Natuurkunde 2: Elektriciteit en magnetisme: samenvattingspakket

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

Nieuwe opgaven Terug 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: R_eq = R₁ + R₂ + …
Weerstanden parallel: 1/R_eq = 1/R₁ + 1/R₂ + …
Twee parallel: R_eq = R₁R₂ / (R₁ + R₂)
Wet van Ohm: V = I·R
Vermogen: P = V·I = I²R = V²/R

Methode

Begin aan het uiteinde van het netwerk dat het verst van de klemmen ligt.
Combineer weerstanden in serie door ze op te tellen, en weerstanden parallel met 1/R = 1/R₁ + 1/R₂ + …
Teken de schakeling na elke stap opnieuw.
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; v_C kan niet verspringen
Spoel bij gelijkstroom: kortsluiting; i_L kan niet verspringen
Eindtoestand: t ≈ 5τ

Methode

Bepaal de beginwaarde vlak na het schakelen: een condensatorspanning en een spoelstroom kunnen niet verspringen.
Bepaal de eindwaarde lang na het schakelen: een condensator gedraagt zich als een open keten, een spoel als een kortsluiting.
Bepaal de tijdconstante: τ = RC of τ = L/R, met de weerstand die de condensator of spoel ziet.
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, E_rms = 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

Reken elke grootheid om naar SI-eenheden: cm naar m, cm² naar m², mT en µT naar T.
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.
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.
Bepaal richtingen apart met de rechterhandregels, en met de wet van Lenz voor geïnduceerde stromen.

Wisselstroomimpedantie en fasoren

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

Methode

Reken de frequentie om: ω = 2πf.
Bereken elke reactantie: X_L = ωL en X_C = 1/(ωC).
Tel impedanties op zoals weerstanden, met Z = R + jX.
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

Twee identieke kleine metalen bolletjes hebben ladingen van −1 µC en −8 µC. Ze worden tegen elkaar aan gehouden en daarna weer op 15 cm van elkaar gezet. Vind de grootte van de kracht F tussen hen nu. Use k = 8,99 × 10⁹ N·m²/C².

q₁ = −1 µCq₂ = −8 µCr = 15 cm

F = N

2.Wet van Coulomb en elektrische veldenMoeilijk

Drie positieve puntladingen bevinden zich op de hoekpunten van een rechthoekige driehoek: q₃ = 8 µC zit in het hoekpunt met de rechte hoek, q₁ = 1 µC zit 8 cm daarvandaan langs de ene rechthoekszijde en q₂ = 6 µC zit 6 cm daarvandaan langs de andere rechthoekszijde. Bereken de grootte van de resulterende elektrische kracht F op q₃.

q₁ = 1 µCq₂ = 6 µCq₃ = 8 µCr₁₃ = 8 cmr₂₃ = 6 cm

F = N

3.Serie- en parallelweerstandenGemiddeld

Vind de vervangingsweerstand R_eq die de bron V₁ ziet.

V₁ = 18 VR₁ = 12 ΩR₂ = 8 ΩR₃ = 20 ΩR₄ = 3 Ω

R_eq = Ω

4.Serie- en parallelweerstandenMoeilijk

Vind de vervangingsweerstand R_eq die de bron V₁ ziet.

V₁ = 5 VR₁ = 4 ΩR₂ = 6 ΩR₃ = 10 ΩR₄ = 30 ΩR₅ = 8 ΩR₆ = 20 Ω

R_eq = Ω

5.RC- en RL-schakelverschijnselenGemiddeld

De bron Vₛ laadt de condensator op via R₁, en R₂ staat parallel aan C. De condensator is ongeladen als de schakelaar op t = 0 sluit. Vind de tijdconstante τ van de schakeling nadat de schakelaar sluit.

V_s = 20 VR₁ = 10 kΩR₂ = 4,7 kΩC = 100 µF

τ = ms

6.RC- en RL-schakelverschijnselenMoeilijk

De schakelaar is al lang gesloten, dus de schakeling is in de stationaire toestand. Op t = 0 gaat de schakelaar open. Vind de stroom i₂ door R₂ op t = 100 ms.

V_s = 10 VR₁ = 4,7 kΩR₂ = 6,8 kΩC = 22 µFt = 100 ms

i₂ = mA

7.Magnetische velden & inductieGemiddeld

Een spoel met 100 windingen heeft een oppervlakte van 25 cm². Een homogeen veld loodrecht op de spoel neemt in 500 ms gelijkmatig toe van 0,1 T tot 0,9 T. Bepaal de gemiddelde geïnduceerde EMK ε.

N = 100A = 25 cm²B: 0,1 T → 0,9 TΔt = 500 ms

ε = mV

8.Magnetische velden & inductieMoeilijk

Een spoel met 500 windingen, 5 cm × 15 cm, draait met 600 rpm in een homogeen veld van 0,4 T om een as loodrecht op het veld. Bepaal de effectieve waarde E_rms van de EMK.

N = 500A = 5 cm × 15 cmB = 0,4 Tn = 600 rpm

E_rms = V

9.Wisselstroomimpedantie en fasorenGemiddeld

Een serie-RLC-schakeling is aangesloten op een voeding van 230 V (rms), 100 Hz. Vind de fasehoek φ van de impedantie, in graden (positief als de stroom achterloopt op de spanning).

V = 230 V (rms)f = 100 HzR = 40 ΩL = 250 mHC = 47 µF

φ = °

10.Wisselstroomimpedantie en fasorenMoeilijk

Een serie-RLC-schakeling is aangesloten op een voeding van 100 V (rms), 60 Hz. Vind de effectieve spanning V_C over de condensator.

V = 100 V (rms)f = 60 HzR = 50 ΩL = 150 mHC = 4,7 µF

V_C = V

3Oplossingen

1.Wet van Coulomb en elektrische velden

Antwoord: F = 8,091 N

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.

Lading na het aanraken

q′ = (−1 + −8)/2 = −4,5 µC

Nieuwe kracht

F = 8,99 × 10⁹·(4,5 × 10⁻⁶)²/0,15² = 8,091 N

Antwoord

F = 8,091 N

Beide bolletjes hebben nu hetzelfde teken, dus ze stoten elkaar af.

2.Wet van Coulomb en elektrische velden

Antwoord: F = 120,4 N

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.

Elke kracht op q₃

F₁ = k·1·8 × 10⁻¹²/0,08² = 11,24 N

F₂ = k·6·8 × 10⁻¹²/0,06² = 119,9 N

Vectorsom

F = √(11,24² + 119,9²) = 120,4 N

Antwoord

F = 120,4 N

3.Serie- en parallelweerstanden

Antwoord: R_eq = 17,94 Ω

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.

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 = 20 + 3 = 23 Ω

R₂ ∥ 23 = 8·23/(8+23) = 5,935 Ω

R_eq = R₁ + 5,935 = 12 + 5,935 = 17,94 Ω

Antwoord

R_eq = 17,94 Ω

4.Serie- en parallelweerstanden

Antwoord: R_eq = 8,819 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 = 8 + 20 = 28 Ω

R₄ ∥ 28 = 14,48 Ω

R₃ + 14,48 = 24,48 Ω

R₂ ∥ 24,48 = 4,819 Ω

R_eq = R₁ + 4,819 = 4 + 4,819 = 8,819 Ω

Antwoord

R_eq = 8,819 Ω

5.RC- en RL-schakelverschijnselen

Antwoord: τ = 319,7 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.

Thévenin-equivalent gezien vanaf de condensator

Sluit de bron kort om R_th te vinden; laat de condensator open om de spanning te vinden waarop hij uitkomt.

R_th = R₁ ∥ R₂ = 10·4,7/(10 + 4,7) = 3,197 kΩ

v_C(∞) = 20·4,7/(10 + 4,7) = 6,395 V

Tijdconstante

τ = R_th·C = 3,197·100 = 319,7 ms

Antwoord

τ = 319,7 ms

6.RC- en RL-schakelverschijnselen

Antwoord: i₂ = 0,4457 mA

Beginspanning van de condensator

In de stationaire toestand is de condensator een open circuit, dus R₁ en R₂ vormen een spanningsdeler. De condensatorspanning kan niet verspringen als de schakelaar opent.

v_C(0) = 10·6,8/(4,7 + 6,8) = 5,913 V

Tijdconstante nadat de schakelaar opent

τ = R₂·C = 6,8·22 = 149,6 ms

Ontlading

v_C(t) = 5,913·e^−100/149,6 = 3,03 V

i₂ = v_C/R₂ = 3,03/6,8 = 0,4457 mA

Antwoord

i₂ = 0,4457 mA

7.Magnetische velden & inductie

Antwoord: ε = 400 mV

Elektromagnetische inductie: de flux door een lus is Φ = BA·cos θ, met θ tussen B en de normaal van de lus. Wet van Faraday: een fluxverandering induceert EMK = −N·dΦ/dt in een spoel met N windingen, en de wet van Lenz zegt dat de geïnduceerde stroom zo loopt dat zijn eigen veld de verandering tegenwerkt. Een staaf die dwars door een veld beweegt geeft EMK = BLv. Een spoel die met ω draait geeft e = NBAω·sin ωt, met piekwaarde NBAω. Zelfinductie: EMK = −L·di/dt, met L = μ₀N²A/l voor een lange solenoïde, en de opgeslagen energie is W = ½LI². Twee gekoppelde spoelen: EMK₂ = −M·di₁/dt met M = k√(L₁L₂).

Fluxverandering per winding

ΔΦ = (0,9 − 0,1)·0,0025 = 0,002 Wb

Gemiddelde EMK

ε = NΔΦ/Δt = 100·0,002/0,5 = 0,4 V

Antwoord

ε = 400 mV

8.Magnetische velden & inductie

Antwoord: E_rms = 66,64 V

Hoeksnelheid en oppervlakte

ω = 2π·600/60 = 62,83 rad/s

A = 0,0075 m²

Piek-EMK

E₀ = NBAω = 500·0,4·0,0075·62,83 = 94,25 V

Effectieve waarde

E_rms = 94,25/√2 = 66,64 V

Antwoord

E_rms = 66,64 V

9.Wisselstroomimpedantie en fasoren

Antwoord: φ = 72,01 °

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|.

Reactanties

ω = 2πf = 2π·100 = 628,3 rad/s

X_L = ωL = 628,3·0,25 = 157,1 Ω

X_C = 1/(ωC) = 1/(628,3·47·10⁻⁶) = 33,86 Ω

Impedantie

In serie tellen impedanties op als complexe getallen: Z = R + j(X_L − X_C).

|Z| = √(R² + (X_L − X_C)²) = √(40² + (123,2)²) = 129,5 Ω

Fasehoek

φ = arctan((X_L − X_C)/R) = arctan(123,2/40) = 72,01°

Antwoord

φ = 72,01°

10.Wisselstroomimpedantie en fasoren

Antwoord: V_C = 110,6 V

Reactanties

ω = 2πf = 2π·60 = 377 rad/s

X_L = ωL = 377·0,15 = 56,55 Ω

X_C = 1/(ωC) = 1/(377·4,7·10⁻⁶) = 564,4 Ω

Impedantie

In serie tellen impedanties op als complexe getallen: Z = R + j(X_L − X_C).

|Z| = √(R² + (X_L − X_C)²) = √(50² + (−507,8)²) = 510,3 Ω

Stroom

Door elk element van een serieschakeling loopt dezelfde stroom.

I = V/|Z| = 100/510,3 = 0,196 A

Spanning over de condensator

V_C = I·X_C = 0,196·564,4 = 110,6 V

Antwoord

V_C = 110,6 V

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