potiskati ione v raztopino, in električna, ki novim ionom prepreči, da bi se odlepili od elektrode. Kovinske elektrode imajo negativen potencial glede na raztopino; med seboj se razlikujejo v vrednosti njim lastnega elektrodnega potenciala. Pri merjenju elektrodnih napetosti elektrod je za normo oziroma etalon vzeta vodikova elektroda, ki ima v platino vtopljen vodik. Elektrodna napetost elektrode je potemtakem razlika elektrodnih potencialov elektrode in normalne elektrode. Zaradi tega so napetosti enih kovin pozitivne, drugih pač negativne. Iz preglednice 1 je razvidno, da imajo pozitivno elektrodno napetost predvsem žlahtne snovi.

 

kovina elektrodna napetost     aluminij -1,67 V cink -0,76 V krom -0,71 V železo -0,44 V nikelj -0,25 V baker +0,34 V oglje +0,74 V srebro +0,80 V platina +1,20 V zlato +1,50 V Preglednica 1. Elektrodne napetosti nekaterih kovin.

Galvanski členi, baterije in akumulatorji. Z elektrodnimi napetostmi se vrnimo k Voltovemu členu. Pozitivna elektroda je bakrena palica, negativna pa je cinkova palica; elektrolit je v vodi razredčena žveplena kislina (H₂SO₄), ki disociira v ione H⁺ in ione SO₄^{- -} (slika 2).

Iz preglednice sledi napetost člena: 0,34 V - (-0,76 V) = 1,2 V. Ko na člen priključimo porabnik (breme, svetilko, upor), stečejo tile hkratni elektro-kemični procesi. 1) Prosti elektroni v žicah in bremenu se začno pomikati od negativne Zn elektrode k pozitivni Cu elektrodi, kar predstavlja električni tok I od Cu k Zn elektrodi. 2) Že zelo majhen presežek elektronov na Cu in manko na Zn elektrodi povzroči, da se začnejo v elektrolitu ioni H⁺ pomikati k Cu elektrodi, k Zn elektrodi pa ioni SO₄^{- -}. V elektrolitu se vzpostavi ionski električni tok I od Zn k Cu elektrodi. 3) Ioni H⁺ pridobijo iz Cu elektrode manjkajoč elektron; prihaja do redukcije vodika in njegovega izhajanja iz elektrolita. 4) Ioni SO₄^{- -} se ob Zn elektrodi spajajo z ioni Zn^{+ +} v cinkov sulfat (ZnSO₄), ki se useda na dno elektrolitske posode. 5) Zaradi tega se prične cinkova elektroda dodatno topiti; tam se vrši oksidacija cinka (izločanje še novih ionov Zn^{+ +}, ki puščajo za seboj presežek prostih elektronov v elektrodi). 6) Gibanje nabojev, elektronov v elektrodah, žicah in bremenu ter ionov v elektrolitu se sklene v zanko, v zaprt električni tokokrog. In tu je že novo vprašanje: koliko časa se odvija ta elektro-kemični proces? Določen je z oksidacijo (raztapljanjem oziroma »odgorevanjem«) Zn elektrode; ko ta enkrat »izgori«, tudi tokokrog presahne. Ima pa Voltov člen tudi hibo! Pri večjih tokih se vodikovi ioni ob Cu elektrodi ne uspejo dovolj hitro reducitati, zato se tam kopičijo in gradijo z elektroni v njej (negativno) elektrodno protinapetost, ki nasprotuje napetosti samega člena; posledično se zmanjšata napetost člena in tudi tok v zanki, zato takšen vir nima tako želene konstantne napetosti.

Boljši od Voltovega je suhi Laclanchéjev člen. Njegova pozitivna elektroda je grafitna palica, ki je obdana z manganovim dioksidom (MnO₂); elektrolit je z raztopino salmiaka (NH₄Cl) prepojen prah; salmiak disociira v ione NH₄⁺ in Cl^-; vse skupaj je vstavljeno v cinkovo čašico in zalito s smolo. Po tabeli elektrodnih napetosti znaša napetost člena 0,74 V - (-0,76 V) = 1,5 V. Ob kontaktiranju  bremena na ta člen se v substancah vršijo tile kemični procesi: klorovi ioni prihajajo k Zn elektrodi in se z ioni Zn⁺ spajajo v cinkov klorid (ZnCl); ioni NH₄⁺ dobijo iz grafita elektrone, ki prihajajo tja iz Zn elektrode skozi breme; tvorita se amonijak (NH₃) in vodik (H), ki se z manganovim dioksidom spaja po formuli 2MnO₂ + H₂ = H₂O + Mn₂O₃; tvorita se voda in dimanganov trioksid.

Sklenimo s svinčevim akumulatorjem, kot enim od členov, ki so obnovljivi (regenerabilni). Elektrolit je razredčena žveplena kislina (H₂SO₄); pozitivna elektroda je svinčev dioksid (PbO₂), negativna pa je svinčeva (Pb) elektroda. Napetost ene celice je od 1,8 do 2,7 V. Pri praznenju akumulatorja se ioni SO₄^{- -} vežejo na elektrodah v svinčev sulfat (PbSO₄): PbO₂ + Pb + 2H₂SO₄ = 2PbSO₄ + 2H₂O; elektrolit se siromaši in nastaja voda. Ko proces od zunaj obrnemo, da skozi akumulator usmerimo električni tok v nasprotno smer (od anode skozi elektrolit do katode), se odvrti kemični proces v obratni smeri.

Pomemben podatek baterije ali galvanskega člena je kapaciteta, ki se izraža v amper-urah in pove, koliko naboja oziroma kulonov zmore baterija potisniti skozi breme. Akumulator s kapaciteto 50 A×h je na primer zmožen celih 20 h obratovati s tokom 2,5 A. Baterijske celice se pogosto združuje v sestavljene električne vire. Pri akumulatorju je šest celic povezanih zaporedno: negativna elektroda prve celice je kontaktirana s pozitivno elektrodo naslednje celice, negativna elektroda te celice s pozitivno tretje, ... , in tako do zadnje celice. Tako sestavljen vir ima napetost okrog 14 V. More se pa celice vezati tudi vzporedno: pozitivne anode se poveže skupaj, negativne katode pa skupaj; dobi se nov vir, ki je zmožen skozi breme gnati večji električni tok.

Termočlen. Povsem drugo fizikalno ozadje je pri termoelementu oziroma termočlenu, ki ga oblikuje tesen stik dveh kovin. Zaradi različnih energijskih nivojev prostih elektronov v kovinah prihaja do selitve elektronov iz kovine z višjim v kovino z nižjim energijskim nivojem. Ob stiku se oblikuje dvojna plast; ena z viškom in druga s mankom elektronov (slika 3). 

 Električno polje razdvojenih nabojev učinkuje na nadaljnjo migracijo zavira, zato se ta tudi zelo hitro zaključi.[4] Izkaže se, da je termonapetost U polja razdvojenih nabojev izrazito odvisna od temperature T, kar se s pridom koristi v merilne namene: da se z merjenjem napetosti termočlena posredno meri temperaturo ambienta, v katerem se spoj nahaja; vrednosti napetosti termočlena segajo v razred milivoltov. Često uporabljan je stik konstantana in bakra (zlitina: 54 % bakra, 45 % niklja, 1 % mangana).