Theorie

Theorie
Statische elektriciteit.
(beta)
Hoe weten we dat er lading is.
Zo'n 2600 jaar geleden werd door de Griekse filosoof Thales van Milete beweerd dat alle stof 'bezield is';
Hij beriep zich daarbij op magnetische steen en op barnsteen. Magnetische steen kan 'uit zichzelf' ijzeren
voorwerpjes aantrekken. Barnsteen kan, nadat het met wol is gewreven, heel kleine voorwerpen zoals
stofdeeltjes, kurkvijlsel en papiersnippers aantrekken (figuur 1). Het Griekse woord voor barnsteen is
elektron.
Door een brokje barnsteen te wrijven, komt het in een toestand waarin het in staat is krachten uit te
oefenen (bijvoorbeeld op papiersnippers). We zeggen dan dat het brokje barnsteen elektrisch geladen is.
Door het te wrijven, heeft het een elektrische lading gekregen.
figuur I
Ook voorwerpen van ander materiaal dan barnsteen kunnen door wrijving elektrisch geladen worden:
- een plastic balpen kan papiersnippers aantrekken nadat je hem stevig over de mouw van je trui
hebt gewreven;
- een ebonieten staaf kan een waterstraal aantrekken, nadat je hem met een bontvelletje hebt
gewreven;
Door de volgende proef uit te voeren, kun je al iets meer over elektrische lading te weten komen.
Je hebt twee glazen staven en twee ebonieten staven nodig. De glazen staven wrijf je stevig met een
zijden lap, de ebonieten staven met een bontvelletje.
Een van de glazen staven leg je in een beugel die aan een draad is opgehangen (figuur 2).
figuur 2
Deze staaf nader je eerst met de andere glazen staaf, daarna met een van de ebonieten staven.
Vervolgens vervang je de glazen staaf in de beugel door een ebonieten staaf waarna je de proef herhaalt.
Je zult dan het volgende te zien krijgen:
- de twee glazen staven stoten elkaar af, evenals de twee ebonieten staven;
een glazen staaf en een ebonieten staaf trekken elkaar aan.
Deze proef kun je uitbreiden door ook nog staven van ander materiaal dan glas of eboniet een elektrische
lading te geven. Dan blijkt het volgende: trekt zo'n staaf een glazen staaf aan, dan stoot hij een ebonieten
staaf af, óf andersom.
Uit deze proef volgt dat er twee soorten elektrische lading moeten bestaan. Deze heeft
men positieve en negatieve lading genoemd. (Daarbij is de afspraak gemaakt de
lading van een gewreven glazen staaf positief te noemen, zodat die van een gewreven
ebonieten staaf negatief is.)
Samenvatting:
1. Het 'elektrisch geladen zijn' van voorwerpen kun je “zien” doordat deze voorwerpen elkaar dan gaan
aantrekken of afstoten.
2. Er bestaan twee soorten elektrische lading: positieve en negatieve lading.
3. Dezelfde soort ladingen stoten elkaar af, verschillende soorten lading trekken elkaar aan.
Verklaring van experimenten, soorten deeltjes
Het atoom
De experimenten kunnen verklaard worden door te kijken naar de deeltjes waaruit een stof is
opgebouwd. Je hebt als het goed is al geleerd dat het basisdeeltje waaruit alle stoffen zijn opgebouwd
het atoom is. Hieronder is een plaatje te zien van het atoom.
In de kern van het atoom zitten de protonen, deze zijn positief geladen en rondom de kern bewegen zich
de elektronen, deze zijn negatief geladen. (In de kern zitten ook de neutronen, maar omdat deze neutraal
zijn, spelen ze geen rol in het verhaal over ladingen).
Voor het atoom geldt dat het aantal elektronen en het aantal protonen gelijk zijn. Het deeltje is als
geheel neutraal.
Dat de elektronen bij de kern blijven komt dus omdat deze negatieve deeltjes worden aangetrokken door
de positieve kern.
Verklaring experimenten.
Op het moment dat je met een doek over een stof wrijft breng je de atomen van de doek heel dicht bij de
atomen van de stof. De heftige beweging die je maakt bij het wrijven heeft als gevolg dat doek en stof op
elkaar zullen gaan reageren. Er kunnen daarbij 2 dingen gebeuren. Er springen elektronen van de doek
naar de stof, of er springen elektronen van de stof naar het doek.
In het ene geval zal de doek positief geladen worden en de stof negatief. In het tweede geval is dat net
andersom. Als de glazen staaf positief is nadat hij opgewreven is (zie boven), dan zijn er blijkbaar
elektronen overgesprongen van de staaf, naar de doek. Bij de ebonieten staaf gebeurd het omgekeerde.
Houdt je nu de glazen staaf bij de ebonieten staaf dan zal het positieve voorwerp het negatieve voorwerp
gaan aantrekken. Houdt je 2 gelijke voorwerpen bij elkaar dan zal de regel gelden dat de 2 positieve, of 2
negatieve voorwerpen elkaar zullen afstoten.
Het ion
Op het moment dat er lading overspringt van stof naar doek, zullen er deeltjes zijn in de stof die niet
langer neutraal zijn. Om het verschil aan te geven tussen deeltjes die neutraal zijn in lading en tussen
deeltjes die dat niet zijn, krijgen deze niet neutrale deeltjes een aparte naam, ze worden ionen genoemd.
Een ion is een deeltje waarbij het aantal protonen en het aantal elektronen niet aan elkaar gelijk is.
In de tekening hierboven staat aan de linker kant een atoom getekend met 12 protonen en 12
elektronen. Omdat er 12 protonen zijn noemen we dit deeltje het magnesiumatoom.
Aan de linkerkant zijn er 2 elektronen van het atoom weggegaan, er is daardoor een ion ontstaan. We
noemen dit deeltje het magnesium-ion.
Metalen
In principe zijn al die proeven te verklaren door uit te gaan door gebruik te maken van het gegeven dat
een atoom elektronen kan afstaan in bepaalde omstandigheden. Door de staaf stevig te wrijven, worden
elektronen 'losgerukt' uit atomen die zich aan het oppervlak van de staaf bevinden. Dit oppervlak krijgt
dan een tekort aan elektronen en wordt daardoor positief geladen.
De losgerukte elektronen worden opgenomen door atomen aan het oppervlak van de doek. Dit
oppervlak krijgt dan een overschot aan elektronen en wordt dus negatief geladen.
Dit geldt echter niet voor alle stoffen. Op het moment dat over een metaal met de doek over wreef
gebeurde er helemaal niets. Hoe komt dat dan?
Nu de verklaring is dat bij verschillende atomen, de mate waarin de buitenste elektronen gebonden zijn
aan het deeltje verschillend is. Er zijn deeltjes waarbij de binding zo sterk is dat wrijven er niet voor zorgt
dat er elektronen gaan overspringen. Er zijn echter ook deeltjes waarbij de elektronen zo zwak gebonden
zijn in het atoom dat ze door het minste of geringste losraken van het atoom. Omdat deze eigenschap er
toe leidt dat deze stoffen een aantal afwijkende stofeigenschappen hebben, heeft deze groep van stoffen
een aparte naam gekregen, deze stoffen noemen we de metalen. Nu moet er hierbij wel een
kanttekening gemaakt worden. Het zijn niet alle elektronen die makkelijk weg kunnen van het atoom, het
zijn alleen de buitenste elektronen. Deze elektronen noemen we vrije elektronen
Stoffen waar de elektronen die aan de buitenkant van het atoom zitten gemakkelijk van het atoom af
kunnen, noemen we metalen. De elektronen die los raken noemen we vrije elektronen.
In de praktijk is de aanwezigheid van een ander metaalatoom al genoeg “verstoring” om de
elektronen in de buitenste schil vrij te maken. In het plaatje hiernaast is te zien dat een
buitenste elektron overstapt van het ene atoom naar het andere, dit zal dan weer tot
gevolg hebben dan een ander elektron dat eerst “gebonden” zat aan dat atoom
vervolgens los zal raken. In de regel zeggen we dat de elektronen vrij kunnen bewegen.
Dit stellen we ons voor zoals hieronder is weergegeven. De getekende baan is daarbij
willekeurig.
Met deze theorie kunnen we verklaren waarom het wrijven van een metalen staaf er niet toe zal
leiden dat deze staaf geladen wordt. Stel dat op het moment van de eerste wrijvingsbeweging er
elektronen overspringen van doek naar staaf. Dan zal op het moment van 2de contact deze
elektronen direct weer terug gaan, ze kunnen immers overal op de staaf opgenomen worden omdat
ze daar direct weer vrij kunnen bewegen.
De werking van de elektroscoop.
Jullie hebben ook het proefje gedaan met de elektroscoop. Ook deze resultaten kunnen we verklaren
met behulp van de eigenschap van metalen dat er vrije elektronen aanwezig zijn.
Een elektroscoop is een apparaat waar een metalen buisje verbonden is met een metalen staafje
waarbij het metalen staafje kan bewegen rondom een as, zie ook de onderstaande figuur.
buisje
staafje
Stel dat je nu een positief geladen voorwerp bij de bovenkant van het buisje houdt, dan zullen de
elektronen van het buisje door dit positief geladen voorwerp worden aangetrokken. Hierdoor gaan
er veel vrije elektronen op de bovenkant van het buisje zitten. Dit heeft tot gevolg dat de onderkant
van het buisje en het staafje negatief geladen wordt. Hierdoor zal het staafje en het buisje elkaar
gaan afstoten. Omdat het staafje kan bewegen zal het weg bewegen van het buisje. We zeggen dan
dat de elektroscoop een uitslag geeft.
Met behulp van een elektroscoop kun je dus vaststellen of een voorwerp wel of niet elektrisch
geladen is.