Stroom is de verplaatsing van electronen door een geleider , toch? Dat leren we tenminste. Maar zo is het niet.
De verwarring begint in de tijd van Maxwell. Omdat electronen nog niet bekend waren (pas in 1897 door Thomson) dacht men dat stroom een soort vloeistof was, later dat electronen door geleiders stroomde. Ook is er nog de Eather geweest als medium voor verplaatsing buiten geleiders. Nu weten we dat stroom zich niet door geleiders verplaatst en een geleider feitelijk net omgekeerd werkt. Een isolator slaat het electrisch veld op waardoor er geen magnetisch veld kan blijven bestaan. Een geleider doet dit niet. De uitleg hieronder.
Maxwell vond “gaten” in de theorie over de wet van inductie en bedacht displacement currents. Hij bedacht de oscilerende 90 graden tov elkaar gedraaide electrische en magnetische velden welke een opslagplaats en transport mechanisme vormde voor de transport van pure energie. Het ene veld veroorzaakt het andere en zo houden ze elkaar in stand en de energie gaat op en neer van veld naar veld. Deze velden konden zich verplaatsen door de ruimte met de lichtsnelheid in een vacuum en afgeremd door andere stoffen met een bepaalde permeabiliteit. Uiteindelijk bevestigde hij zo het idee van Faraday dat licht uit EM golven bestond, of volgen Maxwell dat electrische energie een vorm van licht was.
Heaviside (en later Dirac) en Herz maakte van Maxwells werk de 4 maxwell vergelijkingen. De eerste werkte ze uit en voegde wat toe, en de laatste bewees het bestaan van die maxwell golven. Daarna bemoeide Einstein zich ermee.
Mbt tot de generator zeggen we dat een veranderend magnetisch veld een electrisch veld opwekt en dat laatste weer de eerste. Einstein bedacht dat dat niet juist was. Feitelijk creert een magnetisch veld geen electrisch veld, het is een electrisch veld als je het bekijkt vanuit een bewegende referentievlak. En een electrisch veld is een magnetisch veld wanneer het bekeken wordt door een bewegende observator. Alles is relatief 😉
Heaviside werkte uit dat energie niet zomaar hier kon verdwijnen en elders weer opduiken, de energie moest “reizen”. The continuity of energie. Dit verklaard hoe energie door een circuit verplaatst en door de ruimte. Via dingen als de Eather kwam men uit bij het quantum theorie verhaal over de dualiteit mbt de verplaatsing van energie in golven en pakketjes.
Uit dat alles bleek dat het verhaal dat stroom zich door een geleider verplaatste onzin was. Poynting werkte dat verhaal verder uit . De hele vector theorie en complexe getallen hebben hier mee te maken.
Heaviside gebruikte Faradays “lines of force” en de maxwell “velden” waardoor we de EM velden konden visualiseren en dingen wisten over de richting en verplaatsting. Daaruit volgde dat electrische golven zich net zo verplaatste als licht.
Wij gebruiken een conventie van voor de uitvinding van de electronen dat een stroom zich van plus naar min verplaatst en later dat de electronen de andere kant op gaan. Dit verhaal werkte voldoende om meeste zaken te verklaren. Maar bv biij reflecties gaan we de mist in. Elk willekeurig punt in een EM veld heeft een magnitude en ricchting. Zo’n punt is een vector. Al die punten samen vormen een vector veld. De E (electische) vector x de Magnetische H vectior is de Poynting of P vector. De intensiteit en gemiddelde richting van de energie stroom.
Nu een geleider, de magnetische velden in het verlengde, de electrische velden haaks er op, samen bepalen ze de richting van de stroom energie (kurkentrekker verhaal ect)
Deze energie verplaats zich in het EM veld, dus buiten de geleider. De concentratie is het grootst aan de buitenkant van de geleider. Dus denken wij, dan is hij het kleinst binnen de geleider. Maar in werkelijkheid is een perfecte geleider een materiaal waar de energie zich juist niet inwendig kan verplaatsten.
Dat is dus compleet tegengesteld aan de schoolboekjes.
Een perfecte geleider kan geen electrisch veld vasthouden. Er kan namelijk geen potentieel verschil in ontstaan. En zonder electrisch veld geen verplaatsing van een EM veld. Dus energie kan zich niet door een geleider verplaatsen. Wel rondom een geleider. Een isolator aan de andere kant is een perfecte opslag van een electrisch veld maar kan weer niks met een magnetisch veld. Skineffect is dus feitelijk net omgekeerd. Er “lekt”energie van buiten naar de binnenzijde van de geleider en dat remt af ipv het verhaal dat het zich naar de buitenzijde verplaatst vanaf de binnenkant.
Maar door al dat gedoe zitten we tegenwoordig met het foutieve onderscheidt tussen elektriciteit en electrische energie. Het spul wat we uit de muur halen en voor betalen noemen we elektriciteit maar is in feite gewoon electro magnetische energie van het Heaviside type en niet het “electronen door draadjes” type.
Als de electrische stroom zich rondom de perfecte geleider verplaatst komt hij een plaatst tegen welke over een bepaalde afstand een electrisch veld kan vasthouden. Daardoor ontstaat er een spanningsval over dat stuk omdat er een stuk energie wordt geabsorbeerd, of zoals we zeggen gedissipeerd. Zo’n stuk niet perfecte geleider is een weerstand. Dit kan worden gevisualiseerd met de poynting vector. Het electrisch en magnetisch veld zijn feitelijk 1 dus als er een stuk electrisch veld verdwijnt dan gebeurd dat ook met het magnetisch veld.
In een isolator is het niets anders. Feitelijk bestaat een perfecte isolator niet. Een isolator absorbeert naarmate hij beter isoleert meer electrisch veld, we kunnen zeggen, hij krijgt een steeds hogere weerstand.
De stroom drukken we uit in Ampere, bewegende ladings deeltjes. Een stroom van 1 Coulomb per seconde en omdat een electron een lading heeft van -1,6021892e-19 Coulomb moet een Ampere die van plus naar min vloeit bestaan uit 1/-1,6021892e-19 of 6,241460122e18 electronen per seconde die van min naar plus gaan. Dit verhaal klopt maar in een speciaal geval van electro magnetische energie, dat is DC. Als de frequentie stijgt wordt het verband tussen geleiding en effectieve stroom steeds kleiner, daarom bedacht Maxwell displacement current.
De electronen spelen een “optische” educatieve rol bij geleiding. Ze hebben een interactie met het EM veld omdat ze het mogelijk maken meer energie op te slaan in het veld rondom de geleider. Dit veroorzaakt dat de energie zich zo dicht mogelijk rondom de geleider wil verplaatsten.
Het bleek later ook dat electronen zich in bv koper maar enkele milimeters per seconden konden verplaatsen dus daar ging de electronenstroom theorie. Die was toen echter al muurvast verankert in de leerboeken en voldeed om de basis van electronica te leren. De massa van een electron is echter zo minimaal dat de energie die vrijkomt bij botsingen nooit hoog genoeg kan worden om de verplaatsting van grote stromen te verklaren. Het is feitelijk omgekeerd, de botsenergie is het weerstand verlies in een niet perfecte geleider, Ze zijn geen energie dragers, ze ontrekken juist wat energie met als voordeel dat ze het energieveld rondom de geleider houden.
