Wat zijn elektrische lading, kracht, veld en spanning?

Elektrische lading, elektrische kracht, elektrisch veld en spanning zijn fundamentele begrippen in de natuurkunde die beschrijven hoe geladen deeltjes met elkaar en hun omgeving interageren. Energie en versnelling zijn hier nauw mee verbonden, omdat ze de beweging en de omzetting van energie van deze geladen deeltjes beschrijven.

Hieronder worden deze begrippen uitgelegd:

Elektrische lading

Elektrische lading is een fundamentele eigenschap van deeltjes die bepaalt hoe ze zich gedragen in een elektrisch veld. De eenheid van elektrische lading is de coulomb (C).

• Protonen hebben een positieve lading ($+e$).
• Elektronen hebben een negatieve lading ($-e$).
• Neutronen hebben geen lading. De lading van een proton en een elektron zijn even groot, maar tegengesteld. Een neutraal atoom heeft evenveel protonen als elektronen en is daardoor ongeladen.

Elektrische kracht

Elektrische kracht is de aantrekkende of afstotende kracht tussen geladen deeltjes.

• Dezelfde ladingen stoten elkaar af (bijvoorbeeld twee positieve ladingen of twee negatieve ladingen).
• Tegengestelde ladingen trekken elkaar aan (bijvoorbeeld een positieve en een negatieve lading).

De grootte van deze kracht wordt beschreven door de Wet van Coulomb: $F_{elektrisch} = k \cdot \frac{q_1 \cdot q_2}{r^2}$

Hierin staat:

• $F_{elektrisch}$ voor de elektrische kracht in newton (N).
• $k$ voor de constante van Coulomb (in vacuüm ongeveer $8,99 \cdot 10^9 \text{ Nm}^2/\text{C}^2$).
• $q_1$ en $q_2$ voor de grootte van de twee ladingen in coulomb (C).
• $r$ voor de afstand tussen de middelpunten van de twee ladingen in meter (m).

De formule laat zien dat de elektrische kracht omgekeerd evenredig is met het kwadraat van de afstand. Dit betekent dat als de afstand tussen twee ladingen twee keer zo groot wordt, de kracht vier keer zo klein wordt ($2^2 = 4$).

Elektrisch veld

Een elektrisch veld is het invloedsgebied rondom een geladen voorwerp waarin een andere lading een elektrische kracht zou ervaren. Het veld is een eigenschap van de ruimte en is er altijd, of er nu een andere lading in de buurt is of niet.

• Veldlijnen worden gebruikt om een elektrisch veld weer te geven. Ze kruisen elkaar nooit en lopen altijd van een positieve lading naar een negatieve lading.
• De dichtheid van de veldlijnen geeft de sterkte van het elektrische veld aan: hoe dichter de lijnen bij elkaar liggen, hoe sterker het veld en hoe groter de kracht die een lading daar zou ervaren.

Het verschil tussen elektrisch veld en elektrische kracht is dat het elektrisch veld de potentie is voor een kracht, terwijl de elektrische kracht de daadwerkelijke interactie is die een lading ervaart in dat veld.

Spanning

Spanning (ook wel potentiaalverschil genoemd) is een maat voor de hoeveelheid elektrische energie per eenheid van lading tussen twee punten. Het vertelt ons hoeveel energie er nodig is om een bepaalde lading van het ene punt naar het andere te verplaatsen, of hoeveel energie een lading verliest of wint als het beweegt. De eenheid van spanning is de volt (V).

De formule voor spanning ($U$) is: $U = \frac{\Delta E}{Q}$

Hierin staat:

• $U$ voor de spanning in volt (V).
• $\Delta E$ voor de verandering in elektrische energie in joule (J).
• $Q$ voor de elektrische lading in coulomb (C).

Spanning wordt gemeten met een spanningsmeter (voltmeter) en is belangrijk om te weten hoeveel energie een apparaat nodig heeft om te werken.

Energie en versnellen

Energie is het vermogen om arbeid te verrichten of warmte te produceren. Energie kan niet zomaar verdwijnen of ontstaan; het wordt alleen omgezet van de ene vorm naar de andere (principe van energiebehoud).

1. Kinetische energie ($E_k$): Dit is de energie die een voorwerp bezit vanwege zijn beweging. Hoe sneller een voorwerp beweegt en hoe groter de massa, hoe meer kinetische energie het heeft. De formule hiervoor is: $E_k = \frac{1}{2}mv^2$ Waarbij:

   • $E_k$ de kinetische energie is in joule (J).
   • $m$ de massa van het voorwerp is in kilogram (kg).
   • $v$ de snelheid van het voorwerp is in meter per seconde (m/s).

2. Potentiële energie ($E_p$): Dit is de energie die een voorwerp bezit vanwege zijn plaats of toestand. Het is 'opgeslagen' energie die de potentie heeft om omgezet te worden in een andere energievorm.

   • Elektrische potentiële energie is de energie die een geladen deeltje heeft door zijn positie in een elektrisch veld.

Hoe energie en versnelling samenhangen: Wanneer elektronen in een elektrisch veld bewegen, bijvoorbeeld door een spanningsverschil, worden ze versneld. Tijdens deze versnelling verliezen ze elektrische potentiële energie. Deze 'verloren' elektrische potentiële energie wordt direct omgezet in kinetische energie van de elektronen. De elektronen bewegen hierdoor sneller.

Deze kinetische energie van de elektronen kan vervolgens weer worden omgezet in andere energievormen. Bijvoorbeeld, wanneer de snel bewegende elektronen door de gloeidraad van een lamp stromen, botsen ze met de atomen van het gloeidraadmateriaal. Bij deze botsingen dragen de elektronen een deel van hun kinetische energie over aan de atomen. De atomen gaan hierdoor sneller en heviger trillen, wat wij waarnemen als warmte-energie. Als de gloeidraad heet genoeg wordt, produceert hij ook lichtenergie.

De keten van energieomzettingen is dus: Elektrische potentiële energie $\rightarrow$ Kinetische energie (van elektronen) $\rightarrow$ Warmte- en lichtenergie (in een apparaat).