Elektrisiteit en magnetisme
Elektrisiteit: die vonke en die strome
'n Blits klief die lug. 'n Donderslag volg. Voordat die mens elektrisiteit begryp het, het hy hierdie natuurverskynsels met groot ontsag gevrees. Maar ook die vonkies wat uit jou hande kan skiet wanneer jy aan metaal raak nadat met jou skoene oor 'n tapyt geskuifel het, is elektrisiteit. Wat meer sê, 'n Van De Graaff- elektrostatiese opwekker kan selfs jou hare orent laat staan soos dié van voëlverskrikker!
Weerlig: NOOAA Meisie met elektrostaties geaktiveerde hare: NASA
Lees ook hierdie verwante Mieliestronk-artikels:
• Elektrisiteit — die kragtige verhaal van die krag wat ons moderne wêreld aan die draai hou
• Gevare van die kragdrade en -toestelle in en om die huis
• Weerlig en donderstorms
• Laslappie: Magnete en magnetisme
GOU! Steek weg die skêr! Gooi 'n doek oor die spieël! Gaan sit op 'n verebed! Of, as jy buite is, bly weg van nat honde en perde!
Klink dalk na wolhaarstories, maar nie baie jare gelede nie is dit presies wat mense tydens 'n donderstorm gedoen het.
In alle kulture, regdeur die geskiedenis, is donderweer met die grootste vrees en ontsag bejeën. Vir party was dit die manifestasie van 'n god, vir ander die verpersoonliking van 'n godheid.
Vir die antieke Grieke was donder en blitse 'n openbaring van Zeus, vir die ou Romeine 'n bekendmaking van Jupiter.
In die Ou Testament word dit in verband gebring met God. Elihu, een van die orators in Job, verwonder hom blykbaar aan die donder en weerlig. "Hoor hoe bulder die stem van God," sê hy, "hoe dreun dit uit sy mond! Hy laat dit losbreek in die hemelruim, Hy laat dit blits tot by die uithoeke van die wêreld, en dan kom die donderslag. God laat sy magtige stem hoor. Hy stuur die onweer in volle krag wanneer Hy sy stem laat hoor. Met sy stem laat God magtige dinge gebeur." (Job 37: 3-5.)
'n Mens kan maklik verstaan waarom die mense van die ou tyd, wat nie eens 'n basiese begrip van elektrisiteit gehad het nie, die donder en weerlig as iets bonatuurliks beskou het.
Elektrisiteit is 'n vorm van energie. Dit kan nie gesien, gehoor of geruik word nie, maar ons weet dat dit bestaan vanweë dit wat dit doen. Dit is die kragbron van ons TV-stelle, radio's, koelkaste, stowe, persoonlike rekenaars en hoeveel ander dinge.
Draagbare apparate soos flitsligte, radio's en sakrekenaars werk met elektrisiteit wat van batterye (of selle) kom.
Elektrisiteit kan in ander vorms van energie soos hitte en lig omgeskep word en verwarm en verlig ons huise, skole en kantore. Wanneer jy oor die telefoon praat, word jou stem in die vorm van elektriese seine in kabels voortgedra.
Elektriese treine vervoer passasiers vinnig van die een plek na die ander. Verskillende dele van 'n motor werk met elektrisiteit. Fabrieke kan nie daarsonder nie—die lys is eindeloos.
Statiese elektrisiteit en stroomelektrisiteit
ELEKTRISITEIT kan óf "staties" wees óf in 'n stroom vloei.
Alle materie bestaan uit uiters klein eenhede wat atome genoem word. Die atome bestaan op hul beurt uit elektrone, protone en neutrone. Elektrone het 'n negatiewe lading; die lading van protone is positief. Neutrone het geen lading nie.
Die volgende vergelyking gee 'n mens 'n idee van hoe verskriklik klein die atoomdeeltjies is: As jy 'n miljoen elektrone langs mekaar in 'n reguit lyn oor die kop van 'n kopspeld sou kon span, sou hulle skaars die afstand dek.
Hoe ook al, alle materie is dus saamgestel uit enorme hoeveelhede positiewe lading en negatiewe lading in volmaakte ewewig. Anders gestel: atome het in die reël ewe veel elektrone as protone en is dus elektries neutraal, of die netto elektriese lading staan gelyk aan nul, aangesien die ladings mekaar uitkanselleer. As 'n atoom egter sekere elektrone bykry, raak dit negatief gelaai. Indien dit elektrone verloor, raak dit positief gelaai. (In albei gevalle is die atoom geïoniseer).
Wanneer teenoorgestelde ladings in dieselfde rigting vloei, het ons fisiese beweging. Sodra die teenoorgestelde hoeveelhede lading gedwing word om in twee verskillende rigtings te vloei, het ons 'n elektriese stroom. Wanneer die teenoorgestelde hoeveelhede lading van mekaar geskei word, is die netto elektriese lading nie langer nul nie en manifesteer die verskynsel wat bekend staan as statiese elektrisiteit.
Die elektrisiteit wat ons daagliks vir ons ligte, masjiene, rekenaars en baie ander dinge gebruik, is stroomelektrisiteit.
Tog moet ons nie aan elektrisiteit dink as twee soorte, te wete stroom- en statiese elektrisiteit nie. Elektrisiteit is immers elektrisiteit. Dit is maar net in die manifestasies waarin die verskil lê.
Statiese elektrisiteit in ballonne
DIE klein, blou vonkies wat jy partymaal sien wanneer jy jou hare in die donker kam, of die dowwe gekraak wat jy kan hoor wanneer jy jou nylon-trui uittrek, is vanweë statiese elektrisiteit.
In sekere omstandighede kan negatiewe ladings op die oppervlak van 'n voorwerp opbou. As hierdie ladings skielik wegvloei, is daar 'n vonk. Dit word ontlading genoem.
Jy kan statiese elektrisiteit laat opbou deur 'n ballon teen jou trui te vryf. Die elektrone in jou trui word versteur en sekere van hulle kleef aan die oppervlak van die ballon.
As jy die ballon teen die muur hou, word hierdie ekstra ladings aangetrek na teenoorgestelde ladings aan die muur, en die ballon bly daar sit. Die ladings sal uiteindelik geneutraliseer word en die ballon sal afval.
Net soos stowwe met teenoorgestelde ladings mekaar aantrek, stoot dié met dieselfde lading mekaar af. Jy kan dit sien gebeur deur 'n ballon te laai en dit agter aan 'n stoel vas te maak. Laai nog 'n ballon en hou dit naby die eerste een. Die eerste sal van die ander een af wegspring.
Statiese elektrisiteit laat jou hare orent staan, omdat jou hare en die gelaaide ballon mekaar aantrek.
Statiese elektrisisiteit laat 'n gelaaide ballon van 'n ander gelaaide een af wegspring.
Elektrisiteit in die natuur
BENEWENS weerlig is daar baie ander vorms van elektrisiteit in die natuur.
Dit is byvoorbeeld betrokke by baie van ons liggaamsprosesse. Elektriese impulse laat die hart ritmies klop, en die "boodskappe" wat in ons senuwees beweeg, word deur elektriese strome oorgedra.
Die krag wat plantwortels in staat stel om voedingstowwe uit die grond te onttrek, is ook elektries.
Sekere diere gebruik elektrisiteit as 'n navigasiehulp, om hul prooi te vang en hulself te verdedig. Die sidderaal van Suid-Amerika kan byvoorbeeld ladings van tot 650 volt opwek—genoeg om 'n mens katswink te skok, maar hy gebruik dit darem eintlik om visse en paddas dood te maak.
LINKS Suid-Amerika se sidderaal (Engels "electric eel"), Electrophorus electricus, is 'n skokkende vis in die letterlikste sin van die woord. Hy kan venynige elektriese skokke toedien, wat hy sowel vir jag as selfverdediging gebruik. Die spanning neem toe namate die vis groei en bereik 'n maksimum (tot 650 volt is al gemeet) wanneer hy sowat 'n meter lank is. Party sidderale raak nagenoeg drie meter lank. Foto: NOAA
Donderslae en blitse
• Lees ook die Mieliestronk-artikel oor weerlig: klik hier
WEERLIG is 'n reuse-vonk in die lug. Donderwolke bevat 'n menigte klein waterdruppeltjies en ysdeeltjies. Tydens 'n donderstorm bots dié teen mekaar en kry elektrone by of verloor dit. Hulle raak dus elektries gelaai.
Die ligter druppeltjies en deeltjies verkry 'n positiewe lading en styg na bo in die wolk. Dié wat swaarder is, raak negatief gelaai en val na onder in die wolk. Die onderkant van die wolk is dus negatief gelaai bokant die grond. As 'n baie sterk lading daar opbou, vind dit 'n pad ondertoe deur die lug en ontlaai as weerlig. Dit staan bekend as wolk-tot-grond-weerlig.
Weerlig kan ook binne-in 'n wolk voorkom, tussen twee wolke en tussen 'n wolk en die lug.
Maar waarom is daar 'n donderslag? Weerlig is baie warm en verwarm die omringende lug, sodat dit skielik en kragtig uitsit en teen die koel lug daarnaas bots. Dit veroorsaak klankgolwe wat ons as 'n donderslag hoor.
WANNEER 'n stroom deur 'n gloeilamp vloei, word sekere van die elektriese energie in hitte-energie omgeskakel en die gloeilamp gloei witwarm. Dit is omdat die wolframdraad in die gloeilamp teen die kragstroom weer­stand bied.
Alle elektriese komponente bied 'n sekere mate van weerstand, afhangende van hul lengte en breedte en die stof waarvan hulle gemaak is. Hoe dunner en langer 'n geleier is, des te hoër is sy weerstand.
Stowwe wat min weerstand bied, word geleiers genoem; dié met groot weerstand is isolators.
Weerstand word in eenhede genaamd ohms (R) gemeet, genoem na die negentiende-eeuse fisikus Georg Simon Ohm.
Sekere kringe het 'n weerstand-komponent, waarmee die stroom wat daardeur vloei, beheer word. Party apparate het 'n verstelbare weerstand-komponent, waarmee 'n mens die weerstand na willekeur kan wysig.
Die snelheid van 'n elektriese trein word byvoorbeeld met 'n verstelbare weerstand verander.
SELLE en batterye is 'n gerieflike bron van elektrisiteit. Die krag wat hulle verskaf, kom van 'n chemiese reaksie tussen verskillende stowwe daarin. Word slegs een hoeveelheid stowwe gebruik, noem ons dit 'n sel. 'n Battery is 'n reeks aaneengeskakelde selle. (Dit is dus meer korrek om van byvoorbeeld 'n flits-sel te praat as van 'n flitsbattery.)
Die droë sel is die volopste opwekker en word in honderde dinge van wekkers tot persoonlike stereo's gebruik. Daar is verskillende soorte droë selle, elk met ietwat verskillende bestanddele. Een van die mees algemene soorte bevat sink, 'n metaalgeleier en 'n elektroliet soos kaliumhidroksied.
Elektroliete is stowwe wat onder die invloed van 'n elektriese veld in beweging kom sodat dit geleidend word.
BO: 'n Battery is 'n verskuifbare energiebron. Dit bestaan uit 'n aantal individuele selle wat verbind is. Daar is drie basiese elemente in 'n sel, te wete die positiewe terminaal, negatiewe terminaal en elektroliet. Sodra krag uit die sel onttrek word, vloei elektrone deur die elektroliet en ondergaan die positiewe en negatiewe terminale elektrochemiese veranderings wat met verloop van tyd tot 'n verswakking lei totdat die sel "dood" raak.
Illustrasie: NREL / U.S. Department of Energy
Maak jou eie battery-sel
HOEWEL jong kinders nooit eksperimente moet doen met die gevaarlike elektrisiteit wat in ons huise gebruik word nie—en ouer kinders en studente uiters, uiters versigtig daarmee te werk moet gaan as dit dan nou moet—kan elkeen steeds pret hê met elektrisiteit deur self klein batteryselle te maak.
Om gou-gou jou eie sel saam te flans, het jy nodig: twee stukke draad van omtrent 15 cm, 'n klompie blink kopermuntstukke, tinfoelie, kladpapier en soutwater.
1. Sny die foelie en kladpapier in klein vierkantjies wat net so groot soos die muntstukke is.
2. Gooi oorgenoeg sout in 'n beker water en laat die kladpapier 'n ruk daarin week.
3. Plaas 'n vierkantjie van foelie versigtig bo-op een muntstuk, met 'n stuk sout kladpapier bo-op die foelie.
4. Herhaal hierdie drie lae in dieselfde volgorde totdat jy 'n stapeltjie daarvan gemaak het.
5. Plaas die punt van die een draad onder die stapeltjie en die punt van die ander draad bo-op die stapeltjie.
6. Raak nou liggies met jou tong aan die oop punte van albei drade. Kan jy die prikkeling van elektrisiteit voel?
Laat weet ons as jy enigsins kon lig maak met suurlemoene!
KAN 'n mens werklik met 'n suurlemoen 'n eenvoudige battery-sel maak wat 'n flits se gloeilampie sal laat brand? Hoewel daar wyd beweer word dat dit moontlik is, is die krag wat opgewek word eenvoudig te min vir 'n flitslampie. Maar 'n LED (lig-emissie-diode of kortweg ligdiode) werk glo blykbaar, veral as 'n klompie suurlemoene aaneengekoppel sou word. Of selfs aartappels of tamaties.
Nou ja, teoreties is dit haalbaar, maar hoe lyk die sakie in die praktyk? Mieliestronk.com kon dié aanspraak nie self toets nie, maar moet hom verlaat op die onderstaande inligting uit 'n gewoonlik betroubare bron. Ons hoor egter graag van leerders of die eksperiment vir hulle gewerk het!
In 'n sel is daar 'n sentrale chemikalie wat die elektroliet genoem word, wat in verbinding gebring word met twee ander stowwe, die sogenaamde elektrodes, wat gewoonlik van metaal is. As 'n draad en gloeilamp aan die elektrodes geheg word om 'n stroomkring te skep, wek die chemiese reaksie tussen die elektroliet en die elektrodes elektrisiteit op, wat dan 'n liggie sou kon laat gloei.
Om 'n suurlemoen-sel te maak het jy nodig: 'n brons-drukspyker, 'n skuifspeld van staal, 'n groot vars suurlemoen, 'n ligdiode en kragdraad.
Druk die drukspyker en skuifspeld aan weerskante in die suurlemoen in. Heg twee stukkies kragdraad onderskeidelik aan die drukspyker en skuifspeld en verbind albei met 'n ligdiode—wat 'n baie lae spanning het. Die sap in die suurlemoen is die elektroliet en die drukspyker en skuifspeld is die elektrodes. En siedaar, 'n liggie uit 'n vruggie!
WANNEER jy ook al elektrisiteit gebruik—of jy nou 'n battery-aangedrewe kassetspeler aanskakel of met 'n rekenaar werk wat by die kragnetwerk ingeprop is—is jy besig om 'n stroomkring te voltooi.
'n Kring is 'n pad vir elektrisiteit, of elektriese stroom, wat begin en eindig by die kragbron. Die kragtoevoer het twee eindpunte, genaamd pole of terminale. Elektrisiteit vloei tussen hulle deur middel van drade van 'n metaal soos koper. Stowwe soos dié wat elektrisiteit "dra", word geleiers genoem.
Hoewel dikwels gesê word dat 'n stroom deur 'n kring "vloei", vloei dit nie werklik nie, want die werkinge is blitsvinnig. 'n Stroom is ook onsigbaar. 'n Draad lyk dieselfde en het dieselfde massa of dit nou 'n stroom dra of nie. Die enigste manier waarop 'n mens dus kan agterkom of daar 'n stroom is, is om na sy uitwerkinge te kyk.
Dit is eintlik baie interessant om te let op die wyse waarop die elektrone in 'n elektriese stroom beweeg. Hulle nael nie rêrig soos naellopers deur die kragdraad waarin hulle voorkom nie, maar hulle maak eerder soos die deelnemers aan 'n afloswedren. Hulle spring naamlik van die een atoom af na die volgende, en in die proses stoot hulle ander elektrone voor hulle uit.
Dis asof hulle die stok (elektriese energie) van die een atoom na die ander aangee. Die elektrone beweeg self nie so vinnig nie, maar die elektriese energie wat hulle aangee, blits voort met die snelheid van lig!
Serieskakeling en parallelle skakeling
AS jy lig met, sê, 'n flits-sel opwek, maar nog 'n gloeilamp by 'n eenvoudige stroomkring voeg, word die weerstand verdubbel. Dit beteken dat die beskikbare energie vir elke gloeilamp gehalveer word, wat die lig dowwer maak. Hoe meer gloeilampe jy byvoeg, hoe flouer sal die liggies wees. As een van die lampies breek, word die stroom verbreek en die ander lampies gaan ook dood. Hierdie soort stroomkring word serieskakeling genoem.
DIE ligte in die huis bly helder, selfs al skakel jy almal gelyktydig aan. Dit is omdat hulle van 'n ander soort stroomkring gebruik maak, naamlik parallelle skakeling. 'n Parallelle baan bestaan uit twee of meer afsonderlike stroomkringe wat van hul geleiers deel. By parallelle skakeling skyn twee gloeilampe ewe helder, maar jou flits-sel sal twee keer so vinnig gedaan raak as met die seriebaan.
Nog blits-ige feite
• In Suid-Afrika kom weerlig die meeste voor in die bergagtige dele van Lesotho, KwaZulu-Natal en die suidelike gedeeltes van Mpumalanga. Weerlig kom selde in die westelike kusgebiede voor.
• Die meeste weerligstrale is wolkstrale wat nie die grond tref nie. Gemiddeld tref slegs een uit elke ses strale die grond.
• 'n Mens kan 'n goeie idee kry hoe ver 'n donderstorm van jou af is deur die sekondes te tel vandat jy die weerligstraal sien totdat jy die donderweer hoor. Elke drie sekondes is gelyk aan een kilometer.
• Indien jy tydens 'n donderstorm heeltemal alleen op 'n oop stuk veld staan en jou hare staan regop en jou vel begin tintel—'n teken dat weerlig gaan slaan—staan op jou knieë, buig vooroor en sit jou hande op jou knieë. Moenie plat op die grond gaan lê nie.