Springen naar inhoud

Stroom en spanning


  • Log in om te kunnen reageren

#1

hugodegroot

    hugodegroot


  • 0 - 25 berichten
  • 6 berichten
  • Gebruiker

Geplaatst op 07 juni 2010 - 15:40

Hallo ik zit met een aantal vragen. Ik zit zelf op een middelbare school in de examen klas en doe vwo. Het gaat over spanning en stroom.

Een voorbeeld van wat we op school leren is dat er spanning over een stroom kring staat. In de stroom kring is een weerstand opgenomen. De stroom loopt van de plus pool naar de min pool. In de werkelijkheid loopt de stroom van de min pool naar de plus pool. De spanning wordt recht evenredig verdeelt met de weerstand. Je kan het zien als een heuvel. Het hoogte verschil is het potentiaal verschil. De steilheid van de heuvel is de weerstand. Hoe steiler het stuk hoe sneller het hoogte afname. Oftewel bij een grotere weerstand neemt het voltage sneller af alles in verhouding met de totale weerstand van de kring. De eerste vraag die ik stel is, klopt dit verhaal?

Nou was ik aan het studeren voor mijn Natuurkunde examen dit jaar en toen was ik een soort samenvatting aan het maken. Het stukje werd net even wat langer dan ik geplant had omdat ik het niet helemaal snapte. Ik hoopte dat door het probleem uit te schrijven het begrijpelijker te maken. Het tegendeel werd werkelijkheid. Het ging over het zelfde onderwerp als hierboven uitgelegd.

Ik ging er van uit dat er elektronen door een stroomkring lopen van de min pool naar de plus pool. In de tweede klas hebben wij geleerd dat elektronen pakketjes mee nemen. Energie pakketjes. En die geven ze af als er bijvoorbeeld een lampje in de stroomkring is opgenomen. Vanuit die invalshoek ging ik mijn samenvatting schrijven. Elektronen die energie bezitten. Nu is mijn tweede vraag, die mijn leraar overigens niet kon beantwoorden. Hoe bezitten deze elektronen energie? Trillen ze of bezitten ze een soort van quatum spin (ik weer overigens niks af quatum mechanica). Die vraag kon ik ook niet beantwoorden met wikipedia dus ben ik verder gegaan. Ik ging er dus van uit dat elektronen energie bezitten en die afgeven. Maar waarom geven ze deze energie af? Of waarom houden ze deze energie niet gewoon? Toen dacht ik aan weerstand. Elektronen geven hun energie af wanneer ze weerstand ondervinden. Weerstand kan je dat dan zien als wrijvingskracht? Oke ze verliezen dus energie als ze weerstand ondervinden. Toen stuitte ik wel op iets heel merkwaardigs. Het aantal energie wat ze verliezen (voltage) is niet evenredig met de hoeveelheid weerstand ze tegen komen. Vertel ik dit correct? Een voorbeeld, of de kring nou 5ohm is of 5000ohm ze verliezen altijd die 6 volt. Het is alsof de elektronen weten dat ze nog een hele weg te volgen hebben en kunnen denken. Denken over wanneer hoeveel energie ze moeten weg geven of toch maar inhouden tot later.

Mijn eigen leraar kon me niks anders uitleggen dan het verhaal boven aan. Ik hoop dat hier een paar mensen zijn die me in de goede richting kunnen sturen.

Alvast bedankt,

Hugo

Dit forum kan gratis blijven vanwege banners als deze. Door te registeren zal de onderstaande banner overigens verdwijnen.

#2


  • Gast

Geplaatst op 07 juni 2010 - 16:47

Ha Hugo wat een leuke vragen! Hoor je niet vaak zo, vandaar dat de leraar het ook niet zo direct zal weten. Ik weet het ook niet precies maar ik wil wel meedenken. Als ik iets verkeerd zeg misschien wil dan iemand anders dat verbeteren.

1. Elektronen hebben een negatieve lading. Dit verklaart waarom de elektronen de ene kant op gaan en de stroom de andere kant op.
2. Maar waarom is dan de stroom de andere kant op gedefinieerd? Dat mag jij zeggen, denk aan je verhaal over de spanningen.
3. Wat is de energie van een elektron? Volgens mij zit hem dat in de lading die hij draagt. Misschien heb je van de elektronvolt gehoord? Dat is een energiehoeveelheid, de energie van fotonen (licht) wordt daarmee gemeten. Dat wetende kun je ook bepalen waar de energie in zit, immers het woord volt heeft te maken met een spanning. Vergelijk het ook eens met de aarde en de aantrekkingskracht, hoogte, massa en potentiele energie enzo.
4. De laatste vraag is de aardigste, weet een elektron wat hij moet doen zodat het aan het eind goed komt? Nee dat weet hij niet, hij wordt door omstandigheden gedwongen te gedragen zoals hij doet. We kunnen doorfilosoferen als je dat wilt maar probeer eerst zelf eens om met bovenstaande gegevens te verklaren hoe e.e.a in z'n werk zou kunnen gaan.
Succes,

#3

hugodegroot

    hugodegroot


  • 0 - 25 berichten
  • 6 berichten
  • Gebruiker

Geplaatst op 07 juni 2010 - 18:03

Om even terug te komen op je antwoord.

- "1. Elektronen hebben een negatieve lading. Dit verklaart waarom de elektronen de ene kant op gaan en de stroom de andere kant op.
2. Maar waarom is dan de stroom de andere kant op gedefinieerd? Dat mag jij zeggen, denk aan je verhaal over de spanningen."

Kan ik aanvullen met een citaat van Wikipedia;
"Traditioneel wordt elektrische stroom uitgedrukt als de verplaatsing van positieve lading. Nu het bekend is dat elektrische stroom doorgaans wordt veroorzaakt door elektronen die zich in tegengestelde richting verplaatsen, heeft men het elektron per definitie een negatieve lading toegekend. De oude definitie van stroomrichting blijft daarom van kracht."

- "3. Wat is de energie van een elektron? Volgens mij zit hem dat in de lading die hij draagt. Misschien heb je van de elektronvolt gehoord? Dat is een energiehoeveelheid, de energie van fotonen (licht) wordt daarmee gemeten. Dat wetende kun je ook bepalen waar de energie in zit, immers het woord volt heeft te maken met een spanning. Vergelijk het ook eens met de aarde en de aantrekkingskracht, hoogte, massa en potentiele energie enzo."

De lading heeft niks de maken met de energie (spanning) die hij draagt, een voorbeeld is dat wanneer de elektron bij de plus pool is aangekomen heeft het elektron geen energie meer. De lading blijft echter nog altijd het zelfde. Elektronvolt is een energie maat voor fotonen en elektronen. Hoe groter de energie van een foton hoe groter de frequentie daarvan. Het foton is ontstaan door een val van een elektron naar een lagere energie niveau in een atoom. Met elektronen heeft het te maken met kinetische energie ook wel snelheid energie genoemd. Die energie heeft hij verkregen door bijvoorbeeld het magnetisch veld wat staat tussen twee geladen platen het potentiaal verschil is tevens de energie die hij verkregen heeft, daarom de naam elektronvolt. Waarom de naam elektronvolt is toegeŽigend aan het feit dat elektronen vallen in een ander energieniveau is mij nog onduidelijk. Wikipedia kan het mij ook niet vertellen. Elektronvolt heeft denk ik niets te maken met elektronen in een stroom kring omdat er geen magnetisch veld heerst (zo ver ik weet). En de elektronen in een stroom kring heeft niks te maken met elektronvolt, de snelheid in een serie schakeling is aan het begin het zelfde als aan het einde de voltage niet. Terwijl de energie van het elektron afneemt.

Op de laatste vraag kan ik nog niet een goed antwoord bedenken.


Maar bedankt voor je antwoord misschien komen we zo een stapje dichter bij de oplossing.

#4

ZVdP

    ZVdP


  • >1k berichten
  • 2097 berichten
  • VIP

Geplaatst op 07 juni 2010 - 18:35

De potentiŽle energie van een geladen deeltje in een veld is E=qV.
Doorheen de schakeling (daar waar de spanning afneemt) zal dus ook potentiŽle energie afnemen (van een positief geladen deeltje, vandaar dat elektronen van lage naar hoge potentiaal gaan).
Net zoals een massa in een gravitatieveld zou de snelheid van het deeltje moeten toenemen.
Echter er is nog een kracht in het spel, die je kan modelleren als een wrijvingskracht. Deze heeft als gevolg dat de snelheid niet onbeperkt blijft toenemen, maar satureert bij een bepaalde waarde; de snelheid neemt toe, daardoor ook de wrijving, dus de snelheid neemt weer af. Bij een bepaalde snelheid is het in evenwicht en blijft de snelheid constant.
De energie die nu niet in versnelling wordt gestoken, komt nu vrij als warmte.
"Why must you speak when you have nothing to say?" -Hornblower
Conserve energy: Commute with a Hamiltonian

#5


  • Gast

Geplaatst op 07 juni 2010 - 19:03

Ja zoals mijn voorganger zegt, een elektron heeft wel degelijk energie omdat hij zich in een spanningsveld bevindt. Het is waar dat een elektron in een magnetisch veld wordt afgebogen maar dat heeft niets te maken met de energie. Dat komt doordat het bewegende elektron voor de buitenwereld feitelijk een stroom is, die samen met een magnetisch veld een kracht oplevert (F=BIl). Maar als een elektron tot stilstand komt, is er geen stroom meer en is de enige manier om hem weer te versnellen een elektrisch spanningsveld. Om ťťn elektronvolt aan energie toe te voegen zal het een meewaartse spanningsval van een volt moeten doorlopen.
Waar denk je dat deze energie vandaan komt en waar deze blijft?

Over je laatste vraag, denk eens aan een stad als Chicago. Alle straten vormen een rooster. Waar het druk is komen de auto's niet vooruit (ook al zouden ze de keus hebben). Als er een gat valt rijden daar direct auto's in en vullen zo het gat. Bredere straten laten meer auto's toe.

Succes weer

#6

hugodegroot

    hugodegroot


  • 0 - 25 berichten
  • 6 berichten
  • Gebruiker

Geplaatst op 08 juni 2010 - 15:53

-"Doorheen de schakeling (daar waar de spanning afneemt) zal dus ook potentiŽle energie afnemen (van een positief geladen deeltje, vandaar dat elektronen van lage naar hoge potentiaal gaan)."

Wat ik geleerd heb, is dat bijvoorbeeld bij een val een object het potentie heeft om snelheid te krijgen. Het heeft op het hoogste punt dus een hoog potentiaal. Het valt en het potentiaal aan energie word omgezet in snelheid. Op het laagste punt heeft het dus 0 potentie om nog te versnellen en heeft het object dus een laag potentiaal. Mijn gedachte is dus dat een elektron van een hoog potentiaal naar een laag potentiaal gaat. In tegenstelling tot ZVdP zijn antwoord. Maar wat gebeurt er met het elektron. Bij een vallend object zal de snelheid toe nemen en de potentiaal afnemen. Zal het elektron net als bij het object versnellen. En dan nog een vraag. Wat voor kracht werkt er dan op het elektron. Bij een vallend object is dat de zwaartekracht. Een magnetisch veld door een stroomdraad? Nog nooit van gehoord misschien dat iemand mij dat kan uitleggen. Wat ik wel weet is dat er een magnetisch veld om de draad zit, niet in. Hier heb je ook de rechterhand regel voor.

-"Net zoals een massa in een gravitatieveld zou de snelheid van het deeltje moeten toenemen.
Echter er is nog een kracht in het spel, die je kan modelleren als een wrijvingskracht. Deze heeft als gevolg dat de snelheid niet onbeperkt blijft toenemen, maar satureert bij een bepaalde waarde; de snelheid neemt toe, daardoor ook de wrijving, dus de snelheid neemt weer af. Bij een bepaalde snelheid is het in evenwicht en blijft de snelheid constant.
De energie die nu niet in versnelling wordt gestoken, komt nu vrij als warmte."

Okť, gaande weg word de potentiŽle energie omgezet in snelheid. En door de weerstand wordt het elektron afgeremd. Het klopt dan ook dat elektronen in een stroomkring met een kleinere weerstand sneller voortbewegen, de AmpŤre is groter. Daar heb je de formule I=U/R voor. Word de weerstand kleiner en de spanning blijft gelijk dan heb je als uitkomst dat de stroom groter wordt.

De conclusie is dus dat elektronen een potentiaalverschil doorlopen en daarbij hun snelheid omzetten in warmte. Maar wat voor kracht werkt er dan precies in zo'n stroomkring op het elektron?

Veranderd door hugodegroot, 08 juni 2010 - 15:57


#7

ZVdP

    ZVdP


  • >1k berichten
  • 2097 berichten
  • VIP

Geplaatst op 08 juni 2010 - 16:06

De drijvende kracht voor een elektron in een draad is het elektrisch veld.

Waarom een elektron nu juist van lage naar hoge potentiaal gaat komt door de negatieve lading:
Epot=qV
PotentiŽle energie wordt altijd zo klein mogelijk gemaakt: q*100V<q*50V, omdat q<0.
"Why must you speak when you have nothing to say?" -Hornblower
Conserve energy: Commute with a Hamiltonian

#8

hugodegroot

    hugodegroot


  • 0 - 25 berichten
  • 6 berichten
  • Gebruiker

Geplaatst op 08 juni 2010 - 16:36

-"Waarom een elektron nu juist van lage naar hoge potentiaal gaat komt door de negatieve lading"

Okť, dat had ik kunnen weten.

-"De drijvende kracht voor een elektron in een draad is het elektrisch veld."

Nu komen er allemaal andere vragen in mijn hoofd. Ik moet het even laten bezinken allemaal.

#9


  • Gast

Geplaatst op 09 juni 2010 - 08:32

Jammer dat er nog geen theoreticus in de discussie meepraat. Op praktisch niveau wordt helemaal niet over deze zaken gesproken, is gewoon de weerstand, de stroom, het voltage van belang. Maar ik vind het leuk om hier ook eens over na te denken.
Het elektron heeft een negatieve lading en wordt dus aangetrokken door positief geladen deeltjes. De kracht zal omgekeerd evenredig zijn met de afstand en rechtevenredig met de twee ladingen (wet van Coulomb dacht ik). In het luchtledige zal een elektron naar een positief geladen deeltje vallen met steeds toenemende snelheid. Hij volgt hierbij dezelfde wetten als een voorwerp in een gravitatieveld. De potentiele energie in een gravitatieveld is vergelijkbaar met die in een elektrostatisch veld, en ze worden beide omgezet in kinetische energie. Volgens mij spreek je ook in het electrostatisch veld van een deeltje van een voltage, op zo'n manier dat dicht bij het deeltje de spanning positief is en verder weg vrijwel nul. Een elektron zal dan naar een positief deeltje toevallen, omdat daar immers de spanning hoger (meer positief) is.
In een draad is ook een spanningsverschil nodig om de electronen te laten bewegen. Haal je de spanning eraf, dan stopt de stroom direct. Er moet voortdurend arbeid worden verricht om de stroom op gang te houden. Overigens vangen positief geladen atomen steeds passerende elektronen in en stoten een andere uit, de elektronen schieten niet van voor naar achter door de draad. De weerstand wordt veroorzaakt door hoeveelheid en aard van de uitwisselingen en de energie die daarbij aan de atomen wordt afgegeven.
Ook leidt een hogere stroomsterkte niet tot een hogere snelheid van de elektronen, maar tot meer bewegende elektronen. Een stroom beweegt zich voor zover ik weet altijd met de snelheid van het licht door een geleider, hoe groot zijn weerstand ook is. Dit verklaart dat een draad niet even blijft stromen als de spanning wegvalt.
Kortom, de stroom in een geleider is niet vergelijkbaar met een vallend deeltje, ook niet met een buis waar water door stroomt. Het is een erg gecompliceerd systeem, wat waarschijnlijk de reden is dat er alleen maar gewerkt wordt met de stroom, het voltage en de weerstand. Ik heb de theorie erover zelfs niet op de TU gehad, dus ik zou hier niet verder over theoretiseren totdat je niet meer voldoende hebt aan de praktisch gebruikte wetten.

Nog even over het magnetisch veld: een magnetisch veld trekt geen electronen aan tenzij zij al bewegen. In dat geval vormen de electronen een stroom, die vergelijkbaar is met de stroom door een draad. En daarvoor geldt inderdaad de wet genoemd naar Lorentz, F=BIl en de linkerhandregel (wikipedia lorentz). Practisch gezien kan een magnetisch veld alleen electronen afbuigen. Ik neem aan dat daarbij energieuitwisseling plaats vindt (er is sprake van een centripetale versnelling) maar daar weet ik verder niets van af.
Succes,

#10

ZVdP

    ZVdP


  • >1k berichten
  • 2097 berichten
  • VIP

Geplaatst op 09 juni 2010 - 08:58

Ook leidt een hogere stroomsterkte niet tot een hogere snelheid van de elektronen, maar tot meer bewegende elektronen.

Niet waar. Alle vrije elektronen in een geleider dragen bij tot geleiding. Bij hogere spanningen komen er niet ineens van ergens meer elektronen opzetten.

Een stroom beweegt zich voor zover ik weet altijd met de snelheid van het licht door een geleider, hoe groot zijn weerstand ook is.

Ook niet waar. Een elektrisch veld verplaatst zich tegen ongeveer de lichtsnelheid door een geleider. De stroom, de elektronen dus, tegen verassend lage netto snelheden.

Dit verklaart dat een draad niet even blijft stromen als de spanning wegvalt.

Dit doet het in theorie wel, maar natuurlijk zťťr zťťr kort.
Geleiding moet je verklaren aan de hand van quantum mechanica. Als je hier de berekeningen doet (SchrŲdinger vergelijking, Kronig-Penny model) dan kom je iets verassend simpel uit:
LaTeX
In een rooster gedraagt een elektron zich alsof het zich in de vrije ruimte zou bevinden, maar met een aangepaste massa, de effectieve massa m*

Kortom, de stroom in een geleider is niet vergelijkbaar met een vallend deeltje, ook niet met een buis waar water door stroomt.

Eigenlijk dus een beetje wel, zeker op macroscopisch niveau.
En zelfs een beetje op microscopisch; elektronische componenten zoals transistoren kan je vrij accuraat beschrijven, dmv vereevoudigde kwantummechanische vergelijkingen, door gebruik te maken van diffusie en drift van elektronen, exact zoals een vervuilende stof zich verspreidt in water.

Veranderd door ZVdP, 09 juni 2010 - 08:59

"Why must you speak when you have nothing to say?" -Hornblower
Conserve energy: Commute with a Hamiltonian

#11


  • Gast

Geplaatst op 09 juni 2010 - 09:21

ZvdP, bedankt voor uw correcties, hoewel ook niet helemaal juist. Ik heb niet beweerd dat er ergens electronen vandaan komen, alleen dat er meer (in het materiaal aanwezige) electronen zodanig gaan bewegen dat er ladingtransport optreedt. Aan de andere kant, op de plaats waar je een negatieve pool aansluit, worden er wel degelijk electronen toegevoegd aan de draad.
Maar inderdaad, de elektronen zullen zich niet met de lichtsnelheid verplaatsen, dat is het veld. Daardoor 'merkt' een elektron aan het begin van de draad dat de spanningsbron weggevallen is, en afremmen onder invloed van de 'wrijvingskrachten'. Misschien ook, doordat er anders een negatieve lading op ťťn eind van de draad zou komen die volgende electronen afstoot?
Ik ben het met u eens dat kwantummechanica nodig is om de verschijnselen te beschrijven maar dat is niet voor een middelbare scholier weggelegd. Toch kun je met de simpelere wetten nog een heel eind komen om niet al te microscopische verschijnselen te verklaren, en dat is denk ik wat hier de bedoeling is.

#12

ZVdP

    ZVdP


  • >1k berichten
  • 2097 berichten
  • VIP

Geplaatst op 09 juni 2010 - 09:48

ZvdP, bedankt voor uw correcties, hoewel ook niet helemaal juist. Ik heb niet beweerd dat er ergens electronen vandaan komen, alleen dat er meer (in het materiaal aanwezige) electronen zodanig gaan bewegen dat er ladingtransport optreedt.

En ik heb gezegd dat dat niet klopt, elk vrij elektron in een metaal draagt bij tot de geleiding, en het aantal vrije elektronen in een metaal is niet afhankelijk van de aangelegde spanning.
"Why must you speak when you have nothing to say?" -Hornblower
Conserve energy: Commute with a Hamiltonian





0 gebruiker(s) lezen dit onderwerp

0 leden, 0 bezoekers, 0 anonieme gebruikers

Ook adverteren op onze website? Lees hier meer!

Gesponsorde vacatures

Vacatures