Hoofdstuk 6, Elektriciteit

Samenvatting Natuurkunde H6: Elektriciteit.
Paragraaf 6.1
Volgens het atoommodel van Rutherford bestaat een atoom uit een positief geladen atoomkern met daaromheen een elektronenwolk.
Een stof waarin geladen deeltjes zich gemakkelijk kunnen verplaatsen, noemen we een isolator, bijvoorbeeld metalen en oplossingen van zouten in water. Bij geleiding bewegen de geladen deeltjes zich vrij. Koper is een van de beste geleiders het wordt daarom gebruikt in het elektriciteitsnet. Voor hoeveelheid elektrische energie die omgezet wordt geldt: Eelektrisch = Q ∙ U
Eelektrisch = hoeveelheid energie in Joule (J).

Q = lading in coulomb (C).
U = spanning volt (V).

Paragraaf 6.2
In een stroomkring beschouwt men de batterij als pomp die de elektronen dwingt te gaan rondlopen. De elektronen lopen van de minpool naar de pluspool. Als een stroomkring gesloten is, dan stroomt er elektrische lading door de stroomdraden. De elektrische stroomsterkte is hoeveelheid lading die per seconde een dwarsdoorsnede passeert. Formule: I = Q/t of Q = I ∙ t
Q = hoeveelheid lading die de dwarsdoorsnede passeert in coulomb (C).
t = tijdsduur waarin dat gebeurt in seconde (s).
I = elektrische stroomsterkte in coulomb per sec. (C/s); de gebruikelijke eenheid van stroomsterkte is ampère (symbool A).

Paragraaf 6.3
Voor weerstand gebruiken het symbool R. Daarmee krijgt de formule R.
U is de spanning over de geleider in Volt (V).
I is de stroomsterkte door de geleider in ampère (A).
R is de weerstand in Ohm (Ω) (1Ω =1V/1A)
Formules: U/I = R of U = I ∙ R
Als de weerstand van een elektrische geleider constant is, dus niet afhangt van de stroomsterkte, zeg je dat de wet van ohm geldt voor die geleider. De weerstand van een geleider kun je bepalen door de geleider in een schakeling met een spanningsbron op te nemen.

Paragraaf 6.4
Op een lamp staat 60 watt; 230 volt. Als je zo’n lamp aansluit op 230 volt en laat branden, dan wordt er elke seconden 60 Joule aan elektrische energie omgezet is stralingsenergie en warmte. Formule: ∆E = P ∙ t (dus E = U ∙ I ∙ t) of P = ΔE/t

P is het vermogen in watt (W).
∆E is de hoeveelheid energie die wordt verbruikt in joule (J) (1 joule = 1 watt ∙ seconde).
t is de tijd waarin dat gebeurt, in seconde (s).
Voor elektrisch vermogen van een apparaat geldt de formule: P = U∙ I
P is het vermogen in watt (W) (1 watt = 1 volt ∙ ampère).
U is de spanning in volt (V).
I is de stroomsterkte in ampère (A).
Voor hoeveel warmte Q die in een weerstand wordt ontwikkeld geldt: E = P∙t = I²∙R∙t = U²/R∙ t
Voor het rendement van een elektrisch apparaat geldt: η = Enuttig/Ein x 100% en η = Pnuttig/Pinx 100%
1 kWh = 3,6 ∙ 106 J = 3,6 MJ

Paragraaf 6.5
Wanneer 1 ohmse weerstand aansluit op een spanningsbron dan komt de hele spanning van de bron over die weerstand te staan. Wanneer je niet één maar twee of meer weerstanden op de spanningsbron aansluit dan verandert de spanning van de bronnen niet, maar de stroomsterkte wel. De stroom die gaat lopen hangt nu af van de manier waarop de weerstanden geschakeld worden.
Parallelschakeling van weerstanden. Drie weerstanden parallel geschakeld:

Over elke weerstand staat dezelfde spanning.
Door elke weerstand gaat een deel van de hoofdstroom. De som van de takstromen is gelijk aan de hoofdstroom: I = I1 + I2 + I3. Daarbij loopt de grootste stroom door de weerstand met de kleinste weerstandwaarde.
De weerstandswaarde van de hele parallelschakeling, dat wil zeggen de vervangingweerstand Rv, is te berekenen met: 1/Rv=1/R1+1/R2+1/R3. Hoe meer weerstanden er parallel zijn geschakeld, des te kleiner is de weerstandswaarde van de hele schakeling, des te groter is stroomsterkte die de bron levert.
Serieschakeling van weerstanden. Drie weerstanden in serie geschakeld:
Door elke weerstand loopt dezelfde stroom.
De batterijspanning verdeelt zich over de weerstanden. De som van de deelspanningen is gelijk aan de batterijspanning: Ubat = U1 + U2 + U3. Daarbij staat de meeste spanning over de weerstand met de grootste weerstandswaarde.
De weerstandswaarde van de hele serieschakeling, dat wil zeggen de vervangingsweerstand Rv, is te berekenen met: Rv = R1 + R2 + R3. Hoe meer weerstanden er in serie zijn geschakeld, des te grote is de weerstandswaarde van de hele schakeling, des te kleiner is stroomsterkte die de bron levert.

Paragraaf 6.6
De oppervlakte van een cirkel volgt uit de straal of de diameter volgens de formule:
A=π∙r² = π∙(□(1/2) d)2 = □(1/4)π ∙ d2

De weerstand van een metaaldraad is recht evenredig met de lengte (R ~ 1) en omgekeerd evenredig met de dwarsdoorsnee van de draad (R~1/A). Dus: R=constante ∙ l/A.
R = ρ∙l/A
R = de weerstand van de draad in ohm (Ω).
ρ = de soortelijke weerstand van het materiaal van de draad in ohm x meter (Ωm).
L = de lengte van de draad in meter.

A = de dwarsdoorsnede van de draad in vierkante meter (m²)

De weerstand van de metaaldraad hangt ook af van de temperatuur. Als de temperatuur stijgt, neemt de weerstand van de metalen toe.

Paragraaf 6.7
De weerstand van de metaaldraad is recht evenredig met de lengte van de draad. Dus als je de stroom door een kort stuk draad laat lopen dan ondervindt de stroom een kleine weerstand; bij een lang stuk draad een grote weerstand.
Spanning over een lamp kan je berekenen met: Ulamp = Ilamp ∙ Rlamp
Bij combinatie parallelschakeling en serieschakeling: Ilamp + IAC = ICB

Paragraaf 6.8
Silicium en germanium zijn halfgeleiders. Dit komt omdat deze de stroom redelijk goed kunnen geleiden: veel slechter dan metalen maar veel beter dan de meeste niet metalen. een metaaldraad wordt ook wel een PTC genoemd. Er verschillende soorten bijzondere weerstanden, zoals de NTC, de LDR en de diode
- NTC: De weerstand van de NTC verandert sterk als de temperatuur veranderd. Zijn temperatuur afhankelijkheid is veel groter dan die van een PTC. De kunt een NTC ook goed gebruiken als temperatuursensor.
- LDR: Is een lichtgevoelige weerstand. De weerstand van een LDR wordt bepaald door de hoeveelheid licht die er op valt. Die weerstand wordt kleiner, naarmate de LDR sterk wordt belicht.

- Diode: Een diode zorgt voor eenrichtingsverkeer van elektronen in een stroomkring waarin de diode is opgenomen.

Een LED is een diode en die licht geeft als er in doorlaatrichting staat. Een Led heeft twee grote voordelen ten opzichte van de gloeilamp:
- Een hoog ligt rendement tot wel 50% terwijl een gloeilamp maar 5% haalt.
- En een LED is onverslijtbaar.

Aantal formules:
wet van Ohm
vermogen elektrische stroom
energie elektrische stroom U = I ∙ R
P = U ∙ I = I² ∙ R = □(U²/R) = □(E/t)
E = P ∙ t
stroomsterkte bij:
serieschakeling
parallelschakeling
I = I1 = I2 = …
I = I1 + I2 + …
spanning bij:
serieschakeling
parallelschakeling
U = U1 + U2 + …
U = U1 = U2 = …
vervangingsweerstand bij:
serieschakeling
parallelschakeling

Rv = R1 + R2 + …
1/Rv=1/R1+1/R2+⋯
Weerstand van homogene draad R = ρ ∙□(l/A)
Opm: het symbool ρ voor soortgelijke weerstand wordt ook voor dichtheid gebruikt.

Verband stroomsterkte en lading I = □(Q/t)

In tabel 7 Waarden en enige constanten en grootheden vind je onder andere:
e Elementair ladingskwantum 1,602 ∙ 10-19 C
me Rustmassa elektron 0,000910939 ∙ 10-27 kg