11.1 Elektrische lading

Natuurkunde: Hoofdstuk 10 en 11
10.1 Magneetvelden
IJzer en nikkel worden aangetrokken door magneten. Iedere magneet heeft een noord- en zuidpool.
Bij de polen is de magnetische kracht het grootst. Gelijke polen > afstoten, ongelijke polen >
aantrekken. IJzer- en nikkelatomen zijn kleine magneetjes: elementaire magneetjes. In een magneet
zijn de elementaire magneetjes één kant op gericht. Houd je en magneet bij een stuk ijzer, dan
richten de meeste elementaire magneetjes zich. Het ijzer wordt dan magnetisch. Dit verschijnsel heet
magnetische influentie. Het gebied waar de magnetische kracht werkt heet het magneetveld.
Veldlijnen geven de richten en de sterkte van het magneetveld aan. De aarde is ook en magneetveld
met de magnetische noordpool in het zuiden.
10.2 Elektromagneten
Rondom een stroomdraad en rondom en binnen een stroomspoel is een magneetveld. De richting
van die magneetvelden kun je vinden met de rechterhandregel. Bij een stroomdraad geeft je duim de
stroomrichting aan en de vingers de veldlijnen. Bij een spoel geven je vingers de stroomrichting aan
en je duim de veldlijnen.
Een elektromagneet is en spoel met een ijzeren kern erin, waardoor het magneetveld veel sterker
wordt, de elektromagneet wordt magnetisch doordat er stroom doorheen gaat. De sterkte van de
elektromagneet hangt ook af van de stroomsterkte en het aantal windingen. De sterkte van het
magneetveld heet de magnetische inductie (B) in tesla (T).
10.3 De lorentzkracht
Op een stroomdraad in een magneetveld werkt een kracht, dit is de lorentzkracht. Deze
lorentzkracht staat altijd loodrecht op zowel de stroom als het magneetveld. De richting van de
lorentzkracht vind je met de linkerhandregel. Als de stroomrichting evenwijdig is aan de veldlijnen, is
de lorentzkracht nul. Duim = lorentzkracht, wijsvinger = veldlijnen en middelvinger = stroomrichting.
Als de stroomrichting loodrecht op het magneetveld staat geldt voor de lorentzkracht FL= B x I x L De
eenheid van de magnetische inductie B is hiermee gedefinieerd: 1 tesla + 1 newton per ampère per
meter.
In de beeldbuis worden de elektronen horizontaal e verticaal afgebogen door magneetvelden.
Bewegende lading ondervindt in een magneetveld een lorentzkracht: FL+ B x q x v q staat voor de
lading en voor de snelheid van de deeltjes. Besef wel dat bij elektronen de stroomrichting
tegengesteld is aan de richting waarin de deeltjes bewegen.
Een luidspreker bevat een spoeltje in een sterk magneetveld. Dat spoeltjes gaat trillen als er
wisselstroom doorheen gaat. Een spoel in en magneetveld gaat draaien als er stroom doorheen
loopt. Daar wordt gebruik van gemaakt in stroommeters en in de elektromotor. Die draaiing kun je
verklaren met de krachten op noord- en zuidpool, maar ook met de lorentzkracht. In een
elektromotor zorgt de collector ervoor dat de stroom in de spoel op het juiste moment omdraait,
zodat hij blijft draaien.
10.4 Elektromagnetische inductie
Elektromagnetische inductie is dat de richting van een magneetveld verandert door het draaien van
een magneetveld. Het veranderen van de richting van het magneetveld geeft spanning.
Inductiespanning is het verschijnsel dat de er spanning ontstaat wanneer het magneetveld in een
spoel verandert. Als de spoel in een gesloten kring zit veroorzaakt de inductiespanning ook een
inductiestroom. De grootte van de inductiespanning hangt af van:
-
Hoeveel het magneetveld verandert
Hoe snel het magneetveld verandert
Het aantal windingen van de spoel
In een dynamo en een microfoon ontstaat wisselspanning doordat een spoel draait of trilt in een
magneetveld of doordat een magneet draait in of bij een spoel. Magnetische flux is de hoeveelheid
magneetvel/ het aantal veldlijnen dat door windingen gaat. Magnetische flux = magnetische inductie
x oppervlakte van de winding. Ф = B x A De eenheid van flux is weber: Wb. Inductiespanning ontstaat
als de magnetische flux verandert. De inductiespanning in een spoel teken je uit met Uind = N x
dФ/dt. Als een magneet en een stuk metaal ten opzichte van elkaar bewegen, ontstaan er
inductiespanningen en inductiestromen in het metaal. Daarbij ontstaan altijd krachten die de
beweging tegenwerken: er wordt bewegingsenergie omgezet in elektrische energie.
11.1 Elektrische lading
Er bestaan 2 soorten elektrische ladingen: positieve
en negatieve. Gelijke ladingen stoten elkaar af en
ongelijke ladingen trekken elkaar aan. De eenheid
van lading is coulomb en wordt weergeven met q of
Q. De lading van het elektron is de elementaire
lading, de kleinste hoeveelheid lading, dit is 1,602x10-19 C. Influentie is het verstuiven van lading
in een voorwerp. Door influentie kunnen neutrale
voorwerpen aangetrokken worden door geladen
voorwerpen. Met de volgende formule kun je de
elektrische kracht Fel op een lading uitrekenen.
11.2 Het elektrisch veld
Rondom een geladen voorwerp is een elektrisch veld, waarin geladen voorwerpen een kracht
ondervindt. Elektrische veldlijnen geven de richting en sterkte aan van het elektrisch veld. Een
homogeen elektrisch veld is overal even sterk en heeft overal dezelfde richting. Een radiaal veld
daarentegen heeft veldlijnen naar buiten toe uit elkaar, zoals bij een bolvormig voorwerp.
De elektrische veldsterkte E→ is gefinieerd
als de elektrische kracht op een coulomb
lading in N/C. In een radiaal veld geldt e
formule die hieronder is aangegeven met r
de afstand tot de lading Q.
Zit er lading op een geleider en is die lading in
rust dan is de elektrische veldsterkte binnenin
de geleider nul. Is er in een geleider een elektrisch veld aanwezig dan gaat lading in de geleider
stromen.
11.3 Elektrische energie en spanning
De spanning U is de afname of verandering van elektrische energie
per coulomb lading. In een elektrisch veld heeft een lading potentiele
elektrische energie. Wanneer een lading in beweging komt door een
versnelling (veroorzaakt door de elektrische kracht) dan wordt de
elektrische energie omgezet tot kinetische energie.
11.4 Versnellen en afbuigen
Röntgenstraling wordt gemaakt in een röntgenbuis waarin elektronen versneld worden en botsen op
een stuk metaal door een versnelspanning tussen anode en kathode. Door een elektrisch veld aan te
leggen worden deze elektronen naar de
positieve anode versneld. Bij het botsen
worden de elektronen sterk afgeremd waarbij
röntgenstraling ontstaat.
Als een lading wordt versneld of vertraags in
een elektrisch veld, dan is de toe- of afname
van de bewegingsenergie gelijk aan →→→
1 elektronvolt (eV) is de energie die een
elementaire lading erbij krijgt of verliest als
het een spanning doorloopt van 1 volt. 1eV =
1,602x10-19. Een elektron is -e en een proton
+e.
In een lineaire versneller worden geladen deeltjes vele malen versneld door een elektrisch veld. Dit
wordt gedan om deeltjes met een lading hoge energieën te geven. De versnelling zorgt ervoor dat de
deeltjes steeds meer kinetische energie verkrijgen. Bij de botosing van deze deeltjes ontstaat er een
nieuw deeltjes en komt er straling vrij. Lineaire versnellers worden gebruikt bij radiotherapie in de
geneeskunde. Daarmee kan bestraald worden met röntgenstraing of elektronen, dit is vooral het
geval bij kanker. De cellen worden gedood door de straling.