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

Drie puntladingen liggen op een rechte lijn: +4 µC links, −4 µC rechts op 20 cm afstand, en +10 µC ertussen, op 12 cm van de linker lading. Vind de grootte van de netto elektrische kracht F op de middelste lading. Use k = 8,99 × 10⁹ N·m²/C².

q_L = +4 µCq_R = −4 µCq_M = +10 µCr_L = 12 cmr_R = 8 cm

F = N

2.Wet van Coulomb en elektrische veldenMoeilijk

Ladingen van +5 µC en +5 µC liggen 16 cm uit elkaar. Punt P ligt op 3 cm van het midden ertussen, op de middelloodlijn. Vind de grootte van de elektrische veldsterkte E in P. Use k = 8,99 × 10⁹ N·m²/C².

q₁ = +5 µCq₂ = +5 µCd = 16 cmh = 3 cm

E = N/C

3.Serie- en parallelweerstandenGemiddeld

Vind de vervangingsweerstand R_eq die de bron V₁ ziet.

V₁ = 15 VR₁ = 2 ΩR₂ = 20 ΩR₃ = 3 ΩR₄ = 10 Ω

R_eq = Ω

4.Serie- en parallelweerstandenMoeilijk

Vind de stroom I_R2 door R₂.

V₁ = 15 VR₁ = 2 ΩR₂ = 5 ΩR₃ = 8 ΩR₄ = 20 ΩR₅ = 12 ΩR₆ = 25 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 = 5 ms.

i(0) = 2,5 AR = 47 ΩL = 150 mHt = 5 ms

v_R = V

6.RC- en RL-schakelverschijnselenMoeilijk

Vlak voordat de schakelaar op t = 0 sluit, staat er 10 V over de condensator met de aangegeven polariteit. Hoe lang duurt het voordat v_C 6,5 V bereikt? Vind t.

V_s = 5 VR = 10 kΩC = 100 µFv_C(0) = 10 V

t = ms

7.Magnetische velden & inductieGemiddeld

Een metalen staaf van 30 cm lang schuift met 3 m/s langs twee rails in een homogeen veld van 0,8 T het papier in. De rails zijn verbonden door een weerstand van 4 Ω; de staaf en rails hebben verwaarloosbare weerstand. Bepaal het vermogen P dat in de weerstand wordt gedissipeerd.

B = 0,8 TL = 30 cmv = 3 m/sR = 4 Ω

P = mW

8.Magnetische velden & inductieMoeilijk

De stroom in een spoel van 5 mH verandert gelijkmatig van 7 A naar 2 A in 50 ms. Bepaal de grootte van de zelfgeïnduceerde EMK ε.

L = 5 mH7 A → 2 AΔt = 50 ms

ε = V

9.Wisselstroomimpedantie en fasorenGemiddeld

Een serie-RLC-schakeling met C = 10 µF moet resoneren bij 100 Hz. Vind de benodigde zelfinductie L.

f₀ = 100 HzC = 10 µF

L = mH

10.Wisselstroomimpedantie en fasorenMoeilijk

Een weerstand R₁ staat in serie met een parallelschakeling van R₂ en een condensator C, aangesloten op een voeding van 120 V (rms), 50 Hz. Vind de effectieve stroom I.

V = 120 V (rms)f = 50 HzR₁ = 15 ΩR₂ = 80 ΩC = 22 µF

I = A

3Oplossingen

1.Wet van Coulomb en elektrische velden

Antwoord: F = 81,16 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.

Kracht van elke lading

Rechts is positief.

F_L = +k·4·10 × 10⁻¹²/0,12² = 24,97 N

F_R = +k·4·10 × 10⁻¹²/0,08² = 56,19 N

Nettokracht

F = 24,97 + (56,19) = 81,16 N → |F| = 81,16 N

Antwoord

F = 81,16 N

De nettokracht wijst naar rechts.

2.Wet van Coulomb en elektrische velden

Antwoord: E = 4,324 × 10⁶ N/C

Afstand en veld van één lading

r = √(8² + 3²) = 8,544 cm

E₁ = k·5 × 10⁻⁶/0,08544² = 6,158 × 10⁶ N/C

Componenten

De componenten langs de verbindingslijn heffen elkaar op.

E = 2·E₁·(h/r) = 2·6,158 × 10⁶·0,3511 = 4,324 × 10⁶ N/C

Antwoord

E = 4,324 × 10⁶ N/C

Het veld wijst langs de middelloodlijn, van de ladingen af.

3.Serie- en parallelweerstanden

Antwoord: R_eq = 9,879 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 = 3 + 10 = 13 Ω

R₂ ∥ 13 = 20·13/(20+13) = 7,879 Ω

R_eq = R₁ + 7,879 = 2 + 7,879 = 9,879 Ω

Antwoord

R_eq = 9,879 Ω

4.Serie- en parallelweerstanden

Antwoord: I_R2 = 2,006 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 = 12 + 25 = 37 Ω

R₄ ∥ 37 = 12,98 Ω

R₃ + 12,98 = 20,98 Ω

R₂ ∥ 20,98 = 4,038 Ω

R_eq = R₁ + 4,038 = 2 + 4,038 = 6,038 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 = 15/6,038 = 2,484 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 = 15 − 2,484·2 = 10,03 V

I_R2 = V_A/R₂ = 10,03/5 = 2,006 A

Antwoord

I_R2 = 2,006 A

5.RC- en RL-schakelverschijnselen

Antwoord: v_R = 24,53 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 = 150 mH / 47 Ω = 3,191 ms

Afname van de stroom

i(t) = 2,5·e^−5/3,191 = 0,5218 A

v_R = R·i = 47·0,5218 = 24,53 V

Antwoord

v_R = 24,53 V

6.RC- en RL-schakelverschijnselen

Antwoord: t = 1204 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) = 10 V, v_C(∞) = V_s = 5 V

τ = R·C = 10 kΩ · 100 µF = 1000 ms

v_C(t) = 5 + (10 − 5)·e^−t/τ

Los op naar de tijd

6,5 = 5 + (5)·e^−t/τ → e^−t/τ = (6,5 − 5)/(10 − 5) = 0,3

t = τ·ln((10 − 5)/(6,5 − 5)) = 1000·ln(3,333) = 1204 ms

Antwoord

t = 1204 ms

7.Magnetische velden & inductie

Antwoord: P = 129,6 mW

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).

Bewegings-EMK

ε = BLv = 0,8·0,3·3 = 0,72 V

Stroom

I = ε/R = 0,72/4 = 0,18 A

Vermogen

P = εI = 0,72·0,18 = 0,1296 W

Antwoord

P = 129,6 mW

8.Magnetische velden & inductie

Antwoord: ε = 0,5 V

Zelfgeïnduceerde EMK

De EMK werkt de stroomverandering tegen (Lenz), dus haar teken is tegengesteld aan ΔI; de grootte is L·|ΔI|/Δt.

ε = L·ΔI/Δt = 0,005·5/0,05 = 0,5 V

Antwoord

ε = 0,5 V

9.Wisselstroomimpedantie en fasoren

Antwoord: L = 253,3 mH

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|.

Resonantievoorwaarde

Bij resonantie heffen de inductieve en capacitieve reactantie elkaar op: ωL = 1/(ωC).

ω₀ = 2π·100 = 628,3 rad/s

L = 1/(ω₀²·C) = 1/(628,3²·10·10⁻⁶) = 253,3 mH

Antwoord

L = 253,3 mH

10.Wisselstroomimpedantie en fasoren

Antwoord: I = 1,438 A

Reactantie

X_C = 1/(2π·50·22·10⁻⁶) = 144,7 Ω

Parallelschakeling

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

Z_p = R₂·(−jX_C)/(R₂ − jX_C) = (R₂·X_C² − jR₂²·X_C)/(R₂² + X_C²)

Z_p = 61,27 − j33,88 Ω

Totale impedantie

Z = 15 + 61,27 − j33,88 = 76,27 − j33,88 Ω

|Z| = √(76,27² + 33,88²) = 83,45 Ω

Stroom

I = V/|Z| = 120/83,45 = 1,438 A

Antwoord

I = 1,438 A

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