THEMA 4: elektrische stroom Elektrische stroom QI t

QUARK_5-Thema-04-elektrische stroom
Blz.
1
THEMA 4: elektrische stroom
Elektrische stroom
Elektrische kring (L)
Verplaatsing van lading
Spanningsbron -> elektrisch veld -> vrije ladingen
bewegen volgens richting van E en in
tegengestelde zin van E .
Er is een netto-verplaatsing van lading (doorheen
een doorsnede A) van de geleider.
We noemen dit ‘elektrische stroom’.
Stroomsterkte
Door geleider; netto-verplaatsing van negatieve lading ∆ Q
= zelfde hoeveelheid van positieve lading ∆Q in tegengestelde zin
(= ‘conventionele stroomzin’)
Hoe groter ∆Q door A in een tijdsduur
∆t , des te groter de stroomsterkte ‘I’
De stroomsterkte I in een geleider is de verhouding van de hoeveelheid lading ∆Q
die in een tijdsduur ∆t door de loodrechte doorsnede van de geleider loopt tot die
tijdsduur ∆t ;
In symbolen:
I=
∆Q
∆t
Grootheid
Symbool
Eenheid
symbool
Stroomsterkte
I
Ampère
A
Verband tussen
eenheden
1A =
1C
1s
Ladingscapaciteit
I=
∆Q
∆t
⇒ ladingscapaciteit : ∆Q = I.∆t
Grootheid
Symbool
Eenheid
symbool
Verband tussen
eenheden
Hoeveelheid lading
∆Q
1 Ampère.uur
1 A.h
1A.1 s = 1 C
QUARK_5-Thema-04-elektrische stroom
Blz.
2
Stroom op atomaire schaal (U)
Opm. ‘driftsnelheid’ van elektronen (U)
Stroommeter (L)
Stroom in gassen en vloeistoffen (U)
Elektrische weerstand
Definitie
De elektrische weerstand van een geleider is de verhouding van de positieve spanning
UR over de geleider tot de stroom(sterkte) I die door
de geleider loopt:
R=
Grootheid
Weerstand
Symbool
R
UR
I
Eenheid
1 Ohm
symbool
Ω
Verband
1Ω =
1V
1A
Een draad met een grotere weerstand geleidt de elektrische stroom minder goed dan
een draad met een kleine weerstand.
(Het begrip weerstand gebruikt men in de praktijk ook om een component te benoemen die een
weerstand heeft.)
Een weerstand met een constante waarde is een ohmse weerstand.
De weerstand van een led en van een diode zijn niet constant, hun weerstand is
afhankelijk van de spanning. Dit zijn niet-ohmse weerstanden.
De wet van Ohm
Aan de slag 6: wet van Ohm (zie labo)
Voor een geleidende draad is de verhouding tussen de spanning UR
over de draad en de stroom door de draad een constante:
UR
= Cte = R
I
Invloed van de temperatuur op weerstand (L)
QUARK_5-Thema-04-elektrische stroom
Blz.
3
Energie, vermogen en rendement
Energieomzettingen in een weerstand
In een geleider met weerstand R waardoor een stroom I loopt, wordt in een tijdsduur
∆t een hoeveelheid warmte Qw geproduceerd, gelijk aan:
Q w = R.I 2 .∆t
Dit noemen we het ‘joule-effect’
Vermogen ontwikkeld in een weerstand
In een weerstand met waarde R waarover een spanning UR staat en waardoor een
stroom I loopt, is het elektrisch vermogen P gelijk aan:
P=
2
Met de wet van Ohm,
Symbool
Eenheid
symbool
Vermogen
P
Watt
W
∆t
R.I 2 .∆t
=
= R.I 2
∆t
wordt dit:
U
P = R.I = U.I =
R
2
Grootheid
∆E pot
Verband tussen
eenheden
1W =
1J
1s
Vermogen en verbruik van een elektrisch toestel
Het vermogen in een elektrische stroomkring: P =
∆E pot
∆t
.
Hieruit:
∆Epot = P.∆t
Nieuw: 1kWh is de energie (!!) die een toestel levert als het gedurende 1 uur
werkt aan een vermogen van 1000 W:
1 kWh = 1kW.1h
= 1000 W.3600 s = 3, 6.106 W.s
= 3, 6.106 J ⇒ 1 kWh is dus energie !
Grootheid
Symbool
Eenheid
symbool
Verband tussen
eenheden
Omgezette
elektrische energie
∆E pot
1 kilowattuur
1kWh
1 kWh = 3, 6.106 J
Rendement bij energieomzettingen
Hoe groot is het rendement van een gloeilamp? (L)
Hoe zit dat bij LED-verlichting? (L)
η=
∆E nuttig
∆E totaal
QUARK_5-Thema-04-elektrische stroom
Blz.
4
Voorbeeldopdrachten
Voorbeeldopdracht-1: Laptop
Door een laptop, aangesloten op een 12,0 V adapter, loopt een stroom van 2,08 A.
Bereken de weerstand.
Antwoord:
U 12, 0 V
=
≈ 5,77 Ω
R=
I
2, 08 A
Voorbeeldopdracht-2: fysio
Tijdens een fysiotherapeutische behandeling wordt een stroom door je bovenbeen
gestuurd om een beschadigde spier te activeren. Bij een spanning van 10 V is de
stroom 6,0 mA. Hoeveel spanning mag er aangelegd worden als de maximale stroom
die door de spier mag lopen 15,0 mA is?
Antwoord:
10, 0 V
10, 0 V
U
R1 =
=
⇒ U = R1.Imax =
.15, 0 mA ≈ 25 V
I
6, 0 mA
6, 0 mA
Voorbeeldopdracht-3: bliksem
Bij een bliksemschicht wordt 17 C lading getransporteerd naar de aarde in 1,9 µs.
Aangezien de lucht een heel goede isolator is moet hiervoor eerst een bliksemkanaal
gemaakt worden (een kanaal dat vol zit met geladen ionen) waardoor het kanaal
geleidend wordt en de bliksem naar de aarde wordt geleid bij spanningen van 10 MV.
Bereken de weerstand van het bliksemkanaal.
Antwoord:
∆Q
U 10.106 V
17 C
6
R
=
=
≈ 1,1 Ω
=
=
en
I =
8,
9.10
A
1
∆t
I
8, 9.106 A
1, 9.10−6 s
Voorbeeldopdracht-4: zekering
Een zekering beveiligt tot 10 A. De netspanning bedraagt 230 V. Hoe groot is het
vermogen dat maximaal in deze kring geleverd mag worden?
Antwoord:
P = U.I = 230 V .10 A = 2300 W
Voorbeeldopdracht-5: sidderaal
Een sidderaal kan gedurende 3,0 ms een stroomstoot van 2,0 A leveren bij een
spanning van 600 V. Bereken: a) het ontwikkelde vermogen, b) de ontwikkelde
energie, c) de geproduceerde lading.
Antwoord:
P = U.I = 600 V.2,0 A = 1200 W
P =
I =
E
⇒ E = P.∆t = 1200 W.3, 0.10−2 s = 36 J
∆t
∆Q
∆t
⇒ ∆Q = I.∆t = 2, 0 A.3, 0.10−3 s = 6 mC
QUARK_5-Thema-04-elektrische stroom
Blz.
5
Voorbeeldopdracht-6: opladen laptop
Voor het elektrisch verbruik betaal je 0,27 € per kWh (dagtarief). Hoeveel kost het
opladen van je laptop gedurende 1 h 45 min bij een maximaal vermogen van 180 W?
Antwoord:
E
⇒ E = P.∆t = 0,180 kWh.1,75 h = 0,315 kWh
∆t
euro
.0,315 kWh = 0, 085 euro
→ prijs : 0,27
kWh
via kWh : P =
E
J
⇒ E = P.∆t = 180 .6300 s = 1134.103 J
∆t
s
1134.103 J
nog omzetten naar kWh : E =
= 0,315 kWh
J
6
3, 6.10
kWh
euro
→ prijs : 0,27
.0,315 kWh = 0, 085 euro
kWh
via J : P =
Voorbeeldopdracht-7: Rani en Jo
Tijdens een practicumproef zijn er twee types lampjes. Boven de schroefdraad staat
op de lampjes: 6V/3W (type 1) of 6V/1,5W (type 2).
a) Rani en Jo gaan in discussie over de betekenis van de info op het eerste type
lampjes. Wie heeft gelijk? Verklaar je antwoord.
a) Rani: "Bij een spanning van 6 V levert het lampje 3 watt aan licht."
b) Jo: "Bij een spanning van 6 V neemt het lampje 3 watt aan vermogen op."
b) Welk type lampje heeft de grootste weerstand?
c) Welke spanning moet je aanleggen om een lampje van type 2 even hard te
laten branden als een lampje van type 1 bij 3 V?
Antwoord:
a) bij 6 V neemt L1 het grootste vermogen op: de rest is verlies door warmte…!
b) Verwerking:
2
2
U2
U2
U2 (6 V )
U2 (6 V )
P =
⇒R=
→ R1 =
=
= 12 Ω → R2 =
=
= 24 Ω
R
P
P1
3W
P2
1,5 W
c) Verwerking:
2
2
U 2 (3 V )
P1 = 1 =
R1
12 Ω
(3 V ) zijn:
U2
en P2 = 2 en deze moet (volgens de opdracht)
R2
12 Ω
2
U 2 (3 V )
dus: 2 =
⇒ U2 =
R2
12 Ω
2
(3 V )
12 Ω
.R2 = 18 V ≈ 4,2 V