Elektrisiteit

Elektrisiteit kan gedefinieer word as die energie wat deur gelaaide elementêre deeltjies verskaf word deur middel van elektriese stroom vir 'n verskeidenheid doeleindes, bv. beligting, verhitting, dryfmeganismes ens.

Elektrisiteit omskryf

Elektrisiteit is een van die wonders van die natuur wat deur die mens ontdek is en wat hy tot sy voordeel begin aanwend het. Dit is een van die eienskappe van materie, wat saam met ruimte en tyd die drie gegewes van die heelal is.

Elektrisiteit kom van die Griekse woord elektron, wat Grieks vir barnsteen (versteende boomgom) is. Die Griek Thales het aangeteken dat, indien jy ’n stukkie barnsteen met ’n wollappie vryf, dit die vermoë verkry om ligte voorwerpe aan te trek.

Die beginpunt daarvan is kortliks die kerne van atome, wat elektries positief gelaai is en die negatief gelaaide elektrone wat om hulle wentel.

Omdat die krag tussen elektriese ladings miljoene keer groter is as swaartekrag, is die opwekking van baie energie moontlik en dié energie kan selfs vir latere gebruik opgegaar word.

Daar is 'n aantal eenvoudige eksperimente wat die teenwoordigheid van elektriese krag en lading demonstreer. As mens 'n kam deur jou hare trek op 'n droë dag, sal die kam stukkies papier aantrek. Hierdie aantrekkingskrag is dikwels sterk genoeg om die papier op te lig.

Deur 'n aantal stelselmatige eksperimente van hierdie soort uit te voer, kan dit bepaal word dat daar twee tipes elektriese ladings bestaan. Benjamin Franklin (1706–1790) het hierdie twee tipes lading positief en negatief genoem en hierdie konvensie word tot vandag toe nog gebruik.

Teenoorgestelde ladings trek mekaar aan en soortgelyke ladings stoot mekaar af. As mens 'n harde rubberstaaf met wol vryf en aan 'n lyn ophang sodat dit vry is om te roteer en dan 'n glasstaaf met sy vryf en nader bring, sal die rubberstaaf aangetrek word.

As mens egter nog 'n rubberstaaf met wol vryf en dit nader bring, sal die staaf wat hang afgestoot word. Die lading op die glasstaaf is positief en die lading op die rubberstaaf negatief. Enige voorwerp wat aangetrek word deur die gelaaide rubberstaaf (of afgestoot word deur die glasstaaf) het dus positiewe ladings. Aan die ander kant: enige voorwerp wat afgestoot word deur die gelaaide rubberstaaf (of aangetrek word deur die glasstaaf) het negatiewe ladings.

Lading

Die deeltjies waaruit alle materie bestaan, is elektries gelaai en dit het ’n baie groot uitwerking op die materie-eienskappe wat die mens met sy sintuie kan waarneem. Die mens het egter nie naastenby ’n begrip van die omvang daarvan nie.

Lading word altyd behou. Hierdie is 'n natuurwet en beteken dat lading nie vernietig of geskep kan word nie. Lading word slegs verplaas, soos wat negatiewe lading van die wol na die rubberstaaf verplaas is in die bogenoemde voorbeeld.

In 1909 het Robert Millikan (1868–1953) vasgestel dat elektriese lading altyd voorkom as 'n veelvoud van 'n sekere fundamentele eenheid van lading, e. Dit wil sê, lading is gekwantifiseer, waar q die standaardsimbool is wat gebruik word vir lading. Anders gestel, kom lading voor in diskrete pakkies. Verdere eksperimente in hierdie tydperk het gewys dat die elektron 'n lading het van -e het en dat die proton 'n gelyke maar teenoorgestelde lading van +e het. Sommige elementêre deeltjies, soos die neutron, is nie gelaai nie. 'n Neutrale atoom sal gelyke hoeveelhede protone en elektrone besit.

Charles Coulomb het die kragte tussen gelaaide voorwerpe kwantitatief gemeet en vasgestel dat die elektriese krag tussen twee klein gelaaide sfere omgekeerd eweredig is aan die kwadraat van die afstand tussen hulle. Dit wil sê, $F\propto {\frac {1}{r^{2}}}$ .

Magnetisme en elektrisiteit

Magnetisme is ’n aspek van elektriese krag wanneer beweging plaasvind. Magnetiese krag is ’n kombinasie van Coulomb se beginsel van elektriese krag tussen gelaaide voorwerpe en Albert Einstein se relatiwiteitsteorie.

Elektrisiteit en magnetisme is op twee maniere verwant:

’n Elektriese stroom bring ’n magnetiese veld voort; en

’n Magnetiese veld oefen ’n krag uit op ’n elektriese stroom of bewegende elektriese lading.

Die Brit Michael Faraday (1797-1878) en die Amerikaner Joseph Henry (1797-1878) het in ongeveer 1830 onafhanklik vanmekaar gevind dat dit moontlik is. Faraday het in ’n poging om ’n elektriese stroom van ’n magnetiese veld voort te bring ná verskeie eksperimente met ’n battery, yster en ’n galvanometer (swakstroommeter) bevind dat ’n induksiestroom moontlik gemaak word deur ’n veranderende magnetiese veld. Dit word elektromagnetiese induksie genoem.

Die magnetisme van ’n elektromagneet is ’n gevolg van elektriese ladings wat beweeg. Die uitwerking van magneetkragte is die opvallendste op ferromagnetiese materiale soos yster en nikkel. Die elektriese strome wat die magnetisme by ’n permanente magneet meebring, is die gevolg van die beweging van die elektrone binne-in in die atome van die magneet.

Dit is laastens nodig om te sê dat swaartekrag niks met elektriese ladings te doen het nie: dit is die krag wat ons en alles anders op die aarde hou en die planete om hul bane om die son hou.

Elektrisiteit in die praktyk

Hoewel die mens elektrisiteit reeds vir sowat ’n eeu tot sy voordeel benut, is daar verskeie vissoorte wat hul eie elektrisiteit gebruik om hulself te beskerm en ook koers te hou in sterk strome. Hulle kan elektrisiteit in groot hoeveelhede opwek en ook daarvan ontslae raak.

Verskeie visse, soos dié paling, kan hul eie elektrisiteit opwek om hulself te beskerm.

Dié visse kan elektrisiteit in gemodifiseerde spierweefsel opwek en is immuun teen hul eie skokke danksy geïsoleerde vetlae. ’n Groot Suid-Amerikaanse elektriese paling (tot meer as twee meter lank en met ’n massa van 40 kg) kan meer as 600 volt elektrisiteit uitstraal. Hul elektrisiteitsorgane is vir sowat die helfte van hul massa verantwoordelik. ’n Elektriese katvis kan vir ’n elektriese skok van 50 volt sorg.

Die groot kragtorings wat algemeen langs die paaie is en die kraggeleiers dra, is van staal en is in staat om ’n baie sterk stroom elektrisiteit te vervoer sonder om self deur die stroom beïnvloed te word.

Dit is moontlik deur doelgemaakte insulators, wat onder meer van getemperde glas of porselein gemaak is en in ’n reeks van tien of meer gebruik word. Dié insulators (gewoonlik soos ’n klok gevorm) is spesiaal toegerus om die uitwerking van weerlig te absorbeer wat die geleiers mag raakslaan.

Die elektrisiteit tydens ’n donderstorm is die gevolg van wolke wat deur elektrisiteit gelaai word wanneer hulle oor luglae beweeg teen verskeie temperature. Verskillende ladings van die wolke en die aarde trek mekaar aan en weerlig (elektriese ladings) is die gevolg: van die wolke na die aarde en van die aarde na die wolke en soms ook van wolk tot wolk.

Die lug is normaalweg nie ’n geleier van elektrisiteit nie, maar deur ’n proses van ionisering ontstaan toestande wat die beweging van elektrisiteit moontlik maak. Die stroom van die ontlading kan miljoene ampère wees – daarom is swaar weer so gevaarlik. Die hoë hitte van die weerlig verhit die lug en dié verhit só vinnig dat dit skokgolwe afgee wat ons as donderweer hoor.

Dit word geraam dat elke dag gemiddeld 1 800 donderstorms op aarde kan ontwikkel.

Dit is ’n feit dat vliegtuie in donderstorms soms deur weerlig getref word. Hulle is almal van metaal gemaak en dit is ’n goeie geleier van elektrisiteit. Die kajuit is hol (Faraday-ruimte genoem) en, omdat dit deur ’n metaalgeleier omhul is, raak die elektriese velde buite die geleier nie die passasiers binne die kajuit nie.

Elektrisiteit moet oor groot afstande vervoer word en dit kan veroorsaak dat die hoeveelheid spanning geleidelik verminder weens die weerstand van die kraggeleiers. Dit is nie moontlik om die weerstand te verminder deur die dikte van die kraggeleiers te vergroot nie omdat dit die geleiers te swaar sou maak.

Om dié kragverliese te oorkom, word wisselstroom gebruik en relatief dun geleiers kan dan gebruik word om die stroom teen hoogspanning te vervoer. By die punte waar die elektrisiteit gebruik gaan word, word geskikte transformators gebruik om die stroom tot minder gevaarlike vlakke te verklein, soos 220 volt of 240 volt – afhangend van watter land jy jou in bevind.

Gebruikers koop in werklikheid nie elektrisiteit van die kragvoorsiener Eskom nie: slegs die arbeid wat die elektriese stroom verrig.

Berekeninge

Simbole	Eenheidsimbole
$\mathrm {F} =\mathrm {m} \cdot \mathrm {a}$	$\mathrm {N} =\mathrm {kg} \cdot {\frac {\mathrm {m} }{\mathrm {s} ^{2}}}={\frac {\mathrm {kg} \cdot \mathrm {m} }{\mathrm {s} ^{2}}}$
$\mathrm {W} =\mathrm {F} \cdot \mathrm {x}$	$\mathrm {J} =\mathrm {N} \cdot \mathrm {m} ={\frac {\mathrm {kg} \cdot \mathrm {m} ^{2}}{\mathrm {s} ^{2}}}$
$\mathrm {V} ={\frac {\mathrm {W} }{\mathrm {C} }}$	$\mathrm {V} ={\frac {\mathrm {J} }{\mathrm {C} }}=\left({\frac {\mathrm {kg} \cdot \mathrm {m} ^{2}}{\mathrm {s} ^{2}}}\right)/\left(\mathrm {A} \cdot \mathrm {s} \right)={\frac {\mathrm {kg} \cdot \mathrm {m} ^{2}}{\mathrm {A} \cdot \mathrm {s} ^{3}}}=\mathrm {A} \cdot \Omega ={\frac {\mathrm {W} }{\mathrm {A} }}$
$\mathrm {V} =\mathrm {I} \cdot \mathrm {R}$	$\mathrm {V} =\mathrm {A} \cdot \Omega$
$\mathrm {Q} =\mathrm {I} \cdot \mathrm {V}$	$\mathrm {W} =\mathrm {A} \cdot \mathrm {V}$
$\mathrm {Q} =\mathrm {I} ^{2}\cdot \mathrm {R}$	$\mathrm {W} =\mathrm {A} ^{2}\cdot \Omega =\mathrm {A} \cdot \mathrm {A} \cdot \Omega =\mathrm {A} \cdot \mathrm {V}$
$\mathrm {Q} ={\frac {\mathrm {V} ^{2}}{\mathrm {R} }}$	$\mathrm {W} ={\frac {\mathrm {V} ^{2}}{\Omega }}={\frac {\mathrm {V} }{\Omega }}\cdot \mathrm {V} =\mathrm {A} \cdot \mathrm {V}$

Waar:

Beskrywing	Simbool	Eenhede
Elektriese spanning	V	V (Volt)
Elektriese stroom	I	A (Ampère)
Werk/Energie/Arbeid	W	J (Joule)
Elektriese drywing	Q	W (Watt)
Coulomb	C	C (Coulomb)
Elektriese weerstand	R	Ω (Ohm)
Massa	m	kg (kilogram)
Tyd	t	s (sekondes)
Afstand	x	m (meter)

Sien ook

Elektrisiën, 'n beroep wat met die installasie en instandhouding van elektriese infrastruktuur bemoeid is.
Volt, Ampere, Ohm, Coulomb, Watt, Megawattuur, Energie, Arbeid

Verwysings

[1] "Oxford Advanced Learner's Dictionary", 5de Uitgawe, A.S. Hornby, J. Crowther, Oxford University Press, 1995.
[2] "Physics for Scientists and Engineers with Modern Physics", 4de Uitgawe, Raymond A. Serway, Saunders College Publishing, 1996.

Bronne

Bonanni, Andrea, Bracco, Pinuccia, Pretto, Galuco en Zanini, Giuseppe. Tell me the Answer. Dean. 1987. ISBN 0 603 00377 X
Giancoli, Douglas C. Physics. Prentice Hall. 1998. ISBN 0-13-611971-9
Paneel redakteurs. Family Guide to Nature. Reader’s Digest. 1983. ISBN 0 949819 32 8
Strauss, Lötz. Hoe verklaar u dit? Deel 1. Ekogilde. 1996. ISBN 0-9583889-3-8.