Stroom
Het atoom
Materie is opgebouw uit atomen. Een atoom betaat uit een kern en elektronen die om de kern heen bewegen. Op de tekening is schematisch het helium-atoom afgebeeld.
De kern bestaat uit protonen, rood afgebeeld met een positieve lading en neutronen, groen en zonder lading. De elektronen zijn geel afgebeeld en hebben een negatieve lading.
De elektrische eigenschappen van een atoom worden hoofdzakelijk bepaald door de elektronen in de buitenste schil van het atoom.
Valentie-elektron
Een valentie-elektron is een elektron dat zich in een nog niet helemaal opgevulde elektronenschil, de valentieschil, van een atoom bevindt.
Valentie
De valentie-elektronen worden door de al wel volle schillen van de positieve atoomkern afgeschermd. De valentie-elektronen "zien" dus een kernlading die veel kleiner is dan de werkelijke lading, en bovendien bevinden zij zich veel verder van de atoomkern. Valentie-elektronen worden daarom makkelijk afgestaan. Chemische elementen met evenveel valentie-elektronen staan onder elkaar in de periodiek systeem en hebben gelijkaardige chemische eigenschappen.
Lading
Elektrische lading, vaak kortweg lading genoemd, is een natuurkundige grootheid (symbool Q) die aangeeft op welke manier een deeltje wordt beïnvloed door elektrische en magnetische velden. Voorwerpen kunnen zowel positief als negatief geladen zijn. Ladingen van dezelfde polariteit stoten elkaar af, terwijl ladingen van tegengestelde polariteit elkaar juist aantrekken. Lading wordt uitgedrukt in de eenheid Coulomb met symbool C.
Eenheden van lading
Voor zover bekend komt elektrische lading in de natuur alleen voor in heeltallige veelvouden van de elementaire lading, e. Deze is gelijk aan de lading van het proton en heeft een waarde van 1,602 176 53 × 10-19 C. Het elektron heeft precies dezelfde lading, maar dan negatief. Ladingen die geen veelvoud zijn van e komen alleen voor in quarks. Dit zijn elementaire deeltjes, waarvan de lading een veelvoud is van e/3, maar die in tegenstelling tot protonen en elektronen nooit los zijn waargenomen.
In de 'gewone' materie, die opgebouwd is uit atomen die bestaan uit protonen, neutronen en elektronen, wordt een positieve lading veroorzaakt door een elektronentekort en een negatieve lading door een elektronenoverschot per atoom. De collectieve verplaatsing van elektronen door een geleider wordt elektrische stroom genoemd.
In formulevorm:
Hierbij is I de stroom in ampère en Q de lading in Coulomb.
Om de lading over een periode t te vinden wordt de integraal genomen van beide leden:
Geschiedenis
Elektrische lading is al in de klassieke oudheid ontdekt door de Grieken, die ontdekten dat barnsteen, als het met een vacht was opgewreven, lichte deeltjes kon aantrekken. Het verschijnsel elektriciteit is dan ook genoemd naar het Griekse woord voor barnsteen, ηλεκτρον (elektron).
In de 18e eeuw werd elektriciteit zeer populair, onder andere door de gevaarlijke maar spectaculaire experimenten met bliksem door Benjamin Franklin. In die periode werden ook allerhande elektriseermachines ontwikkeld, waarmee allerlei ziekten en kwalen genezen zouden kunnen worden, maar waarmee ook amusement werd bedreven. Nog steeds is het spectaculair een persoon onder elektrische lading te zetten, zodat zijn (of liever nog: haar) haar alle kanten op gaat staan.
Stroom
Elektrische stroom is het verplaatsen van ladingdragers (elektronen of gaten of ionen) door een geleider of een halfgeleider onder invloed van een potentiaalverschil (spanning).
Elektrische stroom wordt doorgaans weergegeven met de letter I (van intensiteit) en kan worden beschreven als verplaatsing van elektrische lading per tijdseenheid.
met daarin:
De sterkte van elektrische stroom wordt gemeten in ampère (symbool: A), en wordt informeel ook wel ampèrage genoemd naar analogie van voltage voor de elektrische spanning.
Een elektrische stroom ondervindt weerstand. Dit is niet het geval in supergeleiders waar geen spanning benodigd is of ontstaat.
In de volksmond wordt vaak over stroom gesproken waar spanning wordt bedoeld, met name in uitdrukkingen als: "er staat stroom op". Het woord is ook een metafoor voor de elektriciteitsvoorziening.
Stroomrichting
Traditioneel wordt elektrische stroom uitgedrukt als de verplaatsing van positieve lading. Nu het bekend is dat elektrische stroom doorgaans wordt veroorzaakt door elektronen die zich in tegengestelde richting verplaatsen, heeft men het elektron per definitie een negatieve lading toegekend. De oude definitie van stroomrichting blijft daarom van kracht.
Stroomdichtheid
Onder de stroomdichtheid of specifieke stroomsterkte verstaat me de stoomstrekte per oppervlakte eenheid.
Vloeit er door een geleider met een doorsnede van A m2 een stroom van I ampère en is de stroom gelijkmatig over het doorsnede-oppervlakte verdeeld, dan bedraagt de stroomdichtheid:
Waarbij:
- I in A
- A in m2
- j in A/m2
Bij gelijkstroom treedt een homogene stroomverdeling op, dat wil zeggen dat op iedere punt van de oppervlakte-doorsnede een zelfde deel van de totale stroom loopt.
Skin-effect
Naarmate bij wisselstroom de frequentie hoger wordt, neemt de stroomdichtheid naar de buitenomtrek toe. Dit verschijnsel staat bekend als het skin-effect.
Gevaren van elektriciteit
Effecten van de elektrische stroom op het lichaam:
- 0,5 - 5 mA: Ongevaarlijk: geeft een licht prikkelend gevoel.
- 5 - 20 mA: Spierkrampen in arm en hand. Vanaf 20 mA is loslaten niet meer mogelijk.
- 20 - 40 mA: Ademhaling wordt belemmerd. Zenuwcentra kunnen verlamd raken.
- 40 - 200 mA: Het hart stopt met werken, de bloedsomloop valt stil.
- 200 - 1000 mA: Brandwonden in weefsels, spieren en zenuwen.
- >1000 mA: Vergiftiging van de nieren, levensgevaarlijk.
Stroomgeleiding
Stroomgeleiding in vaste stoffen
De vaste stoffen zijn met betrekking tot de stroomgeliding te verdelen in:
- Geleiders of conductors
- Niet geleiders of isolatoren
- Halfgeleiders
Geleiders
Alle metalen geleiden de elektrische stroom goed.
De afstand tussen de kernen van metaalatomen is zeer klein vergeleken met de afstand tussen de atomen van andere stoffen. De afstand is zelfs zo klein, dat een valentie-elektron, dat een baan rondom de atoomkern beschrijft, op een bepaald moment door een naburige atoomkern sterker wordt aangetrokken dan door zijn eigen atoomkern.
In dat geval gaat het elektron gedeeltelijk een baan beschrijven om de andere atoomkern. Dit overspringen kan zich voortzetten op een derde atoomkern enz. Men spreekt nu van vrije elektronen, omdat deze zich min of meer vrij door het metaal kunnen bewegen.
Bij metalen is het aantal vrije elektronen zeer groot, dat wil zeggen circa (2 tot 8) × 1022 per cm3. In koper treedt gemiddeld 1 vrij elektron per atoom op. Elektronen die aan een verband zijn ontsnapt, laten het atoom als een positief ion achter. Men zij kunnen zeggen dat metalen uit postieve metaalionen en vrije elektronen bestaan. Als geheel beschouwd blijft het geheel elektrisch neutraal.
Het elektriciteitstransport vindt bij geleiders uitsluitend plaats in de vorm van negatieve ladingdragers, de vrije elektronen.
Bij nagenoeg alle geleider materialen neemt de geleiding af bij verhoging van de temperatuur. Bij temperatuursverlaging wordt de geleiding dus groter, waarbij de weerstand die de stroom ondervindt, kleiner wordt.
Supergeleiding
Bij zeer lage temperaturen, enige graden boven het absolute nulpunt (0 K, -273°C), vertonen verschillende metalenhet verschijnsel dat de geleiding plotseling sterk toeneemt, zodat de elektrische stroom nagenoeg geen weerstand meer ondervindt. Men spreekt dan van supergeleiding (voor lood bij 7,2 K).
Isolatoren
Bij een ideale isolator zijn alle elktronen als valentie-elektronen aan hun kernen gebonden. In de praktijk komen echter geen ideale isolatoren voor, omdat er door verontreinigingen toch enkele vrije elektronen aanwezig zijn. Deze vrije elektronen zijn de oorzaak dat er toch een verplaatsing van elektronen kan optreden, waardoor een kleine stroom ontstaat, de zogenaamde lekstroom.