Elektriciteit Alles wat we kunnen zien en alles wat we niet kunnen zien bestaat uit kleine deeltjes. Zo is een blok staal gemaakt van staaldeeltjes, bestaat water uit waterdeeltjes en hout uit houtdeeltjes. Je kunt een blokje van een stof (staal, water, plastic) steeds weer halveren en dan blijft nog steeds elk deeltje - hoe klein het ook is - van dezelfde stof. Totdat je op een punt komt dat je het deeltje niet meer kunt opdelen in kleinere stukjes van dezelfde stof. Het kleinste deeltje van een stof noemen we een molecuul. Moleculen zijn microscopisch klein. Een molecuul is ongeveer 0,0000000001 m (0,1 x 10-9 ) lang. Een menselijk oog kan dingen die kleiner zijn dan 0,1 mm niet meer zien. Een molecuul is dus veel te klein om te kunnen zien. Maar dat molecuul kunnen we nog verder uit elkaar halen. Een molecuul bestaat uit meerdere atomen. Die atomen zijn gemaakt van de basisstoffen (elementen) uit de scheikunde. Er bestaan maar zo n 100 verschillende elementen. Elke molecuul dat wij kennen is opgebouwd uit combinaties van die 100 elementen. Met die 100 elementen maken we miljoenen verschillende stoffen. Er zijn maar ongeveer 100 elementen in de scheikunde. Bekende elementen zijn bijvoorbeeld: Zuurstof O Waterstof H IJzer Fe Calcium Ca Koolstof C 1
Als je atomen zuurstof en waterstof samenvoegt, krijg je water (H 2 O). Dat kan vloeibaar zijn, maar ook een vaste stof (ijs) of gasvormig (stoom). Een stof kan er dus op verschillende manieren uitzien. Scheikundigen lijken daardoor wel eens tovenaars: alles kan veranderen als je stoffen samenvoegt: de kleur, de vorm, de giftigheid, van alles. De atomen van de elementen zijn natuurlijk veel kleiner dan de moleculen die je ermee kunt maken. Atomen zijn dan ook nog kleiner dan microscopisch klein. De atomen bestaan op hun beurt ook weer uit deeltjes: protonen, neutronen en elektronen. Elk atoom bestaat uit een kern met protonen en neutronen. Daaromheen draaien elektronen. De protonen en elektronen zijn geladen deeltjes. Deze deeltjes zijn ontzettend klein. Zo heeft een elektron zelfs een onmeetbare kleine doorsnede. molecuul water atomen waterstof atoom zuurstof elektron bestaat uit H O H bestaat uit proton atoom zuurstof neutron 2
Stroom = Ampère De protonen krijgen we niet verplaatst. Die zitten aan de neutronen vast in de kern. De zwevende elektronen kunnen we wel opzij duwen. Dat kan bijvoorbeeld met een magneet. Als er een heleboel elektronen tegelijk één kant op bewegen dan heet dat: een elektrische stroom. Daar zijn wel een heleboel elektronen voor nodig. Als er 6 x 10 18 elektronen langskomen in één seconde, dan noemen we dat 1 Ampère. Spanning = Volt Een grote groep elektronen die door een draad stroomt wordt stroom genoemd. De stroom geven we aan in Ampère. De elektronen hebben pas zin om door een draad te gaan stromen als een kracht ze die kant op stuurt. Er moet tegen de deeltjes worden geduwd. Dat kan met een magneet, maar het kan ook door een chemische reactie. In een generator of dynamo zorgt een magneet dat er tegen de deeltjes wordt geduwd. In een batterij, accu, zonnepaneel of brandstofcel is er een chemische reactie die zorgt voor een kracht op de elektronen. De kracht wordt spanning genoemd. De spanning wordt aangegeven met Volt. Weerstand = Ohm = Ω In woonhuizen duwt het elektriciteitsnet met een spanning (kracht) van 230 V tegen de stopcontacten. Toch neemt niet elk apparaat evenveel stroom op uit het elektriciteitsnet. Het ene apparaat biedt meer weerstand tegen de kracht, dan het andere apparaat. Een apparaat met veel weerstand krijgt daardoor maar een kleine stroom en een apparaat met een lage weerstand krijgt daardoor een grote stroom. De weerstand van een apparaat wordt aangegeven in de eenheid Ohm (Ω). 3
Belangrijk: Als er veel deeltjes tegelijk door een draad moeten stromen, dan moet de draad wel dik genoeg zijn. Door een dunne draad kan maar een kleine stroom lopen. Als er op een draad een hoge spanning staat, moet de isolatie wel in staat zijn dat tegen te houden. dikte isolatie bepaalt max. spanning dikte geleider bepaalt max. stroom Elektriciteit wordt vaak vergeleken met water. De druk op het waterleidingnet is vergelijkbaar met de spanning. De dikte van de waterstraal is vergelijkbaar met de stroom. De kraan is de weerstand. Hoe meer weerstand de kraan biedt tegen het water, hoe minder water er uit de kraan komt. Hoe schrijven we het op? Stel dat we van een apparaat de volgende gegevens weten: Spanning is 230 volt Stroom is 2 ampère Weerstand is 115 ohm Dat is dan best veel schrijfwerk. We proberen alles zo kort en helder mogelijk aan te geven en daarom gebruiken we letters om dingen aan te geven: Het woord spanning vervangen we door de letter U Het woord stroom vervangen we door de letter I Het woord weerstand vervangen we door de letter R Het woord volt vervangen we door de letter V Het woord ampère vervangen we door de letter A Het woord ohm vervangen we door de Griekse letter Ω 4
De zin Spanning is 230 volt wordt dan veel korter opgeschreven als: U = 230 V De zin Stroom is 1 ampère wordt dan veel korter opgeschreven als: I = 2 A De zin Weerstand is 230 ohm wordt dan veel korter opgeschreven als: R = 115 Ω De letters U, I en R noemen we grootheden. De letters V, A en Ω noemen we eenheden. Door in formules eenheden en grootheden te gebruiken kunnen we efficiënt rekenen en een berekening makkelijk controleren. 5