Deze twee richtingen zijn weergegeven in figuur 1. We rekenen altijd met het idee van de elektrische (gelijk)stroom van plus naar min, denk maar aan de geleidingsrichting van een diode of aan toepassingen van de wetten van Kirchhoff. Laten we eens onderzoeken hoe het zit met de stroming van elektronen. Hiervoor beginnen we met een berekening en daarna doen we een historisch onderzoek.
Elektronenstroom
Als je een lichtschakelaar omzet gaat de lamp direct branden. Dat betekent dat de stroom zich met hoge snelheid door de draad verplaatst. Maar zijn het ook werkelijk de elektronen die zich zo snel verplaatsen?
Neem een stuk koperdraad van 1 m lengte en 2 mm diameter en neem aan dat er een stroom van 1 A door de draad loopt.
Het volume van de draad is 3,14 . 10-6 m3 en de massa is 2,81 . 10-2 kg (via $m=\rho . V$ ).
Het aantal atomen (N) in dit stuk draad is nu te vinden via de molaire massa van koper (63,5 gram) en het getal van Avogadro.
$N = \frac{2,81\cdot 10^{-2}}{63,5\cdot 10^{-3}} \cdot 6,022.10^{23} = 2,67.10^{23} atomen$
In koper doen per atoom 2 elektronen (de valentie-elektronen) mee aan de geleiding, dat zijn in totaal 5,34 . 1023 elektronen. De stroomsterkte van 1 A betekent dat er per seconde 6,25 . 1018 elektronen ‘uit’ dit stuk draad stromen, immers Q=I.t en 1 Coulomb is de lading van 6,25 . 1018 elektronen. Voordat alle elektronen voorbij gestroomd zijn is er zo veel tijd verlopen:
$t = \frac{5,34 \cdot 10^{23}}{6,25 \cdot 10^{18}} = 8,54 \cdot 10^4 s = 23,7 \space uur$
Dus de snelheid waarmee de elektronen door het stuk van 1 m stromen is 1,17 . 10-5 m/s, dat is 4,21 cm/h. Dat is in dezelfde orde van grootte als de snelheid van een grote gletsjer (200 meter per jaar). Niet echt een snelheid die je associeert met stromen.
Wat stroomt er dan wel? Een beter beeld voor de beweging van elektronen in een draad is een lange buis gevuld met knikkers. Als je één knikker aan de ene kant erin duwt, komt er direct aan de andere kant één uit. Als je er dus steeds knikkers in blijft duwen komt er direct een stroom op gang, maar het kan heel lang duren voordat die eerste knikker eruit komt.
De (valentie) elektronen zijn de knikkers die door de draad bewegen en het ‘erin duwen’ komt voort uit het aangelegde elektrische veld. Is er geen elektrisch veld dan bewegen de vrije elektronen willekeurig door het metaal. Is er wel een veld dan voelen de elektronen dat via F = qE en zullen collectief één kant op gaan. Bij het sluiten van een schakelaar ‘verplaatst’ het elektrisch veld zich met grote snelheid door de draad en dat zet de elektronen overal in de draad direct in beweging in de richting van het veld. Het zijn dus wel degelijk de elektronen die van de minpool naar de pluspool bewegen.
Elektrische stroom
Hoe zit het met de richting? Hiervoor moeten we terug in de tijd naar Benjamin Franklin, die leefde van 1705 tot 1790. Hij was behalve één van de founding fathers (grondleggers) van de Verenigde Staten van Amerika, ook een wetenschapper die bekend werd door zijn onderzoek naar elektriciteit (daarnaast hield hij zich bezig met meteorologie en optica). Beroemd is hij geworden door zijn experimenten met bliksem zoals hier beschreven.
Het begrip van elektriciteit in de tijd van Franklin was gebaseerd op het idee dat er twee elektrische ‘vloeistoffen’ waren. Om dat te begrijpen moeten we verder terug in de geschiedenis, naar de oorsprong van het begrip van elektriciteit, naar Thales van Milete, een Griekse filosoof. Thales ontdekte in de 6e eeuw voor Christus dat als sommige stoffen met elkaar in contact komen, ze zich vreemd gedragen. Wij zeggen tegenwoordig dat ze dan elektrisch geladen worden. Hij ontdekte dit het eerst bij het opwrijven van amber. Het Griekse woord voor amber is elektron, daar komt de naam elektriciteit voor alle verschijnselen met lading vandaan. Op school demonstreren we zijn ontdekking vaak door een pvc-buis met een stoffen doek op te wrijven. Dit noemen we het tribo-elektrisch effect.
Later werd duidelijk dat er twee soorten lading waren die het gevolg waren van opwrijven met verschillende materialen. De Franse natuurkundige Charles du Fay stelde een theorie op die onderscheid maakte tussen twee soorten ladingsstromen: vitreuse (glasachtig) en resineuse (harsachtig). Franklin stelde daar een theorie tegenover die goed overeenkomt met ons huidige beeld van elektriciteit, namelijk dat van maar één vloeistof, waarbij een negatieve lading overeenkomt met een wegstromen van 'elektrische vloeistof' en een positieve lading juist met het toestromen.
Franklin onderzocht het gedrag van deze elektrische vloeistof door experimenten met een opgewreven glazen buis. Hij ging er daarbij vanuit dat de lading die het glas kreeg, positief was en ontstond door het toestromen van lading. Zijn stroomrichting is dus de richting waarin positieve lading zich opbouwt. Met onze kennis van materie en verdeling van lading kunnen wij zien dat er juist lading onttrokken wordt aan het glas doordat er negatieve lading (elektronen) wegstroomt. De elektronenstroom is dus precies de andere kant op. Stel dat Franklin zijn experimenten bijvoorbeeld met hars (dat krijgt een negatieve lading bij wrijven) had gedaan, dan zou het zomaar kunnen dat we nu geen verschil in de twee stroomrichtingen zouden hebben.
