Newton - VWO

1. Newton - VWO Elektrische en magnetische velden Samenvatting

2. Lading Er bestaan twee soorten elektrische lading: positief en negatief, met als eigenschap dat • ongelijknamige ladingen elkaar aantrekken, en • gelijknamige ladingen elkaar afstoten De grootte van de elektrische kracht tussen twee ladingen hangt af van • de grootte van de ladingen • de onderlinge afstand Hoe groter de ladingen, des te groter de kracht Hoe kleiner de afstand, des te groter de kracht De grootte van de elektrische lading wordt opgegeven in coulomb (C)

3. Werking elektroscoop met een positieve staaf 1. In de buurt komen Stap 1 Teken de standen van de elektroscoop Stap 2 Teken de protonen (+) Stap 3 Teken de elektronen (-) Plaatjes zijn positief + en + = afstoting 2. Aanraken Stap 1 Er springen elektronen over Teken de standen van de elektroscoop Stap 2 Teken de protonen (+) Stap 3 Teken de elektronen (-) Plaatjes zijn positief + en + = afstoting Plaatjes zijn positief + en + = afstoting

4. Werking elektroscoop met een negatieve staaf 1. In de buurt komen Stap 1 Teken de standen van de elektroscoop Stap 2 Teken de protonen (+) Stap 3 Teken de elektronen (-) Plaatjes zijn negatief - en - = afstoting 2. Aanraken Stap 1 Er springen elektronen over Teken de standen van de elektroscoop Stap 2 Teken de protonen (+) Stap 3 Teken de elektronen (-) Plaatjes zijn negatief - en - = afstoting Plaatjes zijn negatief - en - = afstoting

5. 12 V I = 0,1 A U1= 6 V L1 L2 U2 = 6 V A Experimentele afleiding van elektrische energie E Experiment 1 In experiment 2 is de geproduceerde energie dubbel zo groot als in het eerste proefje. E en U zijn recht evenredig met elkaar E ~ U

6. I = 0,2 A 6 V L1 L2 I1 = 0,1 A I 2= 0,1 A A Experimentele afleiding van elektrische energie E Experiment 2 In het derde proefje is de geproduceerde energie (lichtenergie) dubbel zo groot als in het eerste proefje E en I zijn recht evenredig met elkaar E ~ I

7. James Prescott Joule (1818 – 1889) Experimentele afleiding van elektrische energie E Experiment 3 E van verschillende huishoudtoestellen meten E ~ t Besluit van de vier experimenten E=U∙I ∙t SI-eenheid voor energie 1 Joule = 1 J

8. James Watt (1736 – 1819) Elektrischvermogen (P ) Definitie Vermogen is de geleverde arbeid (W) per tijdseenheid SI-eenheid voor vermogen 1 watt = 1 W = 1V x 1 A 1 kilowatt (kW) = 10³ W 1 megawatt (MW) = 106 W

9. Geladen deeltjes in een elektrisch veld In de ruimte rond een magneet is een magnetisch veld, dat kan worden weergegeven door veldlijnen Evenzo is er rond een lading een elektrisch veld, dat kan worden weergegeven door elektrische veldlijnen Een magneetveld maak je zichtbaar met ijzervijlsel Een elektrisch veld kan je zichtbaar maken met griesmeelkorrels op een olieoppervlak Links het veldlijnenpatroon van een staafmagneet, rechts het veldlijnenpatroon van een elektrisch veld van twee tegengesteld geladen vlakke platen aangesloten op een spanningsbron

10. Geladen deeltjes in een elektrisch veld Bij het tekenen van elektrische veldlijnen gelden de volgende afspraken: • de raaklijn aan een veldlijn geeft de werklijn van de elektrische kracht op een lading in dat punt • de richting van een veldlijn geeft de richting van de elektrische kracht op een positieve lading in dat punt Hoe groter de veldlijnendichtheid in een punt is, des te sterker is het elektrische veld in dat punt Een homogeen elektrisch veld tussen twee tegengesteld geladen platen →

11. Elektrische veldsterkte De elektrische kracht op een geladen deeltje is recht evenredig met de grootte van de lading De elektrische kracht op een lading gedeeld door de grootte van de lading levert een grootheid die niet afhangt van de grootte van de lading: dit noemen we de elektrische veldsterkte E, waarvoor geldt: Hierin is: E de elektrische veldsterkte (in N/C), Fe de elektrische kracht (in N) op een positief geladen deeltje en q de lading (in C) van dat deeltje De elektrische veldsterkte is de elektrische kracht op een lading q van +1 C De elektrische veldsterkte is een vectorgrootheid, de richting is die van de elektrische kracht op een positief geladen deeltje

12. Elektrische energie Een geladen deeltje in een elektrisch veld bevindt zich in een krachtveld en daardoor is er in het deeltje energie opgeslagen: potentiële energie Deze vorm van energie heet elektrische energie Voor een (positief geladen) deeltje dat van de anode A naar kathode K beweegt, geldt: Hierin is: ΔEe de afname van de elektrische energie (in J), ΔEk de toename van de kinetische energie (in J), Fe de elektrische kracht (in N), d de afstand tussen de elektroden (in m), q de lading (in C) van het deeltje en UAK de spanning (in V) over de elektroden

13. Deeltjes versnellen De gloeikathode van een beeldbuis zendt door verhitting negatief geladen deeltjes uit (elektronen), dit heet thermische emissie De lading van elektronen is de elementaire lading -e Tussen de kathode en de anode is een homogeen elektrisch veld dat de elektronen eenparig versnelt Elektronen schieten door een gat in de anode en daarna is de snelheid verder constant, want het veld bevindt zich alleen tussen de twee elektroden

14. Energieomzetting Een elektron dat van de kathode naar de anode beweegt, doorloopt een spanning UAK Omdat we de beginsnelheid kunnen verwaarlozen is de snelheid bij de anode te berekenen met de formule: Deze versnelformule geldt voor alle geladen deeltjes Voor de berekening van de eindsnelheid vA kun je de formule herleiden tot: Een elektron dat een spanning van 1 V doorloopt krijgt een energie van 1 eV → 1 eV = 1,6∙10-19 J

15. Beeldbuis In een beeldbuis met elektronenkanon worden elektronen versneld en na de anode afgebogen met een magnetisch veld (stroomspoelen bij een tv) of een elektrisch veld (platen bij een oscilloscoop) De twee paren stroomspoelen bevinden zich naast de beeldbuis, de afbuiging komt door de lorentzkracht

16. Oscilloscoop De afbuigplaten in een oscilloscoop zorgen voor een elektrische kracht loodrecht op de bewegingsrichting, de baan van de elektronen in het veld is als die bij een horizontale worp (parabool) Na het passeren van de platen is de baan een rechte lijn totdat ze het scherm treffen. Voor de horizontale afbuiging wordt een zaagtandspanning gebruikt

17. Röntgenbuis In een röntgenbuis worden de elektronen versneld door hoge spanning tussen de kathode en de anode. De versnelde elektronen botsen tegen een wolfraam trefplaatje op de anode Bij die botsing wordt de kinetische energie geheel of gedeeltelijk omgezet in röntgenstraling, die via een venster in de wand de buis verlaat

18. Lineaire deeltjesversneller In een lineaire versneller krijgen geladen deeltjes (b.v. protonen of elektronen) een grote snelheid om ze met atoomkernen te laten botsen In de versneller doorlopen de deeltjes tussen twee buizen een spanning, als de deeltjes zich in een buis bevinden wordt de spanning omgepoold zodat ze steeds weer in de tussenruimte versneld worden

19. Lorentzkracht In een magnetisch veld ondervinden bewegende elektrisch geladen deeltjes een lorentzkracht die voor een verandering van de bewegingsrichting kan zorgen Positief geladen deeltjes bewegen zich in de stroomrichting, negatief geladen deeltjes in de tegengestelde richting. De richting van de lorentzkracht bepaal je met de rechterhandregel

20. Geladen deeltjes in een magnetisch veld We beperken ons tot deeltjes die loodrecht op de richting van het magnetisch veld bewegen De lorentzkracht staat steeds loodrecht op de bewegingsrichting (dus de snelheid) van de deeltjes De lorentzkracht werkt als middelpuntzoekende kracht en het deeltje gaat in een cirkelbaan bewegen Voor de grootte van de lorentzkracht geldt: Hierin is: FL de lorentzkracht (in N), B de magnetische inductie (in T), q de lading (in C) en v de snelheid (in m/s) van het deeltje

21. Deeltjes afbuigen Een elektronenbundel kan met het magnetisch veld van twee stroomspoelen worden afgebogen De elektronen doorlopen daarbij een (deel van een) cirkelbaan, waarbij de magnetische inductie (dus de stroomsterkte in de spoel) de straal van de cirkel beïnvloedt: Bij het ompolen van de spanning over de spoelen keert de magnetische inductie en daarmee de lorentzkracht om De elektronenbundel wordt nu in tegengestelde richting afgebogen

22. Zwart-wit-tv Een zwart-wit-tv bevat de volgende onderdelen: • elektronenbron Elektronen komen vrij door thermische emissie in een nikkelen buisje (kathode) • bundelsysteem Een wehneltcilinder zorgt voor een smalle, evenwijdige elektronenbundel De anode zit achter de afbuigspoelen en zorgt ervoor dat de elektronen voldoende energie hebben om het scherm te doen oplichten • anode • afbuigspoelen Twee paar spoelen zorgen voor horizontale en verticale afbuiging • beeldscherm Een fluorescerende laag straalt wit licht uit op de plaats waar de bundel het scherm treft In 0,04 s (bij 100 Hz in 0,02 s) schrijft de elektronenbundel een beeld op het scherm, het beeld bestaat uit 625 lijnen Elektronica regelt de intensiteit van de bundel

23. Hallsensor De hallsensor wordt gebruikt voor het meten van de magnetische inductie van een magnetisch veld Door een dun plaatje halfgeleidermateriaal loopt een stroom, het plaatje wordt loodrecht op de veldlijnen van het te meten magnetisch veld geplaatst De bewegende geladen deeltjes in het plaatje worden door de lorentzkracht afgebogen, over het plaatje ontstaat in de dwarsrichting een spanning Uh De grootte van Uh hangt af van de magnetische inductie B

24. c. Verband Epot en V. • . Stel in het veld van Q is V1 = 3 V op een afstand r. Dus een lading van +1 C heeft een energie van 3 J. • Als je nu op die plaats een lading Q’ zet van 2C, wat is dan zijn energie ? Epot = V1.Q’ = 3V.2C = 6J.

25. d. Arbeid als verplaatsing in elektrisch veld • Stel dat Q’ zich verplaatst van V1 = 3 V naar V2 = 0 V. Dan wil dit zeggen dat zijn potentiële energie verandert. • MAAR de energie verandert als je arbeid verricht, Dus als een lading zich verplaatst van Va naar Vb, verricht hij arbeid. • We hebben vroeger gezien :

26. W = ∆Epot = Ep1 – Ep2 = V1.Q’ – V2.Q’ = Q’ . ( V1 – V2 ) • Dus W = Ep = Q’. ( V1 – V2 ) BEGIN – EINDSITUATIE !

27. Waar treedt dit op ? Bij elektrische stroom : elektrische energie wordt omgezet in andere energie zoals bvb warmte. • !! W kan positief of negatief zijn : • *als W > 0 heb je een verplaatsing volgens de zin van de veldkracht. • * als W < 0 heb je een verplaatsing tegen de zin van de veldkracht.

28. magnetisch veld rond permanente magneten

29. 1. magnetisch veld rondom een staafmagneet

32. 2. magnetisch veld rondom 2 ongelijknamige polen

35. 3. magnetisch veld rondom 2 gelijknamige polen

38. 4. magnetisch veld rondom een hoefijzermagneet

41. Magnetische zuidpool Geografische noordpool Magnetische veldlijnen   Magnetische as Rotatie-as 

42. De zon zendt voortdurend, naar alle kanten, elektrisch geladen deeltjes met grote snelheid uit (elektronen, protonen, enz). Dat is de zonnewind. De zonnewind botst op het magnetisch veld van de aarde en vervormt de veldlijnen. De blauwe gebieden rond de aarde zijn de Van Allen-gordels: gebieden waarin zeer veel elektrisch geladen deeltjes aanwezig zijn. In feite zijn dit sterk radioactieve gebieden: een gevaar voor de bemande ruimtevaart !

44. Electrisch geladen deeltjes die in de nabijheid van de aarde komen worden gevangen in het magnetisch veld. Zo’n deeltje blijft voortdurend rond een magnetische veldlijn spiraliseren, van de ene kant van de aarde naar de andere. Daar waar die deeltjes in de atmosfeer doordringen vormt zich het Noorderlicht (de Aurora).

47. magnetisch veld rond rechte stroomvoerende geleider