|
|
|
|
|
|
|
LEEREENHEID 5
De hoeveelheid elektriciteit
INLEIDING
Elektrische lading is al in de klassieke oudheid ontdekt door de Grieken, die ontdekten dat barnsteen, als het met een vacht was opgewreven, lichte deeltjes kon aantrekken. Het verschijnsel elektriciteit is dan ook genoemd naar de griekse naam voor barnsteen.
In de 18e eeuw werd elektriciteit zeer populair, onder andere door de gevaarlijke maar spectaculaire experimenten met bliksem door Benjamin Franklin.
Dat de eenheid van elektrische lading gekwantiseerd is werd ontdekt door Robert Millikan, die kleine, verstoven, oliedruppels in een elektrisch veld liet zweven. Door de snelheid van het vallen of stijgen van deze druppeltjes te bepalen kan de elementaire lading worden bepaald.
5.1 Hoeveelheid elektriciteit of elektrische lading
De hoeveelheid elektriciteit is de elektrische lading die in een bepaalde tijd verplaatst wordt in een stroomkring.
Elektrische lading, vaak kortweg lading genoemd, is een natuurkundige grootheid die aangeeft op welke manier een deeltje wordt beïnvloed door elektrische en magnetische velden.
Grootheid symbool Eenheid symbool elektrische lading Q 1 coulomb 1 C
- De hoofdletter Q is de eerste letter van het Franse woord Quantité, d.w.z. hoeveelheid.
- De "coulomb" is genoemd naar de Franse ingenieur Charles Augustin de Coulomb.
- Kleine elektrische ladingen worden aangegeven in millicoulomb (mC) of microcoulomb (µC).
- Grote hoeveelheden elektriciteit worden aangegeven in ampère-uur (Ah).
Proefje:
Een elektrische lading kan op eenvoudige wijze worden aangetoond door met een redelijk schone kam schoon droog haar te kammen (en zodoende de kam elektrisch op te laden) en de kam vervolgens bij een dun straaltje water uit de waterkraan te houden.
Het waterstraaltje zal door de kam worden aangetrokken en in een boogje gaan stromen!
Dit komt doordat water enigszins elektrisch geleidend is en lading van dezelfde soort als op de kam zich zover mogelijk van de kam kan verwijderen.
Het gedeelte van het waterstraaltje wat zich het dichtst bij de kam bevindt is nu tegengesteld geladen en wordt hierdoor door de kam aangetrokken. De aantrekkingskracht tussen de watermoleculen zorgt er verder voor dat de waterstraal toch als een geheel blijft stromen.
5.2 Stroomsterkte of stroom
De elektrische stroomsterkte is de hoeveelheid elektriciteit (in coulomb) die in 1 seconde door de elektrische leiding vloeit.
De sterkte van elektrische stroom wordt gemeten in Ampère, en wordt informeel ook wel ampèrage genoemd naar analogie van voltage voor de elektrische spanning.
Grootheid symbool Eenheid symbool stroomsterkte I 1 ampère 1 A
- Het symbool I is afgeleid van het Franse woord Intensité: "intensiteit".
- De "ampère" is genoemd naar de Franse natuurkundige André-Marie Ampère.
- De stroomsterkte kan je meten met een ampèremeter die je IN de stroomkring schakelt !, zodat de stroom die je wil meten er door vloeit.
De elektrische stroom is sterker naarmate er per seconde meer elektronen worden verplaatst;
m.a.w. naarmate de hoeveelheid elektriciteit die per seconde doorstroomt groter is.
- Een stroom heeft een sterkte van 1A, als er in 1 seconde 6,3 triljoen elektronen verplaatst worden.
- Een bliksemstroom kan een sterkte hebben die groter is dan 100 000A.
Huishoudelijke apparaten
verbruiker benaderende
opgenomen stroomelektrische wekker 1 mA scheerapparaat 25 mA - 65 mA kleurentelevisie 0,35 A - 0,65 A koelkast 0,65 A - 1,35 A microgolfoven 2,7 A - 6,5 A frituurketel 6,5 A - 9 A droogkast 11 A - 13,5 A elek. keukenfornuis tot ca. 45 A Verbruikers in een personenwagen
verbruiker benaderende
opgenomen stroomontstekingssysteem 4,5 A dimlichten 9 A achterlichten 1 A remlichten 3,5 A knipperlichten 3,5 A achteruitontdooiing 9 A sigarenaansteker 8 A radio 1,2 A
5.3 Wet van Faraday
De hoeveelheid elektriciteit is recht evenredig met de stroomsterkte en met de tijd van stroomdoorgang.
De coulomb is de hoeveelheid elektriciteit die verplaatst wordt in een gesloten stroomkring als gedurende 1 seconde de stroomsterkte een constante waarde van 1 ampère heeft.
Wet van Faraday hoeveelheid elektriciteit = stroomsterkte x tijd
Q = I x t
Q in coulomb;
I in ampère;
t in seconde;
Bespreking van de wet van Faraday
I x t = Q (1) 4A x 10s = 40C (2) 4A x 40s = 160C (3) 16A x 10s = 160C
- Vergelijking van (1) met (2):
Als je een lamp een langere tijd (t: groter) inschakelt, worden er meer elektronen verplaatst of is de verplaatste hoeveelheid lading (Q) groter dan bij een kortere inschakeling.
- Vergelijking van (1) met (3):
Bij een zelfde tijd wordt naarmate de stroomsterkte 2, 3, 4 maal groter is, de hoeveelheid elektriciteit respectievelijk 2, 3, 4 maal groter.
5.4 Praktische eenheid van hoeveelheid elektriciteit
De coulomb is voor sterkstroom een te kleine eenheid.
Daarom gebruikt men dikwijls de praktische eenheid "ampère-uur".
Je bekomt de hoeveelheid elektriciteit (Q=Ixt) in ampère-uur (Ah), als je de stroomsterkte in ampère (A) vermenigvuldigt met de tijd in uur (h).
- Uur wordt voorgesteld door het symbool "h": de eerste letter van het Latijnse woord "hora" (=uur).
- Eén ampère-uur (1 Ah) is de hoeveelheid elektriciteit (lading) die verplaatst wordt als gedurende 1 uur (1 h) de stroom een constante waarde van 1 ampère (1 A) heeft.
Berekeningsvoorbeeld 1
Een accumulator levert gedurende één uur constant een stroom van één ampère.
Bereken de verplaatste hoeveelheid lading in coulomb en in ampère-uur.
Gegeven: t = 1h; I = 1A
Gevraagd: Q in coulomb (C); Q in ampère-uur (Ah)
Oplossing:
- De tijd in seconden:
t = 1h = 3600s
- Q in coulomb:
Q = Ixt = 1A x 3600s = 3600As = 3600C
- Q in ampère-uur:
Q = Ixt = 1A x 1h = 1Ah
Hieruit volgt: 1Ah = 3600C
De capaciteit van een bron
De capaciteit staat gewoonlijk vermeld op accumulatoren en soms op batterijen.
Bronnen die steunen op scheikundige werking, zoals cellen en accumulatoren kunnen slechts een beperkte hoeveelheid elektriciteit leveren.
Voorbeelden:
- Op een autoaccumulator staat 12 V - 40 Ah.
- Een staafbatterij in kwartsklokken heeft b.v. een capaciteit van 2,5 Ah. Die batterij kan een constante stroom van 150 µA leveren gedurende minstens 1 jaar.
- Knoopcellen voor horloges hebben een capaciteit van 160 mAh. Deze gaan bij een stroom tussen 8 µA en 15 µA ook minstens 1 jaar mee.
5.5 Afgeleide formules
De stroomsterkte is de verhouding van de verplaatste hoeveelheid lading tot de overeenstemmende tijd van stroomdoorgang.
stroomsterkte
=
hoeveelheid elektriciteit tijd
I
=
Q t
Opmerking:
De stroomsterkte wordt in de wet van Faraday steeds uitgedrukt in ampère (A).
Bij een tijd (t) in seconde (s) behoort een hoeveelheid lading (Q) in coulomb (C).
Bij een tijd (t) in uur (h) behoort een hoeveelheid (Q) in ampère-uur (Ah).
De tijd moet ofwel in seconde of in uur in de formules gebracht worden; nooit in minuten !!
Geheugensteuntje:
Berekeningsvoorbeeld 2
De capaciteit van een accumulator is 50 Ah. Met ingeschakelde dim- en achterlichten is de stroom 10 A. Je parkeert de wagen en je vergeet de lichten uit te schakelen.
Na hoeveel tijd is de accumulator ontladen? Je neemt aan dat de accu volledig geladen is en dat de ontlaadstroom constant blijft.
Gegeven: Q = 50 Ah; I = 10 A
Gevraagd: de tijd t
Oplossing:
t
=
Q I
=
50 Ah 10 A
=
5 h
TOP
