Natuurkunde Hoofdstuk 1 - Elektriciteit
§1 - Introductie
Elektrische lading
Dezelfde lading stoot elkaar af en verschillende trekt elkaar aan. Elk voorwerp bestaat uit
atomen met een positieve kern met daaromheen negatief geladen elektronen. Bij neutrale
voorwerpen is de positieve lading even groot als de negatieve. Als voorwerpen geladen zijn
oefenen ze een kracht op elkaar uit die je kunt voelen of zien.
Elektrische stroom
Geleiders kunnen stroom doorlaten, isolatoren niet. In een metalen geleider kunnen alleen
elektronen bewegen, de positieve lading zit vast in de kern en de atomen zitten aan elkaar
vast. In een gesloten stroomkring loopt de elektrische stroom van de ene pool van de
spanningsbron naar de andere. De stroom wordt in beweging gezet door de spanning van de
spanningsbron, die bij de pluspool elektronen aantrekt en bij de minpool wegduwt.
De grootte van de stroom meet je met een ampèremeter, die in serie geschakeld moet worden
met het apparaat waardoor je de stroomsterkte wilt meten. De eenheid van stroomsterkte is
Ampère A. De spanning van een elektrisch apparaat meet je met een voltmeter, die parallel
geschakeld wordt aan het apparaat waarover je de spanning wilt meten. De eenheid van
spanning is Volt V.
§2 - Energie en vermogen
Het elektrisch vermogen van het apparaat (in W) = de hoeveelheid elektrische energie die
het apparaat per seconde omzet (in J/s).
Een elektrisch apparaat zet energie om, bijvoorbeeld elektrische energie in bewegingsenergie
en (altijd!) warmte. Twee eenheden voor elektrische energie zijn de joule (J) en de kilowattuur
(kWh).
Niet alle elektrische energie wordt nuttig gebruikt in een apparaat, een deel gaat verloren,
meestal in de vorm van warmte. Het percentage van de ingaande elektrische energie dat wordt
omgezet in nuttige energie, is het rendement.
Het energiegebruik berekenen: E = P· t met E - energie in J, P - vermogen in W of J/s en t -
tijd in s.
J=W·s 1W = 1J/s J/s· s = J 1kWh = 3,6·106 J
kJ = kW· s
Wh = W· h
kWh = kw· h
Rekenen met rendement
Enuttig
n= x 100% met n – rendement, Enuttig - de nuttige uitgaande energie in J of Kwh en E in -
Ein
de ingaande energie in J of Kwh. Bij een elektrisch apparaat is Ein de elektrische energie, bij een
dynamo/generator is dat Enuttig
Pnuttig
Het rendement kun je ook uit het vermogen berekenen: n = x 100% met Pnuttig - het
Pin
nuttige uitgaande vermogen in W en Pin - het ingaande vermogen in W.
§3 - Spanning en Stroomsterkte
Wat beweegt er als er stroom loopt?
Elektrische stroom bestaat uit elektrisch geladen deeltjes die bewegen. In een metaal bewegen
alleen vrije elektronen, er is van elk atoom één elektron niet gebonden aan zijn atoomkern
en kan daardoor vrij door het metaal bewegen. De atoomkern met al zijn andere elektronen
kan niet bewegen in een vaste stof. Ook sommige vloeistoffen geleiden stroom, daarin zijn
moleculen/atomen die 1 of meer elektronen zijn kwijtgeraakt en andere moleculen/atomen die
1 of meer elektronen hebben opgenomen (ionen). In een geleidende vloeistof bewegen
positieve ionen naar de ene kant en/of negatieve naar de andere kant.
Elektronen in een gesloten stroomkring
De spanning van de bron is de oorzaak van de beweging van de vrije elektronen, een grotere
spanning zorgt voor een grotere kracht op de geladen deeltjes. In een metaal bewegen de vrije
elektronen kriskras door elkaar, maar in een gesloten stroomkring bewegen ze dezelfde kant
op en loopt er een elektrische stroom. Deze beweging komt door de aantrekkende en
, afstotende kracht van de pluspool en de minpool van de spanningsbron.
In een gesloten stroomkring bewegen de elektronen van de -pool naar de +pool van de
spanningsbron, vrije positieve deeltjes zouden de andere kant op bewegen, maar zijn er in een
metaaldraad niet. Toen dit nog niet bekend was is er afgesproken dat de elektrische stroom in
een stroomkring van de +pool naar de -minpool loopt; de richting van de elektrische stroom en
de bewegingsrichting van de elektronen zijn dus tegengesteld aan elkaar. De stroomsterkte
door een apparaat geeft de hoeveelheid lading in C aan die per seconde door het apparaat
gaat (1A = 1C lading).
Vermogen, stroomsterkte en spanning
Als de stroomsterkte groter is, gaan er per seconde meer elektronen door een apparaat en door
elk elektron wordt dezelfde energie omgezet, dus is het vermogen evenredig met de
stroomsterkte. Des te groter de spanning, des te harder er tegen elk elektron wordt geduwd,
des te meer energie het meekrijgt. Als de spanning x2 is, geeft elk elektron ook 2x zoveel
energie af, dus is het vermogen ook evenredig met de spanning.
Gelijkspanning en wisselspanning: een batterij heeft een gelijkspanning, de stroom gaat altijd
dezelfde kant op (accu’s en zonnecellen ook). De 2 polen van en dynamo wisselen voortdurend,
hij geeft een wisselspanning (ook stopcontact). Op één van de draden staat een spanning die
50x per seconde wisselt tussen min en plus, op de andere draad (nuldraad) staat geen
spanning.
Stroom en lading: I = Q : t met I - stroomsterkte in A, Q - lading in C en t - tijd in s. De grootte
van de lading van 1 elektron, heet de elementaire lading е (1,60·10 -19 C) en 1C = 6,25· 1018
elektronen.
Spanning en energie: de elektrische energie die omgezet is, is evenredig met de spanning &
lading die door het apparaat is gestroomd: E = U · Q = U· I· t met E - elektrische energie in J en
U - spanning in V of J/s (1V = 1J/s).
Rekenen met het vermogen: het vermogen van een apparaat (energie/s) is evenredig met
de spanning & stroomsterkte: P = U· I.
Zodra de schakelaar wordt omgezet duwen overal in de stroomdraad vrije elektronen andere
vrije elektronen voor zich uit. Ook door de lamp bewegen dus meteen elektronen, waardoor de
lamp licht geeft.
§4 - Weerstand en geleidbaarheid
Geleidbaarheid en weerstand
Apparaten hebben een verschillend vermogen, ook al zijn ze beide op de netspanning
aangesloten. De geleidbaarheid bepaald hoeveel stroom er loopt bij een bepaalde spanning.
Als deze groot is, is de weerstand klein en omgekeerd.
De weerstand van een stroomdraad
Hoe langer de draad is, hoe meer weerstand de elektronen ondervinden als ze door de draad
bewegen. De weerstand van de draad is evenredig met zijn lengte l; de weerstand wordt 2x zo
groot als de draad 2x zo lang wordt waarbij geldt R (in ohm) = U : I.
Daarnaast laat een dikkere draad gemakkelijker elektronen door. De weerstand van een draad
is omgekeerd evenredig met de oppervlakte (A) van de dwarsdoorsnede van de draad: A = π ·
r2
De weerstand van de draad hangt ook af van het materiaal. De soortelijke weerstand geeft
aan of het materiaal goed geleidt, en is de weerstand van een draad van dat materiaal van 1m
lang en een dwarsdoorsnede van 1 m 2.
De weerstand hangt ook af van de temperatuur, of deze omhoog/omlaag gaat bij een hogere
temperatuur hangt af van het materiaal.
De weerstand is vaak constant
De stroomsterkte door een draad hangt af van de spanning over de draad, vaak zijn ze
evenredig waardoor het I, U-diagram een rechte lijn door de oorsprong is de weerstand is
constant ohmse weerstand (alleen als de temperatuur constant is of als de draad van een
bepaald materiaal is) de stroomsterkte door een ohmse weerstand is evenredig met de
spanning.
Als er meer stroom door de draad loopt, wordt de temperatuur hoger, waardoor de
geleidbaarheid afneemt en de weerstand groter wordt I, U-diagram van een gloeilamp is
§1 - Introductie
Elektrische lading
Dezelfde lading stoot elkaar af en verschillende trekt elkaar aan. Elk voorwerp bestaat uit
atomen met een positieve kern met daaromheen negatief geladen elektronen. Bij neutrale
voorwerpen is de positieve lading even groot als de negatieve. Als voorwerpen geladen zijn
oefenen ze een kracht op elkaar uit die je kunt voelen of zien.
Elektrische stroom
Geleiders kunnen stroom doorlaten, isolatoren niet. In een metalen geleider kunnen alleen
elektronen bewegen, de positieve lading zit vast in de kern en de atomen zitten aan elkaar
vast. In een gesloten stroomkring loopt de elektrische stroom van de ene pool van de
spanningsbron naar de andere. De stroom wordt in beweging gezet door de spanning van de
spanningsbron, die bij de pluspool elektronen aantrekt en bij de minpool wegduwt.
De grootte van de stroom meet je met een ampèremeter, die in serie geschakeld moet worden
met het apparaat waardoor je de stroomsterkte wilt meten. De eenheid van stroomsterkte is
Ampère A. De spanning van een elektrisch apparaat meet je met een voltmeter, die parallel
geschakeld wordt aan het apparaat waarover je de spanning wilt meten. De eenheid van
spanning is Volt V.
§2 - Energie en vermogen
Het elektrisch vermogen van het apparaat (in W) = de hoeveelheid elektrische energie die
het apparaat per seconde omzet (in J/s).
Een elektrisch apparaat zet energie om, bijvoorbeeld elektrische energie in bewegingsenergie
en (altijd!) warmte. Twee eenheden voor elektrische energie zijn de joule (J) en de kilowattuur
(kWh).
Niet alle elektrische energie wordt nuttig gebruikt in een apparaat, een deel gaat verloren,
meestal in de vorm van warmte. Het percentage van de ingaande elektrische energie dat wordt
omgezet in nuttige energie, is het rendement.
Het energiegebruik berekenen: E = P· t met E - energie in J, P - vermogen in W of J/s en t -
tijd in s.
J=W·s 1W = 1J/s J/s· s = J 1kWh = 3,6·106 J
kJ = kW· s
Wh = W· h
kWh = kw· h
Rekenen met rendement
Enuttig
n= x 100% met n – rendement, Enuttig - de nuttige uitgaande energie in J of Kwh en E in -
Ein
de ingaande energie in J of Kwh. Bij een elektrisch apparaat is Ein de elektrische energie, bij een
dynamo/generator is dat Enuttig
Pnuttig
Het rendement kun je ook uit het vermogen berekenen: n = x 100% met Pnuttig - het
Pin
nuttige uitgaande vermogen in W en Pin - het ingaande vermogen in W.
§3 - Spanning en Stroomsterkte
Wat beweegt er als er stroom loopt?
Elektrische stroom bestaat uit elektrisch geladen deeltjes die bewegen. In een metaal bewegen
alleen vrije elektronen, er is van elk atoom één elektron niet gebonden aan zijn atoomkern
en kan daardoor vrij door het metaal bewegen. De atoomkern met al zijn andere elektronen
kan niet bewegen in een vaste stof. Ook sommige vloeistoffen geleiden stroom, daarin zijn
moleculen/atomen die 1 of meer elektronen zijn kwijtgeraakt en andere moleculen/atomen die
1 of meer elektronen hebben opgenomen (ionen). In een geleidende vloeistof bewegen
positieve ionen naar de ene kant en/of negatieve naar de andere kant.
Elektronen in een gesloten stroomkring
De spanning van de bron is de oorzaak van de beweging van de vrije elektronen, een grotere
spanning zorgt voor een grotere kracht op de geladen deeltjes. In een metaal bewegen de vrije
elektronen kriskras door elkaar, maar in een gesloten stroomkring bewegen ze dezelfde kant
op en loopt er een elektrische stroom. Deze beweging komt door de aantrekkende en
, afstotende kracht van de pluspool en de minpool van de spanningsbron.
In een gesloten stroomkring bewegen de elektronen van de -pool naar de +pool van de
spanningsbron, vrije positieve deeltjes zouden de andere kant op bewegen, maar zijn er in een
metaaldraad niet. Toen dit nog niet bekend was is er afgesproken dat de elektrische stroom in
een stroomkring van de +pool naar de -minpool loopt; de richting van de elektrische stroom en
de bewegingsrichting van de elektronen zijn dus tegengesteld aan elkaar. De stroomsterkte
door een apparaat geeft de hoeveelheid lading in C aan die per seconde door het apparaat
gaat (1A = 1C lading).
Vermogen, stroomsterkte en spanning
Als de stroomsterkte groter is, gaan er per seconde meer elektronen door een apparaat en door
elk elektron wordt dezelfde energie omgezet, dus is het vermogen evenredig met de
stroomsterkte. Des te groter de spanning, des te harder er tegen elk elektron wordt geduwd,
des te meer energie het meekrijgt. Als de spanning x2 is, geeft elk elektron ook 2x zoveel
energie af, dus is het vermogen ook evenredig met de spanning.
Gelijkspanning en wisselspanning: een batterij heeft een gelijkspanning, de stroom gaat altijd
dezelfde kant op (accu’s en zonnecellen ook). De 2 polen van en dynamo wisselen voortdurend,
hij geeft een wisselspanning (ook stopcontact). Op één van de draden staat een spanning die
50x per seconde wisselt tussen min en plus, op de andere draad (nuldraad) staat geen
spanning.
Stroom en lading: I = Q : t met I - stroomsterkte in A, Q - lading in C en t - tijd in s. De grootte
van de lading van 1 elektron, heet de elementaire lading е (1,60·10 -19 C) en 1C = 6,25· 1018
elektronen.
Spanning en energie: de elektrische energie die omgezet is, is evenredig met de spanning &
lading die door het apparaat is gestroomd: E = U · Q = U· I· t met E - elektrische energie in J en
U - spanning in V of J/s (1V = 1J/s).
Rekenen met het vermogen: het vermogen van een apparaat (energie/s) is evenredig met
de spanning & stroomsterkte: P = U· I.
Zodra de schakelaar wordt omgezet duwen overal in de stroomdraad vrije elektronen andere
vrije elektronen voor zich uit. Ook door de lamp bewegen dus meteen elektronen, waardoor de
lamp licht geeft.
§4 - Weerstand en geleidbaarheid
Geleidbaarheid en weerstand
Apparaten hebben een verschillend vermogen, ook al zijn ze beide op de netspanning
aangesloten. De geleidbaarheid bepaald hoeveel stroom er loopt bij een bepaalde spanning.
Als deze groot is, is de weerstand klein en omgekeerd.
De weerstand van een stroomdraad
Hoe langer de draad is, hoe meer weerstand de elektronen ondervinden als ze door de draad
bewegen. De weerstand van de draad is evenredig met zijn lengte l; de weerstand wordt 2x zo
groot als de draad 2x zo lang wordt waarbij geldt R (in ohm) = U : I.
Daarnaast laat een dikkere draad gemakkelijker elektronen door. De weerstand van een draad
is omgekeerd evenredig met de oppervlakte (A) van de dwarsdoorsnede van de draad: A = π ·
r2
De weerstand van de draad hangt ook af van het materiaal. De soortelijke weerstand geeft
aan of het materiaal goed geleidt, en is de weerstand van een draad van dat materiaal van 1m
lang en een dwarsdoorsnede van 1 m 2.
De weerstand hangt ook af van de temperatuur, of deze omhoog/omlaag gaat bij een hogere
temperatuur hangt af van het materiaal.
De weerstand is vaak constant
De stroomsterkte door een draad hangt af van de spanning over de draad, vaak zijn ze
evenredig waardoor het I, U-diagram een rechte lijn door de oorsprong is de weerstand is
constant ohmse weerstand (alleen als de temperatuur constant is of als de draad van een
bepaald materiaal is) de stroomsterkte door een ohmse weerstand is evenredig met de
spanning.
Als er meer stroom door de draad loopt, wordt de temperatuur hoger, waardoor de
geleidbaarheid afneemt en de weerstand groter wordt I, U-diagram van een gloeilamp is
