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
++2 µC++3 µCP10 cm

Een lading van +2 µC en een lading van +3 µC bevinden zich op 10 cm van elkaar. Punt P ligt op de lijn ertussen, op 2,5 cm van de eerste lading. Bereken de grootte van de elektrische veldsterkte E in P.

q1 = +2 µCq2 = +3 µCr1 = 2,5 cmr2 = 7,5 cm
E = N/C
2.Wet van Coulomb en elektrische veldenMoeilijk
+ + + + + +− − − − − −e⁻1 × 10⁷ m/s4 cmE = 4000 N/C

Een elektron komt het homogene veld tussen twee evenwijdige platen binnen met 1 × 10⁷ m/s, evenwijdig aan de platen. De platen zijn 4 cm lang en het veld ertussen is 4000 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 = 1 × 10⁷ m/sL = 4 cmE = 4000 N/Ce = 1,602 × 10⁻¹⁹ Cme = 9,109 × 10⁻³¹ kg
y = mm
3.Serie- en parallelweerstandenGemiddeld
R1​ = 2 ΩR3​ = 5 Ω+−V1​10 VR2​20 ΩAR4​8 ΩB

Vind de vervangingsweerstand Req die de bron V1 ziet.

V1 = 10 VR1 = 2 ΩR2 = 20 ΩR3 = 5 ΩR4 = 8 Ω
Req = Ω
4.Serie- en parallelweerstandenMoeilijk
R1​ = 2 ΩIR1​R3​ = 30 ΩR5​ = 20 Ω+−V1​6 VR2​3 ΩAR4​25 ΩBR6​4 Ω

Vind de stroom IR1 die de bron levert, en die door R1 loopt.

V1 = 6 VR1 = 2 ΩR2 = 3 ΩR3 = 30 ΩR4 = 25 ΩR5 = 20 ΩR6 = 4 Ω
IR1 = A
5.RC- en RL-schakelverschijnselenGemiddeld
+−Vs​20 Vt = 0R = 33 ΩL10 mHi(t)

De spoel voert geen stroom voordat de schakelaar op t = 0 sluit. Vind de spanning vL over de spoel op t = 1 ms.

Vs = 20 VR = 33 ΩL = 10 mHt = 1 ms
vL = V
6.RC- en RL-schakelverschijnselenMoeilijk
+−Vs​24 Vt = 0R = 3,3 kΩC33 µF+−vC​vC​(0) = 3 V

Vlak voordat de schakelaar op t = 0 sluit, staat er 3 V over de condensator met de aangegeven polariteit. Hoe lang duurt het voordat vC 15,6 V bereikt? Vind t.

Vs = 24 VR = 3,3 kΩC = 33 µFvC(0) = 3 V
t = ms
7.Magnetische velden & inductieGemiddeld
R = 0,5 Ωv = 10 m/sL = 20 cmB = 0,4 T

Een metalen staaf van 20 cm lang schuift met 10 m/s langs twee rails in een homogeen veld van 0,4 T het papier in. De rails zijn verbonden door een weerstand van 0,5 Ω; de staaf en rails hebben verwaarloosbare weerstand. Bepaal de stroom I.

B = 0,4 TL = 20 cmv = 10 m/sR = 0,5 Ω
I = A
8.Magnetische velden & inductieMoeilijk
L = 10 mH0,5 → 2 A

De stroom in een spoel van 10 mH verandert gelijkmatig van 0,5 A naar 2 A in 50 ms. Bepaal de grootte van de zelfgeïnduceerde EMK ε.

L = 10 mH0,5 A → 2 AΔt = 50 ms
ε = V
9.Wisselstroomimpedantie en fasorenGemiddeld
Vf0​ = 60 HzRL = ?C = 2,2 µF

Een serie-RLC-schakeling met C = 2,2 µF moet resoneren bij 60 Hz. Vind de benodigde zelfinductie L.

f0 = 60 HzC = 2,2 µF
L = mH
10.Wisselstroomimpedantie en fasorenMoeilijk
100 V100 HzR = 10 ΩL = 200 mHC = 47 µFI

Een serie-RLC-schakeling is aangesloten op een voeding van 100 V (rms), 100 Hz. Vind de effectieve stroom I.

V = 100 V (rms)f = 100 HzR = 10 ΩL = 200 mHC = 47 µF
I = A

3Oplossingen

1.Wet van Coulomb en elektrische velden

Antwoord: E = 2,397 × 10⁷ 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·2 × 10⁻⁶/0,025² = 2,877 × 10⁷ N/C
E2 = k·3 × 10⁻⁶/0,075² = 4,795 × 10⁶ N/C

Richtingen en som

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

E = |2,877 × 10⁷ − 4,795 × 10⁶| = 2,397 × 10⁷ N/C

Antwoord

E = 2,397 × 10⁷ N/C
2.Wet van Coulomb en elektrische velden

Antwoord: y = 5,628 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 = 0,04/1 × 10⁷ = 4 × 10⁻⁹ s

Zijwaartse versnelling

a = e·E/m = 1,602 × 10⁻¹⁹·4000/9,109 × 10⁻³¹ = 7,035 × 10¹⁴ m/s²

Doorbuiging

y = ½·a·t² = ½·7,035 × 10¹⁴·(4 × 10⁻⁹)² = 0,005628 m = 5,628 mm

Antwoord

y = 5,628 mm

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

3.Serie- en parallelweerstanden

Antwoord: Req = 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.

R1​ = 2 ΩR3​ = 5 Ω+−V1​10 VR2​20 ΩAR4​8 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 = 5 + 8 = 13 Ω
R2 ∥ 13 = 20·13/(20+13) = 7,879 Ω
Req = R1 + 7,879 = 2 + 7,879 = 9,879 Ω

Antwoord

Req = 9,879 Ω
4.Serie- en parallelweerstanden

Antwoord: IR1 = 1,25 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​ = 2 ΩR3​ = 30 ΩR5​ = 20 Ω+−V1​6 VR2​3 ΩAR4​25 ΩBR6​4 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 = 20 + 4 = 24 Ω
R4 ∥ 24 = 12,24 Ω
R3 + 12,24 = 42,24 Ω
R2 ∥ 42,24 = 2,801 Ω
Req = R1 + 2,801 = 2 + 2,801 = 4,801 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 = 6/4,801 = 1,25 A

Antwoord

IR1 = 1,25 A
5.RC- en RL-schakelverschijnselen

Antwoord: vL = 0,7377 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 en eindstroom

Lang na het sluiten van de schakelaar gedraagt de spoel zich als een kortsluiting, dus de eindstroom wordt alleen door R bepaald.

τ = L/R = 10 mH / 33 Ω = 0,303 ms
i(∞) = Vs/R = 20/33 = 0,6061 A

Spoelspanning

Op t = 0 staat de hele voedingsspanning over de spoel; daarna neemt die af tot nul.

vL(t) = Vs·e−t/τ = 20·e−1/0,303 = 0,7377 V

Antwoord

vL = 0,7377 V
6.RC- en RL-schakelverschijnselen

Antwoord: t = 99,78 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) = 3 V, vC(∞) = Vs = 24 V
τ = R·C = 3,3 kΩ · 33 µF = 108,9 ms
vC(t) = 24 + (3 − 24)·e−t/τ

Los op naar de tijd

15,6 = 24 + (−21)·e−t/τ → e−t/τ = (15,6 − 24)/(3 − 24) = 0,4
t = τ·ln((3 − 24)/(15,6 − 24)) = 108,9·ln(2,5) = 99,78 ms

Antwoord

t = 99,78 ms
7.Magnetische velden & inductie

Antwoord: I = 1,6 A

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 = 0,4·0,2·10 = 0,8 V

Stroom

I = ε/R = 0,8/0,5 = 1,6 A

Antwoord

I = 1,6 A
8.Magnetische velden & inductie

Antwoord: ε = 0,3 V

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).

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 = 0,01·1,5/0,05 = 0,3 V

Antwoord

ε = 0,3 V
9.Wisselstroomimpedantie en fasoren

Antwoord: L = 3198 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·60 = 377 rad/s
L = 1/(ω₀²·C) = 1/(377²·2,2·10⁻⁶) = 3198 mH

Antwoord

L = 3198 mH
10.Wisselstroomimpedantie en fasoren

Antwoord: I = 1,083 A

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
XL = ωL = 628,3·0,2 = 125,7 Ω
XC = 1/(ωC) = 1/(628,3·47·10⁻⁶) = 33,86 Ω

Impedantie

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

|Z| = √(R² + (XL − XC)²) = √(10² + (91,8)²) = 92,34 Ω

Stroom

Door elk element van een serieschakeling loopt dezelfde stroom.

I = V/|Z| = 100/92,34 = 1,083 A

Antwoord

I = 1,083 A

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