Natuurkunde 2: Elektriciteit en magnetisme: samenvattingspakket

Formuleoverzichten, de belangrijkste methodestappen voor elk onderwerp en 10 oefenopgaven, met volledige oplossingen achterin.

Nieuwe opgavenTerug naar het vak

Kies in het printvenster “Opslaan als pdf” om een kopie op je apparaat te bewaren.

1Formules en methoden

Wet van Coulomb en elektrische velden

Wet van Coulomb
F = k·|q1q2|/r²
Veld van een puntlading
E = k·|q|/r²
Constante
k = 8,99 × 10⁹ N·m²/C²
Kracht op een lading
F = q·E

Serie- en parallelweerstanden

Weerstanden in serie
Req = R1 + R2 + …
Weerstanden parallel
1/Req = 1/R1 + 1/R2 + …
Twee parallel
Req = R1R2 / (R1 + R2)
Wet van Ohm
V = I·R
Vermogen
P = V·I = I²R = V²/R

Methode

  1. Begin aan het uiteinde van het netwerk dat het verst van de klemmen ligt.
  2. Combineer weerstanden in serie door ze op te tellen, en weerstanden parallel met 1/R = 1/R₁ + 1/R₂ + …
  3. Teken de schakeling na elke stap opnieuw.
  4. Herhaal tot er één weerstand tussen de klemmen over is.

RC- en RL-schakelverschijnselen

Tijdconstante
τ = RC | τ = L/R
Respons
x(t) = x(∞) + [x(0) − x(∞)]·e−t/τ
Condensator bij gelijkstroom
open klemmen; vC kan niet verspringen
Spoel bij gelijkstroom
kortsluiting; iL kan niet verspringen
Eindtoestand
t ≈ 5τ

Methode

  1. Bepaal de beginwaarde vlak na het schakelen: een condensatorspanning en een spoelstroom kunnen niet verspringen.
  2. Bepaal de eindwaarde lang na het schakelen: een condensator gedraagt zich als een open keten, een spoel als een kortsluiting.
  3. Bepaal de tijdconstante: τ = RC of τ = L/R, met de weerstand die de condensator of spoel ziet.
  4. Gebruik x(t) = x(∞) + [x(0) − x(∞)]·e−t/τ.

Magnetische velden & inductie

Lange rechte draad
B = μ0I/(2πr)
Midden van een platte spoel
B = μ0NI/(2R)
Lange solenoïde
B = μ0nI, n = N/L
Constante
μ0 = 4π × 10⁻⁷ T·m/A
Kracht op een draad
F = BIL·sin θ
Kracht op een lading
F = |q|vB·sin θ
Cirkelbeweging
r = mv/(|q|B), T = 2πm/(|q|B)
Evenwijdige draden
F/L = μ0I1I2/(2πd)
Flux
Φ = BA·cos θ
Wet van Faraday
ε = −N·ΔΦ/Δt
Bewegende staaf
ε = BLv
Generator
E0 = NBAω, Erms = E0/√2
Zelfinductie
ε = L·ΔI/Δt, L = μ0N²A/l, W = ½LI²
Wederzijdse inductie
ε2 = M·di1/dt, M = k√(L1L2)
Snelheidsselector en spectrometer
v = E/B, r = √(2mV/|q|)/B

Methode

  1. Reken elke grootheid om naar SI-eenheden: cm naar m, cm² naar m², mT en µT naar T.
  2. Kies de juiste formule: B = μ₀I/(2πr) voor een draad, μ₀NI/(2R) voor het midden van een spoel, μ₀nI in een solenoïde; F = BIL·sin θ of |q|vB·sin θ voor krachten.
  3. Bepaal bij inductie de fluxverandering ΔΦ = Δ(BA·cos θ) en gebruik ε = N·ΔΦ/Δt, of ε = BLv voor een bewegende staaf en NBAω voor een draaiende spoel.
  4. Bepaal richtingen apart met de rechterhandregels, en met de wet van Lenz voor geïnduceerde stromen.

Wisselstroomimpedantie en fasoren

Impedanties
ZR = R, ZL = jωL, ZC = 1/(jωC)
Hoekfrequentie
ω = 2πf
Modulus en hoek
|Z| = √(R² + X²), φ = atan(X/R)
Wet van Ohm met fasoren
V = I·Z

Methode

  1. Reken de frequentie om: ω = 2πf.
  2. Bereken elke reactantie: XL = ωL en XC = 1/(ωC).
  3. Tel impedanties op zoals weerstanden, met Z = R + jX.
  4. Bereken de grootte |Z| = √(R² + X²) en de hoek φ = atan(X/R), en gebruik daarna de wet van Ohm met fasoren.

2Oefenopgaven

1.Wet van Coulomb en elektrische veldenGemiddeld
++5 µC++1 µCP30 cm

Een lading van +5 µC en een lading van +1 µC bevinden zich op 30 cm van elkaar. Punt P ligt op de lijn ertussen, op 18 cm van de eerste lading. Bereken de grootte van de elektrische veldsterkte E in P.

q1 = +5 µCq2 = +1 µCr1 = 18 cmr2 = 12 cm
E = N/C
2.Wet van Coulomb en elektrische veldenMoeilijk
+ + + + + +− − − − − −e⁻2,5 × 10⁷ m/s8 cmE = 2200 N/C

Een elektron komt het homogene veld tussen twee evenwijdige platen binnen met 2,5 × 10⁷ m/s, evenwijdig aan de platen. De platen zijn 8 cm lang en het veld ertussen is 2200 N/C. Lading van het elektron 1,602 × 10⁻¹⁹ C, massa 9,109 × 10⁻³¹ kg; verwaarloos de zwaartekracht. Hoe ver y is het zijwaarts afgebogen als het de platen verlaat? Geef het antwoord in mm.

v₀ = 2,5 × 10⁷ m/sL = 8 cmE = 2200 N/Ce = 1,602 × 10⁻¹⁹ Cme = 9,109 × 10⁻³¹ kg
y = mm
3.Serie- en parallelweerstandenGemiddeld
R1​ = 10 ΩR3​ = 3 Ω+−V1​24 VR2​8 ΩIR2​AR4​3 ΩB

Vind de stroom IR2 door R2.

V1 = 24 VR1 = 10 ΩR2 = 8 ΩR3 = 3 ΩR4 = 3 Ω
IR2 = A
4.Serie- en parallelweerstandenMoeilijk
R1​ = 12 ΩR3​ = 5 ΩR5​ = 6 Ω+−V1​6 VR2​10 ΩIR2​AR4​6 ΩBR6​30 Ω

Vind de stroom IR2 door R2.

V1 = 6 VR1 = 12 ΩR2 = 10 ΩR3 = 5 ΩR4 = 6 ΩR5 = 6 ΩR6 = 30 Ω
IR2 = A
5.RC- en RL-schakelverschijnselenGemiddeld
R = 50 Ωt = 0L150 mHi(t)

De spoel voert een constante stroom van 2 A. Op t = 0 sluit de schakelaar de kring via R en wordt de bron verwijderd, zodat de spoelstroom via R uitdooft. Vind de stroom i op t = 5 ms.

i(0) = 2 AR = 50 ΩL = 150 mHt = 5 ms
i = A
6.RC- en RL-schakelverschijnselenMoeilijk
+−Vs​6 Vt = 0R = 2,2 kΩC10 µF+−vC​vC​(0) = 8 V

Vlak voordat de schakelaar op t = 0 sluit, staat er 8 V over de condensator met de aangegeven polariteit. Hoe lang duurt het voordat vC 7 V bereikt? Vind t.

Vs = 6 VR = 2,2 kΩC = 10 µFvC(0) = 8 V
t = ms
7.Magnetische velden & inductieGemiddeld
+v = 6 × 10⁶ m/sr = ?B = 0,2 T

Een alfadeeltje beweegt met 6 × 10⁶ m/s loodrecht op een homogeen magnetisch veld van 0,2 T. Bepaal de straal r van zijn cirkelbaan.

m = 6,645 × 10⁻²⁷ kg|q| = 3,204 × 10⁻¹⁹ Cv = 6 × 10⁶ m/sB = 0,2 T
r = cm
8.Magnetische velden & inductieMoeilijk
E = 1 × 10⁵ V/m, B1​ = 0,05 T

In een snelheidsselector laten gekruiste velden E = 1 × 10⁵ V/m en B = 0,05 T alleen ionen met één snelheid rechtdoor gaan. Bepaal die snelheid v.

E = 1 × 10⁵ V/mB1 = 0,05 T
v = m/s
9.Wisselstroomimpedantie en fasorenGemiddeld
120 V50 HzR = 60 ΩL = 100 mHI

Een weerstand en een spoel zijn parallel aangesloten op een voeding van 120 V (rms), 50 Hz. Vind de grootte van de impedantie |Z|.

V = 120 V (rms)f = 50 HzR = 60 ΩL = 100 mH
|Z| = Ω
10.Wisselstroomimpedantie en fasorenMoeilijk
12 V200 HzR1​ = 25 ΩR2​ = 60 ΩC = 47 µF

Een weerstand R1 staat in serie met een parallelschakeling van R2 en een condensator C, aangesloten op een voeding van 12 V (rms), 200 Hz. Vind de grootte van de impedantie |Z|.

V = 12 V (rms)f = 200 HzR1 = 25 ΩR2 = 60 ΩC = 47 µF
|Z| = Ω

3Oplossingen

1.Wet van Coulomb en elektrische velden

Antwoord: E = 763040 N/C

Wet van Coulomb: twee puntladingen trekken elkaar aan of stoten elkaar af met F = k·|q₁·q₂|/r², met k = 8,99 × 10⁹ N·m²/C². Het veld van een puntlading is E = k·|q|/r², gericht van een positieve lading af en naar een negatieve lading toe. Krachten en velden van meerdere ladingen tel je op als vectoren.

Veld van elke lading

E1 = k·5 × 10⁻⁶/0,18² = 1,387 × 10⁶ N/C
E2 = k·1 × 10⁻⁶/0,12² = 624306 N/C

Richtingen en som

Beide ladingen zijn positief: in P wijzen hun velden van de eigen lading af, dus in tegengestelde richting.

E = |1,387 × 10⁶ − 624306| = 763040 N/C

Antwoord

E = 763040 N/C
2.Wet van Coulomb en elektrische velden

Antwoord: y = 1,981 mm

Coulomb’s law: two point charges attract or repel with F = k·|q₁·q₂|/r², with k = 8,99 × 10⁹ N·m²/C². The field of a point charge is E = k·|q|/r², pointing away from a positive charge and towards a negative one. Forces and fields from several charges add as vectors.

Tijd tussen de platen

t = L/v₀ = 0,08/2,5 × 10⁷ = 3,2 × 10⁻⁹ s

Zijwaartse versnelling

a = e·E/m = 1,602 × 10⁻¹⁹·2200/9,109 × 10⁻³¹ = 3,869 × 10¹⁴ m/s²

Doorbuiging

y = ½·a·t² = ½·3,869 × 10¹⁴·(3,2 × 10⁻⁹)² = 0,001981 m = 1,981 mm

Antwoord

y = 1,981 mm

Het elektron wordt naar de positieve plaat geduwd, tegen de veldrichting in.

3.Serie- en parallelweerstanden

Antwoord: IR2 = 0,766 A

Serie- en parallelschakeling: in serie loopt dezelfde stroom door elke weerstand en R = R₁ + R₂ + …. Parallel staat over elke weerstand dezelfde spanning en 1/R = 1/R₁ + 1/R₂ + …. Een laddernetwerk wordt paar voor paar vereenvoudigd tot er één vervangingsweerstand overblijft.

R1​ = 10 ΩR3​ = 3 Ω+−V1​24 VR2​8 ΩAR4​3 ΩB

Combineer weerstanden vanaf het verste uiteinde

Begin bij het uiteinde dat het verst van de bron ligt en werk terug naar de bron. Weerstanden met dezelfde stroom staan in serie; weerstanden tussen dezelfde twee knooppunten staan parallel.

R3 + R4 = 3 + 3 = 6 Ω
R2 ∥ 6 = 8·6/(8+6) = 3,429 Ω
Req = R1 + 3,429 = 10 + 3,429 = 13,43 Ω

Stroom uit de bron

De bron ziet alleen Req, dus de wet van Ohm geeft de stroom die hij levert. Die stroom loopt door R₁.

IR1 = V1/Req = 24/13,43 = 1,787 A

Stroom door R₂

Trek de spanningsval over R₁ af om de spanning in knooppunt A te krijgen; dat is de spanning over R₂.

VA = V1 − IR1·R1 = 24 − 1,787·10 = 6,128 V
IR2 = VA/R2 = 6,128/8 = 0,766 A

Antwoord

IR2 = 0,766 A
4.Serie- en parallelweerstanden

Antwoord: IR2 = 0,1774 A

Serie- en parallelschakeling: in serie loopt dezelfde stroom door elke weerstand en R = R₁ + R₂ + …. Parallel staat over elke weerstand dezelfde spanning en 1/R = 1/R₁ + 1/R₂ + …. Een laddernetwerk wordt paar voor paar vereenvoudigd tot er één vervangingsweerstand overblijft.

R1​ = 12 ΩR3​ = 5 ΩR5​ = 6 Ω+−V1​6 VR2​10 ΩAR4​6 ΩBR6​30 Ω

Combineer weerstanden vanaf het verste uiteinde

Begin bij het uiteinde dat het verst van de bron ligt en werk terug naar de bron. Weerstanden met dezelfde stroom staan in serie; weerstanden tussen dezelfde twee knooppunten staan parallel.

R5 + R6 = 6 + 30 = 36 Ω
R4 ∥ 36 = 5,143 Ω
R3 + 5,143 = 10,14 Ω
R2 ∥ 10,14 = 5,035 Ω
Req = R1 + 5,035 = 12 + 5,035 = 17,04 Ω

Stroom uit de bron

De bron ziet alleen Req, dus de wet van Ohm geeft de stroom die hij levert. Die stroom loopt door R₁.

IR1 = V1/Req = 6/17,04 = 0,3522 A

Stroom door R₂

Trek de spanningsval over R₁ af om de spanning in knooppunt A te krijgen; dat is de spanning over R₂.

VA = V1 − IR1·R1 = 6 − 0,3522·12 = 1,774 V
IR2 = VA/R2 = 1,774/10 = 0,1774 A

Antwoord

IR2 = 0,1774 A
5.RC- en RL-schakelverschijnselen

Antwoord: i = 0,3778 A

Eerste-orde schakelverschijnselen: in een schakeling met één condensator of één spoel gaat elke spanning en stroom exponentieel van de beginwaarde naar de eindwaarde: x(t) = x(∞) + [x(0) − x(∞)]·e−t/τ, met τ = RC of τ = L/R. Na ongeveer 5τ is de schakeling uitgeslingerd.

Tijdconstante

τ = L/R = 150 mH / 50 Ω = 3 ms

Afname van de stroom

i(t) = 2·e−5/3 = 0,3778 A

Antwoord

i = 0,3778 A
6.RC- en RL-schakelverschijnselen

Antwoord: t = 15,25 ms

Eerste-orde schakelverschijnselen: in een schakeling met één condensator of één spoel gaat elke spanning en stroom exponentieel van de beginwaarde naar de eindwaarde: x(t) = x(∞) + [x(0) − x(∞)]·e−t/τ, met τ = RC of τ = L/R. Na ongeveer 5τ is de schakeling uitgeslingerd.

Beginwaarde, eindwaarde, tijdconstante

De condensatorspanning kan niet verspringen, dus begint ze bij de opgeslagen waarde en gaat ze naar de bronspanning.

vC(0) = 8 V, vC(∞) = Vs = 6 V
τ = R·C = 2,2 kΩ · 10 µF = 22 ms
vC(t) = 6 + (8 − 6)·e−t/τ

Los op naar de tijd

7 = 6 + (2)·e−t/τ → e−t/τ = (7 − 6)/(8 − 6) = 0,5
t = τ·ln((8 − 6)/(7 − 6)) = 22·ln(2) = 15,25 ms

Antwoord

t = 15,25 ms
7.Magnetische velden & inductie

Antwoord: r = 62,22 cm

Magnetische krachten: een rechte draad met stroom I in een veld B ondervindt F = BIL·sin θ, en een bewegende lading F = |q|vB·sin θ, waarbij θ de hoek is tussen de stroom (of snelheid) en B. De kracht staat loodrecht op beide: wijs met de vingers van de rechterhand langs I of v, krul ze naar B, en de duim geeft F voor een positieve lading; keer het om voor een negatieve lading. Omdat F loodrecht op v staat, beweegt een lading die dwars door een homogeen veld gaat zich op een cirkel: |q|vB = mv²/r geeft r = mv/(|q|B) en de periode T = 2πm/(|q|B), die niet van de snelheid afhangt. Twee evenwijdige draden trekken elkaar aan bij stromen in dezelfde richting: F/L = μ₀I₁I₂/(2πd).

Krachtenevenwicht

De magnetische kracht staat altijd loodrecht op de snelheid, dus ze buigt de baan tot een cirkel.

|q|vB = mv²/r → r = mv/(|q|B)

Straal

r = 6,645 × 10⁻²⁷·6 × 10⁶/(3,204 × 10⁻¹⁹·0,2) = 0,6222 m = 62,22 cm

Antwoord

r = 62,22 cm
8.Magnetische velden & inductie

Antwoord: v = 2 × 10⁶ m/s

Magnetische krachten: een rechte draad met stroom I in een veld B ondervindt F = BIL·sin θ, en een bewegende lading F = |q|vB·sin θ, waarbij θ de hoek is tussen de stroom (of snelheid) en B. De kracht staat loodrecht op beide: wijs met de vingers van de rechterhand langs I of v, krul ze naar B, en de duim geeft F voor een positieve lading; keer het om voor een negatieve lading. Omdat F loodrecht op v staat, beweegt een lading die dwars door een homogeen veld gaat zich op een cirkel: |q|vB = mv²/r geeft r = mv/(|q|B) en de periode T = 2πm/(|q|B), die niet van de snelheid afhangt. Twee evenwijdige draden trekken elkaar aan bij stromen in dezelfde richting: F/L = μ₀I₁I₂/(2πd).

Geselecteerde snelheid

Onafgebogen: de elektrische kracht qE is in evenwicht met de magnetische kracht qvB.

v = E/B1 = 1 × 10⁵/0,05 = 2 × 10⁶ m/s

Antwoord

v = 2 × 10⁶ m/s
9.Wisselstroomimpedantie en fasoren

Antwoord: |Z| = 27,83 Ω

Wisselstroom met fasoren: weerstanden, spoelen en condensatoren hebben impedanties R, jωL en 1/(jωC), met ω = 2πf. In serie tellen impedanties op zoals weerstanden, maar dan als complexe getallen. Effectieve stroom en spanning volgen de wet van Ohm met |Z|.

Reactantie

XL = ωL = 2π·50·0,1 = 31,42 Ω

Takstromen

Beide takken zijn rechtstreeks op de voeding aangesloten, dus elke tak krijgt de volle spanning V.

IR = V/R = 120/60 = 2 A
IX = V/XL = 120/31,42 = 3,82 A

Totale stroom

De stroom door de weerstand is in fase met V en de reactieve stroom is 90° uit fase, dus ze tellen op als de zijden van een rechthoekige driehoek.

I = √(IR² + IX²) = √(2² + 3,82²) = 4,312 A

Impedantie

|Z| = V/I = 120/4,312 = 27,83 Ω

Antwoord

|Z| = 27,83 Ω
10.Wisselstroomimpedantie en fasoren

Antwoord: |Z| = 33,34 Ω

Wisselstroom met fasoren: weerstanden, spoelen en condensatoren hebben impedanties R, jωL en 1/(jωC), met ω = 2πf. In serie tellen impedanties op zoals weerstanden, maar dan als complexe getallen. Effectieve stroom en spanning volgen de wet van Ohm met |Z|.

Reactantie

XC = 1/(2π·200·47·10⁻⁶) = 16,93 Ω

Parallelschakeling

Vermenigvuldig teller en noemer met de complex geconjugeerde om Zp te splitsen in een reëel en een imaginair deel.

Zp = R₂·(−jXC)/(R₂ − jXC) = (R₂·XC² − jR₂²·XC)/(R₂² + XC²)
Zp = 4,425 − j15,68 Ω

Totale impedantie

Z = 25 + 4,425 − j15,68 = 29,43 − j15,68 Ω
|Z| = √(29,43² + 15,68²) = 33,34 Ω

Antwoord

|Z| = 33,34 Ω

ExamProblems · examproblems.com/courses/physics-2-electricity-and-magnetism