10.2 Elektrische energie (opg. 9,11,12)

• Natuurkunde
• Middelbare school
• vwo
• Leerjaar 5

10.1 en 10.2 Elektriciteit

In 10.3 en 10.4 behandelen we magnetisme.

10.1 Lading

• Lading komt van elektronen (-) en protonen (+).
• ter grootte van het elementair ladingsquantum e
• e = 1,602.10^-19 Coulomb (BINAS 7A)
• Gelijke lading stoot elkaar af, ongelijke lading trekt elkaar aan.
• Een geladen voorwerp en een neutraal voorwerp trekken elkaar aan,  doordat het geladen voorwerp het neutrale voorwerp beïnvloed en het een + en - kant geeft (elektrostatische inductie).
• Door twee voorwerpen tegen elkaar te wrijven kunnen er elektronen overspringen, waardoor beide voorwerpen geladen worden. Sommige stoffen geven graag elektronen af en andere stoffen ontvangen graag elektronen.

10.1 Elektrische velden

• Kracht tussen twee ladingen (Wet van Coulomb)
• Kracht in een elektrisch veld
• (Newton en parallellogram methoden komen hierbij terug)
• 
  
• Elektrisch veld weergeven met lijnen
• (Oefen het tekenen van veldlijnen)

Veldlijnen staan loodrecht op geleiders

1. Juist
2. Onjuist

Alleen veldlijnen van verschillende bronnen kunnen elkaar kruisen.

1. Juist
2. Onjuist

Wat bedoelen we met een 'proeflading'?

Wat is er fout in figuur 10.5?

10.2 Elektrische energie

• Geladen deeltjes versnellen of vertragen:
• de 'puntenmachine': q . U = ½ . m . v2
• Dit sluit direct aan bij de energie eenheid eV = 1,60.10^-19 J
• Verband U en E: Bij U over kleine afstand is E sterk.
• Eigenlijk geen lesstof E = U / Δx (BINAS 35D2)

Op de vorige dia stond achter het bekende getal 1,60 . 10^-19 de eenheid 'Joule'

1. dat klopt, dat kan ik uitleggen
2. dat klopt, denk ik
3. dat moest Coulomb zijn
4. die natuurconstante heeft zelf geen eenheid

Opgave 9a

• De puntenmachine aan het werk: q . U = ½ . m . v2
• Met gegevens van het proton (BINAS 7) en de lichtsnelheid:
• Invullen 1,60.10-19 . U = ½ . 1,67.10-27 . (3,00.108)2
• Geeft U = 4,70.108 V = 470 MV ('honderden miljoenen Volt')
• Zoals bovenaan pagina 136 wordt verteld is dit praktisch niet haalbaar in één stap, maar wel in meerdere stappen.

Deeltjesversneller (zie video opgave 15)

• Tussen opeenvolgende buizen staat een spanning.
• Deeltjes worden versneld tussen de buizen.
• In de buizen is geen veld en blijft de snelheid constant.
• De buis waar het deeltje naar toe gaat trekt aan.
• Om te zorgen dat als het deeltje die buis uit gaat deze buis afstoot wordt de spanning steeds omgekeerd: wisselspanning.

Opgave 9b

• Tussen opeenvolgende buizen staat een spanning.
• Deeltjes worden versneld tussen de buizen.
• In de buizen is geen veld en blijft de snelheid constant.
• De buis waar het deeltje naar toe gaat trekt aan.
• Zodra het deeltje die buis uit gaat, moet die buis het deeltje afstoten
• Daarom wordt de spanning steeds omgekeerd: wisselspanning PQ.

Opgave 9b

• Het deeltje in buis 8 heeft 7 keer q.U aan energie gekregen
• ΔEkin = 7 . q . U
• ΔEkin = 7 . 1,60.10-19 . 20.103 J = 2,24.10-14 J
• ΔEkin = 2,24.10-14 / 1,60.10-19 = 1,40.105 eV
• Handiger is echt werken met eV:
• ΔEkin = 7 . 1e . 20.103 V =  1,40.105 eV
• ΔEkin = 0,14 MeV

Opgave 11

Zie video uitleg

Opgave 12a,b

• In een geleider (in het materiaal) blijven elektronen bewegen totdat er geen veld meer is (E = 0 N/C).
• In een ruimte die geheel is omsloten door een geleider kan geen veld(lijn) zijn: de lijn mag niet door de geleider heen.
• 12a. We zien dat een elektron binnen een straal van 5,0 cm geen extra (kinetische) energie krijgt.
• 12b. Buiten de bol (r > 5,0 cm) neem Eel af ten gunste van Ekin. (energiebehoud)

Opgave 12c,d,e

• 12c. Dit soort vragen komen vaak voor! De stippellijn is de totale energie die gelijk blijft.
• 12d. Alweer die puntenmachine: JA, weer:
• q . U = ½ . m . v2
• 6,3 eV = ½ . 9,11.10-31 . v2
• Geeft v = 1,5.106 m/s
• 12e. Theoretisch legt het elektron een oneindig lange weg af en loopt een grote kans daarbij tegen een ander deeltje aan te botsen.

Huiswerk (na de toetsweek)

Maak opgave 7 en 15

Hiermee ronden we 10.1 en 10.2 af.

Kijk deze opgaven na. Heb je dan nog vragen?