Elektriciteit 2 - Lading

• Natuurkunde
• Middelbare school
• havo, vwo
• Leerjaar 4

Elektriciteit

Lading

Hoofdstuk Elektriciteit

Elektriciteit - Lading

Elektriciteit - Schakelingen

Elektriciteit - Stroomsterkte, spanning & vervangingsweerstand

Elektriciteit - Vermogen & Rendement

Elektriciteit - Soortelijke weerstand

Elektriciteit - Combinatieschakelingen & toepassingen

Leerdoelen

Aan het eind van de les...

... weet je wat stroomsterkte in detail inhoudt.

... weet je wat spanning in detail inhoudt.

... weet je (weer) wat overbelasting en kortsluiting zijn.

Farrell, W. M., McLain, J. L., Marshall, J. R., & Wang, A. (2021). Will the Mars Helicopter Induce Local Martian Atmospheric Breakdown?. The Planetary Science Journal, 2(2), 46.

Lading en stroomsterkte

De SI-eenheid van de hoeveelheid lading (Q) is de coulomb (C). Er geldt dus:

Als we elektriciteit willen begrijpen, dan spreekt het voor zich dat we willen weten hoeveel lading er in een bepaalde tijd door de schakeling stroomt. We noemen dit de stroomsterkte (I). De SI-eenheid van de stroomsterkte is de ampère (A). Ampère staat voor de hoeveelheid coulomb die per seconde door een punt in de schakeling stroomt. De ampère is dus gelijk aan coulomb per seconde (C/s).

Er geldt dus: 

We kunnen de stroomsterkte berekenen met de volgende formule: 

waarin:

I   = stroomsterkte (A)

Q = lading (C)

t   = tijd (s)

[Q]=C

[I]=A=C/s

I=​t​​Q​​

Coulomb

Eén elektron heeft een negatieve lading van:

Deze waarde is terug te vinden in BINAS T7, onder de naam "elementair ladingsquantum". 

De lading van een elektron is dus erg klein. Met een verhoudingstabel kunnen we uitrekenen hoeveel elektronen samen één coulomb aan lading vormen: 

Dus 6,241·10¹⁸ elektronen, met elk een lading van -1,603·10^-19 C, vormen samen een totale lading van -1,000 C.

e=−1,602⋅10​−19​​ C

Kortsluiting

De stroomsterkte speelt o.a. een grote rol bij kortsluiting. Kortsluiting ontstaat als we de pluspool en de minpool direct verbinden met een materiaal met een kleine weerstand. Er kan in deze gevallen een gevaarlijke hoeveelheid stroom gaan lopen door deze verbinding. Deze hoeveelheid stroom is niet alleen gevaarlijk voor het menselijk lichaam, maar kan ook gemakkelijk een brand veroorzaken.

Om ons hier tegen te beschermen bevat de meterkast in huis een aantal zekeringen. Een simpele zekering bestaat uit een dun draadje dat doorbrandt als de stroomsterkte boven een bepaalde waarde uitkomt. In de onderstaande afbeelding zien we bijvoorbeeld een zekering die bij 20 A doorbrandt.

De stopcontacten in huis zijn opgedeeld in een aantal groepen, elk met een eigen zekering. Een zekering kan ook doorbranden als je te veel apparaten tegelijk aansluit op één groep. In dit geval spreken we van overbelasting.

Spanning (VWO)

Wanneer elektronen door een spanningsbron heen bewegen, krijgen zij per elektron energie mee. Deze energie wordt afgegeven aan een bepaald apparaat met een hoge weerstand, als dat apparaat zich in een gesloten stroomkring bevindt. 

De hoeveelheid energie per coulomb noemen we de spanning U. We meten de spanning in volt (V) en dat is dus gelijk aan de hoeveelheid joule per coulomb (J/C). Joule (J) is de eenheid voor de energie.

Er geldt dus: 

We kunnen de spanning berekenen met de volgende formule: 

waarin:

U = spanning (V)

E  = energie (J)

Q  = lading (C)

[U]=V=J/C

U=​Q​​E​​

Spanning (VWO)

De spanningsbron geeft energie aan de ladingen. Als de spanning van de spanningsbron bijvoorbeeld 20 V is, dan krijgt elke coulomb aan lading dus 20 joule aan energie mee. De meeste spanningsbronnen hebben een vaste spanning. Over een stopcontact staat bijvoorbeeld in Nederland altijd 230 V. We noemen dit ook wel de netspanning. 

Een normale AA batterij heeft een spanning van 1,5 V. We kunnen ook spanningsbronnen aan elkaar koppelen. Hieronder zien we bijvoorbeeld twee AA batterijen die in serie gekoppeld zijn. De totale spanning wordt in dat geval 1,5 + 1,5 = 3,0 V, zie afbeelding hieronder.

Spanning (HAVO)

Wanneer elektronen door een spanningsbron heen bewegen, krijgen zij per elektron energie mee. Deze energie wordt afgegeven aan een bepaald apparaat met een weerstand, als dat apparaat zich in een gesloten stroomkring bevindt.

De spanningsbron geeft energie aan de ladingen. Als de spanning van de spanningsbron bijvoorbeeld 20 V is, dan krijgt elke coulomb aan lading dus 20 joule aan energie mee. De meeste spanningsbronnen hebben een vaste spanning. Over een stopcontact staat bijvoorbeeld in Nederland altijd 230 V. We noemen dit ook wel de netspanning. 

Een normale AA batterij heeft een spanning van 1,5 V. We kunnen ook spanningsbronnen aan elkaar koppelen. Hieronder zien we bijvoorbeeld twee AA batterijen die in serie gekoppeld zijn. De totale spanning wordt in dat geval 1,5 + 1,5 = 3,0 V, zie afbeelding hieronder.

Opgaven

Opgave 1

Leg uit wat het verschil is tussen stroomsterkte en spanning.

Opgave 2

Schrijf de volgende eenheden om:

a. 200 mA = ... A

b. 0,8 A = ... mA

c. 25 V = ... kV

d. 78 mV = ... V

e. 105,5 kA = ... A

f. 25 MV = ... V

Opgave 3

Er stoomt 200 mA aan stroom door een stroomdraad.

a. Bereken hoeveel coulomb er per minuut door de draad stroomt.

b. Bereken hoeveel elektronen er per minuut door de draad stromen.

Opgave 4

Er staat een spanning van 20 V over een lampje. Na 5,0 seconden is er 1,0 coulomb aan lading door de draad gestroomd.

a. Bereken de stroomsterkte.

b. Bereken hoeveel energie er per seconde door de draad stroomt.

c. Bereken hoeveel energie elk elektron afgeeft als het door het lampje stroomt.

Opgaven

Opgave 5 (VWO)

Bij een blikseminslag verplaatst zich 0,75 C aan lading in 8,0 ms van een wolk naar de aarde. De spanning tussen wolk en aarde is gemiddeld 75 MV.

a. Bereken hoeveel elektronen er verplaatst zijn.

b. Bereken de stroomsterkte van de blikseminslag.

c. Bereken hoeveel energie is vrijgekomen bij de inslag. Gebruik hiervoor het antwoord van vraag b.