Elektriciteit
Copyright: Kris Merckx
1. Atoomtheorie
Alle materie in het heelal is opgebouwd uit atomen, een idee dat zijn basis al vond in de oudheid. Democritos van Abdera (ca. 460–380/370 v.C.) verbleef net zoals tal van andere Griekse wetenschappers en filosofen een tijdlang in Egypte om er de astronomie te bestuderen. De vrede van Callias (449 v. Chr), tussen de Delisch-Attische Zeebond, het Atheense bondgenootschap en het Perzische Rijk, maakte een definitief einde aan de Perzische oorlogen. Voortaan mochten burgers van de aangesloten bondgenoten zich vrijelijk binnen het Perzische Rijk bewegen. Dit stelde Democritos in staat om naar Babylon, het andere centrum van astronomische kennis, te reizen. Van zijn werk is jammer genoeg niets overgebleven, maar door de talrijke verwijzingen bij andere auteurs is het mogelijk een deel van zijn kennis te reconstrueren. Hij is de eerste die een atomaire theorie voorstelde, ook al haalde hij de mosterd misschien uit Babylon of Egypte. Het ‘zijnde’ bestond volgens hem uit een oneindig aantal ondeelbare deeltjes of atomen die in verschillende vorm, orde en ligging voorkwamen. De hellenistische wetenschappers zouden de atoomtheorie overnemen, maar ook van atomaire ideeën zijn jammer genoeg slechts verwijzingen overgebleven. Aristoteles ging ervan uit dat alles een causaal verband moest hebben. Als je alle krachten in het heelal kent, zo stelde ook het 19e-eeuwse determinisme, kan je de bewegingen van de grootste lichamen (planeten, sterren ...) voorspellen, maar ook van de atomen. Dit deterministische denkbeeld leefde ook al in de oudheid en schakelde onwillekeurigheid, chaos en toeval uit. Alles werd voorspelbaar zolang je de wetmatigheden kende. Onregelmatigheden in een causaal verband werden toegeschreven aan de goden.
Het bestaan van onvoorspelbaarheden en schijnbaar lukrake bewegingen, zoals bij stofdeeltjes, leek echter al snel niet te rijmen met het determinisme van de stoicijnen. Epicurus (341–270 v.C.) legde de basis voor het hellenistische epicurisme. Volgens hem bewogen de atomen in één richting, maar vonden er af en toe niet te verklaren afwijkingen of toevalligheden plaats, waardoor atomen uit hun baan kunnen raken en bijvoorbeeld botsingen veroorzaken. Zulke ideeën duiken opnieuw op in de kwantummechanica. De kwantummechanica verklaart het gedrag van materie en energie op atomair en subatomair niveau. Het was de Duitse fysicus Max Planck (1858–1947) die de voorzet gaf met zijn boek Zur Theorie des Gesetzes der Energie- Verteilung im Normal-Spektrum. De kwantummechanica vormt samen met de relativiteitstheorie van Einstein de grondslag van de moderne natuurkunde.
2. Elektronen en protonen
Gelukkig kunnen we door onze kennis van de atomaire wereld verschijnselen als elektriciteit verklaren. Atomen bestaan uit een kern waaromheen negatief geladen elektronen in een onvoorstelbaar hoog tempo draaien. De kern wordt gevormd dooor positief geladen protonen en neutrale neutronen (de naam zegt het al). Een atoom streeft naar een evenwicht en wil elektrisch neutraal zijn. De totale negatieve lading van elektronen is gelijk aan de totale balans van positief geladen protonen. De Russische scheikundige Dmitri Ivanovitsj Mendelejev (1834–1907) deelde de atomen in op basis van het aantal protonen in de kern (= atoomnummer) en benoemde zo de elementen. Ondertussen zijn meer dan 188 elementen bekend. In een metaal bewegen de elektronen vrij rond de verschillende atomen en niet langer exclusief rond één atoom. We noemen dit ‘vrije elektronen’. Toch behoudt het metaal in zijn geheel een evenwicht, waardoor het elektrisch neutraal is. Het kan echter een aantal van zijn elektronen verliezen, waardoor er een overwicht is aan protonen en het geheel een positieve lading krijgt. Omgekeerd kan het ook meer elektronen opnemen dan het normale aantal, waardoor het een totale negatieve lading krijgt. Als je de twee stukken metaal samenbrengt, stromen elektronen naar het positief geladen stuk tot beide ladingen neutraal zijn.
3. De werking van een batterij
Een batterij werkt volgens dit principe. In een cel (een afgesloten ruimte in een kleine meestal metalen container) plaatsen we een zinken staaf. Vervolgens giet je de cel vol met een bepaalde chemische oplossing. Hierdoor komen sommige atomen los van het zink, maar blijft ook een aantal elektronen achter, waardoor het zink een sterke negatieve lading krijgt. In een andere cel plaatsen we nu een koperstaaf - eveneens in een chemisch mengsel, die heel wat minder atomen afgeeft en hierdoor een lichte negatieve lading krijgt. Verbind je de twee staven of elementen nu met elkaar, dan stromen de elektronen van zink naar koper tot beide ladingen zijn geneutraliseerd. Zo’n batterij zou echter weinig nut hebben. Als we nu ook de chemische oplossing van beide cellen met elkaar verbinden, wordt hun lading geneutraliseerd en blijven de staven geladen. De bewegende elektronen noemen we elektrische stroom.
4. Spanning
Naar analogie kijken we even naar een grote groep mensen in een kleine ruimte. Er treedt een zekere spanning op omdat de mensen aan elkaar beginnen te trekken en duwen. Als er in een land bepaalde spanningen zijn, is dit voor een aantal inwoners een pushfactor om het land te verlaten en elders werk en onderkomen te zoeken. Landen die bepaalde gespecialiseerde werknemers missen, zullen hen net aantrekken. In zulke landen heerst er spanning omdat bepaalde taken niet of te weinig worden uitgevoerd.
Zo werkt ook elektrische spanning: elektronen stromen van een gebied met een negatieve lading naar een gebied met een positieve lading. Als je beide met elkaar verbindt, kunnen ze van de ene locatie ontsnappen naar de andere. Het verschil tussen beide ladingen noemen we de ‘voltage’. Niet alle wegen zijn even geschikt om van de ene plaats naar de andere te gaan. De elektronen moeten zich vlot kunnen bewegen en daarvoor zijn niet alle materialen geschikt. Verbind je beide polen met bijvoorbeeld een staafje koper, waarin veel vrije elektronen voorkomen, dan bewegen de elektronen in één richting. De elektrische stroom wordt uitgedrukt in ampère. Bij een kracht van 1 ampère stromen er 6,241 x 1018 elektronen per seconde door de draad. Op een weg kunnen auto’s zich vrij bewegen, maar toch komen ook botsingen voor. Dit overkomt ook de elektronen als ze zich door een materiaal bewegen. Ze kunnen in botsing komen met atomen die letterlijk als onverwachte tegenliggers of spookrijders op hun baanvak opduiken. Sommige materialen, zoals koper, laten een ‘vrij verkeer’ toe, alhoewel ook hier ‘botsingen’ kunnen optreden.
In sommige materialen komen nagenoeg geen vrije elektronen voor. Alle elektronen blijven hondstrouw bij hun atoom, waardoor de stroom ook niet doorgegeven kan worden. Zulke materialen hebben een hoge weerstand (uitgedrukt in ohm) en noemt men ‘isolatoren’. Botsingen doen de atomen trillen, waardoor ze warmte en/ of licht afgeven. Dit verklaart ook waarom een lamp licht afgeeft. De weerstand in de gloeidraad maakt hem warm en doet hem licht uitstralen. Om onze woningen en industrieën het juiste vermogen (watt) te kunnen geven, moeten we voldoende stroom en/of spanning kunnen leveren. De analogie met water maakt veel duidelijk: als iedereen dagelijks een douche wil nemen, de was wil doen en koken, moet er snel genoeg voldoende water uit de kranen komen. De stroom bij ons thuis wordt niet geleverd door batterijen, maar door elektriciteitscentrales, bijvoorbeeld kerncentrales.
Omdat we thuis geen hoogspanning nodig hebben, zorgen transformatoren ervoor dat de hoge spanning naar lage spanning wordt omgezet. Om te weten hoe elektrische stroom wordt opgewekt, moeten we het verband kennen tussen elektriciteit en magnetisme (het elektromagnetisme). Elektronen gedragen zich als kleine magneten. Als een groot deel van de elektronen in één gebied in één richting wijst, spreken we van een magnetisch domein. Sommige materialen kunnen gemagnetiseerd worden, waardoor alle domeinen in één richting wijzen. In zo’n geval spreken we van een magneet. Magneten produceren een magnetisch veld. Wanneer een elektron in zo’n magnetisch veld terechtkomt, buigt het af van richting. Wanneer een geleider door zo’n veld gaat, buigen de elektronen allemaal af in één richting. Zo ontstaat een positieve en negatieve lading aan de uiteinden van de geleider.
5. Elektrische motoren
Een elektromotor, die in de meeste huishoudtoestellen zit, werkt even ingenieus als eenvoudig. Tussen de polen van een magneet plaatsen we een spoel waar stroom doorheen kan lopen. De spoel is met een stroomkabel verbonden. De spoel ligt dus binnen het magnetische veld van de magneet. Het magneetveld bestaat uit een aantal veldlijnen die van de noord- naar de zuidpool van de magneet lopen. Het magneetveld buigt de elektronen in de spoel af. Denk hierbij aan een hamster die in een molentje loopt. Door met haar pootjes tegen de buitenwand te drukken, begint het molentje te draaien. De elektronen buigen af, duwen tegen de draad en de spoel gaat roteren. Hierdoor kan een as in beweging worden gezet.
De Brit Michael Faraday (1791–1867) slaagde er in 1821 als eerste in om elektrische energie met elektromagnetisme om te zetten in bewegingsenergie. De Hongaar Anyos Jedlik (1800–1895) zou zes jaar latere een elektromotor demonstreren aan zijn universiteit. Beide toestellen hadden geen praktisch nut. De eerste elektromotor die in staat was een machine aan te drijven werd in 1832 ontworpen door de Brit William Sturgeon (1783–1850). Vijf jaar later kwam de Amerikaan Thomas Davenport (1802– 1851) met een verbeterde versie die zeshonderd omwentelingen per minuut (600 rpm) haalde, waardoor lichte machines en drukpersen aangedreven konden worden. Veel uitvinders sprongen mee op de kar, maar allen botsten tegen de hoge kosten van de energievoorziening uit batterijen. De eerste succesvolle elektromotor voor industrieel gebruik was die van Hippolyte Fontaine (1833–1910) en de Belg Zénobe Gramme (1826– 1901)uit1873.Vijftien jaar later vond Nicola Tesla (1856–1943) de eerste inductiemotor uit die aangesloten kon worden op een wisselstroomnet.