Elektriciteit

Elektriciteit, in de volksmond vaak stroom genoemd, is een begrip uit de natuurkunde waarbij onderscheid wordt gemaakt tussen statische elektrische ladingen, die worden bestudeerd in de elektrostatica, en bewegende elektrische ladingen (stroom), die worden bestudeerd in de elektrodynamica. Elektriciteit omvat niet alleen verschillende, gemakkelijk te herkennen verschijnselen zoals bliksem en statische elektriciteit, maar ook aanverwante fenomenen zoals elektromagnetisch velden en inductie.

Elektriciteit als verschijnsel

Elektriciteit is genoemd naar elektron, het Griekse woord voor barnsteen. Statische elektriciteit kan namelijk worden opgewekt door met een wollen lap over stuk barnsteen te wrijven. Een oude puristische benaming voor elektriciteit is dan ook barnsteenkracht^[1] of barnkracht.

Elektriciteit heeft zeer veel technische toepassingen. In de elektrotechniek wordt de elektriciteitsleer dan ook tot de uiterste grenzen verkend en verder ontwikkeld. In tegenstelling tot veel andere natuurkundige verschijnselen zijn veel van de verschijnselen die met elektriciteit te maken hebben, uiterst nauwkeurig te meten en vooraf te berekenen.

Net als vuur is elektriciteit een natuurlijk verschijnsel. Het bekendst is het optreden van bliksem, die ontstaat door een potentiaalverschil in de atmosfeer. Sommige vissen, zoals de sidderaal, zijn ook in staat stroom op te wekken. Daarnaast werkt het dierlijke en menselijke zenuwstelsel met elektrische signalen.

Geschiedenis

Michael Faraday, uitvinder van de elektromotor

Lang voordat er kennis was over elektriciteit, waren mensen zich al bewust van het gevaar hiervan door het contact met elektrische vissen.

Dat werd millennia later ook door de oude Griekse, Romeinse en Arabische natuuronderzoekers en artsen vermeld. Verschillende oude schrijvers, waaronder Plinius de Oudere en Scribonius Largus onderzochten het verdovende effect van elektrische schokken van meervallen en de Torpediniformes (een roggensoort). Ook wisten ze al dat zulke schokken zich alleen kunnen verplaatsen via geleidende voorwerpen. Patiënten die leden aan aandoeningen als jicht of acute hoofdpijn, werden behandeld door hen elektrische vissen te laten aanraken, in de hoop dat de krachtige schok hen zou kunnen genezen.

Enkele oude culturen rond de Middellandse Zee hadden al enige kennis van statische elektriciteit. Ze wreven met barnsteenstaven over een vacht en trokken met de staven lichte voorwerpen, zoals een veer aan. Rond 600 v.Chr. maakte Thales van Milete enkele opmerkingen over statische elektriciteit. Hij was ervan overtuigd dat barnsteen, in tegenstelling tot andere mineralen (zoals magnetiet), magnetisch werd door wrijving.

In 1600 publiceerde de Engelse arts William Gilbert een uitgebreide studie over elektriciteit en magnetisme. Hij onderscheidde het natuurlijk magnetisch effect van dat van statische elektriciteit opgewekt door over barnsteen te wrijven. Otto von Guericke, Robert Boyle, Stephen Gray en Charles du Fay werkten en onderzochten elektriciteit verder. In de 18e eeuw deed Benjamin Franklin uitgebreid onderzoek naar elektriciteit. In 1752 voerde hij zijn bekende experiment met de vlieger uit, waarmee hij bewees dat bliksem een vorm van elektriciteit is.

In 1791 publiceerde Luigi Galvani zijn ontdekking van dierlijke elektriciteit, waaruit bleek dat zenuwcellen elektriciteit gebruiken om signalen door te geven aan onze spieren. Alessandro Volta's batterij, de Zuil van Volta, gaf de wetenschappers een meer betrouwbare energiebron in vergelijking met de elektriseermachines die ze eerder gebruikten. In 1820 ontdekte Hans Christian Ørsted het verband tussen elektriciteit en magnetisme. Hij demonstreerde hoe een geleider waardoor een elektrische stroom loopt, in staat is een kompasnaald te beïnvloeden. André-Marie Ampère hoorde van Ørsteds ontdekking en herhaalde het experiment onder gecontroleerde omstandigheden. Nog geen week later had hij de wet gevonden die bepaalt hoe, en in welke richting de naald wordt beïnvloed.

Michael Faraday vond in 1821 de elektromotor en de dynamo uit, en Georg Ohm analyseerde in 1827 het elektrische netwerk met wiskundige methoden.

Aan het einde van de 19e eeuw zou de grootste vooruitgang geboekt worden. Dankzij Thomas Edison, Nikola Tesla, Werner von Siemens, Alexander Graham Bell en Lord Kelvin werd elektriciteit essentieel in de moderne samenleving. Mede dankzij hun bijdragen ontstond er eind 19e eeuw een tweede industriële revolutie. In de 20e eeuw slaagde men erin de dragers van elektrische lading, het elektron en het proton, te identificeren als bestanddelen van het atoom.

Elektrische stroom

De kleinst mogelijke elektrische lading wordt belichaamd in twee zogenaamde elementaire deeltjes, het "positieve" proton en het "negatieve" elektron. Andere geladen deeltjes zijn bijvoorbeeld ionen. Lading die beweegt wordt elektrische stroom genoemd.

Als twee gelijke voorwerpen verschillende lading hebben en men verbindt ze met een geleider (bijvoorbeeld een stroomdraad), verplaatst zich lading van het ene voorwerp naar het andere. Er loopt een elektrische stroom van het ene voorwerp naar het andere.

In het algemeen brengt de lading op een voorwerp het voorwerp op een zekere potentiaal. Als twee voorwerpen een verschillende potentiaal hebben (er is een potentiaalverschil), en ze worden door een geleider verbonden, loopt er een elektrische stroom van het voorwerp met de hogere potentiaal naar dat met de lagere potentiaal. Dit kan echter wel betekenen dat negatieve lading zich in de tegengestelde richting beweegt.

Met behulp van elektrische stroom kunnen elektriciteitsleveranciers huishoudens van elektrische energie voorzien. Wat geleverd wordt, is niet elektrische lading (want ieder voorwerp heeft al lading), maar het potentiaalverschil (elektrische spanning) dat in stand gehouden wordt tussen twee polen van een stopcontact, zodat op elk gewenst moment een stroom van elektrische lading door een apparaat kan lopen. In de volksmond is dit vaak afgekort tot "stroom", en dit spraakgebruik is zelfs door elektriciteitsleveranciers overgenomen. Zo wordt gesproken van "groene stroom". Het woord stroom is daardoor bij gebruikers wel opgevat in de zin van "elektriciteit". Ook tussen de pool van een stopcontact waarop de zogenaamde fase staat en de aarde is een potentiaalverschil. In de atmosfeer kan een potentiaalverschil ontstaan tussen het aardoppervlak en een wolkenmassa. Wanneer de spanning zo groot wordt dat lucht wordt geïoniseerd, ontstaat er een ontlading in de vorm van bliksem.

Statische elektriciteit bestaat uit ladingen die zich niet verplaatsen. Als ladingen zich wel verplaatsen is er sprake van elektrische stroom. Dit kan gelijkstroom (DC) zijn, maar ook wisselstroom (AC). In beide gevallen gaat het om de richting waarin de elektriciteit stroomt. Gelijkstroom wordt onder andere gebruikt in auto's en schepen, terwijl thuis wisselstroom uit het elektriciteitsnet komt.

Gevaren van elektriciteit

Effecten op het lichaam van een elektrische stroom door het lichaam (waarden zijn voor wisselstroom):

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.