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 +5 µC en −2 µC. Ze worden tegen elkaar aan gehouden en daarna weer op 30 cm van elkaar gezet. Vind de grootte van de kracht F tussen hen nu. Use k = 8,99 × 10⁹ N·m²/C².

q₁ = +5 µCq₂ = −2 µCr = 30 cm

F = N

2.Wet van Coulomb en elektrische veldenMoeilijk

Drie positieve puntladingen bevinden zich op de hoekpunten van een rechthoekige driehoek: q₃ = 2 µC zit in het hoekpunt met de rechte hoek, q₁ = 6 µC zit 3 cm daarvandaan langs de ene rechthoekszijde en q₂ = 10 µC zit 6 cm daarvandaan langs de andere rechthoekszijde. Bereken de grootte van de resulterende elektrische kracht F op q₃.

q₁ = 6 µCq₂ = 10 µCq₃ = 2 µCr₁₃ = 3 cmr₂₃ = 6 cm

F = N

3.Serie- en parallelweerstandenGemiddeld

Vind de stroom I_R2 door R₂.

V₁ = 9 VR₁ = 8 ΩR₂ = 12 ΩR₃ = 4 ΩR₄ = 3 Ω

I_R2 = A

4.Serie- en parallelweerstandenMoeilijk

Vind de stroom I_R2 door R₂.

V₁ = 6 VR₁ = 2 ΩR₂ = 4 ΩR₃ = 6 ΩR₄ = 3 ΩR₅ = 10 ΩR₆ = 10 Ω

I_R2 = A

5.RC- en RL-schakelverschijnselenGemiddeld

De spoel voert een constante stroom van 2,5 A. Op t = 0 sluit de schakelaar de kring via R en wordt de bron verwijderd, zodat de spoelstroom via R uitdooft. Vind de spanning v_R over R op t = 1 ms.

i(0) = 2,5 AR = 68 ΩL = 22 mHt = 1 ms

v_R = V

6.RC- en RL-schakelverschijnselenMoeilijk

Vlak voordat de schakelaar op t = 0 sluit, staat er 18 V over de condensator met de aangegeven polariteit. Hoe lang duurt het voordat v_C 19,4 V bereikt? Vind t.

V_s = 20 VR = 1 kΩC = 22 µFv_C(0) = 18 V

t = ms

7.Magnetische velden & inductieGemiddeld

Een spoel met 20 windingen, oppervlakte 80 cm² en weerstand 4 Ω vormt een gesloten stroomkring. Een homogeen veld loodrecht op de spoel neemt in 200 ms gelijkmatig toe van 0,2 T tot 0,3 T. Bepaal de gemiddelde geïnduceerde stroom I.

N = 20A = 80 cm²B: 0,2 T → 0,3 TΔt = 200 msR = 4 Ω

I = mA

8.Magnetische velden & inductieMoeilijk

Een spoel met 20 windingen, 20 cm × 5 cm, draait met 900 rpm in een homogeen veld van 0,5 T om een as loodrecht op het veld. Bepaal de effectieve waarde E_rms van de EMK.

N = 20A = 20 cm × 5 cmB = 0,5 Tn = 900 rpm

E_rms = V

9.Wisselstroomimpedantie en fasorenGemiddeld

Een serie-RLC-schakeling is aangesloten op een voeding van 24 V (rms), 50 Hz. Vind de fasehoek φ van de impedantie, in graden (positief als de stroom achterloopt op de spanning).

V = 24 V (rms)f = 50 HzR = 50 ΩL = 250 mHC = 10 µF

φ = °

10.Wisselstroomimpedantie en fasorenMoeilijk

Een serie-RLC-schakeling wordt gevoed door een bron van 24 V (rms) waarvan de frequentie is ingesteld op de resonantiefrequentie van de schakeling. Vind de effectieve spanning V_L over de spoel.

V = 24 V (rms)R = 15 ΩL = 20 mHC = 4,7 µF

V_L = V

3Oplossingen

1.Wet van Coulomb en elektrische velden

Antwoord: F = 0,2248 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′ = (5 + −2)/2 = 1,5 µC

Nieuwe kracht

F = 8,99 × 10⁹·(1,5 × 10⁻⁶)²/0,3² = 0,2248 N

Antwoord

F = 0,2248 N

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

2.Wet van Coulomb en elektrische velden

Antwoord: F = 129,9 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·6·2 × 10⁻¹²/0,03² = 119,9 N

F₂ = k·10·2 × 10⁻¹²/0,06² = 49,94 N

Vectorsom

F = √(119,9² + 49,94²) = 129,9 N

Antwoord

F = 129,9 N

3.Serie- en parallelweerstanden

Antwoord: I_R2 = 0,2669 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.

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 = 4 + 3 = 7 Ω

R₂ ∥ 7 = 12·7/(12+7) = 4,421 Ω

R_eq = R₁ + 4,421 = 8 + 4,421 = 12,42 Ω

Stroom uit de bron

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

I_R1 = V₁/R_eq = 9/12,42 = 0,7246 A

Stroom door R₂

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

V_A = V₁ − I_R1·R₁ = 9 − 0,7246·8 = 3,203 V

I_R2 = V_A/R₂ = 3,203/12 = 0,2669 A

Antwoord

I_R2 = 0,2669 A

4.Serie- en parallelweerstanden

Antwoord: I_R2 = 0,8659 A

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 = 10 + 10 = 20 Ω

R₄ ∥ 20 = 2,609 Ω

R₃ + 2,609 = 8,609 Ω

R₂ ∥ 8,609 = 2,731 Ω

R_eq = R₁ + 2,731 = 2 + 2,731 = 4,731 Ω

Stroom uit de bron

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

I_R1 = V₁/R_eq = 6/4,731 = 1,268 A

Stroom door R₂

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

V_A = V₁ − I_R1·R₁ = 6 − 1,268·2 = 3,464 V

I_R2 = V_A/R₂ = 3,464/4 = 0,8659 A

Antwoord

I_R2 = 0,8659 A

5.RC- en RL-schakelverschijnselen

Antwoord: v_R = 7,728 V

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 = 22 mH / 68 Ω = 0,3235 ms

Afname van de stroom

i(t) = 2,5·e^−1/0,3235 = 0,1137 A

v_R = R·i = 68·0,1137 = 7,728 V

Antwoord

v_R = 7,728 V

6.RC- en RL-schakelverschijnselen

Antwoord: t = 26,49 ms

Beginwaarde, eindwaarde, tijdconstante

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

v_C(0) = 18 V, v_C(∞) = V_s = 20 V

τ = R·C = 1 kΩ · 22 µF = 22 ms

v_C(t) = 20 + (18 − 20)·e^−t/τ

Los op naar de tijd

19,4 = 20 + (−2)·e^−t/τ → e^−t/τ = (19,4 − 20)/(18 − 20) = 0,3

t = τ·ln((18 − 20)/(19,4 − 20)) = 22·ln(3,333) = 26,49 ms

Antwoord

t = 26,49 ms

7.Magnetische velden & inductie

Antwoord: I = 20 mA

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 = (0,3 − 0,2)·0,008 = 0,0008 Wb

Gemiddelde EMK

ε = NΔΦ/Δt = 20·0,0008/0,2 = 0,08 V

Stroom

I = ε/R = 0,08/4 = 0,02 A

Antwoord

I = 20 mA

8.Magnetische velden & inductie

Antwoord: E_rms = 6,664 V

Hoeksnelheid en oppervlakte

ω = 2π·900/60 = 94,25 rad/s

A = 0,01 m²

Piek-EMK

E₀ = NBAω = 20·0,5·0,01·94,25 = 9,425 V

Effectieve waarde

E_rms = 9,425/√2 = 6,664 V

Antwoord

E_rms = 6,664 V

9.Wisselstroomimpedantie en fasoren

Antwoord: φ = −78,22 °

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·50 = 314,2 rad/s

X_L = ωL = 314,2·0,25 = 78,54 Ω

X_C = 1/(ωC) = 1/(314,2·10·10⁻⁶) = 318,3 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 + (−239,8)²) = 244,9 Ω

Fasehoek

φ = arctan((X_L − X_C)/R) = arctan(−239,8/50) = −78,22°

Antwoord

φ = −78,22°

10.Wisselstroomimpedantie en fasoren

Antwoord: V_L = 104,4 V

Resonantie

Bij resonantie heffen de reactanties elkaar op, dus de impedantie is gewoon R.

ω₀ = 1/√(LC) = 1/√(0,02·4,7·10⁻⁶) = 3262 rad/s

I = V/R = 24/15 = 1,6 A

Spanning over de spoel

X_L = ω₀L = 3262·0,02 = 65,23 Ω

V_L = I·X_L = 1,6·65,23 = 104,4 V

Antwoord

V_L = 104,4 V

Dit is Q = 4,349 keer de voedingsspanning.

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