elektriciteit

De werking en toepassingen van energie door de tijd

elektriciteit Sinds het begin der tijden is de mens al bezig energie om te zetten. Niet doelend op de functies van het lichaam; maar in de zin van het vrij krijgen en toepassen van energie in al zijn vormen. Hoe heeft dat zich ontwikkeld door de jaren heen? Wat zijn de gevolgen? En zal er wel genoeg energie zijn voor de steeds maar toenemende wereldbevolking?

Het begin

Energie komt voor in allerlei vormen. Een mooi voorbeeld van het omzetten van energie is er een dat al millennia voorkomt: verbranding. Als een blok hout wordt verbrand, dan wordt de chemische energie (de energie die opgeslagen is in het hout) omgezet naar licht, warmte en geluid. Al in het oude Griekenland kwam het voor dat mensen oliën verbranden voor het gebruik van olielampen.

Stoom

De industriële revolutie zorgde voor een opleving van nieuwe manieren om energie op te wekken en om het toe te passen. In het begin van de 18e eeuw werd op grote schaal stoom toegepast om machines aan te drijven. Al in de oudheid werd door Heron Van Alexandrië een stoomturbine ontwikkeld. Deze had echter geen toepassingen en verdere ontwikkelingen waren er niet.

 

Tijdens de industriële revolutie was er echter dus wel weer een opleving van het aantal stoomturbines. Kolen of hout werden verbrand voor het verwarmen van water. Wederom dus de verbranding van opgeslagen chemische energie. De vrijgekomen stoom dreef echter machines aan door middel van drukverschillen. Een stof is neemt altijd toe in volume wanneer over wordt gegaan van de vloeibare fase naar de gasvormige fase. Zo ook in het geval van water wat door verbranding overging naar stoom. Verder neemt een stof ook meer ruimte in naarmate de temperatuur toeneemt. Zo kon stoom in gesloten ruimtes zorgen voor beweging.

 

Waar eerst alleen spierkracht, water- of windmolens konden worden gebruikt om arbeid te leveren, was er nu een nieuwe manier die grootschalige productie van allerlei goederen mogelijk maakte. Dit was een nieuwe toepassing die talloze uitvindingen tot gevolg had; onder andere de stoomlocomotief.

Elektriciteit

Er werd al langer gekeken naar manieren om succesvol elektriciteit toe te passen. Een voorbeeld is de verbetering van de gloeilamp, door Thomas Edison. Een enorme impact had Nikola Tesla, die grote stappen gezet heeft om wisselstroommotoren te maken. Door deze uitvinding werd het gebruik van elektriciteit steeds meer wijdverbreid. Het grote voordeel van elektriciteit over het gebruik van stoom is dat elektriciteit een stuk gemakkelijker in te zetten is, gezien de transportatie van de energie. De werking van de wisselstroommotor is afgeleid van elektromagnetisme. De motoren bestaan in principe uit een stator en rotor. Een van de twee is een elektromagneet. De ander is of een magneet, of bestaat uit magnetisch materiaal. Door de magnetische werking tussen de polen of van de pool op het magnetische materiaal gaat de rotor dan draaien. Er kan overigens ook elektrische spanning worden opgewekt door middel van inductie; hierbij is het een geleidend voorwerp -in plaats van de magneten- dat zich beweegt door veranderingen in het magnetisch veld waar het zich in bevindt.

Het foto elektrisch effect

Er kan echter ook op totaal andere wijze gezorgd worden voor een elektrische spanning. Namelijk door het foto elektrisch effect; wat veelal wordt toegepast in zonnepanelen. Met name de laatste jaren is dit steeds belangrijker geworden, gelet op de uitputting van de fossiele brandstoffen. Dit principe werd al in 1887 waargenomen en leverde Einstein de nobelprijs voor de natuurkunde op in 1921 (golf- deeltjes dualiteit).

 

Het werkt als volgt: twee ongelijk geladen metalen platen staan tegenover elkaar. Er valt licht op de negatief geladen plaat. Licht, wat bestaat uit bundels fotonen, kan elektronen in atomen in deze plaat genoeg energie geven om los te komen van het atoom.

 

Dit werkt enkel als de energieoverdracht voldoende is om het elektron uit de geleider vrij te krijgen. Verder kan een foton per keer een elektron vrij krijgen; de energie die een som fotonen kan leveren telt hier dus niet. Dit houdt in dat fotonen genoeg energie moeten hebben om af te staan; daartoe moet dus ook de frequentie van het licht hoog genoeg zijn.

 

De vrijgekomen elektronen zullen dan natuurlijk richting de positief geladen plaat gaan. Zo kan er elektrische stroom opgewekt worden. Andere toepassingen van dit effect dan zonnepanelen vinden we bijvoorbeeld in fotocellen. Toepassingen hiervan zijn bewegingsdetectoren, rookmelders en beeldversterkers.

Batterijen en werking

Met de komst van de batterij zijn ook een hoop taken vergemakkelijkt. Denk bijvoorbeeld aan het gebruik van zaklantaarns. Een batterij levert elektrische spanning door middel van redoxreacties in de batterij. Het basisprincipe is dat er twee elektrodes zijn die kunnen oplossen in de oplosvloeistof. Er gaan positief geladen metaalionen in de vloeistof zitten. De elektrodes krijgen dan een negatieve lading. Door het gebruik van verschillende elektrodes ontstaat een ladingsverschil waardoor er elektronen van de ene elektrode naar de andere gaan. Om de stroomkring te sluiten moet er een ‘ion brug’ zijn, zodat het overschot van de ionen die ontstaan in de oplosvloeistof aan de kant van de reductor en het tekort aan de kant van de oxidator weer in balans komt.

 

Dit principe is wijdverbreid, de batterij is niet meer weg te denken, evenals autoaccu’s en dergelijke. Het is echter een probleem dat de stoffen in de batterij het milieu erg kunnen schaden. Onderzoek naar de mogelijkheid om plantaardige stoffen te gebruiken is tot op heden nog bezig.

Fossiele brandstoffen

De toepassingen van fossiele brandstoffen zijn volgens dezelfde principes als die van stoom. Na het werk (van onder andere de al eerder genoemde Nicola Tesla op het gebied van elektromotoren) konden deze brandstoffen ook worden ingezet om elektrische energie op te wekken. Verbranding van de stoffen zorgt voor warmte, wat zorgt voor druk, wat dan weer beweging veroorzaakt. Die beweging drijft een generator aan. Een generator zet die mechanische energie om in elektrische energie.

 

Ook in een verbrandingsmotor wordt fossiele brandstof gebruikt (bijvoorbeeld in automotoren).

 

Fossiele brandstoffen vergemakkelijken de toegang tot energie en worden tot op heden nog op enorme schaal ingezet; al is het de bedoeling om het gebruik hiervan te verminderen gezien hun bijdrage aan het broeikaseffect.

Kernenergie

Onderzoek met enorme omvang werd gedaan door Einstein. Iedereen is bekend met zijn beroemde formule E = m × c². Het werk van Einstein stond niet alleen aan de basis van de atoombom, maar ook die van het gebruiken van kernenergie. De m in de formule staat voor massa. De c is de lichtsnelheid. Het komt er dus op neer dat de hoeveelheid energie die kan worden verkregen als zelfs maar een heel klein beetje massa wordt omgezet in energie enorm is.

 

Alle energie die er vrijkomt bij kernsplijting is warmte. Deze warmte wordt gebruikt om generatoren aan te drijven en zoals eerder genoemd wordt dit dus ook omgezet in elektrische energie. De energie komt vrij als een onstabiele atoomkern wordt beschoten door een neutron. Wordt het neutron dan ‘ingevangen’ in de kern, dan zal de kern uiteenvallen in splijtingsproducten. Deze producten hebben een iets minder grote massa samen dan de onstabiele kern eerst had. Het verschil in massa is omgezet in energie.

 

Het nadeel is dat de kernen die gespleten worden stralen. De er zijn verschillende soorten straling. Waarom kernsplijting een controversiële manier van energieopwekking is -is omdat die kernen blijven stralen, ook nadat de initieel vrijgekomen warmte gebruikt is. Onbeschermd gaat straling door je heen, en lichaamscellen gaan kapot als dat gebeurt. De gebruikte stoffen, veelal uranium, blijven daarna dus gevaarlijk en moeten worden opgeborgen voor duizenden jaren.

Kernfusie

Er kan ook veel energie vrijkomen met kernfusie. De stof die hiervoor kan worden gebruikt kan uit zeewater worden gewonnen en is daarom erg interessant. Ook is er nagenoeg geen restafval als het proces verlopen is. Het probleem is dat het heel erg lastig is om de betreffende kernen bij elkaar te krijgen om de energie van de ‘fusie’ vrij te laten komen. De deeltjes stoten elkaar namelijk enorm af. Er zijn tests om dit toch te laten slagen en onderzoek is nog altijd bezig. Kernfusie is al op zeer kleine schaal gelukt, met enorme magneetvelden zijn de kernen bij elkaar gekregen. Dit is echter niet zo succesvol omdat de hoeveelheid energie die nodig was om de fusiecentrale te laten werken ook erg hoog was. De vraag is of misschien in de toekomst de energie-opbrengst wel groot genoeg is om kernfusie echt nuttig te gebruiken en op grote schaal kan worden ingezet.







                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                   

Auteur: coen85
Aantal keer gelezen: 1207x
Toegevoegd: 15-12-2016 09:09
Gewijzigd: 22-12-2016 17:50

Relevante links

Categorieën

Er zijn reeds 2794 artikelen toegevoegd op deze website.
De copyrights van infobron.nl zijn van toepassing!