Elektriciteit | de aanwezigheid en stroom van elektrische stroom

Geschiedenis

Het idee van elektriciteit, of het feit dat barnsteen de kracht krijgt om lichte voorwerpen aan te trekken wanneer erover gewreven wordt, was wellicht bekend bij de Griekse filosoof Thales van Miletus, die ongeveer 600 v. Chr. leefde.

Een andere Griekse filosoof, Theophrastus, stelde in een verhandeling dat deze kracht ook door andere stoffen wordt bezeten.

De eerste wetenschappelijke studie van elektrische en magnetische gebeurtenissen verscheen echter pas in 1600 na Christus, door onderzoek van de Engelse arts William Gilbert. Gilbert was de eerste die de term elektrisch (Grieks, elektron, "amber") toepaste op de kracht die stoffen uitoefenden na te zijn gewreven. Hij maakte ook onderscheid tussen magnetische en elektrische werking.

Ben Franklin besteedde veel tijd aan elektrisch onderzoek. Zijn beroemde vliegerexperiment bewees dat de atmosferische elektriciteit (die de verschijnselen van bliksem en donder veroorzaakt) identiek is aan de elektrostatische lading op een Leyden-pot. Franklin ontwikkelde zijn theorie dat elektriciteit een enkele "vloeistof" is die in alle materie bestaat, en dat de effecten ervan kunnen worden verklaard door excessen en tekorten van deze vloeistof.

 

Hoe elektriciteit werkt

Er zijn twee soorten elektrische ladingen die elkaar duwen en aantrekken: positieve ladingen en negatieve ladingen. Elektrische ladingen duwen of trekken aan elkaar als ze elkaar niet raken. Dit is mogelijk omdat elke lading een elektrisch veld om zich heen creëert. Een elektrisch veld is een gebied dat een lading omgeeft. Op elk punt bij een lading wijst het elektrisch veld in een bepaalde richting. Als een positieve lading op dat punt wordt geplaatst, wordt deze in die richting geduwd. Als een negatieve lading op dat punt wordt geplaatst, wordt deze in precies de tegenovergestelde richting geduwd.

Het werkt zoals magneten, en in feite creëert elektriciteit een magnetisch veld, waarin gelijksoortige ladingen elkaar afstoten en tegengestelde ladingen elkaar aantrekken. Dit betekent dat als u twee negatieve ladingen dicht bij elkaar zet en ze loslaat, ze uit elkaar gaan. Hetzelfde geldt voor twee positieve ladingen. Maar als je een positieve lading en een negatieve lading dicht bij elkaar zet, zouden ze naar elkaar toe trekken. Een korte manier om dit te onthouden is de uitdrukking opposites attract, likes repel.

Alle materie in het heelal bestaat uit kleine deeltjes met positieve, negatieve of neutrale ladingen. De positieve ladingen worden protonen genoemd, en de negatieve ladingen elektronen. Protonen zijn veel zwaarder dan elektronen, maar ze hebben allebei dezelfde hoeveelheid elektrische lading, behalve dat protonen positief zijn en elektronen negatief. Omdat "tegengestelden elkaar aantrekken", blijven protonen en elektronen aan elkaar plakken. Enkele protonen en elektronen kunnen grotere deeltjes vormen, die atomen en moleculen worden genoemd. Atomen en moleculen zijn nog heel klein. Ze zijn te klein om te zien. Elk groot voorwerp, zoals uw vinger, bevat meer atomen en moleculen dan iemand kan tellen. Wij kunnen alleen maar schatten hoeveel het er zijn.

Omdat negatieve elektronen en positieve protonen aan elkaar kleven om grote voorwerpen te maken, zijn alle grote voorwerpen die wij kunnen zien en voelen elektrisch neutraal. Elektrisch is een woord dat "elektriciteit beschrijvend" betekent, en neutraal is een woord dat "in balans" betekent. Daarom voelen wij niet dat voorwerpen op afstand aan ons trekken en duwen, zoals wanneer alles elektrisch geladen zou zijn. Alle grote voorwerpen zijn elektrisch neutraal omdat er evenveel positieve als negatieve lading in de wereld is. We zouden kunnen zeggen dat de wereld precies in evenwicht is, of neutraal. Wetenschappers weten nog steeds niet waarom dit zo is.

 

Elektrische stroom

De elektronen kunnen zich overal in het materiaal bewegen. Protonen bewegen nooit rond een vast voorwerp omdat ze zo zwaar zijn, althans in vergelijking met de elektronen. Een materiaal dat elektronen laat bewegen wordt een geleider genoemd. Een materiaal dat elk elektron stevig op zijn plaats houdt, wordt een isolator genoemd. Voorbeelden van geleiders zijn koper, aluminium, zilver en goud. Voorbeelden van isolatoren zijn rubber, plastic en hout. Koper wordt heel vaak als geleider gebruikt omdat het een zeer goede geleider is en er zoveel van in de wereld is. Koper komt voor in elektriciteitsdraden. Maar soms worden ook andere materialen gebruikt.

In een geleider stuiteren de elektronen rond, maar ze blijven niet lang in één richting gaan. Als er in de geleider een elektrisch veld wordt ingesteld, zullen de elektronen allemaal in de richting tegengesteld aan de richting van het veld gaan bewegen (omdat elektronen negatief geladen zijn). Een batterij kan een elektrisch veld maken in een geleider. Als beide uiteinden van een stuk draad worden verbonden met de twee uiteinden van een batterij (de elektroden genoemd), wordt de gemaakte lus een elektrisch circuit genoemd. Zolang de batterij in de draad een elektrisch veld creëert, stromen de elektronen rond de kring. Deze stroom van elektronen rond de kring wordt elektrische stroom genoemd.

Een geleidende draad die wordt gebruikt om elektrische stroom te geleiden, wordt vaak gewikkeld in een isolator zoals rubber. De reden hiervoor is dat stroomvoerende draden zeer gevaarlijk zijn. Als een persoon of een dier een blanke stroomvoerende draad aanraakt, kan hij of zij gewond raken of zelfs sterven, afhankelijk van hoe sterk de stroom was en hoeveel elektrische energie de stroom overdraagt. U moet voorzichtig zijn in de buurt van stopcontacten en blote draden die stroom kunnen geleiden.

Het is mogelijk om een elektrisch apparaat op een stroomkring aan te sluiten, zodat er elektrische stroom door het apparaat gaat lopen. Deze stroom brengt elektrische energie over om het apparaat iets te laten doen wat wij willen. Elektrische apparaten kunnen heel eenvoudig zijn. In een gloeilamp bijvoorbeeld voert de stroom energie door een speciale draad, de gloeidraad, waardoor de lamp gaat gloeien. Elektrische apparaten kunnen ook zeer ingewikkeld zijn. Elektrische energie kan worden gebruikt om een elektrische motor in een gereedschap zoals een boormachine of een puntenslijper aan te drijven. Elektrische energie wordt ook gebruikt om moderne elektronische apparaten aan te drijven, zoals telefoons, computers en televisies.

Enkele termen met betrekking tot elektriciteit

Hier volgen enkele termen die iemand kan tegenkomen bij het bestuderen van de werking van elektriciteit. De studie van elektriciteit en hoe deze elektrische schakelingen mogelijk maakt, wordt elektronica genoemd. Er is een vakgebied dat elektrotechniek heet, waar mensen nieuwe dingen bedenken met behulp van elektriciteit. Al deze termen zijn belangrijk om te weten.

• Stroom is de hoeveelheid elektrische lading die stroomt. Wanneer 1 coulomb elektriciteit in 1 seconde ergens langs beweegt, is de stroom 1 ampère. Om de stroom op één punt te meten, gebruiken we een ampèremeter.

• Spanning, ook wel "potentiaalverschil" genoemd, is de "duw" achter de stroom. Het is de hoeveelheid werk per elektrische lading die een elektrische bron kan verrichten. Wanneer 1 coulomb aan elektriciteit 1 joule aan energie heeft, heeft het 1 volt aan elektrisch potentieel. Om de spanning tussen twee punten te meten, gebruiken we een voltmeter.

• Weerstand is het vermogen van een stof om de stroom te "vertragen", dat wil zeggen de snelheid te verminderen waarmee de lading door de stof stroomt. Als een elektrische spanning van 1 volt een stroom van 1 ampère door een draad laat lopen, is de weerstand van de draad 1 ohm - dit wordt de wet van Ohm genoemd. Wanneer de stroom tegengewerkt wordt, wordt energie "opgebruikt", wat betekent dat deze wordt omgezet in andere vormen (zoals licht, warmte, geluid of beweging).

• Elektrische energie is het vermogen om arbeid te verrichten door middel van elektrische apparaten. Elektrische energie is een "geconserveerde" eigenschap, wat betekent dat zij zich gedraagt als een stof en kan worden verplaatst van plaats naar plaats (bijvoorbeeld langs een transmissiemedium of in een batterij). Elektrische energie wordt gemeten in joule of kilowattuur (kWh).

• Elektrisch vermogen is de snelheid waarmee elektrische energie wordt gebruikt, opgeslagen of overgedragen. De stroom van elektrische energie langs elektriciteitsleidingen wordt gemeten in watt. Als de elektrische energie wordt omgezet in een andere vorm van energie, wordt deze gemeten in watt. Als een deel wordt omgezet en een deel wordt opgeslagen, wordt het gemeten in volt-ampère, of als het wordt opgeslagen (zoals in elektrische of magnetische velden), wordt het gemeten in volt-ampère reactief.

 
Elektriciteit wordt via draden verstuurd.  


Een tekening van een elektrisch circuit: de stroom (I) loopt van + rond het circuit terug naar -.  

Opwekken van elektrische energie

Elektrische energie wordt meestal opgewekt in centrales. De meeste elektriciteitscentrales gebruiken hitte om water te koken tot stoom, die een stoommachine doet draaien. De turbine van de stoommachine laat een machine draaien die "generator" wordt genoemd. In de generator draaien opgerolde draden in een magnetisch veld. Hierdoor stroomt er elektriciteit door de draden, die elektrische energie overbrengt. Dit proces wordt elektromagnetische inductie genoemd. Michael Faraday ontdekte hoe dit werkt.

Veel warmtebronnen kunnen worden gebruikt om water te koken voor generatoren. Warmtebronnen kunnen gebruik maken van hernieuwbare energiebronnen waarbij de voorraad warmte-energie nooit opraakt en niet-hernieuwbare energiebronnen waarbij de voorraad uiteindelijk opgebruikt raakt.

Soms kan een natuurlijke stroom, zoals windenergie of waterkracht, direct worden gebruikt om een generator te laten draaien, zodat er geen warmte nodig is.

 
Stoommachine in het midden drijft twee generatoren aan de zijkanten aan, eind 19e eeuw