In deze paragraaf gaan we met elektriciteit leren rekenen. We beginnen met de lading. De eenheid die we gebruiken voor de hoeveelheid lading is de coulomb.


Klas 4
Eén elektron heeft bijvoorbeeld een negatieve lading van: $$ e = -1,602 \times 10^{-19} C $$ Deze waarde is terug te vinden in BINAS tabel 7. De lading van een elektron is dus erg klein. Als we willen rekenen met coulomb, dan is het vaak handig om met verhoudingstabellen te rekenen. Zo kunnen we bijvoorbeeld uitrekenen hoeveel elektronen samen een 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 lading die per seconde door een punt in de schakeling stroomt. In grondeenheden is ampère dus gelijk aan coulomb per seconde (C/s).


Er geldt dus:

$$ [I] = A = C/s $$

We kunnen de stroomsterkte dus berekenen met:

$$ I = \frac{Q}{t} $$
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. De stopcontacten in huis zijn opgedeeld in een aantal groepen, elk met een eigen zekering. 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.

Naast kortsluiting kan een zekering in huis ook doorbranden als je er te veel apparaten tegelijk op aansluit. Dit gebeurt omdat de stroomsterktes van alle onderdelen tezamen dan ook de limiet van de zekering overschreiden. In dit geval spreken we van overbelasting. Het is daarom niet handig om te veel apparaten die veel stroom gebruiken op één groep te zetten.

Als de elektronen tegen atomen botsen, geven ze energie vrij. De energie die per lading vrijgegeven wordt noemen we de spanning (U). We meten de spanning in volt (V). De eenheid voor energie is de joule (J). In grondeenheden is volt dus gelijk aan joule per coulomb (J/C).


Er geldt dus:

$$ [U] = V = J/C $$

We kunnen de spanning dus 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 20V 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 230V. We noemen dit ook wel de netspanning. Een normale AA batterij heeft een spanning van 1,5V. 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 = 3V.



Training

    Zorg dat je kan redeneren en rekenen met lading, stroomsterkte en spanning. Zorg ook dat je de lading van een elektron kan vinden in BINAS.
  1. Leg uit wat het verschil is tussen stroomsterkte en spanning. Noteer het antwoord ook in het logboek.
  2. 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. Er stoomt 200 mA aan stroom door een stroomdraad.
    1. Bereken hoeveel coulomb er per minuut door de draad stroomt.
    2. Klas 4 Bereken hoeveel elektronen er per minuut door de draad stromen.
  4. Er staat een spanning van 20V 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. Klas 4 Bereken hoeveel energie elk elektron afgeeft als het door het lampje stroomt.
  5. Het opladen van een bepaalde mobiele telefoon via een adapter duurt 90 minuten. Op de adapter lezen we 230V; 0,15A.
    1. Klas 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. Bij een blikseminslag verplaatst zich -0,75C aan lading in 8ms van een wolk naar de aarde. De spanning tussen wolk en aarde is gemiddeld 75MV.
    1. Klas 4 Bereken hoeveel elektronen er verplaatst zijn.
    2. Bereken de stroomsterkte van de blikseminslag.
    3. Klas 4 Bereken hoeveel energie is vrijgekomen bij de inslag. Gebruik hiervoor het antwoord van vraag b.
  7. 4VWO De LHC is een deeltjesversneller waarin protonen kunnen worden versneld tot dicht bij 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 seconden een omloop. Hierdoor is in die buis de stroomsterkte gelijk aan 0,582A.

    Bereken hoeveel protonen er in één groepje zitten.
  8. NOTEER IN HET ONLINE LOGBOEK welke feiten en strategieën je nodig had voor het rekenen met stroomsterkte en spanning. Welke lessen heb je uit de opdrachten getrokken? Wat moet je echt onthouden voor de toets?