Gebruiker:PieterJanR/Elektriciteit
Elektriciteit, in de volksmond vaak stroom genoemd, is een begrip uit de natuurkunde die duidt op de aanwezigheid en stroming van een elektrische lading. Elektriciteit omvat niet alleen verschillende, makkelijk te herkennen verschijnselen zoals bliksem en statische elektriciteit, maar ook aanverwante fenomenen zoals elektromagnetisch velden en inductie.
Elektriciteit als verschijnsel bewerken
| Elektriciteit is afgeleid van het Neolatijnse woord electricus, wat "van barnsteen" betekent – dat zelf weer van ήλεκτρον [èlektron] komt, het Griekse woord voor "barnsteen". |
Elektriciteit heeft zeer veel technische toepassingen mogelijk gemaakt. Binnen de elektrotechniek wordt de elektriciteit dan ook tot de uiterste grenzen verkend en de mogelijkheden ervan verder ontwikkeld. In tegenstelling tot veel andere natuurkundige verschijnselen zijn de verschijnselen die met elektriciteit te maken hebben vaak uiterst nauwkeurig te meten en vooraf te berekenen.
Net als vuur is elektriciteit een natuurlijk verschijnsel. Het bekendst is het optreden van bliksem bij onweer. Sommige vissen, zoals de sidderaal, zijn ook in staat stroom op te wekken. Daarnaast werken ook delen van het menselijk zenuwstelsel met elektrische signalen.
Al in de oudheid deed men onderzoek naar elektrische verschijnselen, maar de wetenschappelijke vooruitgang werden pas gemaakt in de zeventiende en achttiende eeuw met de uitvinding van respectievelijk de elektriseermachine en de batterij. Praktische toepassingen waren er toen nog niet. Pas in de late negentiende eeuw waren ingenieurs in staat om elektriciteit toepasselijk te maken. Deze technologische evolutie veranderde zowel het industriële als het dagelijkse leven. Elektriciteit is hieruit niet meer weg te denken uit onze moderne maatschappij. Het wordt ondere andere gebruikt voor verlichting, verwarming, vervoer van personen en goederen, communicatie, berekeningen...
Elektrische stroom bewerken
Hoewel elektriciteit vroeger als een onzichtbare vloeistof (fluïdum) werd opgevat, is dat standpunt allang verlaten. De kleinst mogelijke elektrische lading wordt belichaamd in twee zogenaamde elementaire deeltjes, het "positieve" proton en het "negatieve elektron. De lading tussen twee voorwerpen kan verschillen, en als men ze dan met een geleider (bijvoorbeeld een stroomdraad) verbindt, ontlaadt zich de spanning (het potentiaalverschil) doordat er elektrische stroom optreedt van het ene voorwerp naar het andere.
Op die manier kunnen leveranciers huishoudens van energie voorzien; wat geleverd wordt, is niet elektriciteit (want ieder voorwerp hééft al lading), maar het huishouden wordt voorzien van energie in de vorm van elektrische stroom. In de volksmond is dit vaak afgekort tot "stroom", en dit spraakgebruik is zelfs door elektriciteitsleveranciers overgenomen. Zo wordt gesproken van "groene stroom". Het woord stroom is daardoor bij gebruikers wel opgevat in de zin van "elektriciteit". In feite is het slechts een eigenschap van elektriciteit, namelijk de mogelijkheid om te stromen, doordat er spanningsverschil is.
Het is heel goed mogelijk van statische elektriciteit te spreken; die stroomt immers per definitie niet. Anderzijds kan gesproken worden van wisselstroom en van gelijkstroom, want in beide gevallen gaat het om de richting waarin de elektriciteit stroomt. Hoewel elektriciteit dus in het algemeen wel losweg als stroom wordt aangeduid, blijkt in sommige specifieke gevallen toch het verschil ook in de taal te worden gehanteerd.
Geschiedenis bewerken
Zie Geschiedenis van de elektriciteit voor het hoofdartikel over dit onderwerp.
Lang voordat mensen enige kennis van elektriciteit hadden, wisten ze dat enkele vissen stroomstoten konden uitdelen. Oud-Egyptische teksten verwezen al in 2750 v.Chr. naar deze vissen, die ze de "donders van de Nijl" noemden en die ze als de "beschermers" van alle andere vissen zagen.
Ze werden millennia later ook door de oude Griekse, Romeinse en Arabische natuuronderzoekers en artsen vermeld. Verschillende oude schrijvers, waaronder Plinius de Oudere en Scribonius Largus onderzochten het verdovende effect van elektrische schokken van meervallen en de Torpediniformes (een roggensoort). Ook wisten ze al dat zo'n schokken zich enkel kunnen verplaatsen via geleidende voorwerpen. Patiënten die lijden aan aandoeningen zoals jicht of acute hoofdpijn werden behandeld door hen elektrische vissen te laten aanraken, in de hoop dat de krachtige schok hen zou kunnen genezen.
Enkele oude culturen rond de Middellandse Zee hadden al enige kennis van statische elektriciteit. Ze wreven met barnsteenstaven over vacht en trokken hiermee lichte voorwerpen, zoals een veer aan. Rond 600 v.Chr. maakte Thales van Milete enkele opmerkingen over statische elektriciteit. Hij was ervan overtuigd dat barnsteen, in tegenstelling tot andere mineralen (zoals magnetiet), magnetisch werd door wrijving. Ook dacht Thales dat een magnetisch effect zorgde voor de aantrekkingskracht. Deze gedachte was fout omdat later het tegendeel bewezen werd. Wel hebben wetenschappers achteraf kunnen bewijzen dat er een verband is tussen magnetisme en elektriciteit.
In 1600 publiceerde de Engelse arts William Gilbert een uitgebreide studie over elektriciteit en magnetisme. Hij onderscheidde het natuurlijk magnetisch effect met dat van statische elektriciteit opgewekt door over barnsteen te wrijven. Otto von Guericke, Robert Boyle, Stephen Gray en Charles du Fay werkten en onderzochten elektriciteit verder. In de 18e eeuw deed Benjamin Franklin uitgebreid onderzoek over elektriciteit. In 1752 voerde hij zijn bekende experiment met de vlieger uit, waarmee hij bewees dat bliksem een vorm van elektriciteit is.
In 1791 publiceerde Luigi Galvani zijn ontdekking van dierlijke elektriciteit waaruit blijkt dat zenuwcellen elektriciteit gebruikt om signalen door te geven aan onze spieren. Alessandro Volta's batterij, de Zuil van Volta gaf de wetenschappers een meer betrouwbare energiebron in vergelijking met elektriseermachines die ze eerder gebruikte. In 1820 ontdekte Hans Christian Ørsted het verband tussen elektriciteit en magnetisme. Hij demonstreerde hoe een geleider waardoor een elektrische stroom loopt in staat is om een kompasnaald te beïnvloeden. Toen André-Marie Ampère hoorde van Ørsted's ontdekking en herhaalde het experiment onder gecontroleerd omstandigheden. Nog geen week later had hij de wet gevonden die bepaalt hoe, en in welke richting de naald werd beïnvloed.
Michael Faraday vond de elektromotor uit in 1821, en Georg Ohm analyseerde in 1827 het elektrisch netwerk wiskundig.
Hoewel elektriciteit in het begin van de 19e eeuw al snelle wetenschappelijke vooruitgang kende, zou eind 19e eeuw de grootste vooruitgang geboekt worden. Dankzij Thomas Edison, Nikola Tesla, Werner von Siemens, Alexander Graham Bell en Lord Kelvin werd elektriciteit essentieel in de moderne samenleving. Mede dankzij hun bijdrage ontstond er eind 19de eeuw een tweede industriële revolutie. In de 20e eeuw slaagde men erin de dragers van elektriciteit te identificeren als bestanddelen van het atoom - het elektron en de proton.
Begrippen uit de elektriciteitsleer bewerken
Elektrische lading bewerken
Zie Elektrische lading voor het hoofdartikel over dit onderwerp.| Een lading van 1 coulomb is een hoeveelheid elektriciteit die gelijk staat aan 6,3 triljoen of 6,3 x 1018 elektronen. |
Elektriciteit is de krachtswerking tussen elektrische ladingen, die in twee vormen voorkomen: positieve en negatieve lading. In het algemeen bezit een voorwerp evenveel positieve als negatieve lading die elkaar werking opheffen. Het voorwerp is dan elektrische neutraal of ongeladen.
Door wrijving kan bijvoorbeeld negatieve lading uit een voorwerp worden vrijgemaakt, waardoor deze een overschot aan positieve lading krijgt en dus positief geladen wordt. Zijn twee voorwerpen beide positief geladen dan wel beide negatief geladen dan oefenen ze een afstotende kracht op elkaar uit, terwijl een positief en een negatief geladen voorwerp elkaar juiste aantrekken.
De aantrekkings- of afstotingskracht die elektrische lading op elkaar uitoefenen werd door Charles-Augustin de Coulomb vastgelegd in een formule, de naar hem vernoemde wet van Coulomb.
Elektrisch veld bewerken
Zie Elektrisch veld voor het hoofdartikel over dit onderwerp.Lange tijd veronderstelde men dat de krachten in de ruimte zonder overgang ogenblikkelijk op elkaar werken. Echter sinds Michael Faraday heeft de veldtheorie de meeste aanhang gevonden, een theorie die beschreven wordt in de wetten van Maxwell.
Deze zegt dat er een elektrisch veld bestaat waar ieder punt aan het dichtsbijliggend volgend punt de kracht doorgeeft. De richting van de kracht is in een rechte lijn van de ene lading naar de andere toe wanneer de ladingen verschillend zijn of van elkaar af als de ladingen gelijk zijn. Het elektrische veld dat ontstaat door één (punt)lading wordt gedefinieerd als de kracht die ontstaat per hoeveelheid lading die de kracht veroorzaakt.
Elektrische spanning bewerken
Zie Elektrische spanning voor het hoofdartikel over dit onderwerp.Plaatsen met gelijke elektrische veldsterkte liggen in één vlak waarop de potentiële energie van een lading tekens gelijk is (equipotentiaalvlakken). Tussen twee equipotentiaalvlakken is een energieverschil of potentiële energie aanwezig die evenredig met de lading. Deze evenredigheidsfactor wordt de elektrische spanning - of potentiaalverschil - genoemd.
De spanning is de drijvende kracht die elektronen in beweging brengt. (Vandaar dat deze vroeger elektromotorische kracht (EMK) werd genoemd). Ook bij een verbroken stroomkring blijft een spanningsbron op de elektronen een kracht uitoefenen.
Elektrische stroom bewerken
Zie Elektrische stroom voor het hoofdartikel over dit onderwerp.| Een stroom van 1 ampère geeft per seconde een hoeveelheid elektriciteit van 1 coulomb. |
Worden twee equipotentiaalvlakken met een ongelijke hoeveelheid lading, door middel van een geleider met elkaar verbonden dan zal er lading van het ene vlak naar het andere overgaan. De netto hoeveelheid lading die in een gegeven punt per eenheid van tijd door een geleider stroomt wordt elektrische stroom genoemd. De reden dat we nu nog spreken van elektrische stroom komt vanwege het achttiende-eeuwse inzicht dat het verschijnsel elektriciteit als vloeistof werd opgevat.
Elektrische weerstand bewerken
Zie Elektrische weerstand (eigenschap) voor het hoofdartikel over dit onderwerp.| 1 ohm is de weerstand die een kwikkolom van 1063 mm lengte en een doorsnede van 1 mm² bij een temperatuur van 20 °C biedt aan een elektrische stroom. |
Om een elektrische stroom door een gesloten stroomkring te laten lopen is een elektrische spanning nodig. De hoeveelheid stroom die door een draad gaat lopen wordt niet alleen bepaald door de hoogte van de spanning maar ook van de weerstand die de draad biedt aan de stroom van elektronen.
De weerstand van een geleider is niet alleen afhankelijk van de lengte en de dikte maar door het soort materiaal, aangegeven met de soortelijke weerstand, waarvan de draad is gemaakt. Het ene materiaal geleidt elektronen nu eenmaal beter dan het andere.
Elektrische energie bewerken
Zie Elektrische energie voor het hoofdartikel over dit onderwerp.| Een stroom van 1 ampère levert bij een spanning van 1 volt in 1 seconde een hoeveelheid arbeid van 1 joule. |
In de natuurkunde geldt dat (mechanische) arbeid kracht maal de weg is. In de elektriciteitsleer kan arbeid op dezelfde manier berekend worden. Als de spanning de kracht is die de elektronen verplaatst en de grootte van de lading (hoeveelheid elektronen) die wordt verplaatst de weg is, dan is elektrische arbeid of energie spanning maal lading. In de praktijk wordt in plaats van de lading de stroomsterkte maal de tijd als rekeneenheid gebruikt.