Ladingsvereffening

Uit Wikipedia, de vrije encyclopedie
Naar navigatie springen Naar zoeken springen

Ladingsvereffening is het verschijnsel dat de elektrische lading zich van een lichaam met een hogere elektrische potentiaal naar een lichaam met een lagere potentiaal verplaatst als beide lichamen galvanisch met elkaar worden verbonden. In de beginsituatie bestond er een potentiaalverschil of elektrische spanning tussen beide geïsoleerde lichamen. Deze spanning blijft bestaan zolang er geen elektrische verbinding tussen beide lichamen is. Zodra er een pad wordt gemaakt woordoor een elektrische stroom tussen deze lichamen kan lopen zullen de ladingen zich vereffenen waardoor de potentialen van beide lichamen gelijk worden. Ladingsvereffening is het bekendst uit de elektrostatica, een isolator welke door wrijving tot een hoge potentiaal is opgeladen en tegen een (geaarde) geleider wordt gehouden zal zich met een vonk ontladen. Maar ook bij dynamische elektriciteit speelt ladingsvereffening een belangrijke rol.

Lading[bewerken]

De elektrische lading Q van een condensator wordt uitgedrukt in Coulomb en is het product van capaciteit (C) in Farad en spanning (V) in Volt, die positief of negatief kan zijn:

Bij ladingsvereffening tussen C1 en C2 met respectievelijke ladingen Q1 en Q2 zal het potentiaalverschil V1-V2 verdwijnen en plaatsmaken voor een nieuw gezamenlijk potentiaal Vt:

    dus  

De resultante van de beide ladingen verdeelt zich dus over de samengevoegde capaciteiten.

Statische elektriciteit[bewerken]

In lichamen die bestaan uit elektrisch isolerend materiaal kan door wrijving (eigenlijk het van elkaar verwijderen na eng contact) of inductie een elektrische lading ontstaan. Afhankelijk van het soort materiaal zal deze lading positief of negatief zijn. In de tribo-elektrische reeks is de aard van deze lading voor veel materialen vastgelegd. Wordt een geladen voorwerp in de buurt van een anders geladen voorwerp gebracht dan kan er ladingsvereffening optreden als er een elektrische verbinding tussen beide voorwerpen wordt gemaakt. Maar als het potentiaalverschil tussen beide voorwerpen hoog genoeg zijn kan ladingsvereffening ook optreden in de vorm van een elektrische overslag die gepaard gaan met een vonk. Naast de hoogte van het potentiaalverschil zijn ook andere omstandigheden van belang, zoals luchtvochtigheid en de vorm van de voorwerpen. Statisch elektrische lading verzamelt zich het gemakkelijkst op plaatsen met een kleine radius, zoals een bol, een vingertop of de punt van een naald.

Statische ladingsvereffening komt in veel alledaagse situaties voor, overal waar kunststoffen, hout, glas, textiel, haar en dergelijke ten opzichte van elkaar worden bewogen zodat er sprake is van wrijving, wordt statische elektriciteit opgewekt en wordt de lading weer vereffend. Soms zijn verschijnselen van deze vereffening zichtbaar, zoals bij het uittrekken van een (kunststoffen) trui in het donker, waarbij kleine vonkjes kunnen worden waargenomen. In andere gevallen zijn de verschijnselen vooral voelbaar, wie bijvoorbeeld een metalen voorwerp aanraakt na het uitstappen uit een auto, het lopen over een kunststoffen vloerbedekking of het opstaan van een stoel of bank met een kunststoffen zitting, kan een flinke tik krijgen. Ook een zichtbare vonk is op dat moment goed mogelijk. De persoon is door wrijving statisch geladen. Dat is mogelijk omdat het overgrote deel van ons schoeisel een isolerende zool heeft waardoor het menselijk lichaam geïsoleerd is van de aarde, die per definitie op het elektrische nulpotentiaal ligt. Een auto, een bureaustoel, een bank en vloerbedekking zijn eveneens van de aarde geïsoleerd door rubber banden, kunststoffen wielen, droge houten poten respectievelijk een kunststoffen onder- of bovenlaag. Wrijving tussen deze vlakken kan onder bepaalde omstandigheden gemakkelijk lading veroorzaken op het menselijk lichaam, dat opgevat kan worden als een van de aarde en de omgeving geïsoleerde geleider. Wie opgeladen een voorwerp met een ander potentiaal aanraakt kan daardoor een ladingsvereffening bewerkstelligen. Vooral als dat voorwerp van metaal is en veel lading kan bevatten, kan deze vereffening een heftige, onaangename sensatie geven. Daarvoor is het dus niet nodig dat het aangeraakte voorwerp geaard is.

Dynamische elektriciteit[bewerken]

Gelijkspanning[bewerken]

In elektrische geleiders is de elektrische lading gelijkelijk verdeeld omdat de elektrische stroom er vrij in kan lopen. Een geïsoleerde geleider die geen potentiaal heeft en die wordt verbonden met een geleider wordt verbonden waarop een gelijkspanning staat zal op dat moment lading ontvangen waardoor de spanning tussen beide nul wordt en beide een gelijke spanning voeren. In een condensator wordt dit principe nuttig gebruikt. Hierin zijn twee geïsoleerde geleiders op heel kleine afstand van elkaar aangebracht zodat de lading die op beide wordt aangebracht tegengesteld en in evenwicht is. Worden beide elektrisch geleidend met elkaar verbonden treedt hier een ladingsvereffening op. Er is dan geen potentiaalverschil meer over de beide aansluitingen. Aangezien geïsoleerde geleiders een capaciteit vormen met hun omgeving geldt hiervoor hetzelfde principe. Een mens op isolerende schoenen of ondergrond kan van een geleider met daarop een gelijkspanning een overeenkomstige lading overnemen, zodat de potentialen van beide aan elkaar gelijk worden. De mens-omgevingcondensator is daarmee opgeladen. Raakt deze persoon vervolgens een geleider aan met een andere spanning, dan treedt er opnieuw ladingsvereffening op.

Wisselspanning[bewerken]

Wordt de geïsoleerde geleider (condensator) met een wisselspanning verbonden dan zal er voortdurend een ladingsvereffening optreden, aangezien de elektrische stroom elke periode vrij in het netwerk kan stromen. Als de spanning positief is verspreidt de positieve lading zich over het geheel, is de spanning negatief dan verspreidt de negatieve lading zich over het geheel. Hoe hoger de spanning, hoe groter de geïsoleerde geleider is en hoe groter de 'capaciteit' naar de omgeving is, hoe meer lading zich moet verplaatsen van de spanningsbron naar alle uithoeken van het netwerk. Er loopt tijdens de positieve helft van de periode dus een elektrische stroom van spanningsbron naar alle uithoeken van de geleider en in de negatieve helft weer terug, ondanks dat de stroomkring niet gesloten is. Hierin schuilt het gevaar van een hoogspanningsleiding waar een mens mee in aanraking komt. Ook al staat deze mens niet in verbinding met aarde, de continue vereffeningsstromen van en naar alle uithoeken van zijn lichaam zijn dodelijk. Het allergrootste gevaar vormt de vlamboog (minibliksem) die ontstaat net voordat de galvanische verbinding wordt gemaakt. De afstand die kan worden overbrugd door spanningen van honderden kilovolts kan oplopen tot wel 50 cm. Deze voortdurende overslag is dusdanig heftig dat matige geleiders zoals een worst (als plaatsvervanger van het menselijk lichaam) zeer sterk worden verhit en in brand vliegen of zelfs ontploffen[1]. Alleen met speciale voorzieningen en uiterst zorgvuldige werkwijzen kunnen mensen deze situatie veilig doorstaan, zoals in Amerika, Canada, China en Japan wordt bewezen bij inspecties van de grote elektriciteitsnetten. De onderhoudsmensen (linemen genoemd) zijn gehuld in speciale elektrisch geleidende pakken en maken vanuit een helikopter contact tussen de machine en de 500 kV-kabel en zichzelf. Deze pakken bestaan voor een kwart uit roestvrijstalen garens en de onderlinge delen worden intern met riemen galvanisch aan elkaar verbonden. Ook sokken en handschoenen zijn van dit geleidende weefsel gemaakt. Alleen als alles galvanisch met elkaar is verbonden, zodat de vereffeningsstromen door deze verbindingskabels lopen, kan de man veilig met hoogspanning verbonden zijn. Hij bevindt zich in een kooi van Faraday en daarbinnen is de grootte van het elektrische veld te verwaarlozen. De vereffeningsstromen lopen door een kabel tussen zijn pak en de hoogspanningsleiding[2]. Deze bemande inspecties blijven extreem gevaarlijk omdat zowel de techniek van de helikopter als de uiterst belangrijke handelingen van de mensen tot in de perfectie moeten kloppen. Ze vinden plaats in onder meer Amerika, Canada, China en Japan. Om de risico's sterk te verminderen is voor dit werk een robot ontwikkeld die een videoschouw uitvoert van de kabels. Deze is onder andere uitgerust met acht camera's en GPS en kan allerlei obstakels overwinnen[3].

Trivia[bewerken]

Zie ook[bewerken]

Bronnen en referenties[bewerken]