2. Záhadná baterka vzorové riešenie

Prvá vec, čo si musíme uvedomiť, je to, ako funguje batéria. Batériu tvoria dve elektródy, katóda a anóda, ktoré sú obklopené elektrolytmi, čiže roztokmi, ktoré vedú elektrický prúd. Medzi elektródami a elektrolytom dochádza k chemickej reakcii, ktorá vytvára rozdiel elektrických potenciálov.

Čo je to vlastne ten elektrický potenciál? Je to fyzikálna veličina, ktorá udáva, koľko energie spotrebujeme na prenos častice s nábojom jeden Coulomb pri presune z miesta s nižším potenciálom do miesta s vyšším potenciálom (v gravitačnom poli by analógiu bola častica s hmotnosťou jeden kilogram). Ide teda v princípe len o potenciálnu energiu predelenú veľkosťou náboja.

Rozdiel potenciálov nazývame elektrické napätie. Pozrime sa teraz na dve batérie, keď priložíme k sebe ich elektródy.

Pokiaľ sú zhodné (obe sú katódy alebo sú obe anódy), častice získavajú energiu pri prechode prvou batériou, a potom strácajú energiu pri pohybe cez druhú batériu. Keďže máme batérie s rovnakým potenciálovým rozdielom (napätím), častice prechodom cez takúto sústavu nezískavajú žiadnu energiu. Navyše na spojení dvoch elektród musia prekonať potenciálovú bariéru, a na to potrebujú mať dostatočnú energiu.

Keďže batérie v izbe majú konštantnú a nenulovú teplotu, vnútri batérie sa nachádzajú častice, ktoré majú dostatočnú energiu na to, aby tento potenciálový rozdiel prekonali. Podobne aj sa aj v plyne nachádzajú veľmi pomalé, ale aj veľmi rýchle molekuly. Je ich však strašne málo a v stave tepelnej rovnováhy platí, že rovnako veľa častíc, ako prechádza z prvej batérie do druhej, prechádza aj z druhej do prvej. Celkovo tak netečie medzi batériami žiadny makroskopický prúd (namerali by sme maximálne nejaký šum) daný práve spomínaným mikroskopickým pohybom častíc.

Čo sa stane, keď priložíme k sebe opačné elektródy, teda ako je zadané? Častice budú naberať energiu pri prechode prvou batériou a pri prechode druhou batériou naberú ešte raz toľko energie.

Presunú sa však častice v elektrolyte z jedného konca samovoľne na druhý? Nie, pretože, ak by boli koncentrované iba na jednom mieste potom, by na ne pôsobili veľké odpudivé sily v dôsledku čoho by prirodzene prešli do miest s nižšou koncentráciou, teda tam, kde je náboja menej. Takže v batériách sa prirodzene vytvorí nejaké rozloženie častíc v elektrolyte, ale samotné častice sa (až na tepelný pohyb) od jednej elektródy k druhej nepremiestňujú. Výsledné napätie, ktoré takáto batéria vie produkovať, je však väčšie, pretože častica získa energiu danú dvomi potenciálovými rozdielmi.

A čo sa stane, keď batérie spojíme aj kúskom vodiča? Nastane skrat, t. j. vodivé prepojenie katódy a anódy – ale pozor, katóda a anóda musia mať potenciálový rozdiel. Teraz však častice prechádzajú cez kúsok vodiča, ktorý má veľmi malý odpor. Vďaka tomu tečie cez drôtik naozaj veľmi veľký prúd. Rovnako ale prúd tečie aj cez batériu, takže teraz sa už naozaj veľké množstvo častíc v batérii presúva od jednej elektródy k druhej. Na to je však potrebné veľké množstvo energie (“veľký prúd = veľa častíc“), ktorá sa nemá čím nahrádzať, takže dôjde k rýchlemu opotrebovaniu batérie.