Elektrische stroom · de elektronen kruipen, je lamp is meteen aan

Bijna zo snel als het licht

0:00Je drukt op de schakelaar en het licht is meteen aan. Er zit meters draad tussen, dus die elektronen razen door dat koper heen, bijna zo snel als het licht.

Lading, en het kleinste stukje ervan

0:14Om te begrijpen wat er door die draad gaat, moet je eerst weten wat lading is. Een atoom heeft een kern met daaromheen elektronen. De kern is positief, de elektronen zijn negatief, en in een gewoon atoom zijn die twee precies even groot. Netto lading nul: het atoom is neutraal.

0:34Lading is een grootheid met symbool Q, en de eenheid is de coulomb. En de lading van één elektron is het kleinste stukje lading dat er los bestaat. Dat noem je de elementaire lading, symbool e, en die is één komma zes nul twee keer tien tot de min negentiende coulomb.

0:55Dat is zo klein dat het lastig voor te stellen is, dus draai het om: in één coulomb zitten ruim zes keer tien tot de achttiende elektronen. Een zes met achttien nullen erachter. En omdat lading alleen in hele elektronen komt, geldt: Q is n keer e, waarbij n een geheel getal is.

Wat er in een metaal beweegt

1:17In een metaal zitten de atomen vast in een rooster, maar van elk atoom is er ongeveer één elektron dat niet meer aan zijn eigen kern gebonden is. Die noem je vrije elektronen, en die bewegen tussen de ionen door, alle kanten op, ook als er niets aan staat.

1:34Netto verplaatst er dan niets. Sluit je een spanningsbron aan, dan gaan er meer elektronen de ene kant op dan de andere. Er wordt netto lading verplaatst, en dát noem je elektrische stroom. Hoe sterk die stroom is, zeg je met de stroomsterkte.

1:52Symbool I, eenheid ampère. En die is niets anders dan lading per seconde: I is Q gedeeld door t. Neem de lader van een e-bike. Die levert twee komma nul ampère, en je laadt drie uur lang. Drie uur is tien komma acht kiloseconde. Q is dan I keer t: twee komma nul keer tien komma acht duizend, is twee komma één zes keer tien tot de vierde coulomb.

2:20Ruim twintigduizend coulomb, door één stekker. En let op de eenheid: ampère keer seconde is coulomb. Kom je op zes komma nul uit, dan heb je de uren niet omgerekend naar seconden. In de draad bewegen negatieve elektronen van de min naar de plus.

2:37Welke kant op loopt de elektrische stroom volgens afspraak?

De afspraak, en waarom die andersom is

2:45De afspraak is: de stroom loopt in de richting waarin positieve lading zou bewegen. Dus van de plus van de bron, door de kring, naar de min. De elektronen doen precies het omgekeerde. Die lopen van min naar plus. Dat is verwarrend, en het is een historisch ongelukje: de richting is afgesproken voordat iemand wist dat elektronen bestonden.

3:09Maar hij is nooit meer veranderd, want voor het rekenwerk maakt het niets uit. Alle formules kloppen gewoon. Onthoud dus twee pijlen: de elektronenstroom van min naar plus, en de elektrische stroom, die je tekent, van plus naar min.

Hoe snel gaat een elektron nu echt

3:27En dan die snelheid uit het begin. Hang een lampje aan een batterij, en de elektronen in dat draadje schuiven ongeveer een kwart millimeter per seconde op. In een minuut anderhalve centimeter. Aan het lichtnet is het nog gekker. Daar gaat de spanning vijftig keer per seconde heen en weer, dus de elektronen komen nergens: ze trillen een duizendste millimeter om hun plek.

3:53Toch is je lamp meteen aan. Denk aan een tuinslang die al vol water staat. Je draait de kraan open en er komt meteen water uit het uiteinde. Dat is niet het water dat nu de kraan uit komt, want dat staat nog aan het begin. Het is het water dat aan het eind al klaarstond.

4:14Het water beweegt wél, over de hele slang tegelijk, alleen traag. Wat er snel doorheen gaat is de duw. In de draad net zo. Die zit al vol vrije elektronen, en de duw gaat er bijna met de lichtsnelheid doorheen, dus overal beginnen ze tegelijk te bewegen.

4:33Alleen bewegen ze zelf tergend langzaam.

Drie dingen om te onthouden

4:38Drie dingen. Lading komt in hele elektronen: Q is n keer e, en e is één komma zes nul twee keer tien tot de min negentiende coulomb. Stroomsterkte is lading per seconde: I is Q gedeeld door t, in ampère. En de afgesproken stroomrichting loopt van plus naar min, terwijl de elektronen van min naar plus gaan. De elektronen kruipen; het duwtje gaat bijna zo snel als het licht.

Twee vragen

5:05Twee vragen. Eén. Door een draad loopt een halve seconde lang een stroom van vier komma nul ampère. Hoeveel lading is er dan gepasseerd? Twee. Je verlengt het snoer van je bureaulamp met vijf meter. Duurt het daarna merkbaar langer voordat de lamp aangaat?

De antwoorden

5:25De eerste: Q is I keer t, dus vier komma nul keer nul komma vijf is twee komma nul coulomb. Ampère keer seconde is coulomb, dus de eenheid klopt. De tweede: nee. De elektronen die je lamp laten branden zaten al in dat laatste stukje draad; die hoeven niet eerst van het stopcontact naar de lamp te lopen.

5:46Wat er wél over die vijf meter heen moet is de duw, en die doet er een paar honderdmiljoenste van een seconde over.

Stroom, lading en de twee richtingen

5:55Je weet nu wat er beweegt en hoe hard het gaat. Waar de energie vandaan komt die die elektronen in beweging brengt, en waarom dat in volt wordt uitgedrukt, daar staat een aparte video over op het kanaal.