Fysische middelen: deel fysica
Hoofdstuk 1: Elektriciteit - gelijkstroom
1. Lading en elektrische potentiaal
LADING EN MATERIE
→ Materie > Atomen > Kern + elektronenwolk
→ Aantal elektronen (-e) = aantal protonen (+e)
e = elementaire lading
→ neutraal atoom: protonen + neutronen → totale lading = 1
Elektrische krachten tussen geladen deeltjes
- Ladingen van tegengesteld teken trekken elkaar aan
- Ladingen met hetzelfde teken stoten elkaar af
Positief of negatief geladen ionen
- Kathionen (+, elektronentekort)
- Anionen (-, elektronenoverschot)
- komt veel voor in menselijk lichaam via ionentransport
- we spreken van ion zodra een atoom een elektron verliest of opneemt
WET VAN COULOMB
Tegengestelde ladingen trekken mekaar aan:
Gelijknamige ladingen stoten elkaar af:
grootte van een kracht bepaald door:
- grootte van ladingen (hoe groter lading, hoe harder ze zullen trekken aan elkaar) → kracht recht evenredig met lading
- kracht omgekeerd evenredig met kwadraat van afstand tussen 2 ladingen → hoe dichter de 2 ladingen bij elkaar, hoe
sterker
met 𝜖0 = 8,85.10−12 F/m de elektrische (veld)constante
→ Q1 gaat onder invloed van q2 een kracht ondervinden
→ Q1 en Q3 liggen dichter bij elkaar dan Q1 en Q2, en zullen dus een grotere kracht ontwikkelen
QUIZ 1: Een ion heeft een totale lading +2e. In de kern bedraagt het aantal neutronen 2 en het aantal protonen ook 2. Hoeveel
elektronen zitten er rond de kern in de elektronenwolk?
→0
1
,DE ELEKTRISCHE VELDVECTOR
Elektrisch veld = elektrische kracht die de positieve, puntvormige eenheidslading 𝑞0 (1 elementaire lading) ondervindt in een
bepaald punt
→ Elektrisch veld is een vector!
→ Kracht van positieve punt hangt af van de richting : hoe dichter, hoe hoger de kracht
1. Een lading q1 verwekt in de omgevende ruimte een elektrisch veld
2. Dit veld heeft invloed op een lading q2: de wisselwerking komt tot uiting in de kracht F die q2 ondervindt onder invloed
van het aanwezige veld
3. Omgekeerd veroorzaakt het elektrisch veld afkomstig van lading q2 een kracht op lading q1.
→ Onderscheid tussen stationaire (stilstaande) en bewegende ladingen
→ kracht die een elektrisch veld uitoefent tussen lading q1 en q2 werkt niet rechtstreeks, maar via elektrische golven
gevolg: als ladingen bewegen, zit er altijd een bepaalde vertraging
Elektrisch veld E = (eenheid: N/C)
ELEKTRISCHE POTENTIAAL
Uitwendige arbeid 𝑊𝐴𝐵 om 𝑞0 van 𝐴 naar 𝐵 te brengen (tegen het elektrisch veld in)
→ Hoe dichter bij q, hoe groter de kracht
→ arbeid = kracht. verplaatsing
+ lading van A naar B → even grote tegengestelde kracht uitoefenen als compensatie (arbeid)
→ kracht en verplaatsing in dezelfde richting = positieve arbeid
→ kracht en verplaatsing tegengesteld = negatieve arbeid
→ elektrisch veld wijst altijd weg van positieve lading
Elektrisch potentiaalverschil
= de arbeid die een uitwendige kracht moet uitoefenen om de positieve eenheidslading van A naar B te brengen
Eenheid: Volt (V) (= Joule / Coulomb)
Onafhankelijk van de gevolgde weg! (1 vs. 2)
→ Altijd dezelfde arbeid verrichten om lading van A naar B te brengen ongeacht de weg
→ Enkel evenwijdige kracht speelt rol (trapjes in cirkel geen bijdrage)
2
,Keuze: 𝑉∞ = 0 (potentiaal oneindig ver van q als 0 nemen, want je lag in principe zelf kiezen waar V = 0
Definitie: Elektrische potentiaal in een willekeurig punt:
● 𝑉 > 0 bij een positieve lading → kracht en verplaatsing naar links gericht (dezelfde zin = positief)
● 𝑉 < 0 bij een negatieve lading → want gaat vanzelf, elektrisch veld trekt dit aan
QUIZ 2: Beschouw twee gelijke, positieve ladingen in de lucht op een vaste afstand van 20 cm: q1 en q2.
We brengen een derde positieve lading q3 in het elektrisch veld dat veroorzaakt wordt door q1 en q2 en laten die los. Wat
gebeurt er?
→ q3 verwijderd zich spontaan van q1 en q2
2. ELEKTRISCHE STROOMKRINGEN
ELEKTROMOTORISCHE KRACHT
EMK = ElektroMotorische Kracht
→ Bron van EMK: batterij, elektrische generator (alles waarbij E wordt gebruikt voor potentiaalverschil)
→ Symbool EMK: ε (= grootte tussen potentiaalverschil van + en - pool van batterij)
→ SI eenheid van EMK: J/C of V
Batterij: toestel dat constant energie/arbeid levert zodat potentiaalverschil behouden wordt
→ brengt constant ladingen van ene naar andere kant tegen potentiaalverschil in
Korte dikke kant = negatieve pool
Lange dunne kant = positieve pool
Pas iets gebeuren met batterij als je verbind met iets dat stroom kan geleiden (dan pas werkt hij)
→ potentiaalverschil tussen batterij = elektrisch veld (hangt af van de grootte van het potentiaalverschil + lengte van geleider)
→ Elektronen gaan bewegen in tegengestelde richting van het elektrisch veld (want worden aangetrokken door de positieve
kant)
Elektrische stroom
Geleider = materiaal waar elektronen kunnen vrij in bewegen
→ elektrisch veld E veroorzaakt een elektronenbeweging in de richting van -E
→ grootte van het elektrisch veld hangt af van:
1. potentiaalverschil van batterij
2. lengte van de geleider
Elektrische stroom: → stroom constant
→ Elektrische stroom= ladingen beweging in functie van de tijd
→ SI eenheid: Ampère (1 A = 1 C/s)
3
, Potentiaalverschil (en ladingstransport) tijdsafhankelijk: → stroom niet constant
→ In praktijk: elektronen hele tijd botsen met positieve kernen
→ Driftsnelheid van de ladingsdragers = gemiddelde snelheid van de elektronen in de richting tegengesteld aan 𝐸
→ Ogenblikkelijke snelheid omvat ook willekeurige individuele botsingen
Stroomrichting (PIJL) in geleider = bewegingsrichting positieve ladingsdragers = tegengesteld aan richting driftsnelheid
elektronen (positieve ladingen bewegen eigenlijk niet)
Stroomdichtheid 𝑗 = stroom per eenheid van oppervlaktedoorsnede van de geleider (VECTOR)
→ Richting wordt bepaald wordt door de bewegingsrichting van de positieve ladingsdragers
AFSPRAKEN
EMK:
- Conventionele stroomzin: van + naar
- Reële stroomzin (elektronenstroom): van – naar +
- Gelijkstroombronnen (of gelijkspanningsbronnen): stroom steeds dezelfde zin
- Wisselstroombronnen (of wisselspanningsbronnen): stroom wisselt steeds van zin → Hoofdstuk 2
ELEKTRISCHE WEERSTAND
- Zelfde potentiaalverschil
- Staven met dezelfde doorsnede en lengte maar uit verschillende materialen → verschillende elektrische stroom
- dus: stroom afhankelijk van materiaal van geleiders
Elektrische weerstand:
→ SI eenheid: 1 ohm (1 Ω = 1 V/A)
→ Stroom is afhankelijk van het materiaal dat je gebruikt als geleider
→ Kleine weerstand = gaat gemakkelijk lading door, stroom ontstaan, dus stroom is groot
SOORTELIJKE WEERSTAND
Soortelijke weerstand: → laat toe om weerstand te berekenen als je het materiaal kent
→ Karakteristiek voor materiaal, onafhankelijk van geometrie
4
Hoofdstuk 1: Elektriciteit - gelijkstroom
1. Lading en elektrische potentiaal
LADING EN MATERIE
→ Materie > Atomen > Kern + elektronenwolk
→ Aantal elektronen (-e) = aantal protonen (+e)
e = elementaire lading
→ neutraal atoom: protonen + neutronen → totale lading = 1
Elektrische krachten tussen geladen deeltjes
- Ladingen van tegengesteld teken trekken elkaar aan
- Ladingen met hetzelfde teken stoten elkaar af
Positief of negatief geladen ionen
- Kathionen (+, elektronentekort)
- Anionen (-, elektronenoverschot)
- komt veel voor in menselijk lichaam via ionentransport
- we spreken van ion zodra een atoom een elektron verliest of opneemt
WET VAN COULOMB
Tegengestelde ladingen trekken mekaar aan:
Gelijknamige ladingen stoten elkaar af:
grootte van een kracht bepaald door:
- grootte van ladingen (hoe groter lading, hoe harder ze zullen trekken aan elkaar) → kracht recht evenredig met lading
- kracht omgekeerd evenredig met kwadraat van afstand tussen 2 ladingen → hoe dichter de 2 ladingen bij elkaar, hoe
sterker
met 𝜖0 = 8,85.10−12 F/m de elektrische (veld)constante
→ Q1 gaat onder invloed van q2 een kracht ondervinden
→ Q1 en Q3 liggen dichter bij elkaar dan Q1 en Q2, en zullen dus een grotere kracht ontwikkelen
QUIZ 1: Een ion heeft een totale lading +2e. In de kern bedraagt het aantal neutronen 2 en het aantal protonen ook 2. Hoeveel
elektronen zitten er rond de kern in de elektronenwolk?
→0
1
,DE ELEKTRISCHE VELDVECTOR
Elektrisch veld = elektrische kracht die de positieve, puntvormige eenheidslading 𝑞0 (1 elementaire lading) ondervindt in een
bepaald punt
→ Elektrisch veld is een vector!
→ Kracht van positieve punt hangt af van de richting : hoe dichter, hoe hoger de kracht
1. Een lading q1 verwekt in de omgevende ruimte een elektrisch veld
2. Dit veld heeft invloed op een lading q2: de wisselwerking komt tot uiting in de kracht F die q2 ondervindt onder invloed
van het aanwezige veld
3. Omgekeerd veroorzaakt het elektrisch veld afkomstig van lading q2 een kracht op lading q1.
→ Onderscheid tussen stationaire (stilstaande) en bewegende ladingen
→ kracht die een elektrisch veld uitoefent tussen lading q1 en q2 werkt niet rechtstreeks, maar via elektrische golven
gevolg: als ladingen bewegen, zit er altijd een bepaalde vertraging
Elektrisch veld E = (eenheid: N/C)
ELEKTRISCHE POTENTIAAL
Uitwendige arbeid 𝑊𝐴𝐵 om 𝑞0 van 𝐴 naar 𝐵 te brengen (tegen het elektrisch veld in)
→ Hoe dichter bij q, hoe groter de kracht
→ arbeid = kracht. verplaatsing
+ lading van A naar B → even grote tegengestelde kracht uitoefenen als compensatie (arbeid)
→ kracht en verplaatsing in dezelfde richting = positieve arbeid
→ kracht en verplaatsing tegengesteld = negatieve arbeid
→ elektrisch veld wijst altijd weg van positieve lading
Elektrisch potentiaalverschil
= de arbeid die een uitwendige kracht moet uitoefenen om de positieve eenheidslading van A naar B te brengen
Eenheid: Volt (V) (= Joule / Coulomb)
Onafhankelijk van de gevolgde weg! (1 vs. 2)
→ Altijd dezelfde arbeid verrichten om lading van A naar B te brengen ongeacht de weg
→ Enkel evenwijdige kracht speelt rol (trapjes in cirkel geen bijdrage)
2
,Keuze: 𝑉∞ = 0 (potentiaal oneindig ver van q als 0 nemen, want je lag in principe zelf kiezen waar V = 0
Definitie: Elektrische potentiaal in een willekeurig punt:
● 𝑉 > 0 bij een positieve lading → kracht en verplaatsing naar links gericht (dezelfde zin = positief)
● 𝑉 < 0 bij een negatieve lading → want gaat vanzelf, elektrisch veld trekt dit aan
QUIZ 2: Beschouw twee gelijke, positieve ladingen in de lucht op een vaste afstand van 20 cm: q1 en q2.
We brengen een derde positieve lading q3 in het elektrisch veld dat veroorzaakt wordt door q1 en q2 en laten die los. Wat
gebeurt er?
→ q3 verwijderd zich spontaan van q1 en q2
2. ELEKTRISCHE STROOMKRINGEN
ELEKTROMOTORISCHE KRACHT
EMK = ElektroMotorische Kracht
→ Bron van EMK: batterij, elektrische generator (alles waarbij E wordt gebruikt voor potentiaalverschil)
→ Symbool EMK: ε (= grootte tussen potentiaalverschil van + en - pool van batterij)
→ SI eenheid van EMK: J/C of V
Batterij: toestel dat constant energie/arbeid levert zodat potentiaalverschil behouden wordt
→ brengt constant ladingen van ene naar andere kant tegen potentiaalverschil in
Korte dikke kant = negatieve pool
Lange dunne kant = positieve pool
Pas iets gebeuren met batterij als je verbind met iets dat stroom kan geleiden (dan pas werkt hij)
→ potentiaalverschil tussen batterij = elektrisch veld (hangt af van de grootte van het potentiaalverschil + lengte van geleider)
→ Elektronen gaan bewegen in tegengestelde richting van het elektrisch veld (want worden aangetrokken door de positieve
kant)
Elektrische stroom
Geleider = materiaal waar elektronen kunnen vrij in bewegen
→ elektrisch veld E veroorzaakt een elektronenbeweging in de richting van -E
→ grootte van het elektrisch veld hangt af van:
1. potentiaalverschil van batterij
2. lengte van de geleider
Elektrische stroom: → stroom constant
→ Elektrische stroom= ladingen beweging in functie van de tijd
→ SI eenheid: Ampère (1 A = 1 C/s)
3
, Potentiaalverschil (en ladingstransport) tijdsafhankelijk: → stroom niet constant
→ In praktijk: elektronen hele tijd botsen met positieve kernen
→ Driftsnelheid van de ladingsdragers = gemiddelde snelheid van de elektronen in de richting tegengesteld aan 𝐸
→ Ogenblikkelijke snelheid omvat ook willekeurige individuele botsingen
Stroomrichting (PIJL) in geleider = bewegingsrichting positieve ladingsdragers = tegengesteld aan richting driftsnelheid
elektronen (positieve ladingen bewegen eigenlijk niet)
Stroomdichtheid 𝑗 = stroom per eenheid van oppervlaktedoorsnede van de geleider (VECTOR)
→ Richting wordt bepaald wordt door de bewegingsrichting van de positieve ladingsdragers
AFSPRAKEN
EMK:
- Conventionele stroomzin: van + naar
- Reële stroomzin (elektronenstroom): van – naar +
- Gelijkstroombronnen (of gelijkspanningsbronnen): stroom steeds dezelfde zin
- Wisselstroombronnen (of wisselspanningsbronnen): stroom wisselt steeds van zin → Hoofdstuk 2
ELEKTRISCHE WEERSTAND
- Zelfde potentiaalverschil
- Staven met dezelfde doorsnede en lengte maar uit verschillende materialen → verschillende elektrische stroom
- dus: stroom afhankelijk van materiaal van geleiders
Elektrische weerstand:
→ SI eenheid: 1 ohm (1 Ω = 1 V/A)
→ Stroom is afhankelijk van het materiaal dat je gebruikt als geleider
→ Kleine weerstand = gaat gemakkelijk lading door, stroom ontstaan, dus stroom is groot
SOORTELIJKE WEERSTAND
Soortelijke weerstand: → laat toe om weerstand te berekenen als je het materiaal kent
→ Karakteristiek voor materiaal, onafhankelijk van geometrie
4
