MAGNETEN

Magneten zijn materialen die op afstand andere magneten kunnen beïnvloeden. Ze kunnen de andere magneet aantrekken of juist afstoten. Materialen die geen magneten zijn, worden niet beïnvloedt door magneten.

Er zijn verschillende vormen magneten. De simpelste en bekendste is de staafmagneet, maar er zijn ook hoefmagneten, naaldmagneten en schijfmagneten. Deze magneten blijven lang magnetisch. Ze worden daarom permanente magneten genoemd. De natuurlijke permanente magneten bevatten ijzer, nikkel of kobalt.

 

De uiteinden van een magneet worden de magneetpolen genoemd. Op die plaatsen is de magnetische kracht het sterkst. De ene pool wordt de noordpool genoemd. De andere pool wordt de zuidpool genoemd. Deze worden respectievelijk afgekort met de letters N en Z (of Engels N en S).

Polen komen altijd in paren, want losse polen bestaan niet! Als je een magneet door midden breekt, krijg je twee nieuwe magneten met voor elke magneet de oude pool en op de plaats van de breuk een nieuwe pool. Iedereen weet dat gelijke polen elkaar afstoten, en dat het kracht kost om ze bij elkaar te brengen. Verder weet iedereen dat ongelijke polen elkaar aantrekken en dat je juist kracht moet leveren om dit tegen te gaan.

Wanneer je een ijzeren spijker in de buurt van een magneet houdt, wordt die spijker ook magnetisch. Een tweede spijker, die weer door die spijker aangetrokken wordt, wordt ook magnetisch, en zo kunnen ook een derde, een vierde, etc. volgen. Een spijker in de buurt van een magneet krijgt dus magnetische eigenschappen. Dit heet magnetische influentie. Als de spijker van de magneet wordt weggehaald, verdwijnt het magnetisme weer.

ELEKTRISCHE KRACHT

Tussen twee geladen voorwerpen ontstaat een kracht die ervoor zorgt dat de twee voorwerpen elkaar aantrekken of juist afstoten. Deze kracht wordt de elektrische kracht genoemd. Die kracht werkt langs de verbindingslijn tussen de twee ladingen.

De wet van Coulomb

De Franse natuurkundige Coulomb heeft onderzoek gedaan naar de grootte van de elektrische kracht. Hij vond dat deze afhangt van de ladingen van de voorwerpen en de onderlinge afstand. De elektrische kracht is te berekenen met de wet van Coulomb:

• F_el is de elektrische kracht in newton (N)
• f is 8,98755 × 10⁹ Nm²C⁻²
• q is de lading voorwerp 1 in coulomb (C)
• Q is de lading voorwerp 2 in coulomb (C)
• r is de afstand in meter (m)

De constante f wordt de constante uit de wet van Coulomb genoemd. Deze is gelijk aan 8,98755 × 10⁹ Nm²C⁻².

De elektrische kracht.

---

Voorbeeld 2 Kracht op een elektron
Elektronen blijven rond de kern cirkelen door de aantrekkende elektrische kracht van de protonen. De straal van een waterstofatoom is 5,291 × 10⁻¹¹ m. Bereken de elektrische kracht op het elektron.

Het proton en het elektron hebben dezelfde lading: e = −1,602 × 10⁻¹⁹ C. Deze gegevens invullen in de formule geeft:
F_el = f ∙ (q ∙ Q) / r²
= 8,99 × 10⁹ ∙ (1,602 × 10⁻¹⁹)² / (5,291 × 10⁻¹¹)²
= 8,24 × 10⁻⁸ N
De elektrische kracht is dus 8,24 × 10⁻⁸ N.

---

Chemische bindingen

De elektrische kracht speelt een belangrijke rol bij chemische bindingen. Een chemische binding is een manier waarop deeltjes aan elkaar gebonden worden. De vorm en eigenschappen van veel stoffen zijn terug te leiden naar de elektrische krachten.

Zouten in de vaste vorm hebben vaak een typisch kristalrooster. Dit is omdat een zout uit ionen bestaat. De elektrische kracht tussen de positieve en negatieve ionen zorgt ervoor dat ze als het ware aan elkaar geplakt worden. Deze binding heet de ionbinding. Een ionrooster bestaat dan ook uit afwisselend positieve en negatieve ionen. Keukenzout bestaat bijvoorbeeld uit positieve Na⁺-ionen en negatieve Cl⁻-ionen. Elk Na⁺-ion wordt alleen maar omsingeld door Cl⁻-ionen, en andersom. Op die manier compenseren ze voor de afstotende kracht.

De binding bij metalen is vergelijkbaar met de ionbinding. Metalen kun je beschouwen als bijzondere ionen: als ze bij elkaar komen staan ze hun elektronen af, waarna die vrij kunnen bewegen en ook naar andere metaalatomen kunnen gaan. De atomen zijn dus een soort van positieve ionen geworden die bij elkaar worden gehouden door de negatieve elektronen die overal heen kunnen. Dit heet het metaalrooster. De metaalbinding die alles bij elkaar houdt is erg sterk, en daarom is het kookpunt van veel metalen ook erg hoog.

Ook bij moleculen zie je bij vaste stoffen soms een kristalstructuur, denk maar aan kristalsuiker. Dit wordt ook wel het molecuulrooster genoemd. De moleculen worden bij elkaar gehouden door de vanderwaalskracht. Deze is berust op kleine ladingsverschillen tussen de moleculen en is daarom erg zwak.

Samenvatting

• De elektrische kracht is de kracht die tussen twee geladen voorwerpen werkt.
• Met de wet van Coulomb kun je die berekenen.
• De formule is:
  
• Door een chemische binding blijven deeltjes bij elkaar. Vaak zijn ze gebaseerd op elektrische krachten.
• Ionen worden bij elkaar gehouden door de ionbinding tussen de positieve en negatieve ionen. Hierdoor vormen ze een ionrooster.
• Metalen worden bij elkaar gehouden door de metaalbinding tussen de kernen en de vrij bewegende elektronen. Hierdoor vormen ze een metaalrooster.
• Moleculen worden bij elkaar gehouden door de vanderwaalskracht. Die is zeer zwak en zorgt voor een molecuulrooster.

Elektrische lading < Elektrische ladingen > Elektrische velden

ELEKTRISCHE LADING

De simpelste proefjes die met elektriciteit te maken hebben gaan over lading. Wanneer je een ballon langs een wollen trui wrijft, krijgt deze elektrische lading. Als je de ballon daarna bij iemands haar houdt, zal de ballon aan het haar ‘trekken’ waardoor het omhoog zal gaan staan.

Bewegende lading

Er zijn twee verschillende soorten lading. Deze worden positieve en negatieve ladingen genoemd. Door het wrijven wordt de ballon negatief geladen. De elektrische kracht die tussen twee voorwerpen werkt kun je dan verklaren. De kracht tussen twee gelijke ladingen (positief en positief, negatief en negatief) is afstotend, en tussen twee ongelijke ladingen (positief en negatief) aantrekkend. Het symbool van lading is Q of q en de eenheid is coulomb, afgekort C.

Niet alle voorwerpen zijn elektrisch geladen. Als voorwerpen evenveel negatieve als positieve lading bevatten zijn ze neutraal geladen. In dat geval kan er ook een aantrekkende elektrische kracht werken. Als je de negatief geladen ballon in de buurt van je haar houdt, trekt de ballon aan je haar, terwijl dat neutraal geladen is. Blijkbaar heeft de aanwezigheid van een elektrische lading invloed op de lading van andere voorwerpen in de omgeving. Dit heet influentie.

De negatief geladen ballon trekt aan de positief geladen deeltjes in het haar . Tegelijkertijd stoot de negatief geladen ballon negatief geladen deeltjes af. Hierdoor verplaatst de negatieve lading van de ballon af en wordt de positieve lading door de ballon aangetrokken.

Een neutrale lading ondervindt een aantrekkende kracht door influentie.

Lading meten

Er zijn verschillende manieren om lading te meten. Een daarvan is de elektrometer. Deze apparaten kunnen zeer nauwkeurig de hoeveelheid lading meten. Een ander apparaat is de elektroscoop. Deze bestaat uit een metalen buis die eindigt in twee dunne plaatjes. Als er een lading aanwezig is aan de bovenkant bij de ronde bol, gaat de lading zich in de buis verdelen. De negatieve lading gaat door een positieve lading richting de bol, en door een negatieve lading richting de plaatjes. Hierdoor krijgen de metalen plaatjes allebei dezelfde lading. Dit zorgt ervoor dat ze elkaar afstoten. De grootte van de afstoting van de plaatjes is een maat voor de grootte van de lading.

Een elektroscoop.

Elektronen, protonen en neutronen

Ladingsverschillen worden veroorzaakt door de aanwezigheid of afwezigheid van de negatieve elektronen. Een atoom bestaat uit een kern met neutronen en protonen, die omcirkelt worden door elektronen. De elektronen zijn relatief zwak gebonden aan de kern. Als je bijvoorbeeld een ballon langs een wollen trui wrijft, springen de elektronen van de atomen in de trui over op de atomen in de ballon.

In de kern is ook lading aanwezig. Die zorgt ervoor dat de elektronen bij de kern blijven. De lading in de kern is positief en wordt veroorzaakt door de protonen. Neutronen zijn zoals de naam doet vermoeden neutraal geladen. De afstotende kracht van de protonen onderling wordt opgeheven door de kernkracht tussen de protonen en neutronen.

De lading van één proton is de kleinst mogelijke lading die in de natuur voorkomt. Verder is dit een vaste waarde: elk proton heeft dezelfde lading. Deze lading wordt het elementair ladingsquantum genoemd. Het symbool hiervan is e en de waarde is 1,60218 × 10⁻¹⁹ C. Normaal bevat een atoom evenveel protonen als elektronen, waardoor de netto lading neutraal is. Als er meer of minder elektronen dan protonen zijn, is het atoom een ion geworden.

---

Voorbeeld 1 Een kam
Een kam heeft een lading van −3,0 μC. Bereken hoeveel extra elektronen er zijn.

De lading van de kam is −3,0 × 10⁻⁶ C. De lading van één elektron is −1,60 × 10⁻¹⁹ C.
Dit geeft: (−3,0 × 10⁻⁶) / (−1,60 × 10⁻¹⁹) = 1,9 × 10¹³
Er zijn dus 1,9 × 10¹³ extra elektronen.

---

Isolatoren

Het is bekend dat lading zich beter kan verspreiden in sommige stoffen dan in andere. Dit gaat dan over vrije elektronen. Als deze verplaatst worden, nemen ze de negatieve lading met zich mee. Stoffen waarin elektronen zich minder goed of helemaal niet kunnen bewegen worden isolatoren genoemd. Lading kan zich niet of nauwelijks door een isolator verplaatsen en er zal dus geen stroom door gaan lopen. Voorbeelden van isolatoren zijn plastics, hout, rubber en glas.

Geleiders

Een geleider is een stof waar lading zich goed door kan verplaatsen. In vrijwel alle metalen kunnen elektronen vrij bewegen. Lading kan zich daarom makkelijk door metalen verplaatsen en metalen worden daarom toegepast bij verschillende elektrische apparaten.

Sommige vloeistoffen kunnen geleiden. Dit is het geval wanneer er een zout in opgelost is. Een zout bestaat namelijk uit ionen. Dit zijn atomen die een (aantal) elektron(en) te veel of te weinig hebben, waardoor ze positief of negatief geladen zijn. Een voorbeeld is het menselijk lichaam: dit is geleidend door opgeloste zouten in de vele vloeistoffen zoals bloed of weefselvocht.

Gassen kunnen ook geleiden, maar alleen onder bijzondere omstandigheden. Normaal gesproken zijn gassen neutraal omdat ze uit moleculen bestaan. Soms gebeurt het echter dat een elektron van zo’n molecuul wordt afgestoten. Hierdoor ontstaan ionen. Dit wordt ook wel ionisatie genoemd. Dit kan ook op kunstmatige manier bereikt worden door gasmoleculen te beschieten. Dit gebeurt in tl-buizen, natriumlampen en neonbuizen.

Als er ionisatie van de gasmoleculen in de lucht plaats vindt, kan er ontlading optreden. De bliksem die bij onweer ontstaat is hier een voorbeeld van. Door complexe processen ontstaan er ladingsverschillen in de wolken. De ladingsverschillen worden opgeheft door een stroom van geladen deeltjes in de lucht, waarbij vonken in de vorm van bliksem ontstaan. Door het opwarmen en afkoelen van de lucht ontstaat er een typisch geluid: donder.

Verder zijn er ook nog halfgeleiders. Dit zijn stoffen die onder bepaalde omstandigheden geleiders zijn, en onder weer andere omstandigheden isolatoren zijn. Voorbeelden zijn germanium en silicium.

Samenvatting

• Het symbool van lading is Q of q en de eenheid is coulomb, afgekort C.
• Elektrische lading is positief of negatief. Gelijke ladingen stoten elkaar af, ongelijke ladingen trekken elkaar aan
• Neutrale voorwerpen hebben geen lading. Door influentie kunnen ze alsnog een aantrekkende kracht ondervinden
• Lading kun je meten met een elektrometer of elektroscoop.
• Een atoom bestaat uit negatief geladen elektronen en een positieve kern, die uit positieve protonen en neutronen bestaat.
• De lading van een elektron en proton zijn altijd hetzelfde, alleen tegengesteld. De grootte is het elementair ladingsquantum.
• Geleiding heeft te maken met de aanwezigheid van vrije elektronen.
• In een isolator kan lading niet bewegen door gebrek aan vrije elektronen.
• Geleiders kunnen metalen, vloeistoffen met opgeloste zouten of gassen waarin ionisatie plaats vindt zijn.
• Halfgeleiders zijn onder bepaalde omstandigheden geleiders of isolatoren.

Opdrachten

Opdracht 1 :: Juist of onjuist?
Geef bij de onderstaande beweringen aan of deze juist of onjuist is.
1 Een elektron heeft de tegenovergestelde lading van een waterstofkern.
2 Een negatief geladen voorwerp kan een neutraal voorwerp afstoten.
3 Een ion is een atoom dat een of meerdere elektronen heeft afgestaan of opgenomen.
4 In een metaal zijn de ionen verantwoordelijk voor de geleiding.

Opdracht 2 :: Elektroscoop
Een elektroscoop heeft doordat hij contact heeft gemaakt met een negatief geladen voorwerp een lading van 9,4 × 10⁻⁶ C. De elektroscoop wordt ontladen door contact met een staafje ijzer. Hierbij springt de lading over op het staafje. Bereken hoeveel procent de massa toe neemt door het overspringen van de lading. Het staafje woog voordat het lading kreeg 5,0 g.

Elektrische ladingen > Elektrische kracht