Natuurkunde – Overal Natuurkunde VWO 6
12 Elektrische velden
Elektrische krachten kunnen aantrekkend of afstotend werken, er zijn namelijk twee soorten
ladingen (positief en negatief). Lading (q/Q) heeft als eenheid coulomb (C). De elektrische kracht
tussen geladen voorwerpen hangt af van:
- De afstand tussen beide voorwerpen, hoe kleiner hoe groter de kracht.
- De grootte van de lading, hoe groter hoe groter de kracht.
Je kunt elektronen vrijmaken uit het atoom, omdat ze relatief zwak gebonden zijn, er ontstaat dan
een ion door het elektronen tekort. De kernkracht tussen protonen en neutronen is aanzienlijk
sterker dan de elektrische kracht van de elektronen. Een voorwerp met evenveel positieve als
negatieve lading is neutraal. Door wrijving ontstaat lading.
Stoffen waar lading door kan stromen noem je geleiders, isolatoren zijn stoffen waar lading zich
nauwelijks of niet door kan verplaatsen. Influentie is het verschijnsel waarbij je met een geladen
voorwerp de ladingsverdeling op een neutraal voorwerp beïnvloedt. De resulterende kracht tussen
de twee voorwerpen is aantrekkend (dit komt door de kleine afstand van de positieve en negatieve
ladingen).
De grootte van de lading is altijd gelijk aan een veelvoud van het elementaire ladingsquantum e
(Binas 7A). Je gebruikt een elektrometer om de lading van een voorwerp te meten. Met een
elektroscoop kan je aantonen of een voorwerp geladen is.
q∙Q
Met de Wet van Coulomb kun je elektrische kracht tussen twee puntladingen berekenen: Fel= f ∙ 2
r
. Fel: elektrische kracht tussen twee puntladingen in Newton, q en Q: ladingen in Coulomb, r:
afstand tussen puntladingen in meter, f: constante uit de wet van Coulomb (Binas 7A). Deze
formule lijkt erg op de gravitatiewet, een groot verschil tussen beide krachten is dat de elektrische
kracht relatief veel sterker is dan de gravitatiekracht.
De elektrische kracht tussen elektronen en de atoomkern bindt de elektronen aan het atoom. Deze
kracht maakt ook de ionbinding in bepaalde kristallen mogelijk. Deze binding is zeer sterk. In een
molecuulrooster houden vanderwaalskrachten de moleculen bijeen. De vanderwaalskracht tussen
moleculen berust op elektrostatische wisselwerking tussen de moleculen. Deze kracht is zwakker dan
de ionbinding.
Een elektrisch veld is een ruimte, waarin een (test)lading overal een elektrische kracht ondervindt.
Een testlading moet voldoen aan twee dingen:
- Het moet zo klein zijn, dat ze het veld van het geladen voorwerp Q niet verstoort.
- De testlading is positief.
De grootte van de elektrische kracht hangt af van het elektrisch veld en de testlading. Er geldt voor
F el , p
het quotiënt = constant. De constante wordt ook wel de elektrische veldsterkte Ep genoemd,
q
het geeft de grootte en richting aan van de kracht op een testvoorwerp. (F en E hebben allebei
F el , p
richting). Ep= . Ep= elektrische veldsterkte in punt p (N/C), F el, p= elektrische kracht die in punt P
q
op de testlading werkt (N), q= de grootte van de testlading in C.
, - Omdat de testlading positief is, zijn de elektrische veldsterkte en kracht in elk punt
gelijkgericht. Richting van het veld = richting van de kracht.
- Veldsterkte= kracht/grootte van het testvoorwerp.
Een veldlijnenpatroon bevat veel informatie over het aanwezige elektrische veld. Bij het bepalen van
de richting van de elektrische veldsterkte in een punt, teken je eerst de raaklijn die samenvalt met de
richting van de elektrische veldsterkte in P. vervolgens teken je de richting van de elektrische
veldsterktevector P zó dat deze samenvalt met de raaklijn en de richting past bij de richting van de
veldlijn. Er geldt:
- Waar de veldlijnendichtheid het grootst is, is de veldsterkte het grootst.
- Veldlijnen lopen van + naar –
- Ze staan loodrecht op het oppervlak van geladen geleiders
- Ze snijden elkaar nooit.
2 soorten velden:
- Homogeen (bijvoorbeeld in een condensator): in elk punt heeft de elektrische veldsterkte
dezelfde grootte en richting. Let op: bij de randen van de platen lopen de veldlijnen gekromd.
F el , p
Ep=
q
Q
- Radiaal: de veldlijnen lopen naar of van een punt af. E= f ∙ . Dit geldt ook voor het radiaal
r2
veld buiten een bol, mits r≥ R.
De kooi van Faraday: een elektrisch veld dat niet doordringt in een metalen geleider. Je kunt dit
gebruiken om elektrische velden of storende straling af te schermen.
Potentiële energie is de algemene naam voor de energie die een voorwerp heeft vanwege zijn plaats
in een krachtveld, bij elektrische kracht is dat elektrische energie. Bij energieomzettingen in een
elektrisch veld geldt ook de wet van behoud van energie. Elektrische energie wordt bijvoorbeeld
omgezet in kinetische energie.
In een homogeen veld ondervinden geladen voorwerpen een eenparig versnelde beweging als gevolg
van elektrische kracht. De toe/afname van kinetische energie is gelijk aan de toe/afname van
elektrische energie. Spanning U is het verschil in elektrische energie per coulomb lading. ΔEel= q x U;
ΔEel= - ΔEk, de verandering van de elektrische energie (J), q= de lading van het voorwerp (C), U=
spanning (V). Bij een condensator is de geaarde plaat het nul-niveau van elektrische energie. Het
verschil in de elektrische energie per coulomb tussen twee punten is gelijk aan de spanning over die
punten.
De elektrische energie van een testlading in een radiaal elektrisch veld lijkt heel veel op de gravitatie-
q∙Q
energie, de formules lijken dus op elkaar. E el= -f x ∙ .
r
In een röntgenbuis versnel je elektronen met een hoge spanning tussen de kathode en de anode.
Nadat een elektron met hoge snelheid op de anode botst, wordt kinetische energie van het elektron
omgezet in röntgenstraling en warmte. De versnelspanning U AK is bepalend voor de minimale
golflengte van deze straling.
In een deeltjesversneller krijgt een deeltje zijn energie doordat het vele malen een versnelspanning
doorloopt. Bij elke passage van de ene naar de volgende elektrode krijgt het deeltje een versnelling.
