theme_low_nl.jpg
navigation_hor.gif
wp66c4f79a.png
wpc93c757f.png
wp6ae220f8.png

wp433bb93d.png

wpb0070428.png

wp70b65a1c.png

wpcd57c3be.png

wpb1655a51.png

wp64990778.png

wpd61a112e.png

View this site in English

wp2e1cdf6b.gif
wpd5013b37.gif
wpe515f21e.gif

temperatuur en golflengte

gloeien en branden

schillen en stromen

infrarood emissie

extralicht/zonvervangers/ infrarood-emissie

atomen en moleculen

atomen en moleculen
De werking van de zonlichtvervangers die onderwerp zijn van deze site berust op het kunstmatig opwekken van licht en infrarode- en ultraviolette straling door middel van elektriciteit. Dit kan gebeuren door het tot gloeien brengen van een vaste stof, het opwekken van een vonkboog of een combinatie daarvan. Beide processen worden opgewekt met behulp van een elektrische stroom en om de werking van een warmtelamp of een hoogtezon te begrijpen, is het daarom van belang om een bruikbare voorstelling te hebben van het verschijnsel "elektrische stroom". Hierbij moet goed in het oog worden gehouden dat alle hierna beschreven modellen steeds een verregaande versimpeling zijn van de werkelijkheid en alleen tot doel hebben om het proces binnen de context van de werking van een warmtelamp of een hoogtezon inzichtelijk te maken. Elektrische stroom is in essentie een verplaatsing van elektrische lading en de transporteurs van deze lading in een vaste stof zijn negatief geladen elektronen die, samen met even sterk maar positief geladen protonen en ladingloze neutronen, de bouwstenen vormen van atomen, de elementaire deeltjes waaruit alle materie op aarde is opgebouwd. De kern van een atoom wordt gevormd door protonen en neutronen terwijl de elektronen op relatief grote

en48x32.gif
wp8e22e2d8.png
atoom.jpg

afstand om deze kern cirkelen. In de figuur hiernaast is hiervan een grafische voorstelling getekend die echter niet op schaal is weergegeven. Een proton of een neutron zijn ieder zo'n 1800 maal zwaarder dan een elektron en de afstand tussen een atoomkern en zijn elektronen is veel groter dan getekend. Als de kern wordt voorgesteld door een tennisbal dan is de afstand tot het dichtstbijzijnde elektron ongeveer de hoogte van het Empire State Building. De ladingloze

neutronen in een atoomkern vormen het cement tussen de protonen die elkaar zonder de aanwezigheid van de neutronen zouden afstoten zoals gelijknamige polen van een magneet dat doen. Het aantal protonen in de kern bepaalt de aard van het atoom en afhankelijk van het aantal protonen in de kern zijn er ruim honderd verschillende atomen bekend. Deze atomen worden elementen genoemd en ieder element wordt aangeduid met een letter of lettercombinatie, bijvoorbeeld C voor koolstof, Cu voor koper, W voor wolfraam en Hg voor kwik. Het kleinste en lichtste element is dat van waterstof (H) met één proton en één elektron. Koolstof heeft een kern van zes protonen, koper heeft er negenentwintig, wolfraam vierenzeventig en kwik tachtig. Om de atoomkern cirkelen doorgaans evenveel elektronen als er protonen in de kern aanwezig zijn zodat het atoom als geheel ladingneutraal is. Bij vaste stoffen is er een wisselwerking tussen de buitenste elektronen van naburige atomen en deze elektronen binden de afzonderlijke atomen daardoor in een vast rooster samen. Bij hogere temperaturen neemt de bewegelijkheid binnen de atomen toe en nemen de bindingskrachten in het rooster af waardoor het materiaal eerst smelt en uiteindelijk verdampt. De mate van binding is dus afhankelijk van de temperatuur en verschilt per atoom. Zo smelt koper al bij een temperatuur van 1083 ºC en zuiver wolfraam pas bij 3400 ºC. Kwik is het enige metaal dat al bij kamertemperatuur vloeibaar is en bij een temperatuur van 357 ºC gaat het over in gasvorm. Atomen kunnen zich ook binden aan ongelijksoortige atomen. We spreken dan van moleculen. Moleculen hebben andere eigenschappen dan die van de

molecule.jpg

samenstellende atomen of elementen. Zo bestaat water uit twee atomen waterstof (H) en één atoom zuurstof (O). De elementen waterstof en zuurstof zijn bij kamertemperatuur en atmosferische druk gasvormig maar vormen, verbonden in één molecule, onder dezelfde omstandigheden een vloeistof. Gelijksoortige moleculen vormen samen een stof en een molecule is dan per definitie het kleinste deeltje van een stof dat nog alle eigenschappen van

deze stof bezit. Ook moleculen kunnen zich op hun beurt weer onderling binden waarbij dan opnieuw een stof ontstaat met unieke eigenschappen. Glas bijvoorbeeld is opgebouwd uit een onderling verbonden samenstelling van moleculen siliciumoxide, natriumoxide, kaliumoxide en calciumoxide. Een molecule glas bestaat dus niet.

geleiding.gif

deeltjes en golflengte

deeltjes en golflengtes
Elektronen bezitten meer energie naarmate ze zich in verder van de kern verwijderde schillen bevinden en er is dan ook energie voor nodig om een elektron naar een hoger gelegen baan te krijgen of om hem uit zijn buitenste baan te stoten. In een geleidende vaste stof wisselen de elektronen wel van atoom maar ze blijven effectief in dezelfde baan. Er zijn echter omstandigheden waardoor de elektronen van een lagere in een hogere baan kunnen komen. Dit heet: aangeslagen worden. Bij materie in gasvormige toestand is de binding tussen de atomen onderling relatief gering en kunnen de elektronen door botsingen tussen atomen onderling of met zwervende elektronen uit hun vaste baan gebracht worden (zie ultraviolet-emissie). Een elektron dat daarbij wordt aangeslagen en van een lager- naar een hoger gelegen baan overspringt of de buitenste baan van zijn atoom verlaat, absorbeert energie. Indien een elektron aan de binding met het atoom ontsnapt, ontstaat een onvolledig atoom dat netto positief geladen is. Een dergelijk atoom wordt een ion genoemd. Omgekeerd, een elektron dat terugkeert naar een ion of naar een lager gelegen baan binnen een atoom geeft energie af. De grootte van de energiesprong van een elektron is per niveau en per element verschillend maar voor eenzelfde type overgang is de hoeveelheid opgenomen of uitgezonden energie steeds gelijk. Een elektron dat energie afgeeft, doet dat in de vorm van energiepakketjes welke fotonen worden genoemd. Fotonen zijn dragers van energie en bezitten lading nog massa en hebben gedragskenmerken van zowel deeltjes als golven. Hun bestaan als verklaring voor eerder gedane natuurkundige waarnemingen is vanaf de eerste jaren van de 20ste

Einstein.jpg

eeuw geopperd door Albert Einstein en nadien proefondervindelijk bevestigd. Het golf- en stralingskarakter van een foton is afhankelijk van de energiesprong van het gerelateerde elektron volgens de wet van Planck: E = hf. E is daarbij de bij de energiesprong vrijkomende energie in Joule, f de frequentie van de afgegeven (elektromagnetische) straling in Hertz en h is gelijk aan 6,626 x 10^-34 Jouleseconde (Js), de constante van Planck. In het dagelijks leven is er bij de Joule wel een voorstelling te maken. 1 Joule is gelijk aan 1

Watt gedurende 1 seconde. Een 40-Watts gloeilamp zet in één minuut dus 40Wx60s = 2400 Joule toegevoerde energie om in warmte en licht. Voor het meten aan individuele elektronen is de Joule als grootheid echter onhandelbaar groot en men werkt daarom vaak met de grootheid elektronVolt (eV) waarbij één eV de hoeveelheid energie is die nodig is om één elektron een potentiaalsprong van één volt te laten overwinnen. De relatie E = hf blijft daarbij ongewijzigd maar E is nu de energie in elektronVolt en omdat één elektronVolt overeenkomt met 1,602 x 10^-19 Joule wordt h getransformeerd naar 4,136 x 10^-15 elektronVoltseconde (eVs). Een energiesprong van 1,24 eV geeft dan elektromagnetische straling af met een frequentie van f = E/h = 1,24 eV/(4,136 x 10^-15) eVs ofwel ca. 300.000 GHz. De golflengte van deze straling volgt uit de vergelijking λ = c/f  waarbij λ de golflengte is in meters, f de frequentie in Hz of trillingen per seconde en c de lichtsnelheid, ca. 300.000 km/s. 300.000 GHz is dan infrarode straling (IR-A) met een golflengte van λ = c/f = 1000nm (zie elektromagnetisch spectrum).

elektrische geleiding (www.allevragen.nl)

gloeien en branden
In een gas kunnen fotonen worden afgegeven als gevolg van energiesprongen van elektronen. De golflengtes van dergelijke fotonen kunnen slechts een beperkt aantal waarden hebben, afhankelijk van de aard van de energiesprong (zie ultraviolet-emissie). In een vaste stof komen ook vergelijkbare energiesprongen van elektronen voor maar het merendeel van de energieoverdracht vindt plaats door veranderingen in het trillingsgedrag van atomen binnen het rooster waarin ze gebonden zitten. De aard en hevigheid van deze trillingen of vibraties neemt toe bij toenemende energie waarbij er overgangen plaatsvinden van vibraties met een lager energieniveau naar vibraties met een hoger energieniveau en omgekeerd. Bij een tegengestelde overgang van een vibratie met een hoog energieniveau naar een vibratie met een lager energieniveau zal de materie energie afgeven, wederom in de vorm van een foton. Zolang de toegevoerde energie relatief laag is, ligt het zwaartepunt van de golflengte van de uitgezonden straling in het langgolvige infrarode gebied. Zoals we eerder zagen, neemt bij toenemende energie de frequentie toe en de golflengte af volgens de formule E = hf = hc/λ. Het produkt hc is constant en bij toenemende energie wordt de golflengte van de straling dus korter en verplaatst zich via kortgolvig infrarood naar rood. De vaste stof gaat nu niet alleen infrarode straling (niet te verwarren met warmte, zie infrarode straling) maar ook licht uitstralen. Dit is wat we waarnemen als

gloeidraad.jpg

gloeien. Bij verder toenemende energie verschuift het zwaartepunt van de uitgezonden straling verder in de richting van het zichtbare licht en wordt het heldere geelwitte licht dat we kennen van gloeilampen. Bij een gloeilamp wordt de energie toegevoerd aan een gloeidraad door een spanning U (met eenheid volt en symbool V) aan te brengen over de

uiteinden van de gloeidraad. Hierdoor gaat een elektrische stroom I (met eenheid ampère en symbool A) lopen. De grootte van de stroom wordt bepaald door de sterkte van de binding tussen de elektronen en de atomen of moleculen van het materiaal waar de gloeidraad van gemaakt is. Een sterkere binding betekent minder stroom bij dezelfde spanning, een zwakkere juist meer. Er loopt dus een stroom I indien er een spanning U over de gloeidraad wordt aangelegd. Wordt de spanning verhoogd tot U' dan neemt de stroom toe tot I'. De verhouding U/I heet de weerstand R van het materiaal en een zuivere weerstand is onafhankelijk van externe grootheden zoals bijvoorbeeld stroom, spanning, druk of temperatuur. U/I is dan gelijk aan U'/I' en de afgeleide relatie
U = I*R staat bekend als de wet van Ohm: "De stroomsterkte door een geleider is recht evenredig met het spanningsverschil tussen de uiteinden". R is dus een verhoudingsgetal met eenheid volt per ampère (V/A). In plaats van V/A wordt meestal de eenheid Ohm met symbool Ω gebruikt en de weerstand van een geleider met een gegeven doorsnede wordt dan uitgedrukt in Ohm per meter (Ω/m). De weerstand van een gloeidraad is echter veelal niet lineair maar sterk temperatuursafhankelijk. Bij toenemende temperatuur neemt ook de weerstand toe. Bij inschakelen is de temperatuur van een gloeidraad laag en de stroom dientengevolge hoog (dat is de reden waarom gloeilampen het doorgaans begeven bij het inschakelen). De toegevoerde energie zal de temperatuur van de gloeidraad snel doen stijgen. De weerstand neemt daardoor toe waardoor de stroom zal verminderen. Uiteindelijk ontstaat een stabiele situatie waarbij stroom en  temperatuur in evenwicht zijn. Het vermogen P (met eenheid Watt) dat in een gloeidraad wordt ontwikkeld, is rechtevenredig met de aangelegde spanning en de opgewekte stroom: P = U x I Watt. De hoeveelheid energie die gedurende een periode t in de gloeidraad wordt ontwikkeld is rechtevenredig met

het vermogen en de tijd: E = P x t Wattseconde of Joule. Door een 230 volts gloeilamp van 40 Watt zal in stabiele situatie een stroom lopen van 174 mA (40 W = 230 V x 0,174 A). Per seconde wordt er dan 40 Joule energie aan de gloeidraad toegevoerd. Bij een juiste dimensionering van de gloeidraad is deze energie voldoende om grote hoeveelheden atomen in vibratie te brengen. De opgenomen energie wordt weer afgegeven in de vorm van fotonen waarbij de vibraties terugvallen naar een lager energieniveau. De lamp brandt.

gloeilamp2.jpg

temperatuur en golflengte
Het aantal mogelijke volledige energiesprongen welke een elektron in materie van een bepaalde samenstelling kan maken, is gelimiteerd en de bijbehorende golflengtes van de afgegeven fotonen daardoor ook. Afgifte van fotonen in een gloeiend voorwerp wordt echter voor het overgrote deel veroorzaakt door vibratiesprongen. Het aantal mogelijke vibratiesprongen is hierbij weliswaar gelimiteerd maar dusdanig groot dat in het emissiespectrum van de uitgezonden fotonen geen duidelijke pieken zijn waar te nemen zoals in het emissiespectrum van gassen vaak wel het geval is. Een gloeiend voorwerp geeft daardoor een continue spectrum af waarbij echter wel een maximum is waar te nemen rond de meest voorkomende golflengte. Wilhelm Wien ontdekte in 1893 dat deze meest voorkomende golflengte λmax omgekeerd evenredig is met de absolute temperatuur T van het gloeiende voorwerp. Deze als de verschuivingswet van Wien bekendstaande formule luidt
λmax = b/T. De temperatuur T is hierbij gegeven in graden Kelvin (K) en niet in graden Celsius (ºC). Het temperatuursverschil per graad is bij Celsius en Kelvin gelijk maar de definitie van de respectievelijke nulpunten is verschillend. Voor Celsius is het nulpunt smeltend ijs, voor Kelvin is het de laagst mogelijke temperatuur die in het heelal voor kan komen, het absolute nulpunt. Het verschil tussen deze twee nulpunten bedraagt 273 ºC zodat 0K = -273 ºC en 1000 ºC = 1273K. De constante b in de verschuivingswet van Wien is de constante van Wien en bedraagt 2,898 x 10^-3 Kelvinmeter. Wien constateerde de temperatuursafhankelijke verschuiving van het stralingsmaximum in 1893. De formule voor het totale emissiespectrum bij een gegeven temperatuur is pas later, in 1901, berekend door Max

wpd9f52a5e.gif

© copyright 2005-2016 - extralicht.nl
v3.33

Planck. In de grafiek hiernaast is het emissiespectrum van een ideaal thermisch zwart lichaam bij verschillende temperaturen grafisch weergegeven. Een ideaal thermisch zwart lichaam absorbeert alle opvallende straling en reflecteert niets. De uitgestraalde energie wordt daarmee volledig afhankelijk van de temperatuur van het lichaam zelf. De totale hoeveelheid uitgestraalde energie E* in Watts per vierkante meter blijkt evenredig met de vierde macht van de temperatuur

volgens de reeds uit 1884 stammende wet van Stefan-Boltzmann E* = εσT^4. Hierin is T de absolute temperatuur van het lichaam in Kelvin en σ de constante van Stefan-Boltzmann zijnde 5,67 x 10^-8 W/m^2.K^4. De stralingsfactor ε is dimensieloos en geeft aan in hoeverre een vaste stof een ideaal thermisch zwart lichaam is. De stralingsfactor is dus altijd kleiner dan één en voor een niet ideale straler zijn alle grafiekwaardes evenredig lager waarbij de relatieve verdeling van de uitgezonden golflengtes ruwweg gelijk blijft. De gloeidraadtemperatuur van een gloeilamp voor verlichtingsdoeleinden ligt rond de 2800K. Voor warmtelampen is een verschuiving van het stralingsmaximum naar het infrarode gebied gewenst en de gloeidraadtemperatuur zou daarvoor verlaagd moeten worden. Voor veel warmtelampen, bijvoorbeeld voor toepassing in droogovens of broedmachines, gebeurt dit ook inderdaad. Deze lampen hebben een gloeidraadtemperatuur van ca. 2200K en een lagere lichtopbrengst en langere levensduur dan normale gloeilampen. Uit metingen is gebleken dat infrarode straling rond 1200 nanometer het meest effectief is bij pijnbestrijding. De bijbehorende gewenste piekwaarde voor de gloeidraademissie ligt dan rond de 2400K. Omdat de totale emissie echter evenredig is met de vierde macht van de temperatuur, is het effectief gebleken om de temperatuur zo hoog mogelijk op te voeren en het teveel aan zichtbaar licht uit te filteren. Een gloeidraad van 2900K geeft in totaal ruim tweemaal zoveel straling als één van 2400K en ook de relatieve bijdrage van kortgolvig infrarode straling neemt toe met de temperatuur. Door de verhoging van de gloeidraadtemperatuur wordt in absolute zin dus meer infrarode straling in het gewenste golflengtegebied uitgezonden. De verhoudingsgewijs sterkere toename van de lichtcomponent wordt daarna gereduceerd door optische filters. De maximale werktemperatuur van een gloeidraad wordt beperkt door de aard van het materiaal ervan. Bij toenemende energie vinden namelijk niet alleen vibratiesprongen van atomen plaats maar ook energiesprongen van elektronen. Bij voldoende energie zal een deel van de elektronen de gloeidraad verlaten en uiteindelijk zullen zelfs afzonderlijke atomen uit het atoomrooster loskomen en daar reageren met het omringende gas. Het aanbrengen van een vacuüm of een inert gas (een gas zonder geleidingsvermogen) rond de gloeidraad beperkt dergelijke reacties en maakt het mogelijk de temperatuur van de gloeidraad te verhogen tot vlak onder het verwekingspunt van de gloeidraad. Voor zuiver wolfraam ligt het verwekingspunt rond 3700K, voldoende dus om de gewenste hoge gloeidraadtemperaturen van therapeutische warmtelampen te weerstaan. De prijs voor de verhoogde temperatuur van de gloeidraad en de daardoor toegenomen intensiteit van de gewenste infrarode straling is een afname van de levensduur van de lamp. De levensduur van therapeutische warmtelampen is dan ook altijd een compromis met de gewenste hoge gloeidraadtemperatuur en blijft beperkt tot zo'n 300 tot 500 branduren waar dat voor normale gloeilampen rond de 1000 uur is. Ter vergelijking: De eerder genoemde infrarood lampen die op een lagere temperatuur werken, kunnen een levensduur hebben van 3- tot soms wel 5000 branduren.

wp7327b329.jpg

schillen en stromen
Elektronen draaien niet willekeurig rond de kern van een atoom maar in een aantal gesloten banen of schillen op vaste afstanden van de kern. In de eerste schil (de K-schil) kunnen zich maximaal twee elektronen bevinden. In de tweede schil (de L-schil) maximaal acht, in de derde, de M-schil maximaal achttien en in de N- en de O-schil ieder maximaal tweeëndertig. De buitenste schillen (de P- en de Q-schil) kunnen maximaal respectievelijk achttien en acht elektronen bevatten. Over het algemeen vullen de elektronen eerst de binnenste schillen en daarna de meer naar buiten gelegen schillen. Koolstof bijvoorbeeld heeft twee

elektronen in de K-schil en vier in de L-schil. Bij kwik zijn de K- t/m de N-schil volledig gevuld terwijl er zich in de O- en de P-schil achttien- respectievelijk twee elektronen bevinden waarmee het totaal op tachtig komt, gelijk aan het aantal protonen in de kern. Bij geleidende vaste stoffen is de buitenste elektronenschil van het atoom (de geleidingsbaan) niet geheel gevuld. Elektronen kunnen daardoor zonder veel energieverlies overspringen naar de

elektron.jpg

buitenste schillen van naburige atomen. De gemiddelde elektronenverdeling blijft daarbij gelijk en er loopt geen stroom. Wordt nu over de uiteinden van de geleider een potentiaalverschil aangebracht dan zullen de vrij bewegende elektronen dit potentiaalverschil trachten te vereffenen. De elektronen verplaatsen zich daarbij via de geleidingsbanen in de richting van de positieve potentiaal. Bij definitie is dan bepaald dat er een stroom loopt van de positieve naar de negatieve potentiaal terwijl de elektronenstroom zich juist in tegengestelde richting beweegt. De oorzaak hiervan gaat terug tot de experimenten van Benjamin

Franklin.jpg

Franklin die de stroomrichting als eerste definieerde zonder het mechanisme erachter volledig te doorgronden. De effectieve snelheid waarmee individuele elektronen zich door een geleider verplaatsen is veel lager dan vaak wordt gedacht, namelijk in de orde van een millimeter per seconde. Een stroomsterkte van tien ampère bijvoorbeeld, komt overeen met ongeveer 6 x 10^19 elektronen per seconde waarbij het symbool ^ staat voor "tot de macht". 10^19 is dus een verkortte schrijfwijze voor een één met negentien nullen ofwel 10

miljard miljard. Dit lijkt veel maar in een draad koper met een doorsnede van een vierkante millimeter en een lengte van één meter bevinden zich ongeveer 10^23 atomen koper, net zoveel als er tennisballen in de maan passen. Als we er van uit gaan dat één aan de geleiding deelnemend koperatoom één vrij elektron levert dan verplaatst de lading zich met een effectieve snelheid van ca. (6 x 10^19)/( 10^23) meter/seconde ofwel 0,6 mm/seconde door de draad. Wat echter wel snel is, is de voortplantingssnelheid van een stroomverandering. Deze bedraagt in koper ca. 250.000 km/sec en gaat dus in zo'n 160 milliseconde de aardbol rond. Dit verklaart waarom we met vrijwel onmerkbare vertraging via een telefoonlijn naar de andere kant van de wereld kunnen bellen.

wpddc3c442.png