Zoals eerder gezegd, hebben we meer nodig dan alleen een ononderbroken pad (d.w.z. een stroomkring) voordat een ononderbroken stroom van lading zal optreden: we hebben ook een middel nodig om deze ladingsdragers door de stroomkring te duwen. Net als knikkers in een buis of water in een pijp, is er een of andere beïnvloedende kracht nodig om de stroom op gang te brengen. Bij elektronen is deze kracht dezelfde kracht als bij statische elektriciteit: de kracht die ontstaat door een onevenwicht van elektrische lading. Als we het voorbeeld nemen van was en wol die tegen elkaar zijn gewreven, dan zien we dat het overschot aan elektronen in de was (negatieve lading) en het tekort aan elektronen in de wol (positieve lading) een onevenwicht van lading tussen beide creëert. Dit onevenwicht manifesteert zich als een aantrekkingskracht tussen de twee voorwerpen:
Als een geleidende draad tussen de geladen was en wol wordt geplaatst, zullen er elektronen doorheen stromen, omdat sommige van de overtollige elektronen in de was zich door de draad haasten om terug bij de wol te komen, en zo het tekort aan elektronen daar aan te vullen:
De onbalans van elektronen tussen de atomen in de was en de atomen in de wol creëert een kracht tussen de twee materialen. Omdat de elektronen niet van de was naar de wol kunnen stromen, kan deze kracht de twee voorwerpen alleen maar naar elkaar toe trekken. Nu echter een geleider de isolerende spleet overbrugt, zal de kracht elektronen uitlokken om in een gelijkmatige richting door de draad te stromen, al is het maar voor even, totdat de lading in dat gebied geneutraliseerd is en de kracht tussen de was en de wol afneemt. De elektrische lading die tussen deze twee materialen wordt gevormd door ze tegen elkaar aan te wrijven, dient om een bepaalde hoeveelheid energie op te slaan. Deze energie is niet anders dan de energie die is opgeslagen in een hoog reservoir van water dat uit een lager gelegen vijver is gepompt:
De invloed van de zwaartekracht op het water in het reservoir wekt een kracht op die probeert het water weer naar het lagere niveau te verplaatsen. Als een geschikte leiding van het reservoir terug naar de vijver wordt geleid, zal het water onder invloed van de zwaartekracht vanuit het reservoir door de leiding naar beneden stromen:
Het kost energie om dat water van de laaggelegen vijver naar het hooggelegen reservoir te pompen, en de beweging van het water door de leidingen terug naar het oorspronkelijke niveau vormt een vrijgave van de energie die is opgeslagen bij het vorige pompen. Als het water naar een nog hoger niveau wordt gepompt, kost dat nog meer energie, dus zal er meer energie worden opgeslagen, en meer energie vrijkomen als het water door een leiding weer naar beneden kan stromen:
Elektronen zijn niet veel anders. Als we was en wol tegen elkaar wrijven, “pompen” we elektronen weg van hun normale “niveaus”, waardoor een toestand ontstaat waarin een kracht bestaat tussen de was en de wol, omdat de elektronen proberen hun vroegere posities (en evenwicht binnen hun respectieve atomen) terug te vinden. De kracht die de elektronen terug naar hun oorspronkelijke positie rond de positieve kernen van hun atomen trekt, is analoog aan de kracht die de zwaartekracht uitoefent op het water in het reservoir, in een poging het naar beneden te trekken tot zijn vroegere niveau. Net zoals het pompen van water naar een hoger niveau tot gevolg heeft dat er energie wordt opgeslagen, zo heeft het “pompen” van elektronen om een elektrische ladingsonbalans te creëren tot gevolg dat er een bepaalde hoeveelheid energie wordt opgeslagen in die onbalans. En, net zoals het verschaffen van een manier voor water om terug te stromen van de hoogten van het reservoir resulteert in een vrijgave van die opgeslagen energie, resulteert het verschaffen van een manier voor elektronen om terug te stromen naar hun oorspronkelijke “niveaus” in een vrijgave van opgeslagen energie. Wanneer de ladingsdragers zich in die statische toestand bevinden (net als water dat stil zit, hoog in een reservoir), wordt de daar opgeslagen energie potentiële energie genoemd, omdat zij de mogelijkheid (potentie) heeft om vrij te komen die nog niet volledig is gerealiseerd.
Het begrip spanning
Wanneer de ladingsdragers zich in die statische toestand bevinden (net als water dat stil zit, hoog in een reservoir), wordt de daar opgeslagen energie potentiële energie genoemd, omdat zij de mogelijkheid (potentie) heeft om vrij te komen die nog niet volledig is gerealiseerd.
Het begrip spanning
Wanneer de ladingsdragers zich in die statische toestand bevinden (net als water dat stil zit, hoog in een reservoir), wordt de daar opgeslagen energie potentiële energie genoemd, omdat zij de mogelijkheid (potentie) heeft om vrij te komen die nog niet volledig is gerealiseerd. Wanneer je op een droge dag met je schoenen met rubberen zolen tegen een stoffen tapijt schuurt, creëer je een onevenwicht van elektrische lading tussen jezelf en het tapijt. De actie van het schuren van je voeten slaat energie op in de vorm van een onevenwicht van ladingen die van hun oorspronkelijke plaats worden verdreven. Deze lading (statische elektriciteit) is stationair, en je zult je niet realiseren dat er überhaupt energie wordt opgeslagen. Zodra je echter je hand tegen een metalen deurknop legt (met veel elektronenmobiliteit om je elektrische lading te neutraliseren), zal die opgeslagen energie vrijkomen in de vorm van een plotselinge stroom van lading door je hand, en je zult het waarnemen als een elektrische schok! Deze potentiële energie, opgeslagen in de vorm van een elektrische ladingsonbalans en in staat om ladingsdragers uit te lokken om door een geleider te stromen, kan worden uitgedrukt als een term genaamd voltage, die technisch gezien een maat is voor potentiële energie per ladingseenheid of iets wat een fysicus specifieke potentiële energie zou noemen.
De definitie van voltage
Gedefinieerd in de context van statische elektriciteit, is voltage de maat van arbeid die nodig is om een ladingseenheid van de ene plaats naar de andere te verplaatsen, tegen de kracht in die elektrische ladingen in evenwicht probeert te houden. In de context van elektrische energiebronnen, is voltage de hoeveelheid potentiële energie die beschikbaar is (werk dat moet worden gedaan) per ladingseenheid, om ladingen door een geleider te verplaatsen. Omdat voltage een uitdrukking is van potentiële energie, die de mogelijkheid of het potentieel voor energie-afgifte vertegenwoordigt als de lading van het ene “niveau” naar het andere beweegt, is het altijd gerelateerd tussen twee punten. Neem de analogie met het waterreservoir:
Omwille van het verschil in hoogte van de druppel, kan er veel meer energie vrijkomen uit het reservoir door de leidingen naar plaats 2 dan naar plaats 1. Het principe kan intuïtief worden begrepen bij het laten vallen van een steen: wat heeft een heviger effect, een steen die van een hoogte van een voet valt, of dezelfde steen die van een hoogte van een mijl valt? Het is duidelijk dat bij een val van grotere hoogte meer energie vrijkomt (een heviger inslag). Wij kunnen de hoeveelheid opgeslagen energie in een waterreservoir niet beoordelen door alleen het volume van het water te meten, evenmin als wij de kracht van de inslag van een vallend gesteente kunnen voorspellen door alleen het gewicht van het gesteente te kennen: in beide gevallen moeten wij ook nagaan hoe ver deze massa’s zullen vallen vanaf hun aanvankelijke hoogte. De hoeveelheid energie die vrijkomt door een massa te laten vallen is relatief ten opzichte van de afstand tussen het begin- en eindpunt. Evenzo is de potentiële energie die beschikbaar is om ladingsdragers van het ene punt naar het andere te verplaatsen, relatief ten opzichte van die twee punten. Spanning wordt daarom altijd uitgedrukt als een grootheid tussen twee punten. Interessant genoeg is de analogie van een massa die van de ene hoogte naar de andere kan “vallen” zo’n treffend model dat spanning tussen twee punten soms spanningsval wordt genoemd.
Opwekken van spanning
Voltage kan worden opgewekt op andere manieren dan door bepaalde soorten materialen tegen elkaar aan te wrijven. Chemische reacties, stralingsenergie, en de invloed van magnetisme op geleiders zijn een paar manieren waarop spanning kan worden opgewekt. Voorbeelden van deze drie bronnen van spanning zijn batterijen, zonnecellen en generatoren (zoals de “dynamo” onder de motorkap van uw auto). We zullen nu niet in detail treden over hoe elk van deze spanningsbronnen werkt – belangrijker is dat we begrijpen hoe spanningsbronnen kunnen worden toegepast om een stroom van ladingen in een elektrisch circuit tot stand te brengen. Laten we het symbool voor een chemische batterij nemen en stap voor stap een schakeling bouwen:
Hoe werken spanningsbronnen?
Elke spanningsbron, ook batterijen, heeft twee punten voor elektrisch contact. In dit geval hebben we punt 1 en punt 2 in het bovenstaande diagram. De horizontale lijnen van verschillende lengte geven aan dat dit een batterij is, en zij geven verder aan in welke richting het voltage van deze batterij zal proberen ladingdragers door een circuit te duwen. Het feit dat de horizontale lijnen in het batterijsymbool gescheiden lijken (en dus niet kunnen dienen als pad voor ladingsstroom) is geen reden tot bezorgdheid: in het echt vertegenwoordigen deze horizontale lijnen metalen platen ondergedompeld in een vloeibaar of halfvast materiaal dat niet alleen ladingen geleidt maar ook de spanning genereert om ze voort te duwen door interactie met de platen. Let op de kleine “+” en “-” tekens onmiddellijk links van het batterijsymbool. De negatieve (-) kant van de batterij is altijd de kant met het kortste streepje, en de positieve (+) kant van de batterij is altijd de kant met het langste streepje. De positieve kant van een batterij is de kant die probeert ladingdragers naar buiten te duwen (vergeet niet dat we ladingsdragers volgens afspraak als positief geladen beschouwen, ook al zijn elektronen negatief geladen). Op dezelfde manier is de negatieve kant de kant die de ladingsdragers probeert aan te trekken. Als de “+” en “-” uiteinden van de batterij met niets zijn verbonden, zal er spanning zijn tussen deze twee punten, maar er zal geen lading door de batterij stromen omdat er geen ononderbroken pad is waarlangs ladingdragers kunnen bewegen.
Hetzelfde principe geldt voor het waterreservoir en de pomp-analogie: zonder een retourleiding terug naar de vijver kan opgeslagen energie in het reservoir niet worden vrijgegeven in de vorm van waterstroming. Zodra het reservoir volledig is gevuld, kan er geen stroming meer plaatsvinden, hoeveel druk de pomp ook kan opwekken. Er moet een volledig traject (circuit) zijn om het water van de vijver naar het reservoir en terug naar de vijver te laten stromen om een continue stroming mogelijk te maken. We kunnen de batterij zo’n circuit geven door een stuk draad van het ene uiteinde van de batterij naar het andere te verbinden. Door een circuit te vormen met een lus van draad, zullen we een continue stroom van lading in gang zetten in de richting van de wijzers van de klok:
Het begrip elektrische stroom begrijpen
Zolang de batterij spanning blijft produceren en de continuïteit van het elektrische pad niet wordt verbroken, zullen ladingsdragers in het circuit blijven stromen. Naar het voorbeeld van water dat door een pijp stroomt, wordt deze continue, gelijkmatige stroom van lading door het circuit een stroom genoemd. Zolang de spanningsbron in dezelfde richting blijft “duwen”, zullen de ladingsdragers in dezelfde richting in de stroomkring blijven bewegen. Deze stroom in één richting wordt gelijkstroom of DC genoemd. In het tweede deel van deze serie boeken worden elektrische schakelingen behandeld waarbij de stroomrichting heen en weer schakelt: Wisselstroom, of AC. Maar voor nu zullen we ons alleen bezighouden met gelijkstroomschakelingen. Omdat elektrische stroom bestaat uit individuele ladingsdragers die eendrachtig door een geleider stromen door mee te bewegen en te duwen op de ladingsdragers ervoor, net als knikkers door een buis of water door een pijp, zal de hoeveelheid stroom door een enkele stroomkring op elk punt gelijk zijn. Als wij een dwarsdoorsnede van de draad in één enkel circuit zouden controleren en de ladingsdragers zouden tellen die voorbij stromen, zouden wij precies dezelfde hoeveelheid per tijdseenheid opmerken als in elk ander deel van het circuit, ongeacht de lengte of de diameter van de geleider. Indien wij de continuïteit van de kring op om het even welk punt verbreken, zal de elektrische stroom in de gehele lus ophouden, en de volledige spanning die door de batterij wordt geproduceerd zal zich manifesteren over de breuk, tussen de draadeinden die vroeger verbonden waren:
Wat is de polariteit van een spanningsval?
Let op de “+” en “-” tekens aan de uiteinden van de onderbreking in het circuit, en hoe deze overeenkomen met de “+” en “-” tekens naast de polen van de batterij. Deze markeringen geven de richting aan waarin de spanning de stroom probeert te duwen, die potentiële richting die gewoonlijk polariteit wordt genoemd. Vergeet niet dat spanning altijd relatief is tussen twee punten. Daarom is de polariteit van een spanningsval ook relatief tussen twee punten: of een punt in een schakeling wordt aangeduid met een “+” of een “-” hangt af van het andere punt waarnaar het wordt verwezen. Kijk eens naar de volgende schakeling, waarbij elke hoek van de lus is gemarkeerd met een nummer ter referentie:
Met een onderbreking van de continuïteit van de schakeling tussen de punten 2 en 3, is de polariteit van de afgevallen spanning tussen de punten 2 en 3 “+” voor punt 2 en “-” voor punt 3. De polariteit van de spanning tussen de punten 2 en 3 is “+” voor punt 2 en “-” voor punt 3. De polariteit van de batterij (1 “+” en 4 “-“) probeert de stroom door de lus met de klok mee te sturen van 1 naar 2 naar 3 naar 4 en weer terug naar 1. Laten we nu eens kijken wat er gebeurt als we de punten 2 en 3 weer met elkaar verbinden, maar een onderbreking in de kring aanbrengen tussen de punten 3 en 4:
Met de onderbreking tussen 3 en 4 is de polariteit van de spanningsval tussen deze twee punten “-” voor 4 en “+” voor 3. Merk speciaal op dat het “teken” van punt 3 tegengesteld is aan dat in het eerste voorbeeld, waar de breuk zich bevond tussen de punten 2 en 3 (waar punt 3 was gelabeld als “-“). Het is onmogelijk om te zeggen dat punt 3 in deze schakeling altijd “+” of “-” zal zijn, omdat polariteit, net als spanning zelf, niet specifiek is voor een enkel punt, maar altijd relatief is tussen twee punten!
REVIEW:
- Ladingsdragers kunnen gemotiveerd worden om door een geleider te stromen door dezelfde kracht die zich manifesteert in statische elektriciteit.
- Voltage is de maat van specifieke potentiële energie (potentiële energie per eenheid lading) tussen twee plaatsen. In lekentaal, het is de maat van “duw” beschikbaar om de lading te motiveren.
- Voltage, als een uitdrukking van potentiële energie, is altijd relatief tussen twee plaatsen, of punten. Soms wordt het een spanningsval genoemd.”
- Wanneer een spanningsbron op een stroomkring is aangesloten, zal de spanning een gelijkmatige stroom van ladingsdragers door die stroomkring veroorzaken, die stroom wordt genoemd.
- In een enkele (één-lus) stroomkring is de hoeveelheid stroom op elk punt gelijk aan de hoeveelheid stroom op elk ander punt.
- Als een stroomkring die een spanningsbron bevat, wordt onderbroken, zal de volledige spanning van die bron over de punten van de onderbreking verschijnen.
- De +/- oriëntatie van een spanningsval wordt de polariteit genoemd. Het is ook relatief tussen twee punten.
Gerelateerde WERKSTUKKEN:
- Werkblad voor spanning, stroom en weerstand