Wat is elektrische lading en elektrische stroom?
Alle materie bestaat uit kleine geladen deeltjes. In een metalen draad kunnen sommige elektronen vrij bewegen. Als ze samen één kant op driften, stroomt er lading. De elektrische stroom is hoeveel lading er elke seconde langs een punt komt:
I = Q / t
De lading Q meten we in coulomb (C), de tijd t in seconden en de stroomsterkte I in ampère (A). 1 ampère betekent dus dat er elke seconde 1 coulomb lading voorbijkomt. Eén coulomb is de lading van ongeveer 6.25 × 1018 elektronen, en één elektron heeft een lading van 1.6 × 10−19 C. Kleine stromen schrijven we in milliampère (1 mA = 10−3 A) of microampère (1 µA = 10−6 A).
Richting van de elektrische stroom
Wetenschappers spraken de richting van de stroom af voordat elektronen ontdekt waren. Ze kozen de richting waarin positieve lading zou bewegen: buiten de cel van de pluspool naar de minpool. Dit is de conventionele stroomrichting. Elektronen zijn negatief, dus ze driften in werkelijkheid de andere kant op, van − naar +. In alle schakelschema's tekenen we de conventionele stroom.
Elektrische schakeling en de ampèremeter
Een elektrische schakeling is een gesloten, ononderbroken weg voor lading. Als de schakelaar open staat of een draad kapot is, is de schakeling open en stroomt er nergens stroom.
Stroom meten we met een ampèremeter. Die zetten we altijd in serie, zodat dezelfde stroom er doorheen gaat. Een ampèremeter heeft een heel kleine weerstand, dus hij verandert de stroom die hij meet bijna niet. Zijn +-aansluiting zit aan de kant van de pluspool van de cel.
Wat is spanning (potentiaalverschil)?
Lading stroomt niet vanzelf. Er is een duw nodig, net zoals water een hoogteverschil nodig heeft om door een buis naar beneden te stromen. Een cel verricht chemische arbeid om één pool op een hogere elektrische potentiaal te houden dan de andere. Het potentiaalverschil (spanning) tussen twee punten is de arbeid die nodig is om één eenheid lading van het ene naar het andere punt te brengen:
V = W / Q
De SI-eenheid is de volt (V): 1 volt = 1 joule per coulomb. Als 1 J arbeid 1 C lading tussen twee punten verplaatst, is de spanning dus 1 V. Spanning meten we met een voltmeter, die parallel over het onderdeel staat. Een voltmeter heeft een heel grote weerstand, dus hij neemt bijna geen stroom op.
Symbolen in schakelschema's
Echte batterijen en lampjes tekenen kost tijd, dus gebruiken we standaardsymbolen:
- Cel: een lange dunne streep (+) en een korte dikke streep (−).
- Batterij: twee of meer cellen aan elkaar.
- Sleutelschakelaar of schakelaar: open (uit) of gesloten (aan).
- Draadverbinding: een stip waar draden samenkomen; draden die kruisen zonder stip zijn niet verbonden.
- Lampje: een cirkel met een kruis of lusje erin.
- Weerstand: een klein rechthoekje of zigzaglijn.
- Regelbare weerstand (rheostaat): een weerstand met een pijl erdoorheen.
- Ampèremeter: een cirkel met A, voltmeter: een cirkel met V.
Op een toets moet je vaak een schakeling tekenen met een cel, schakelaar, weerstand, ampèremeter in serie en voltmeter over de weerstand. Oefen het netjes met rechte lijnen.
Belangrijke formules en begrippen
- I = Q / t (stroom = lading ÷ tijd)
- Q = n × e, waarbij e = 1.6 × 10⁻¹⁹ C
- V = W / Q (spanning = arbeid ÷ lading)
- 1 A = 1 C/s; 1 V = 1 J/C; 1 mA = 10⁻³ A; 1 µA = 10⁻⁶ A
Uitgewerkte voorbeelden
1. Er gaat 30 C lading in 1 minuut door een lampje. Bereken de stroom.
t = 60 s. I = Q / t = 30 / 60 = 0.5 A.
2. Er loopt 5 minuten lang een stroom van 2 A. Hoeveel lading stroomt er?
t = 5 × 60 = 300 s. Q = I × t = 2 × 300 = 600 C.
3. Hoeveel arbeid is nodig om 4 C lading over een spanning van 12 V te verplaatsen?
W = V × Q = 12 × 4 = 48 J.
4. Uit hoeveel elektronen bestaat een lading van 1 C?
n = Q / e = 1 / (1.6 × 10⁻¹⁹) = 6.25 × 10¹⁸ elektronen.
5. Er loopt een stroom van 0.4 A in een draad. Hoeveel elektronen passeren een punt in 2 seconden?
Q = I × t = 0.4 × 2 = 0.8 C. n = Q / e = 0.8 / (1.6 × 10⁻¹⁹) = 5 × 10¹⁸ elektronen.
6. Een batterij verricht 360 J arbeid om 2 minuten lang lading door een schakeling met 3 V spanning te duwen. Bereken de lading en de stroom.
Q = W / V = 360 / 3 = 120 C. t = 120 s, dus I = Q / t = 120 / 120 = 1 A.
Veelgemaakte fouten
- Vergeten om minuten om te rekenen naar seconden voordat je I = Q / t gebruikt.
- De voltmeter in serie of de ampèremeter parallel zetten. Ampèremeter: serie. Voltmeter: parallel.
- Zeggen dat de stroom in schakelschema's van − naar + gaat. De conventionele stroom tekenen we van + naar −; alleen de elektronen bewegen van − naar +.
- Denken dat de stroom door het lampje "opgebruikt" wordt. Dezelfde stroom gaat het lampje in en weer uit; het is energie die het lampje gebruikt.