Elektriciteit, wat is dat eigenlijk?

Allereerst moeten we even kijken naar de opbouw van atomen. Atomen, dat zijn de kleinste 'bouwstenen' waaruit alle materie om ons heen is opgebouwd. In dit artikel vind je een goede uitleg over atomen.

Je ziet dat een atoom bestaat uit een kern, bestaande uit zogenaamde 'neutronen' en 'protonen'. Om die kern heen bewegen de zogenaamde 'elektronen'. Dat zijn deeltjes die nog veel kleiner zijn dan protonen en neutronen.

'Elektriciteit' wordt vaak kortweg 'stroom' genoemd. Dat komt omdat de elektronen door een elektrische draad heen 'stromen', net zoals water door een tuinslang stroomt.

Vrije elektronen

De naam zegt het al een beetje: elektronen hebben alles te maken met elektriciteit. Een elektrische stroom is namelijk niets anders dan het bewegen van elektronen door een voorwerp (zoals een stroomkabel) heen. Maar wacht eens... een elektron was toch een deel van een atoom? Hoe kan dat dan los gaan bewegen?

Hier krijgen we te maken met het principe van vrije elektronen: elektronen hoeven niet per se 'vast' te zitten in een atoom. Er zijn genoeg materialen waarin een elektron van zijn atoom 'los' kan komen en vrij tussen alle andere atomen door kan bewegen.

Figuur 1: In een metaal liggen de atomen in een zogenaamd 'metaalrooster' gerangschikt, waardoor vrije elektronen er tussendoor kunnen bewegen. (Bron: Wikipedia)

Geleiders en isolatoren

Materialen waarin elektronen vrij kunnen bewegen, noemen we 'geleiders'. Alle soorten metaal zijn geleiders. Binnen de geleiders bestaan er natuurlijk ook nog verschillende soorten: in sommige materialen kunnen elektronen een stuk makkelijker bewegen dan in andere. Dat zijn dus betere geleiders. Materialen waarin elektronen helemaal niet vrij kunnen bewegen, noemen we 'isolatoren'. Hout en plastic zijn daar goede voorbeelden van.

Stroomkringen

Die bewegende elektronen worden dus gebruikt om energie te transporteren van een energiebron (bijvoorbeeld een batterij) naar een apparaat (bijvoorbeeld een lampje) om daar op één of andere manier werk te verrichten. Daarvoor moet de batterij verbonden worden met het lampje door stroomkabels. Eén kabel is hier niet genoeg: er zouden dan een paar elektronen van de batterij naar de lamp bewegen, en vervolgens niet verder kunnen, zodat er niets meer zou gebeuren. De elektronen moeten door de gloeidraad van de lamp heen stromen en vervolgens weer teruggaan naar de batterij, zodat de elektronen door kunnen blijven stromen. Met andere woorden: de stroomkring moet gesloten zijn. De energiebron werkt dan als een soort 'pomp' voor de elektronen, die rond blijven bewegen. Meer daarover lees je hier.

Figuur 2: Pas als beide polen van de lamp met de transformator verbonden zijn, kan de lamp branden.

Bewegende lading

Zoals je al in de uitleg over atomen hebt kunnen lezen, hebben elektronen een negatieve lading. Dat betekent dat de lading van een elektron tegengesteld is aan die van een proton, dat een positieve lading heeft. Twee tegengestelde ladingen trekken elkaar aan, terwijl twee dezelfde ladingen elkaar afstoten; net zoals twee dezelfde magnetische polen elkaar afstoten.

Aan de ene kant van de energiebron (de minpool) zijn er heel veel elektronen aanwezig, terwijl er aan de andere kant (de pluspool) juist heel weinig zijn. In onderstaand plaatje is dit wat duidelijker uitgelegd.

Figuur 3: het principe van bewegende lading

De negatief geladen elektronen die op een kluitje aan de minpool zitten, worden aangetrokken door de positieve pluspool waar ruimte genoeg is voor de elektronen. Ze gaan daarom - zo lang er een overschot aan elektronen aan de minpool is - van de minpool via de lamp naar de pluspool toe. Toch is de afspraak, als we het hebben over een elektrische stroom die door een draad loopt, dat de elektrische stroom loopt van de pluspool naar de minpool.

Het verschil in de richting waarin elektronen bewegen (de elektronenstroom) en de richting waarin de elektrische stroom “loopt” is het gevolg van de afspraken die vroeger gemaakt zijn onder wetenschappers. Nog voor men wist hoe atomen in elkaar zaten, was de afspraak dat een elektrische stroom van een positief geladen kant naar een negatief geladen kant stroomt. Dat is ook wel logisch, want als iets stroomt, gaat het altijd van een plek met een overschot naar een plek met een tekort (denk bijvoorbeeld aan stroming van een hoge drukgebied naar een lage drukgebied). Veel later, toen men ontdekte hoe een atoom opgebouwd is, besloot men om de lading van een elektron negatief te noemen en die van een proton positief. Achteraf misschien jammer, want nu praten we over een elektrische stroom die van “+” naar “-” gaat, terwijl de elektronen van “-” naar “+” lopen.