1. Lading, Spanning en Stroomsterkte

Samenvatting voor natuurkunde: Lading, spanning en stroomsterkte

Wat is lading?

Lading is een eigenschap die sommige stoffen of deeltjes hebben. Sommige deeltjes hebben van zichzelf een elektrische lading: bijvoorbeeld elektronen en protonen. Soms kunnen stoffen die tegen elkaar wrijven ook een lading opwekken. Zo weet je misschien dat een ballon die over iemands haar wordt gewreven een lading krijgt en “statisch” wordt. Dit komt doordat de ballon tijdens het wrijven elektronen (dus lading) "steelt" van het haar. De ballon wordt dan negatief geladen en het haar positief. Deze ladingen trekken elkaar vervolgens aan, waardoor de lichte haartjes overeind komen te staan.

Positieve en negatieve ladingen

Ladingen kunnen positief of negatief zijn en worden gemeten met eenheid Coulomb (C). Elektronen zijn negatief geladen deeltjes en hebben een lading van -e. Protonen zijn een voorbeeld van positief geladen deeltjes, met een lading van +e. Het symbool e wordt het elementair ladingskwantum genoemd. Dit is het kleinste pakketje lading waar we in de middelbare school stof mee te maken krijgen. De waarde van e = 1,602176565* 10-19C is te vinden in Binas tabel 7.

Ion

In het voorbeeld van net kan een atoom van het haar of de ballon een elektron meer of minder krijgen. Het atoom van het haar kan een negatief geladen elektron afstaan. Door een negatieve lading weg te halen, wordt het haar-atoom positief geladen. Met dezelfde redenatie wordt een atoom van de ballon negatief geladen als het er een elektron bij krijgt. Een elektrisch geladen atoom wordt binnen de natuur en scheikunde ook wel een ion genoemd.

Verder hadden we in het voorbeeld beweerd dat de negatieve lading van de ballon de positieve lading van het haar aantrekt. Deeltjes met tegengestelde trekken elkaar aan. Verder stoten deeltjes met dezelfde lading elkaar af. Je kent de uitspraak misschien wel: “Tegenpolen trekken elkaar aan”! Die is hier zeker van toepassing. 

Wat is stroom?

Elektrische stroom ontstaat als ladingen van de ene naar de andere plek bewegen. Bij elektrische stroom zijn de bewegende ladingen elektronen. De elektronen worden in beweging gebracht door een stroomkring met aan de ene kant een + pool en aan de andere kant een - pool. De elektronen worden door de - pool afgestoten en door de + pool aangetrokken. Dit veroorzaakt een stroom van lading die we stroomsterkte noemen.

Stroomsterkte

De stroomsterkte is de hoeveelheid stroom en wordt aangeduid met hoofdletter I. Met de hoeveelheid stroom bedoelen we dus eigenlijk de hoeveelheid ladingen die per seconde worden vervoerd. Stroomsterkte wordt gemeten in de eenheid Ampère (A). We kunnen deze met de volgende formule berekenen: I = Q/t.

Hierin is Q de lading en t de tijd. De stroomsterkte kunnen we volgens de formule dus definiëren als de hoeveelheid lading die zich per seconde verplaatst.

In een stroomkring is de stroomrichting altijd van + naar -. Let op! Omdat elektronen negatief geladen zijn, beginnen ze bij de - pool en worden ze aangetrokken door de + pool. Dus de elektronen lopen tegen de richting van de stroom in! Dit gaat tegen je intuïtie in, maar de stroomrichting is door conventies vastgesteld als de richting waarin een positief geladen deeltjes zou bewegen, dus van + naar -.

Geleiders en isolatoren

Stoffen die vrije elektronen bevatten, zoals metalen, zijn geschikt om elektrische stromen te geleiden. Metaal noem je dus een geleider. Vrije elektronen zijn elektronen die niet alleen door de eigen kern gebonden zijn, maar aan de kernen van buuratomen kunnen binden. Het zijn dus elektronen die gemakkelijk door de atomen kunnen bewegen. Als er geen vrije elektronen zijn, geleidt het voorwerp niet. Plastic is daar een voorbeeld van. Dat soort materialen noem je een isolator. Bijna alle niet-metalen zijn isolatoren. 

Wat is spanning?

Nu we begrijpen waar stroom uit bestaat, kunnen we het hebben over spanning. Stroom loopt namelijk niet vanzelf. Iets moet de elektronen energie geven om te gaan bewegen. Deze energie wordt gegeven door een spanningsbron. Dus onthoudt: zonder spanningsbron is er geen stroom.

Maar wat is spanning nou precies? Spanning is gedefinieerd als het verschil in potentiële elektrische energie tussen twee punten, per eenheid lading. Met andere woorden: spanning is de energie waarmee lading zich verplaatst.

Spanning meten

Spanning wordt altijd gemeten tussen twee punten. Bij de spanning is alleen het verschil in energie tussen de twee punten relevant. Dit verschil in energie wordt ook wel eens het potentiaalverschil genoemd. De spanning wordt gemeten in de eenheid volt (V).

Je zou spanning en stroom kunnen vergelijken met een waterval waarin lading met water wordt vergeleken. Hierin zijn de bovenkant en onderkant van de waterval de twee polen op een batterij. De hoogte van de waterval is in deze analogie de spanning over de polen. De hoogte van de waterval zorgt voor een verschil in zwaarte-energie, waardoor water gaat stromen. De grootte van de spanning geeft een verschil in potentiële elektrische energie waardoor lading gaat stromen.

Het gaat dus puur om het energieverschil tussen de twee uiteinden. Een waterval van 10 meter hoog zal op zeeniveau even hard stromen als een waterval van 10 meter hoog in de bergen. De stroomsterkte kan je in de analogie interpreteren als de hoeveelheid water die door de waterval vervoerd wordt.

Spanning en stroomsterkte: in het kort

Dus nog even kort samenvattend: denk bij een stroomkring aan een waterval. De energie van het water stelt de elektrische energie van de lading voor, het hoogteverschil van de waterval de spanning, en de hoeveelheid water die er vervoerd wordt de stroomsterkte.

Spanning is met een formule te definiëren als U = ΔE/Q, Waarin ΔE het energieverschil is tussen twee punten en Q de lading. Spanning is dus het verschil in energie per eenheid lading. Dit betekent eigenlijk dat een bepaald energieverschil wordt verdeeld over de lading die het vervoerd.

Voorbeelden van spanningsbronnen zijn batterijen en accu’s. Deze spanningsbronnen hebben een vaste plus en min pool. De batterij zorgt continu voor een bepaalde elektrische spanning, maar zolang de batterij niet is aangesloten en er geen stroom door loopt, verbruikt de batterij geen energie.