De lichten gaan heel snel aan als ik de schakelaar omdraai. Hoe snel stroomt elektriciteit door een draadje?
November 2001
Om deze vraag te beantwoorden moeten we naar de materie zelf kijken op een heel basaal niveau. Materie is opgebouwd uit kleine eenheden, atomen genaamd. Op dit atomaire niveau bezit materie twee basiskenmerken. Materie heeft massa en het kan een elektrische lading hebben, positief of negatief, of het kan neutraal zijn zonder lading. Elk atoom bevat drie soorten deeltjes met verschillende eigenschappen; positieve protonen, neutrale neutronen, en negatieve elektronen.
Elektrische stroom (elektriciteit) is een stroom of beweging van elektrische lading. De elektriciteit die door de koperdraden in uw huis wordt geleid, bestaat uit bewegende elektronen. De protonen en neutronen van de koperatomen bewegen niet. De eigenlijke beweging van de individuele elektronen in een bepaalde richting door de draad is vrij traag. De elektronen moeten zich een weg banen door de miljarden atomen in de draad en dit neemt veel tijd in beslag. In het geval van een 12 gauge koperdraad die 10 ampère stroom draagt (typisch voor huisbedrading), bewegen de individuele elektronen slechts ongeveer 0,02 cm per seconde of 1,2 inch per minuut (in de wetenschap wordt dit de driftsnelheid van de elektronen genoemd.). Als dit de situatie in de natuur is, waarom gaan de lichten dan zo snel aan? Met deze snelheid zouden de elektronen er uren over doen om bij de lampjes te komen.
Atomen zijn heel klein, minder dan een miljardste meter in doorsnede. De draad is “vol” atomen en vrije elektronen en de elektronen bewegen tussen de atomen. In een typische koperdraad zouden er elke seconde triljoenen elektronen langs een bepaald punt in de draad stromen, maar zij zouden dat punt zeer langzaam passeren. Vergelijk de draad eens met een pijp vol knikkers. Als wij een andere knikker in een gevulde pijp duwen, dan zou één knikker er aan het andere eind uit moeten komen. Elektronen zijn net zo in een draad. Als er één beweegt, moeten ze allemaal bewegen. Dus als je een schakelaar aanzet, veroorzaakt een elektrisch potentiaalverschil (gecreëerd door een generator) onmiddellijk een kracht die de elektronen probeert te bewegen. Als je één elektron laat bewegen als je een schakelaar aanzet, bewegen de elektronen in de hele draad, zelfs als de draad kilometers lang is. Wanneer je dus een schakelaar aanzet, beginnen de elektronen in het licht wat ons betreft “onmiddellijk” te bewegen, d.w.z. dat er in het hele elektrische systeem iets begint te gebeuren. Hoewel de elektronen in feite langzaam door de draad bewegen, zeggen wij dat de snelheid van elektriciteit dicht bij de lichtsnelheid ligt (extreem snel). Wat we eigenlijk bedoelen is dat de effecten van de elektriciteit “onmiddellijk” optreden. Het licht gaat aan op het moment dat je een schakelaar omdraait. Je hoeft niet te wachten tot de elektronen van de schakelaar naar het licht stromen.