Toute cellule biologique est entourée d'une membrane dite membrane plasmique. Cette membrane est relativement imperméable aux espèces électriquement chargées telles que les ions et aux molécules qui peuvent participer à l'activité électrochimique (molécules polaires) telles que l'eau. Elle présente ainsi une grande résistance électrique et forme en quelque sorte un dipôle (comme un condensateur). Grâce à ces propriétés, la membrane sépare en deux compartiments étanches l'intérieur de la cellule, le cytoplasme, de l'extérieur de la cellule, le milieu extracellulaire. Étant donné l'activité permanente des protéines membranaires, la composition ionique de ces deux compartiments est différente. C'est pourquoi il existe, pour chacun des composés ioniques dont la concentration est différente, un potentiel électrochimique. Équation de Nernst Soient deux compartiments de même volume contenant de l'eau pure et séparés par une membrane poreuse. Dans le compartiment A, on dissout une quantité de sel de cuisine (NaCl) et on laisse le compartiment B inchangé. Le sel se dissocie entièrement en Na+ et Cl− dans le compartiment A. La première loi de diffusion de Fick prédit qu'un flux de Na+ et Cl− va avoir lieu depuis le compartiment A vers le compartiment B jusqu’à équilibration des concentrations en Na+ et Cl− dans les deux compartiments. Afin de fixer les idées, si on introduit 1 mole de NaCl dans le compartiment A et que les compartiments A et B ont le même volume, à l'équilibre, il y aura 0.5 mole de NaCl dans chaque compartiment. Il s'agit du principe fondamental de la dialyse effectuée sur les insuffisants rénaux. Supposons maintenant que la membrane ait des pores qui ne laissent passer que les ions Na+. On réitere l'expérience. On constate alors que la concentration en Na+ du compartiment A est quasi nulle. Si on place une électrode de mesure dans chaque compartiment, on remarque qu'une différence de potentiel entre le compartiment A et le compartiment B s'est établie. L'explication est la suivante : Les ions Na+ diffusent de A vers B.