Les over 10.1 Elektrische velden

Leerdoelen

•Je kunt een elektrisch veld met elektrische veldlijnen beschrijven en de veldlijnen van een homogeen en een radiaal veld schetsen.

•Je kunt met de formule voor de wet van Coulomb berekeningen maken en redeneren.

•Je kunt met de formule voor de elektrische kracht op een geladen deeltje in een elektrisch veld berekeningen maken en redeneren.

Ladingen en krachtwerking op afstand

Er bestaan twee soorten elektrische ladingen: positieve en negatieve lading. Het symbool voor lading is of en de eenheid is coulomb (C). Lading is gebonden aan deeltjes. De kleinste vry voorkomende hoeveelheid lading is de elementaire lading met het symbool (). Een elektron heeft een lading van en een proton een lading van . Een voorwerp is neutraal als er evenveel positieve als negatieve lading aanwezig is. Bij het opwrijven van materiaal kunnen elektronen overspringen, waardoor een voorwerp geladen raakt. Het aanwezig zijn van lading kan worden aangetoond met een elektroscoop. Ladingen oefenen op afstand een elektrische kracht op elkaar uit zonder dat de voorwerpen elkaar raken: gelijke ladingen stoten elkaar af, terwijl tegengestelde ladingen elkaar aantrekken.

De wet van Coulomb

De grootte van de elektrische kracht tussen twee puntladingen wordt berekend met de wet van Coulomb: Hierin is:

•: de elektrische kracht in newton (N).

•: de constante van Coulomb in .

• en : de groottes van de twee ladingen in coulomb (C).

•: de afstand tussen de middelpunten van de ladingen in meter (m).

In de formule worden de waarden van de ladingen zonder minteken ingevuld. De richting van de kracht volgt uit het feit of de ladingen elkaar aantrekken of afstoten.

Het elektrisch veld en elektrische veldlijnen

In een ruimte waar een geladen deeltje een elektrische kracht ondervindt, is een elektrisch veld aanwezig. Dit veld wordt weergegeven met elektrische veldlijnen. Om de eigenschappen van een veld te onderzoeken, gebruikt men in gedachten een positieve proeflading. Veldlijnen hebben de volgende kenmerken:

•Ze lopen van een positieve lading af en naar een negatieve lading toe.

•De richting van het elektrisch veld in een punt is gelijk aan de raaklijn aan de veldlijn in dat punt. Dit is de richting van de kracht op een positieve proeflading.

•Hoe dichter veldlijnen bij elkaar liggen, des te sterker is het veld en des te groter is de kracht op een geladen deeltje.

•Veldlijnen snijden elkaar nooit.

•Veldlijnen staan loodrecht op het oppervlak van geleiders.

•Er zijn geen veldlijnen aan de binnenkant van een geleider als de lading daarin in rust is.

Elektrische veldsterkte en elektrische kracht

De sterkte en richting van een elektrisch veld worden beschreven door de elektrische veldsterkte met de eenheid . De elektrische veldsterkte is een vectorgrootheid. De elektrische kracht op een geladen deeltje in een elektrisch veld wordt berekend met de formule: Als het geladen deeltje positief is, hebben de kracht en de veldsterkte dezelfde richting. Bij een negatief geladen deeltje zijn deze richtingen tegengesteld. Voor alleen de grootte geldt: .

Vormen van elektrische velden

Er worden twee specifieke veldvormen onderscheiden:

•Radiaal elektrisch veld: een veld waarbij de veldlijnen recht naar buiten of naar binnen lopen langs de straal van een cirkel of bol, met de lading als middelpunt. Het veld wordt zwakker naarmate de afstand tot het middelpunt toeneemt.

•Homogeen elektrisch veld: een veld tussen twee evenwijdige geladen platen. De veldlijnen zijn evenwijdig, lopen in dezelfde richting en liggen op gelijke afstand van elkaar. De elektrische veldsterkte en de kracht op een proeflading zijn in dit veld op elke plek even groot.