Elektrische stroom

Leerdoelen:

•Je kunt uitleggen wat elektrische stroom (I) en elektrische lading (Q) is.

•Je kunt het verband tussen elektrische stroom (I), elektrische lading (Q) en tijd (t) beschrijven met de formuleI=\frac{Q}{t}I=\frac{Q}{\placeholder{}}I=QI=Q/.

•Je kunt een elektrische stroomkring schematisch tekenen, inclusief de belangrijkste symbolen.

Elektrische stroom en elektrische lading

Atoommodel van Rutherford

Een atoom bestaat uit een kern en een elektronenwolk. De kern bevat protonen (positief geladen, met lading ) en neutronen (neutraal geladen). Om de kern heen bewegen elektronen in een elektronenwolk (negatief geladen, met lading ).

De grootte van de lading van een proton of een elektron noemen we het elementaire ladingsquantum (e). Dit is de kleinst mogelijke lading in de natuur. In Binas tabel 7A vind je de waarde: e=1,602\cdot10^{-19}e=1,60210^{-19}e=1,602\times10^{-19}e=1,602\times10^{19}e=1,602\times10^{19}{9}e=1,602\times10^1{9}e=1,602\times10^{\placeholder{}}{9}e=1,602\times10{9}e=1,602\times10^{9}e=1,602\times10^{-}{9}e=1,602\times10^{-}^{9}e=1,602\times10^{-}^{1}{9} coulomb (C). Coulomb (C) is de eenheid van lading.

Een neutraal atoom heeft evenveel protonen als elektronen, waardoor het elektrisch neutraal is. Als een atoom een elektron te veel of te weinig heeft, wordt het een geladen deeltje, een ion genaamd. Mist een atoom elektronen, dan wordt het positief geladen; neemt het elektronen op, dan wordt het negatief geladen.

Voorbeeld: wat is de lading van een Al³⁺-ion? Een Al³⁺-ion mist drie elektronen. De lading is dan 3\times e=3\cdot\left(1,602\cdot10^{-19}\right)C=4,806\cdot10^{-19}C3\times e=3\cdot\left(1,602\cdot10^{-19}C=4,806\cdot10^{-19}C\right.3\times e=3\cdot\left(1,602\cdot10^{-19}C=4,806\cdot10^{-1}C\right.3\times e=3\cdot\left(1,602\cdot10^{-19}C=4,806\cdot10^{-}C\right.3\times e=3\cdot\left(1,602\cdot10^{-19}C=4,806\cdot10^{\placeholder{}}C\right.3\times e=3\cdot\left(1,602\cdot10^{-19}C=4,806\cdot10C\right.3\times e=3\cdot\left(1,602\cdot10^{-19}C=4,806\cdot1C\right.3\times e=3\cdot\left(1,602\cdot10^{-19}C=4,806\cdot C\right.3\times e=3\cdot\left(1,602\cdot10^{-19}C=4,806C\right.3\times e=3\cdot\left(1,602\cdot10^{-19}C=4,806\times C\right.3\times e=3\cdot\left(1,602\cdot10^{-19}C=4,806\times1C\right.3\times e=3\cdot\left(1,602\cdot10^{-19}C=4,806\times10C\right.3\times e=3\cdot\left(1,602\cdot10^{-19}C=4,806\times10^C\right.3\times e=3\cdot\left(1,602\cdot10^{-19}C=4,806\times10^{-}C\right.3\times e=3\cdot\left(1,602\cdot10^{-19}C=4,806\times10^{-}^C\right.3\times e=3\cdot\left(1,602\cdot10^{-19}C=4,806\times10^{-}^{9}C\right.3\times e=3\cdot\left(1,602\cdot10^{-19}C=4,806\times10^{-}^^{9}C\right.3\times e=3\cdot\left(1,602\cdot10^{-19}C=4,806\times10^{-}^{1}^{9}C\right.3\times e=3\cdot\left(1,602\cdot10^{-1}C=4,806\times10^{-}^{1}^{9}C\right.3\times e=3\cdot\left(1,602\cdot10^{-10}C=4,806\times10^{-}^{1}^{9}C\right.3\times e=3\cdot\left(1,602\cdot10^{-1}C=4,806\times10^{-}^{1}^{9}C\right.3\times e=3\cdot\left(1,602\cdot10^{-}C=4,806\times10^{-}^{1}^{9}C\right.3\times e=3\cdot\left(1,602\cdot10^{\placeholder{}}C=4,806\times10^{-}^{1}^{9}C\right.3\times e=3\cdot\left(1,602\cdot10C=4,806\times10^{-}^{1}^{9}C\right.3\times e=3\cdot\left(1,602\cdot10C=4,806\times10^{-}^{1}^{9}C\right)3\times e=3\cdot\left(1,602\cdot10{9}C=4,806\times10^{-}^{1}^{9}C\right)3\times e=3\cdot\left(1,602\cdot10^{9}C=4,806\times10^{-}^{1}^{9}C\right)3\times e=3\cdot\left(1,602\cdot10^{-}{9}C=4,806\times10^{-}^{1}^{9}C\right)3\times e=3\cdot\left(1,602\cdot10^{-}^{9}C=4,806\times10^{-}^{1}^{9}C\right)3\times e=3\cdot\left(1,602\cdot10^{-}^{1}{9}C=4,806\times10^{-}^{1}^{9}C\right)3\times e=3\cdot\left(1,602\cdot10^{-}^{1}^{9}C=4,806\times10^{-}^{1}^{9}C\right)3\times e=3\cdot1,602\cdot10^{-}^{1}^{9}C=4,806\times10^{-}^{1}^{9}C3\times e=3\cdot1,60210^{-}^{1}^{9}C=4,806\times10^{-}^{1}^{9}C3\times e=3\cdot1,602\times10^{-}^{1}^{9}C=4,806\times10^{-}^{1}^{9}C3\times e=31,602\times10^{-}^{1}^{9}C=4,806\times10^{-}^{1}^{9}C.

Geleiders en isolatoren

Elektronen kunnen in sommige materialen goed bewegen en in andere niet. Materialen waar elektronen makkelijk doorheen kunnen bewegen, noemen we geleiders (bijvoorbeeld koper en ijzer). Materialen die de stroom niet goed geleiden, zijn isolatoren (bijvoorbeeld lucht en kunststof).

Metalen zijn goede geleiders dankzij hun metaalrooster. In een metaalrooster zitten de metaalatomen op vaste plaatsen, maar de buitenste elektronen zijn "vrij" en kunnen tussen de atomen door bewegen. Deze vrije elektronen zijn essentieel voor stroomgeleiding. Protonen blijven in het metaalrooster op hun plaats en bewegen niet mee.

Wat is elektrische stroom?

Een stroom is de verplaatsing van lading, oftewel van elektronen, als gevolg van een spanning. Elektronen zijn negatief geladen en worden aangetrokken door positief geladen voorwerpen en afgestoten door andere negatieve ladingen. Als er een spanningsverschil is tussen twee punten (het ene punt is negatief geladen met veel elektronen, het andere positief met een tekort aan elektronen) en deze punten zijn verbonden met een geleider, zullen de elektronen van het negatieve punt naar het positieve punt stromen. De natuur streeft namelijk altijd naar evenwicht, waardoor de ladingen zich verspreiden tot er geen spanningsverschil meer is.

Elektronen die bewegen, nemen elektrische energie met zich mee. Deze energie kan worden gebruikt om een apparaat aan te zetten. Hoe hoger de spanning, hoe meer energie de elektronen meenemen. De elektronen raken daarbij niet op; ze zijn de transporteurs van de energie.

De elektrische stroomkring

Om een apparaat elektrische energie te geven, wordt het opgenomen in een stroomkring, een gesloten pad waar elektronen kunnen stromen.

Een minimale stroomkring bestaat uit:

•Een spanningsbron: Meestal een batterij, schematisch weergegeven als twee ongelijke, parallelle strepen. De lange, dunne streep is de pluspool, de korte, dikke streep de minpool.

•Geleiders (stroomdraden): Rechte lijnen in het schema.

•Een apparaat (verbruiker): Een lampje wordt bijvoorbeeld weergegeven als een cirkel met een kruis erdoor.

Stroomrichting: Het is belangrijk om te weten dat elektronen in werkelijkheid van de minpool naar de pluspool bewegen (omdat ze negatief zijn en worden aangetrokken door de positieve pool). Echter, de conventionele stroomrichting (zoals we die gebruiken in schema's en berekeningen) is van plus naar min.

De symbolen voor verschillende onderdelen in een stroomkring vind je in Binas tabel 17A (elektrotechnische symbolen). Daar staan symbolen voor bijvoorbeeld motoren(cirkel met een M erin) en schakelaars (een onderbreking in de draad).

Gesloten en open stroomkringen

Een gesloten stroomkring is een ononderbroken pad waarin de elektrische stroom kan rondlopen. In zo'n kring kan een lampje branden of een apparaat werken.

Een open stroomkring is een onderbroken pad. Als de stroomkring ergens verbroken is (bijvoorbeeld door een open schakelaar of een kapotte draad), kunnen de elektronen elkaar niet voortduwen. De stroom stopt en het apparaat werkt niet.

Lading, stroomsterkte en de formule I=\frac{Q}{t}I=\frac{Q}{\placeholder{}}I=QI=Q/

Lading (Q) wordt gemeten in coulomb (C). Zoals eerder genoemd, is e=1,602\cdot10^{-19}e=1,60210^{-19}e=1,602\times10^{-19}e=1,602\times10^{-1}e=1,602\times10^{-}e=1,602\times10^{\placeholder{}}e=1,602\times10e=1,602\times10^e=1,602\times10^{-}e=1,602\times10^{-}^e=1,602\times10^{-}^{1}e=1,602\times10^{-}^{1}^ C de lading van één elektron. Hoeveel elektronen er in 1 coulomb zitten, kun je berekenen door 1 te delen door het elementaire ladingsquantum: \frac{1}{1,602\cdot10^{-19}}\thickapprox6,24\times10^{18}{}\frac{1C}{1,602\cdot10^{-19}}\thickapprox6,24\times10^{18}{}\frac{1C}{1,602\cdot10^{-19}C}\thickapprox6,24\times10^{18}{}\frac{1C}{1,602\cdot\frac{10^{-19}C}{\placeholder{}}}\thickapprox6,24\times10^{18}{}\frac{1C}{1,602\cdot10^{-19}C}\thickapprox6,24\times10^{18}{}\frac{1C}{1,602\cdot10^{-19}}\thickapprox6,24\times10^{18}{}\frac{1C}{1,602\cdot10^{-19}}\thickapprox6,24\times10^1{}\frac{1C}{1,602\cdot10^{-19}}\thickapprox6,24\times10^19{}\frac{1C}{1,602\cdot10^{-19}}\thickapprox6,24\times10^1{}\frac{1C}{1,602\cdot10^{-19}}\thickapprox6,24\times10^{}{}\frac{1C}{1,602\cdot10^{-19}}\thickapprox6,24\times10^{-}{}\frac{1C}{1,602\cdot10^{-19}}\thickapprox6,24\times10^{-1}{}\frac{1C}{1,602\cdot10^{-19}}\thickapprox6,24\times10^{-18}{}\frac{1C}{1,602\cdot10^{-19}}\thickapprox6,24\times10^{-1}{}\frac{1C}{1,602\cdot10^{-19}}\thickapprox6,24\times10^{-}{}\frac{1C}{1,602\cdot10^{-19}}\thickapprox6,24\times10^{\placeholder{}}{}\frac{1C}{1,602\cdot10^{-19}}\thickapprox6,24\times10{}\frac{1C}{1,602\cdot10^{-19}}\thickapprox6,24\times10^{}\frac{1C}{1,602\cdot10^{-19}}\thickapprox6,24\times10^^{}\frac{1C}{1,602\cdot10^{-19}}\thickapprox6,24\times10^{1}^{}\frac{1C}{1,602\cdot10^{-19}}\thickapprox6,24\times10^{1}^{8}\frac{1C}{1,602\cdot10^{-19}}(\thickapprox6,24\times10^{1}^{8}\frac{1C}{1,602\cdot10^{-19}}(/\thickapprox6,24\times10^{1}^{8}\frac{1C}{1,602\cdot10^{-19}}(/e\thickapprox6,24\times10^{1}^{8}\frac{1C}{1,602\cdot10^{-19}}(/el\thickapprox6,24\times10^{1}^{8}\frac{1C}{1,602\cdot10^{-19}}(/ele\thickapprox6,24\times10^{1}^{8}\frac{1C}{1,602\cdot10^{-19}}(/elek\thickapprox6,24\times10^{1}^{8}\frac{1C}{1,602\cdot10^{-19}}(/elekt\thickapprox6,24\times10^{1}^{8}\frac{1C}{1,602\cdot10^{-19}}(/elektr\thickapprox6,24\times10^{1}^{8}\frac{1C}{1,602\cdot10^{-19}}(/elektro\thickapprox6,24\times10^{1}^{8}\frac{1C}{1,602\cdot10^{-19}}(/elektron\thickapprox6,24\times10^{1}^{8}\frac{1C}{1,602\cdot10^{-19}}(/elektron)\thickapprox6,24\times10^{1}^{8}\frac{1C}{1,60210^{-19}}(/elektron)\thickapprox6,24\times10^{1}^{8}\frac{1C}{1,602\times10^{-19}}(/elektron)\thickapprox6,24\times10^{1}^{8}\frac{1C}{1,602\times10^{-1}}(/elektron)\thickapprox6,24\times10^{1}^{8}\frac{1C}{1,602\times10^{-}}(/elektron)\thickapprox6,24\times10^{1}^{8}\frac{1C}{1,602\times10^{\placeholder{}}}(/elektron)\thickapprox6,24\times10^{1}^{8}\frac{1C}{1,602\times10}(/elektron)\thickapprox6,24\times10^{1}^{8}\frac{1C}{1,602\times10^}(/elektron)\thickapprox6,24\times10^{1}^{8}\frac{1C}{\placeholder{}}(/elektron)\thickapprox6,24\times10^{1}^{8}\frac{1C}{\placeholder{}}(1/elektron)\thickapprox6,24\times10^{1}^{8}\frac{1C}{\placeholder{}}(1,/elektron)\thickapprox6,24\times10^{1}^{8}\frac{1C}{\placeholder{}}(1,6/elektron)\thickapprox6,24\times10^{1}^{8}\frac{1C}{\placeholder{}}(1,60/elektron)\thickapprox6,24\times10^{1}^{8}\frac{1C}{\placeholder{}}(1,602/elektron)\thickapprox6,24\times10^{1}^{8}\frac{1C}{\placeholder{}}(1,602\times/elektron)\thickapprox6,24\times10^{1}^{8}\frac{1C}{\placeholder{}}(1,602\times1/elektron)\thickapprox6,24\times10^{1}^{8}\frac{1C}{\placeholder{}}(1,602\times10/elektron)\thickapprox6,24\times10^{1}^{8}\frac{1C}{\placeholder{}}(1,602\times10^/elektron)\thickapprox6,24\times10^{1}^{8}\frac{1C}{\placeholder{}}(1,602\times10^{-}/elektron)\thickapprox6,24\times10^{1}^{8}\frac{1C}{\placeholder{}}(1,602\times10^{-}^/elektron)\thickapprox6,24\times10^{1}^{8}\frac{1C}{\placeholder{}}(1,602\times10^{-}^{1}/elektron)\thickapprox6,24\times10^{1}^{8}\frac{1C}{\placeholder{}}(1,602\times10^{-}^{1}^/elektron)\thickapprox6,24\times10^{1}^{8}\frac{1C}{\placeholder{}}(1,602\times10^{-}^{1}^{9}/elektron)\thickapprox6,24\times10^{1}^{8}\frac{1C}{\placeholder{}}(1,602\times10^{-}^{1}^{9}C/elektron)\thickapprox6,24\times10^{1}^{8}1C(1,602\times10^{-}^{1}^{9}C/elektron)\thickapprox6,24\times10^{1}^{8}elektronen. Dit betekent dat er ontzettend veel elektronen nodig zijn voor 1 coulomb lading.

Stroomsterkte (I) wordt gemeten in ampère (A). De stroomsterkte geeft aan hoeveel lading (coulomb) er per seconde door een stroomdraad loopt. Je kunt het zien als het "tellen" van het aantal elektronen dat per seconde op een bepaald punt in de draad voorbijkomt.

De formule die het verband weergeeft tussen stroomsterkte, lading en tijd is: I=\frac{Q}{t}I=\frac{Q}{\placeholder{}}I=QI=Q/ Waarbij:

I = stroomsterkte in ampère (A)

Q = lading in coulomb (C)

t = tijd in seconden (s)

Rekenvoorbeeld: Stroomsterkte berekenen

Er stromen elke minuut 1,22\cdot10^{19}1,2210^{19}1,22810^{19}1,2210^{19}1,22\times10^{19}1,22\times10^{-19}1,22\times10^{-1}1,22\times10^{-}1,22\times10^{\placeholder{}}1,22\times101,22\times10^1,22\times10^{1}1,22\times10^{1}^ elektronen door een stroomdraad. Wat is de stroomsterkte?

Oplossing:

Lading (Q) berekenen: Eén elektron heeft een lading van 1,602\cdot10^{-19}{}1,60210^{-19}{}1,602\times10^{-19}{}1,602\times10^{-1}{}1,602\times10^{-}{}1,602\times10^{\placeholder{}}{}1,602\times10{}1,602\times10^{}1,602\times10^{-}{}1,602\times10^{-}^{}1,602\times10^{-}^{1}{}1,602\times10^{-}^{1}^{} C.

De totale lading Q = (aantal elektronen) \cdot e

Q=\left(1,22\cdot10^{19}\right)\cdot\left(1,602\cdot10^{-19}\right)=1,95444Q=1,22\cdot10^{19})\cdot\left(1,602\cdot10^{-19}\right)=1,95444Q=1,22\cdot10^{19}\cdot\left(1,602\cdot10^{-19}\right)=1,95444Q=1,22\cdot10^1\cdot\left(1,602\cdot10^{-19}\right)=1,95444Q=1,22\cdot10^{\placeholder{}}\cdot\left(1,602\cdot10^{-19}\right)=1,95444Q=1,22\cdot10\cdot\left(1,602\cdot10^{-19}\right)=1,95444Q=1,22\cdot1\cdot\left(1,602\cdot10^{-19}\right)=1,95444Q=1,22\cdot\cdot\left(1,602\cdot10^{-19}\right)=1,95444Q=1,22\cdot\left(1,602\cdot10^{-19}\right)=1,95444Q=1,22\times\cdot\left(1,602\cdot10^{-19}\right)=1,95444Q=1,22\times1\cdot\left(1,602\cdot10^{-19}\right)=1,95444Q=1,22\times10\cdot\left(1,602\cdot10^{-19}\right)=1,95444Q=1,22\times10^\cdot\left(1,602\cdot10^{-19}\right)=1,95444Q=1,22\times10^{1}\cdot\left(1,602\cdot10^{-19}\right)=1,95444Q=1,22\times10^{1}^\cdot\left(1,602\cdot10^{-19}\right)=1,95444Q=1,22\times10^{1}^{9}\cdot\left(1,602\cdot10^{-19}\right)=1,95444Q=1,22\times10^{1}^{9}\left(1,602\cdot10^{-19}\right)=1,95444Q=1,22\times10^{1}^{9}\times\left(1,602\cdot10^{-19}\right)=1,95444Q=1,22\times10^{1}^{9}\times1,602\cdot10^{-19})=1,95444Q=1,22\times10^{1}^{9}\times1,60210^{-19})=1,95444Q=1,22\times10^{1}^{9}\times1,602\times10^{-19})=1,95444Q=1,22\times10^{1}^{9}\times1,602\times10^{-19}=1,95444Q=1,22\times10^{1}^{9}\times1,602\times10^{-1}=1,95444Q=1,22\times10^{1}^{9}\times1,602\times10^{-}=1,95444Q=1,22\times10^{1}^{9}\times1,602\times10^{\placeholder{}}=1,95444Q=1,22\times10^{1}^{9}\times1,602\times10=1,95444Q=1,22\times10^{1}^{9}\times1,602\times10^=1,95444Q=1,22\times10^{1}^{9}\times1,602\times10^{-}=1,95444Q=1,22\times10^{1}^{9}\times1,602\times10^{-}^=1,95444Q=1,22\times10^{1}^{9}\times1,602\times10^{-}^{1}=1,95444Q=1,22\times10^{1}^{9}\times1,602\times10^{-}^{1}^=1,95444Q=1,22\times10^{1}^{9}\times1,602\times10^{-}^{1}^{9}=1,95444 C

Tijd (t) omzetten naar seconden: 1 minuut = 60 seconden

Stroomsterkte (I) berekenen: I=\frac{Q}{t}=\frac{1{,}95444}{60}=0,032574I=\frac{Q}{t}=1\frac{1{,}95444}{60}=0,032574I=\frac{Q}{t}=1,\frac{1{,}95444}{60}=0,032574I=\frac{Q}{t}=1,\frac{195444}{60}=0,032574I=\frac{Q}{t}=1,\frac{95444}{60}=0,032574I=\frac{Q}{t}=1,\frac{95444}{6}=0,032574I=\frac{Q}{t}=1,\frac{95444}{\placeholder{}}=0,032574I=\frac{Q}{t}=1,95444=0,032574I=\frac{Q}{t}=1,95444/=0,032574I=\frac{Q}{t}=1,95444/6=0,032574I=\frac{Q}{t}=1,95444/60=0,032574I=\frac{Q}{t}=1,95444/60s=0,032574I=\frac{Q}{t}=1,95444C/60s=0,032574I=\frac{Q}{\placeholder{}}=1,95444C/60s=0,032574I=Q=1,95444C/60s=0,032574I=Q/=1,95444C/60s=0,032574 A

Dit kunnen we afronden en eventueel omzetten naar milliampère (mA):

I ≈ 0,0326 A of 32,6 mA (door de komma drie plaatsen naar rechts te verschuiven).

I-t-diagram en Q-t-diagram

Een I-t-diagram (stroom-tijd diagram) toont de stroomsterkte (I) als functie van de tijd (t).

Als je de formule I=\frac{Q}{t}I=\frac{Q}{\placeholder{}}I=QI=Q/ omvormt, krijg je Q=I\cdot tQ=I\cdotQ=IQ=I\times. Dit betekent dat de lading (Q) gelijk is aan de stroomsterkte keer de tijd. In een I-t-diagram is de oppervlakte onder de grafiek de getransporteerde lading. Voor een batterij staat de oppervlakte onder het I-t-diagram voor de capaciteit van de batterij (hoeveel lading de batterij kan leveren).

Een Q-t-diagram (lading-tijd diagram) toont de lading (Q) als functie van de tijd (t). In dit geval stelt de steilheid van de lijn (de helling) de stroomsterkte (I) voor (I=\frac{\Delta Q}{\Delta t}I=\frac{\Delta Q}{\Delta t}\left(\right.I=\frac{\Delta Q}{\Delta t}\left(\Delta\right.I=\frac{\Delta Q}{\Delta t}\left(\Delta t\right.I=\frac{\Delta Q}{\Delta t}\left(\Delta t\right)I=\frac{\Delta Q}{\placeholder{}}\left(\Delta t\right)I=\Delta Q\left(\Delta t\right)I=\Delta Q/\left(\Delta t\right)I=\Delta Q/\left(\Delta t\right)).