In deze paragraaf gaan we de beweging van lading nader bestuderen. Dit doen we aan de hand van de begrippen spanning en stroomsterkte.

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

$$ [Q] = \text{C} $$

Klas 4
Eén elektron heeft een negatieve lading van: $$ e = -1,602 \times 10^{-19} \text{ C} $$ Deze waarde is terug te vinden in BINAS tabel 7. De lading van een elektron is dus erg klein. Met een verhoudingstabel kunnen we uitrekenen hoeveel elektronen samen één coulomb aan lading vormen:
1 elektron 6,241× 1018 elektronen
-1,602 × 10-19C -1,000 C


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:

$$ [I] = \text{A} = \text{C/s} $$

We kunnen de stroomsterkte berekenen met de volgende formule:

$$ I = \frac{Q}{t} $$
Stroomsterkte (I) ampère (A)
Lading (Q) coulomb (C)
Tijd (t) seconde (s)

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 (zie de onderstaande afbeelding). 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 een aantal zekeringen. Een simpele zekering bestaat uit een draadje dat doorbrandt als de stroomsterkte boven een bepaalde waarde uitkomt. In de onderstaande afbeelding zien we bijvoorbeeld een zekering die bij 20A 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.

Als de elektronen tegen de atomen in de schakeling botsen, dan verliezen ze energie aan het materiaal. De energie die per lading verloren gaat noemen we de spanning (U). We meten de spanning in volt (V) en dat is gelijk aan de hoeveelheid joule per coulomb (J/C). Joule (J) is de eenheid voor de energie.


Er geldt dus:

$$ [U] = \text{V} = \text{J/C} $$

We kunnen de spanning berekenen met:

$$ U = \frac{E}{Q} $$
Spanning (U) volt(V)
Energie (E) joule (J)
Lading (Q) coulomb (C)

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.




Training
    Redeneren en rekenen met lading, stroomsterkte en spanning
  1. (2,3,4) Leg uit wat het verschil is tussen stroomsterkte en spanning.
  2. (2,3) Schrijf de volgende eenheden om:
    1. 200 mA = ... A
    2. 0,8A = ... mA
    3. 25V = ... kV
    4. 78 mV = ... V
    5. 105,5 kA = ... A
    6. 25 MV = ... V
  3. (2,3,4) Er stoomt 200 mA aan stroom door een stroomdraad.
    1. Bereken hoeveel coulomb er per minuut door de draad stroomt.
    2. (4) Bereken hoeveel elektronen er per minuut door de draad stromen.
  4. (2,3,4) 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.
    1. Bereken de stroomsterkte.
    2. Bereken hoeveel energie er per seconde door de draad stroomt.
    3. (4) Bereken hoeveel energie elk elektron afgeeft als het door het lampje stroomt.
  5. (2,3,4) Het opladen van een bepaalde mobiele telefoon via een adapter duurt 90 minuten. Op de adapter lezen we: '230 V; 0,15 A'.
    1. (4) Bereken hoeveel elektronen per seconde de telefoon in stromen tijdens het opladen.
    2. Bereken hoeveel lading er tijdens het opladen in de telefoon is gestroomd.
    3. Bereken hoeveel energie het opladen heeft gekost.
  6. (2,3,4) Bij een blikseminslag verplaatst zich 0,75 C aan lading in 8 ms van een wolk naar de aarde. De spanning tussen wolk en aarde is gemiddeld 75 MV.
    1. (4) Bereken hoeveel elektronen er verplaatst zijn.
    2. Bereken de stroomsterkte van de blikseminslag.
    3. (4) Bereken hoeveel energie is vrijgekomen bij de inslag. Gebruik hiervoor het antwoord van vraag b.
  7. (4V) De LHC is een deeltjesversneller waarin protonen kunnen worden versneld tot bijna de lichtsnelheid. De protonen worden in cirkels rondgeschoten en gaan in groepjes door de buizen, zoals hieronder is afgebeeld. De protonen maken 11245 maal per seconde een omloop. Hierdoor is in die buis de stroomsterkte gelijk aan 0,582 A.

    Bereken hoeveel protonen er in één groepje zitten.
    (bron: examen VWO 2012-2)