FYSICA 2
2023-2024
,Fysica 2
1. Elektrische lading en elektrisch veld
1.1 Statische elektriciteit en lading: behoud van lading
Kenmerken van statische elektriciteit
- De effecten van statische elektriciteit worden verklaard door een fysieke grootheid, namelijk
elektrische lading.
- Er zijn slecht 2 soorten lading: positief en negatief.
- Gelijke ladingen stoten elkaar af, terwijl ongelijke ladingen elkaar aantrekken.
- De kracht tussen ladingen neemt af met de afstand.
1.1.1 Positief en negatief geladen
Een glazen staaf wordt positief geladen als hij met zijde wordt ingewreven, terwijl de zijde negatief
geladen wordt.
(a) De glazen staaf wordt aangetrokken door de zijde omdat hun ladingen tegengesteld zijn.
(b) Twee vergelijkbare geladen glasstaven stoten elkaar af.
(c) Twee gelijksoortige zijden doeken stoten elkaar af.
1.1.2 Lading gedragen door elektronen en protonen
Normale materie bestaat uit atomen. Atomen bevatten negatieve elektronen in een
baan om zijn positieve kern vanwege de aanwezigheid van positief geladen protonen.
Partikel Elektrische lading Massa
Elektron qe = -1,602 x 10-19 C me = 9,109 x 10-31 kg
Proton qp = +1,602 x 10-19 C mp = 1,673 x 10-27 kg
Neutron qn = 0 mn = 1,675 x 10-27 kg
1C ~ 6,25 x 1018 elektronen/protonen
Protonen bestaan uit verdere substructuren, genaamd quarks. Deze zijn nog nooit
rechtstreeks waargenomen, maar er wordt aangenomen dat ze fractionele ladingen
dragen, zoals te zien is in de figuur.
Ladingen op elektronen en protonen zijn unitair, maar deze quark-substructuren
dragen ladingen van -1/3 of +2/3.
Er zijn voortdurende pogingen om fractionele lading rechtstreeks waar te nemen
en om de eigenschappen van quarks te leren kennen, die misschien wel de ultieme
onderbouw van materie vormen.
1.1.3 Scheiding van lading in atomen
Wanneer materialen tegen elkaar worden gewreven, kunnen ladingen worden gescheiden, vooral als
het ene materiaal een grotere affiniteit voor elektronen heeft dan het andere.
(a) Zowel de amber als de stof zijn oorspronkelijk neutraal, met gelijke positieve en negatieve
ladingen.
(b) Wanneer het tegen elkaar wordt gewreven, wordt er een negatieve lading overgebracht op de
amber, waardoor de stof een netto positieve lading achterlaat.
1
,Fysica 2
(c) Wanneer de amber en de stof gescheiden zijn, hebben ze hun netto ladingen, maar de absolute
waarde van de netto positieve en negatieve ladingen zal gelijk zijn.
Er wordt feitelijk geen lading gecreëerd of vernietigd wanneer ladingen worden gescheiden. In plaats
daarvan worden bestaande ladingen verplaatst. In feite is de totale hoeveelheid lading in alle situaties
altijd constant → wet van behoud van lading.
1.1.3.1 Deeltjesversneller
(a) Als er voldoende energie aanwezig is, kan deze omgezet worden in materie. Hier is de gecreëerde
materie een elektron-anti-elektronpaar (me = massa van het elektron). De totale lading voor en na deze
gebeurtenis is 0. (anti-elektron = positron)
(b) Wanneer materie en antimaterie botsen, vernietigen ze elkaar. De totale lading wordt voor en na de
vernietiging op 0 gehouden.
1.2 Geleiders en isolatoren
Geleider = elke stof die vrije elektronen heeft en lading er relatief vrij doorheen kan laten bewegen.
Botsingen tussen de bewegende elektronen met vaste atomen en moleculen geven verlies aan energie
en snelheid.
Voorbeeld : metalen zout water.
Isolatoren = elektronen en ionen zijn gebonden in de structuur en kunnen slechts weinig bewegen.
Deze stoffen laten het niet toe dat er ladingen doorheen bewegen.
Voorbeeld : puur water, rubber, hout
1.2.1 Opladen door contact
De figuur toont een elektroscoop die wordt opgeladen door deze aan te raken met een positief geladen
staaf. Omdat de glazen staaf een isolator is, moet hij de elektroscoop daadwerkelijk aanraken om er
lading van of naar toe over te brengen. (!! De extra positieve ladingen die zich op het oppervlak van de
glazen staaf bevinden zijn als gevolg van het wrijven met zijde voordat het experiment begint). Omdat
alleen elektronen in metalen bewegen, zien we dat ze naar de bovenkant van de elektroscoop worden
aangetrokken. Daar worden sommige door aanraking overgebracht naar de positieve staaf, waardoor
de elektroscoop een netto positieve lading achterlaat.
2
,Fysica 2
Elektrostatische afstoting in de bladeren van de geladen
elektroscoop scheidt ze. De elektrostatische kracht heeft een
horizontale component die ervoor zorgt dat de bladeren uit elkaar
bewegen, en een verticale component die in evenwicht wordt
gehouden door de zwaartekracht. Op dezelfde manier kan de
elektroscoop negatief worden geladen door contact met een
negatief geladen object.
1.2.2 Opladen via inductie
(a) Twee ongeladen of neutrale metalen bollen staan met elkaar in contact, maar zijn geïsoleerd van de
rest van de wereld.
(b) Een positief geladen glazen staaf wordt in de buurt van de linker bol gebracht, waardoor een
negatieve lading wordt aangetrokken en de andere vol positief geladen blijft.
(c) De bollen worden gescheiden voordat de staaf wordt verwijderd, waardoor de negatieve lading en
positieve lading worden gescheiden.
(d) De bollen behouden hun netto lading nadat de inducerende staaf is verwijderd – zonder ooit door
een geladen voorwerp te zijn aangeraakt.
→ voorbeeld van een geïnduceerde polarisatie van neutrale objecten. Polarisatie is de scheiding van
ladingen in een object dat neutraal blijft.
Opladen door middel van inductie, via een aardaansluiting.
(a) Een positief geladen staaf wordt in de buurt van een neutrale metalen bol gebracht, waardoor deze
wordt gepolariseerd.
(b) De bol is geaard, waardoor elektronen kunnen worden aangetrokken uit de ruime voorraad van de
aarde.
(c) De aardverbinding is verbroken.
(d) De positieve staaf wordt verwijderd, waardoor de bol een geïnduceerde negatieve lading achterlaat.
Zowel positieve als negatieve objecten trekken een neutraal object aan door de moleculen ervan te
polariseren.
(a) Een positief object dat in de buurt van een neutrale isolator wordt gebracht, polariseert zijn
moleculen. Er is een kleine verschuiving in de verdeling van de elektronen die rond het molecuul
cirkelen, waarbij ongelijksoortige ladingen dichterbij worden gebracht en soortgelijke ladingen
worden verwijderd. Omdat de elektrostatische kracht afneemt met de afstand, is er een netto
aantrekking.
(b) Een negatief object produceert de tegenovergestelde polarisatie, maar trekt opnieuw het neutrale
object aan.
(c) Hetzelfde effect treedt op voor een geleider; aangezien de ongelijke ladingen dichterbij zijn, is er
een netto aantrekkingskracht.
3
, Fysica 2
1.3 Wet van Coulomb
Wet van Coulomb = de wiskundige formule van elektrostatische kracht – het bestaan van 2 soorten
ladingen, de observatie dat gelijke ladingen afstoten, in tegenstelling tot ladingen elkaar aantrekken, en
de afname van kracht met de afstand.
|𝑞1 . 𝑞2 |
𝐹 = 𝑘.
𝑟2
De wet van Coulomb berekent de grootte van de kracht tussen 2 puntladingen die van elkaar
gescheiden worden door een afstand (r).
𝑁. 𝑚2
𝑘 = 8,988 . 109
𝐶2
De elektrostatische kracht is een vectorgrootheid en wordt uitgedrukt in eenheden van Newton. Er
wordt aangenomen dat de kracht langs de lijn ligt die de 2 ladingen verbindt.
1.4 Elektrisch veld: concept van een veld
Kracht-op-een-afstand: er is een veld aanwezig.
|𝑞.𝑄|
𝐹 = 𝑘. 𝑟2 voor een puntlading (een deeltje met lading Q) die inwerkt op een
testlading q op afstand r.
Vereenvoudigen: elektrisch veld E wordt gedefinieerd als de verhouding
tussen de Coulomb-kracht en een positieve testlading.
𝐹 |𝑄|
𝐸⃗ = ⟺ 𝐸 = 𝑘. 2
𝑞 𝑟
De eenheden van een elektrisch veld zijn Newton per Coulomb (N/C).
1.5 Elektrische veldlijnen
Elektrische veldlijnen:
- Elektrisch veld is gedefinieerd voor een positieve testlading q, zodat de veldlijnen wegwijzen
van een positieve lading en naar een negatieve lading.
- Grootte van het veld is evenredig met dichtheid van de veldlijnen.
(a) Een positieve lading
(b) Een negatieve lading van gelijke grootte
(c) Een grotere negatieve lading
Het totale elektrisch veld dat door meerdere ladingen wordt gecreëerd, is de vectorsom van de
individuele velden die door elke lading worden gecreëerd.
(a) Twee negatieve ladingen produceren de weergegeven velden. Het lijkt sterk op het veld dat wordt
geproduceerd door twee positieve ladingen, behalve dat de richtingen zijn omgekeerd. Het veld is
duidelijk zwakker tussen de ladingen. De individuelen krachten op een testlading in dat gebied zijn in
tegengestelde richting.
(b) Twee tegengestelde ladingen produceren het weergegeven veld, dat sterker is in het gebied tussen
de ladingen. Het veld is zwak op grote afstanden, omdat de velden van de individuele ladingen in
tegelstelde richtingen zijn en dus hun sterke punten afnemen.
Eigenschappen van elektrische veldlijnen:
4
