Spanning.

Spanning en stroom.
Spanning.
In het stuk over statische elektriciteit hebben we verteld dat je lading kun scheiden door over stoffen
te wrijven. Door middel van het wrijven springt er lading van de ene stof naar de anderen Omdat je
moeite doet om de ladingen over te laten springen stop je in die lading energie. Per deeltje is dat
maar heel weinig maar als je heel veel deeltje hebt kan dat spectaculaire gevolgen hebben . Denk
maar aan een verschijnsel waar dit heel goed zichtbaar en hoorbaar is, namelijk onweer.
Onweer ontstaat meestal op een warme dag als er veel beweging in de
lucht is. Tijdens het bewegen van de luchtlagen wrijven deze langs elkaar
heen en nemen daarmee lading mee. De bovenkant van de lucht wordt
daarbij sterk positief geladen en de onderkant van de lucht sterk negatief
geladen. Op dat moment zit er erg veel energie in de geladen deeltjes.
Als de geladen deeltjes de kans krijgen gaan ze na elkaar toe bewegen.
Tijdens dat bewegen geven ze hun energie af aan de omgeving. Het
gevolg is dat de lucht enorm wordt opgewarmd, dit leidt tot een
geweldige lichtflits en knal, de bliksem.
Als negatieve deeltjes van positieve deeltjes af bewegen krijgt het deeltje dat weg beweegt meer
energie. De situatie die hieronder getekend is, is daarvan een voorbeeld. De energie van het negatief
geladen deeltje in punt Q is groter dan in punt P. Hoe groter de kracht is die op het deeltje werkt,
hoe groter ook de energie zal veranderen.
Potentiaal en spanning
Als het deeltje in de bovenstaande tekening van P naar Q beweegt verandert zijn energie. Tevens
weten we dat er krachten werken. De kracht die het deeltje wegtrekt en de kracht die het deeltje
terug wil laten bewegen, (deze kracht staat niet getekend). Om uitspraken te doen over deze situatie
gebruiken we het begrip, potentiaal.
Dit zijn de regels die gelden voor de potentiaal:
1. De potentiaal wordt altijd in een punt gemeten.
2. Het symbool voor de potentiaal is de U. Als er Up betekent dit dat de potentiaal gemeten is in het
punt P.
3. De potentiaal heeft als eenheid de volt, oftewel [V].
4. Als Up niet gelijk is aan Uq betekent dit 2 dingen:
a. De energie van de geladen deeltjes in Up is niet gelijk is aan Uq en is of toegenomen of
afgenomen.
b. Er werkt een kracht op het deeltje dat hem van P naar Q wil brengen, of omgekeerd.
Positief geladen deeltjes willen altijd van de hoogste naar de laagste potentiaal gaan. Negatieve
deeltjes gaan juist andersom. Als deeltjes vrij mogen bewegen, dan raken ze altijd energie kwijt.
Het verschil in potentiaal tussen 2 punten wordt ook wel (elektrische) spanning genoemd.
Spanningsbronnen
Als ik 2 geladen bollen heb en ik verbind deze met een metalen draad, dan zal er lading van de ene
bol naar de andere bol gaan, totdat beide bollen ongeladen zijn.
Wil ik dat dit proces doorgaat zal ik er voor moeten zorgen dat de bollen steeds geladen blijven. Als ik
een apparaat heb die er voor zorgt dat de lading aan beide kanten steeds gelijk blijft ook al beweegt
er lading noem ik een spanningsbron.
Een spanningsbron is een apparaat waarin er in het apparaat één punt is dat positief geladen is en
een ander punt dat negatief geladen is en dat er voor zorgt dat de hoeveelheid ladingen op beide
punten gelijk blijft, ook al verplaatst er zich lading. De kant die positief geladen is noemen we de
pluspool, de kant die negatief geladen is noemen we de minpool.
Een voorbeelden van zo’n spanningsbron is de batterij. Dit is een voorbeeld van een
gelijkspanningsbron omdat de plus en min steeds op dezelfde plaats blijven. Je hebt echter ook
spanningsbronnen waar de plus en min van plaats wisselen, dit noemen we een
wisselspanningsbron. Een voorbeeld hiervan is het stopcontact. Hierin wisselt de plus- en de minkant 50 keer per seconden van plaats.
Stroom
Op het moment dat geladen deeltjes zich gaan verplaatsen van het ene punt naar het andere punt
dan zeggen we dat er een (elektrische) stroom loopt. Deze stroom kan lopen in metalen draden,
maar ook in vloeistoffen, of in de lucht.
Met het begrip stroom geven we aan dat geladen deeltjes zich verplaatst van het ene punt naar het
andere punt.
Nu verplaatsen positieve geladen deeltjes zich, als er geen andere krachten werken, normaal
gesproken van positief naar negatief. Negatieve deeltjes verplaatsen zich juist van negatief naar
positief. De richting waarin de stroom zich beweegt kan dus per situatie verschillen. Het is zelfs
mogelijk dat er 2 stromen door elkaar heen lopen van positief en negatief geladen deeltjes. Omdat
het niet altijd duidelijk is welke type geladen deeltjes de stroom veroorzaken hebben we in de
natuurkunde een afspraak gemaakt waarin we de richting van de stroom vastleggen.
De stroomrichting loopt volgens afspraak altijd van een hogere potentiaal, naar een lagere
potentiaal. Dat betekent dat bij een spanningsbron de stroom altijd loopt van + naar -.
Deze afspraak kan onlogisch lijken. Aangezien er in een metalen draad alleen vrije elektronen zich
kunnen verplaatsen en geen positieve deeltjes, zal de bewegingsrichting van deze vrije elektronen
van – naar + zijn, dus tegen de stroomrichting in zoals dat in de natuurkunde is afgesproken. Als we
willen aangegeven hoe de deeltjes zich echt verplaatsen dan spreken we van de fysische stroom.
Met de fysische stroom geven we aan hoe de geladen deeltjes zich in een bepaalde situatie werkelijk
verplaatsen, dus positief geladen deeltjes van + naar – en negatieve deeltjes van – naar +. Dit in
tegenstelling tot de afspraak over stroomrichting die hierboven staat.
Ofschoon de afspraak over stroomrichting niet duidelijk maakt welke deeltjes er bewegen heeft het
praten over “de stroom” wel een voordeel. In de meeste situaties die je tegenkomt ben je slechts
geïnteresseerd of er een stroom loopt die energie kan afgeven. Wat er precies in de draden gebeurd
is dan niet van belang.
Waar we in de natuurkunde wel in geïnteresseerd zijn is hoe groot de stroom is. Hierbij gaat het er
niet direct om hoeveel deeltjes er zich verplaatsen, maar vooral om hoeveel lading een bepaald punt
passeert. De lading van het deeltje dat zich verplaatst bepaalt de hoeveel energie die het deeltje
heeft. De grootte van de stroom, oftewel de stroomsterkte wordt bepaald door te meten hoeveel
lading er op een bepaald punt langs komt. Hierbij speelt de lading die elk deeltje heeft een rol en hoe
snel de deeltjes bewegen.
De stroomsterkte wordt aangeven met het symbool I en gemeten in de eenheid ampère [A]. De
stroomsterkte geeft aan hoeveel lading er op een punt per seconde langs komt.
Stroom in een metalen draad
Als we een stroom door een metalen draad willen laten lopen dan zullen we allereerst een spanning
moeten maken met een spanningsbron. Als we dan de draad aansluiten zullen de ladingen in de
draad daarop reageren. De vrije elektronen die dicht bij het positieve pool zitten zullen daardoor
worden aangetrokken en naar dat punt toe gaan bewegen. De vrije elektronen die dicht bij het
negatieve pool zitten zullen daardoor worden af gestoten en van de pool af gaan bewegen. Doordat
deze elektronen zich verplaatsen komen de vrije elektronen die iets verder weg zitten van de polen
ook in beweging waarbij de richting steeds het zelfde is. De normale willekeurige beweging van de
vrije elektronen, zoals hieronder staat afgebeeld, wordt omgezet in een gerichte beweging, er
ontstaat een stroom.
De elektronen die op de min–pool ondervinden een grote afstotende kracht van de medeelektronen. Je zou misschien verwachten dat, als er een mogelijkheid ontstaat, alle elektronen
tegelijkertijd de min-pool verlaten, dit is echter niet het geval. Omdat de draad vol zit met
metaalatomen kan er alleen een elektron van de min-pool de draad op als er een ander elektron
opschuift, maar dat kan alleen als een ander elektron ook opschuift. Dit betekent dat alle vrije
elektronen met dezelfde snelheid door de draad bewegen en dat er alleen een elektron op de draad
kan komen als er ook een elektron de draad verlaat.
Bij een stroom in een draad bewegen alle elektronen achter elkaar met dezelfde snelheid. Er kan
alleen een elektron de draad op bij de min –pool als er een elektron door de plus-pool wordt
opgenomen van de spanningsbron.
De gesloten stroomkring
Komen de vrije elektronen bij de plus-pool aan dan moeten ze snel mogelijk weer naar de min-pool
toe om zo de spanning van de bron gelijk te houden. Dat betekent dus:
In de spanningsbron loopt de stroom van min naar plus.
Omdat de stroom steeds rond gaat spreken we over een gesloten stroomkring.
Een stroom die veroorzaakt wordt door een spanningsbron kan alleen maar gaan lopen als er sprake
is van een gesloten stroomkring.