Elektrische lading
Statische elektriciteit is een ontdekking van de Grieken. Als je ergens een overschot aan elektrische lading kan opzetten, dan krijg je een aantal typische verschijnselen.
Barnsteen is een materiaal waarmee je dergelijke verschijnselen kan krijgen. Het Oudgriekse woord voor barnsteen is ἤλεκτρον, elektron.
barnsteen
De klassieke experimenten - statische elektriciteit
EXPERIMENTEN
Een paar experimenten leren ons al heel veel over elektrische verschijnselen. We wrijven met een wollen doek over plastieken staaf en met papier over een (plexi)glazen staaf. We brengen de staven in de buurt van snippers papier, een waterstraaltje, je haar, ... en tenslotte in de buurt van elkaar. We halen een plastieken kam door iemands haar en doen hetzelfde
Een elektroscoop is een toestel dat reageert op statische elektriciteit. Het is bijvoorbeeld een metalen staaf, die aan de ene kant voorzien is van een metalen knop, en aan de andere kant van twee dunne beweegbare metalen reepjes. Of het is een staaf en een beweegbare naald. De uitwijking van de blaadjes of de naald is een maat voor de hoeveelheid elektriciteit.
EXPERIMENTEN
We nemen nu een elektroscoop en gaan er lading opzetten, halen de lading er weer af, verbinden 2 elektroscopen ...
OPDRACHT
Maak je eigen elektroscoop! Laat je inspireren door wat je vindt op het internet. HIER bijvoorbeeld.
Blijkbaar kunnen we dingen “elektrisch geladen" maken en er daarna “die elektriciteit” weer afhalen. Voorwerpen bezitten “elektrische lading” die je kan verplaatsen.
TERMINOLOGIE
Dingen kunnen elektrisch geladen zijn. Als die elektrische ladingen blijven zitten, spreken wa van STATISCHE ELEKTRICITEIT. Als de elektrische ladingen bewegen, spreken we van ELEKTRISCHE STROOM.
Basisvaststellingen
Sommige voorwerpen trekken dingen aan (of stoten ze af) als je er over gewreven hebt. We noemen die voorwerpen dan “elektrisch geladen”.
We kunnen voorwerpen meer of minder opladen. We kunnen dus gaan spreken over een hoeveelheid elektrische lading.
Elektrisch geladen voorwerpen kunnen elkaar afstoten of aantrekken. Uit onze proeven leiden we af dat er twee soorten elektrische ladingen bestaan. We noemen die negatief en positief.
Positieve en negatieve ladingen kunnen elkaars werking teniet doen. Als een voorwerp even veel positieve als negatieve ladingen bezit, dan noemen we het neutraal (geladen).
Voorwerpen waarop dezelfde soort lading zit, stoten elkaar af. Als het ene negatief en het andere positief geladen is, dan trekken ze elkaar aan.
Hoe verder geladen voorwerpen zich van elkaar bevinden, hoe kleiner de kracht die ze op elkaar uitoefenen. De elektrostatische kracht vermindert als de afstand groter wordt.
Elektrische ladingen bewegen wél door metaal en niet door hout, papier, ... . Sommige materialen zijn dus elektrische geleiders, andere zijn elektrische isolatoren.
Heel veel van wat volgt in deze lessen ga je kunnen verklaren als je weet dat elektronen, negatief geladen elementaire deeltjes, elkaar afstoten. Elektronen houden er niet van om bij elkaar te zitten.
Elektrisch geladen, hoe komt dat?
De atomen, de bouwstenen van moleculen, zijn de dragers van elektrische lading.
De eigenschap "elektrische lading" en verschijnselen die daarmee samenhangen zijn al lang gekend. Maar het heeft lang geduurd voor we precies wisten waaróm voorwerpen elektrisch geladen kunnen zijn. Elk atoom bevat elektrisch geladen deeltjes. Maar die deeltjes zijn pas ontdekt eind 19e en begin 20e eeuw.
Een atoom heeft:
positief geladen protonen (p+) in de atoomkern.
ongeladen neutronen (no) in de atoomkern.
negatief geladen elektronen (e-) rond de atoomkern.
De elektronen van een atoom zitten aan de buitenkant. Interactie met een atoon is dus (meestal) interactie met de elektronen van dat atoom. Als je een voorwerp elektrisch oplaadt door te wrijven, dan wrijf je er elektronen op of je wrijft er elektronen af!
Is een voorwerp negatief geladen? Dan heeft het te veel elektronen.
Is een voorwerp positief geladen? Dan heeft het te weinig elektronen.
SIMULATIE
Gebruik de simulatie Ballonnen en statische elektriciteit om uit te zoeken waarom statisch geladen voorwerpen blijven plakken.
DE IONBINDING
Zuren, basen en hun zouten bestaan uit atomen die aan elkaar zijn gebonden. Op die manier bezitten die atomen allemaal de edelgasstructuur (buitenste schil volledig gevuld, acht elektronen).
Een molecule van gewoon tafelzout (NaCl) bestaat bijvoorbeeld uit een natriumatoom en een chlooratoom. Hierbij ontstaat de binding tussen beide omdat natrium 1 elektron aan chloor afstaat. Na en Cl hebben dan allebei een volledig gevulde buitenste schil. De binding bevat dus Na+ en Cl- die elkaar aantrekken omdat ze tegengesteld geladen zijn. Een dergelijke binding noemen we een ionbinding.
In 1 zoutkorrel zitten een miljard miljard ionen Na+ en Cl-. Ze zijn netjes om de beurt in een kristalrooster gerangschikt.
Elektrische lading kan je meten
In onze experimenten hebben we gezien dat we een meer of minder kunnen laden. We kunnen dus gaan spreken over een hoeveelheid elektrische lading. Een hoeveelheid lading is meetbaar, dus hebben we hier te maken met een nieuwe grootheid.
GROOTHEID - ELEKTRISCHE LADING
De ELEKTRISCHE LADING (q), vaak kortweg lading genoemd, is een natuurkundige grootheid die aangeeft op welke manier een deeltje wordt beïnvloed door elektrische en magnetische velden.
S.I.-EENHEID - COULOMB
Elektrische lading drukken we uit in coulomb (C).
De coulomb wordt gedefiniëerd op basis van de elementaire lading (e), die een fundamentele natuurconstante is.
De elementaire lading
De elementaire lading is de (positieve) elektrische lading van een proton.
1 proton draagt een elektrische lading van exact (!) + 1,602176634 × 10−19 C
1 elektron draagt een elektrische lading van exact (!) - 1,602176634 × 10−19 C
OEFENING
Hoeveel elektronen moet je bij elkaar zetten om een lading q = - 1 C te hebben?
Vrije elektronen in metalen
Waarom laten metalen zo goed elektrische lading door? Waarom zijn het goede elektrische geleiders?
Net als in keukenzout zitten de atomen van een metaal netjes gerangschikt in een kristalrooster. Maar de elektronen van de verschillende atomen “voelen” elkaar. In een metaal gaan een aantal van die elektronen niet meer aan 1 atoom gebonden zijn. Het zijn vrije elektronen geworden. Ze bewegen willekeurig door het metaal.
Als je er dan aan 1 kant van een metaaldraad elektronen instopt, komen er langs de andere kant elektronen uit. Elektronen duwen elkaar immers weg. De ladingen verplaatsen zich en je hebt een elektrische stroom!
EXPERIMENTEN
Een elektroscoop kan je een uitwijking geven zonder dat je hem aanraakt. Het is voldoende om met een geladen voorwerp in de buurt te komen.
Waarom?
Een elektroscoop maakt ook lading “zichtbaar” zonder (!) dat je hem aanraakt. Als je met een positief geladen staaf in de buurt komt, dan trek je vrije elektronen uit het metaal naar de staaf toe. De beweegbare blaadjes van de elektroscoop hebben dan te weinig elektronen. Ze zijn dan allebei positief geladen en stoten elkaar af.
EXPERIMENTEN
We leggen een leeg, ongeladen drankblikje zo neer dat het kan rollen. Wat gebeurt er wanneer we een positief geladen staaf in de buurt brengen? Wat gebeurt er wanneer we een negatief geladen staaf in de buurt brengen?
Kan je verklaren waarom?
In beide gevallen zal het blikje naar de staaf rollen.
Als je de positieve staaf bij het blikje houdt, trek je de vrije elektronen in het metaal naar je toe. De nabije kant van het blikje is dan negatief, de verre kant van het blikje positief. Het blikje rolt naar de staaf.
Als je de negatieve staaf bij het blikje houdt, duw je de vrije elektronen in het metaal van je weg. De nabije kant van het blikje is dan positief, de verre kant van het blikje negatief. Het blikje rolt naar de staaf.
OPDRACHT - LEZEN
⌂ Elektriciteit thuis
Het menselijk lichaam is een geleider. En elektrische stroom die doorheen je lichaam loopt kan schade toebrengen. Het is dus vaak geen goed idee om elektrische geleiders aan te raken. Daarom zijn de elektrische draden die je thuis aantreft meestal omhuld met isolerend materiaal. Zowel die van de elektrische installatie als die van elektrische toestelen. Dat voorkomt elektrocutie.
Elektrische geleiders worden dikwijls omhuld door een materiaal dat een elektrische isolator is.
EXTRA OEFENINGEN
... VIND JE IN JE WERKBOEK.