FYSICA Thema 1: Elektrostatica PDF

Thema 1: Elektrostatica 1) ladingen - 1.1 lading in materie Materie is opgebouwd uit atomen die elektrische ladingen bevatten. - protonen: positief geladen - elektronen: negatief geladen → Ladi...

Thema 1: Elektrostatica 1) ladingen - 1.1 lading in materie Materie is opgebouwd uit atomen die elektrische ladingen bevatten. - protonen: positief geladen - elektronen: negatief geladen → Lading van een proton is tegengesteld aan de lading van een elektron. - neutronen: neutraal geladen > voorwerp met meer elektronen dan protonen = negatief geladen > voorwerp met meer protonen dan elektronen = positief geladen > voorwerp met evenveel protonen als elektronen = neutraal geladen atoommodel: > in de kern zitten neutronen en protonen > de kern is positief geladen > rond de kern zijn er schillen > in die schillen bewegen de elektronen ELEKTRISCHE LADING: > grootheid: elektrische lading (Q) > SI- eenheid: coulomb (C) ELEMENTAIRE LADING: = de grootte van de lading van een proton of een elektron −19 e = 1,60 ∙ 10 −19 → elektron is neg. geladen dus: e = - 1,60 ∙ 10 −19 → proton is pos. geladen dus: e = 1,60 ∙ 10 > Elektrisch geladen voorwerpen oefenen een kracht uit op elkaar. → Gelijksoortige ladingen stoten elkaar af. → ongelijksoortige ladingen trekken elkaar aan. GELEIDERS EN ISOLATOREN: - Behoud van lading: Lading kan niet worden bijgemaakt of vernietigd. - Laden van voorwerpen: Voorwerpen worden geladen door de overdracht van elektronen; als elektronen loskomen, ontstaan vrije elektronen en blijft er een positief geladen ion achter (=ionisatie). - Elektroden: > Geleiders: Atomen met weinig valentie-elektronen verliezen deze gemakkelijk, wat resulteert in veel vrije elektronen. Ze geleiden elektrische stroom goed (bijv. metalen zoals koper, ijzer en zilver). > Isolatoren: Atomen met sterk gebonden elektronen hebben bijna geen vrije elektronen; lading blijft bij de atomen waar deze is aangebracht. Voorbeelden zijn kunststoffen, die worden gebruikt voor isolatie. - Beweging van lading: > In geleiders bewegen alleen vrije elektronen. > In geleidende vloeistoffen en gassen kunnen zowel positieve als negatieve ionen bewegen. - Halfgeleiders: > Gedragen zich als isolatoren bij lage temperaturen, maar geleiden beperkt bij kamertemperatuur. > Hun geleidingsvermogen kan worden aangepast door stoffen toe te voegen of door licht/temperatuur. > Voorbeelden zijn silicium, dat veel toepassingen heeft in de elektronica (zoals diodes, LED-lampen en computerchips). - atoommodel van een isolator & geleider: AARDING: = het proces waarbij een geladen geleidend voorwerp elektrisch contact maakt met de grond, waardoor de lading overgedragen wordt naar de aarde. (De aarde is een goede geleider.) > De aarde is een bron van elektronen: → de aarde kan worden beschouwd als een onuitputtelijke bron van elektronen door haar aanvang.  > beweging van elektronen: - negatief geladen voorwerp: → Elektronen stoten elkaar af en vloeien naar de aarde. - positief geladen voorwerp: → elektronen bewegen van de aarde naar het voorwerp omdat ze worden aangetrokken. > effect op de aarde: → de beweging van elektronen naar of van de aarde heeft een verwaarloosbaar effect op de totale lading van de aarde. > geladen isolatoren: → Bij een geladen isolator die contact maakt met de aarde, vloeien alleen elektronen van het contactpunt naar de aarde of omgekeerd. → Elektronen blijven op hun plaats bij een negatief geladen isolator, en er bewegen geen elektronen van de aarde naar een positief geladen isolator omdat isolatoren geen vrije elektronen hebben om te verplaatsen. ____________________________________________________ - 1.2 laden van voorwerpen LADEN EN ONTLADEN DOOR CONTACT EN WRIJVING: - van Graaff generator (=toestel waarmee je ladingen kunt opwekken) werking: een bewegende band uit isolerend materiaal wordt onderaan opgeladen door wrijving. de ladingen worden op de band naar boven gebracht en geconcentreerd op een metalen bol bovenaan. daardoor wordt de metalen bol opgeladen. - laden van voorwerpen: > bewegingen van ladingen: → Negatief geladen geleidend voorwerp: Elektronen stoten elkaar af en verspreiden zich zo ver mogelijk binnen het voorwerp. → Contact tussen twee geladen geleiders: Elektronen stromen van het ene naar het andere voorwerp totdat ze gelijkmatig zijn verdeeld. Beide voorwerpen zijn dan ofwel positief of negatief geladen.  > isolatoren: → Elektronen kunnen niet vrij bewegen. Isolatoren kunnen wel worden geladen door wrijving, wat energie toevoegt. → Bij elektronenoverdracht tussen wrijvende isolatoren wordt het ene voorwerp positief geladen en het andere negatief. → Als het geladen voorwerp een isolator is, dan blijft de lading op de plaats waar deze is aangebracht. > tribo elektrische reeks: → Materialen kunnen worden gerangschikt op basis van hun gedrag bij wrijving; deze volgorde geeft aan hoe en hoe sterk ladingsoverdracht zal plaatsvinden. → vb. bij het wrijven van een PVC- staaf met een wollen doek, verplaatsen de elektronen van het wollen doek naar de PVC-staaf. - ontlading van voorwerpen: > ontlading in het dagelijks leven: -> Materialen zoals kunststof kledij en vloerbedekking kunnen door wrijving geladen worden. -> Bij voldoende ladingsopbouw kunnen haren rechtop gaan staan door afstoting van gelijke ladingen. -> Wanneer je een muur of deurklink aanraakt, kan er ontlading optreden, wat resulteert in een vonk, schok, lichtflits of geknetter. > ontlading effecten: -> Een grote hoeveelheid bewegende lading door de lucht creëert een hoge, kortdurende elektrische stroom, wat leidt tot ionisatie van luchtmoleculen en het uitzenden van licht. -> Het geknetter komt voort uit de snelle uitzetting en inkrimping van de lucht door temperatuurveranderingen. > droog weer versus vochtig weer: -> Het opbouwen van ladingen is gemakkelijker bij droog weer omdat droge lucht slechter geleidt. -> Bij vochtige lucht ontladen opgebouwde ladingen geleidelijk via watermoleculen, terwijl bij droge lucht ladingen zich ophopen tot er een grote ontlading plaatsvindt.  > ontlading tijdens onweer: -> In onweerswolken ontstaan ladingsverschillen door wrijving tussen waterdruppels en ijskristallen; de onderkant van de wolk wordt negatief, wat de aarde positief laadt. -> Het grote ladingsverschil tussen de wolk en de aarde kan leiden tot ionisatie van de lucht en ontladingen. > voorontlading kanaal en vang kanaal: -> Een voorontlading kanaal van geïoniseerde lucht moleculen leidt elektronen naar beneden. -> Als het kanaal een hoogte van minder dan 100 m bereikt, ontstaat er een positief geladen vangkanaal vanaf hoge punten zoals bomen of bliksemafleiders. -> Wanneer deze kanalen elkaar raken, vindt de hoofdontlading plaats, wat resulteert in bliksemflitsen. > geluid en licht van bliksem: -> Het licht van bliksem komt van de ionisatie van luchtmoleculen. -> De donder is een schokgolf door de snelle uitzetting en inkrimping van lucht als gevolg van de ontlading. - de elektroscoop (=toestel om statische ladingen aan te tonen) > delen van een elektroscoop:: (1) vast deel, (2) uitwijkbare uiteinden, (3) voet van kunststof of hout, (4) behuizing (zorgt voor isolatie) > werking van een elektroscoop: -> als je de elektroscoop aanraakt met een positief geladen staaf, dan trekt de staaf negatieve ladingen uit het metaal van de elektroscoop aan en gaan die ladingen over naar de staaf. = elektronenoverdracht.  > ontladen van de elektroscoop: -> Je kan de elektroscoop ontladen door contact te maken met de grond. (aarding) -> bij contact met de aarde vloeien de elektronen uit de grond terug naar de elektroscoop > systematische voorstelling (ladingen in een elektroscoop die je aanraakt met een positieve staaf) LADEN DOOR ELEKTRISCHE INFLUENTIE: - elektrische influentie bij geleidende voorwerpen. > laden door elektrische influentie: - neg. geladen voorwerpen in de buurt van neutraal geleidend voorwerp: -> Elektronen in het geleider worden afgestoten. -> Resultaat: Negatieve kant en positieve kant. -> Aarding: Verbinden met de aarde laat elektronen wegvloeien, waardoor het voorwerp positief geladen blijft. - pos. geladen voorwerpen in de buurt van neutraal geleidend voorwerp: -> Elektronen in de geleider worden aangetrokken. -> Resultaat: Negatieve kant en positieve kant. -> Aarding: Verbinden met de aarde laat elektronen uit de aarde stromen, waardoor het voorwerp negatief geladen wordt.  > effect op elektroscoop - pos. geladen staaf in de buurt van een elektroscoop. -> elektronen worden naar de boven kant getrokken -> resultaat: bovenkant negatief, onderkant positief -> Aarding: Bij aarding stromen elektronen van de aarde naar de elektroscoop, die negatief geladen blijft na verwijdering van de staaf. - neg. geladen staaf in de buurt van een elektroscoop. -> Elektronen worden afgestoten naar de onderkant. -> Resultaat: Onderrand negatief, bovenrand positief. - polarisatie bij isolatoren > Elektrische influentie en isolatoren: - Beweging van elektronen: Bij isolatoren kunnen vrije elektronen zich niet bewegen. Hierdoor werkt elektrische influentie niet. - Krachten van geladen voorwerpen: De aantrekkende of afstotende krachten van een geladen voorwerp veroorzaken echter een kleine verplaatsing van elektronen en atoomkernen binnen de isolator. - Resultaat: Deze verplaatsing leidt tot polarisatie, waarbij moleculen een positieve en een negatieve kant krijgen, resulterend in dipoolmoleculen. > Effect van een negatieve staaf: - Aantrekking en afstoting: Wanneer een negatieve staaf dichtbij een isolator wordt gebracht, wordt de positieve kant van de moleculen aangetrokken en de negatieve kant afgestoten. - Ladingsscheiding: Dit veroorzaakt een netto aantrekkingskracht tussen de isolator en de negatieve staaf, ondanks dat er geen netto lading is overgegaan.  > Voorbeeld van polarisatie: - Ballon en muur: Een geladen ballon die opgewreven is met een doek, veroorzaakt polarisatie in de muur. De moleculen in de muur krijgen een negatieve en een positieve kant. - Resultaat: De tegengesteld geladen kant van de moleculen in de muur bevindt zich dichter bij de geladen ballon, wat leidt tot een netto aantrekkingskracht, ook al is de muur neutraal. > Polarisatie in isolatoren leidt tot ladingsscheiding, waardoor netto aantrekkingskrachten ontstaan tussen geladen voorwerpen en neutrale isolatoren, ondanks dat de isolatoren zelf neutraal blijven. _________________________________________________________________– 2) krachten tussen ladingen - 2.1: krachten tussen twee ladingen > Actie op afstand: Ladingen of geladen voorwerpen oefenen krachten op elkaar uit zonder contact, vergelijkbaar met zwaartekracht. > Veldkrachten: Elektrische krachten zijn ook veldkrachten en zijn veel sterker dan zwaartekracht. > Ongelijksoortige ladingen: Trekken elkaar aan. > Gelijksoortige ladingen: Stoten elkaar af. Coulombkracht (F): De kracht tussen ladingen, > kenmerken: Aangrijpingspunt: In het centrum van de ladingen. Richting: Volgt de verbindingslijn tussen de ladingen. Zin: Afhankelijk van het teken van de ladingen (positief of negatief). Grootte: Recht evenredig met de grootte van de ladingen. Omgekeerd evenredig met het kwadraat van de afstand tussen de ladingen. Wanneer lading Q1 een kracht uitoefent op lading Q2, oefent Q2 een even grote, maar tegengesteld gerichte kracht uit op Q1. -> De kracht is gelijk voor beide ladingen, afhankelijk van hun grootte.  > voorbeeld oefening: - 2.2: krachten tussen meerdere ladingen > Wanneer meerdere ladingen elkaar beïnvloeden, kunnen de resulterende krachten op elke lading worden bepaald met een vectorsom. > Q1 en Q3 oefenen een kracht uit op Q2 > kracht van Q1 op Q2 → F12 -> zin naar beneden -> Q1 en Q2 zijn beide pos. geladen, stoten elkaar af. > kracht van Q3 op Q2 → F32 -> zin naar rechts -> Q3 en Q2 zijn tegengesteld geladen, > voorbeeld oefening: trekken elkaar aan. -> resulterende kracht op Q2 → F2 → F2 = vectorsom