Atoommodel

Alle materie bestaat uit atomen, die elektrisch neutraal zijn. Ze zijn dus niet elektrisch geladen. Dat betekent niet dat atomen geen ladingen bevatten. Atomen zijn opgebouwd uit elektronen, protonen en neutronen. Een elektron heeft een negatieve lading en een proton een positieve lading die in grootte gelijk is aan de lading van een elektron; neutronen hebben geen lading. Atomen zijn niet geladen omdat ze evenveel elektronen als protonen hebben. De negatieve lading van de elektronen compenseert de positieve lading van de protonen.

In een atoom bevinden de neutronen en protonen zich dicht bij elkaar: ze vormen de kern van het atoom. De elektronen bewegen rond de kern op relatief grote afstand. Indien atomen tegen elkaar botsen, kan het zijn dat een elektron loskomt. Het atoom blijft dan achter met meer protonen dan elektronen, en is positief geladen. Geladen atomen noemen we ionen.

Lading

Als je met een ballon over een stuk stof beweegt, zullen sommige elektronen loskomen van het stuk stof en op de ballon terecht komen. De ballon wordt negatief geladen en het stuk stof blijft positief geladen achter.

Het stuk stof is positief geladen, de ballon negatief. Als we de ballon tegen het stuk stof brengen zien we dat deze aan elkaar vast hangen. Dit komt doordat tegengestelde ladingen elkaar aantrekken. Neem je twee ballonnen en geef je ze beide een negatieve lading door ze over een stuk stof te wrijven, dan zou je zien dat ze elkaar afstoten als ze bij elkaar zou gebracht worden. Dit komt doordat gelijke ladingen elkaar afstoten.

Elektrische lading kan ook worden aangetoond met sommige kammen. Eerst moet je de kam elektrisch laden. Dit kan je doen door droog haar te kammen. Als je dan de kam bij een dun straaltje water uit de kraan houdt, zal het waterstraaltje door de kam worden aangetrokken. Dit komt doordat watermoleculen een kant hebben die positief geladen is en een andere kant die negatief geladen is. De negatief geladen kant van de moleculen zullen aangetrokken worden door de positief geladen kam.

Als er veel lading bij elkaar is, kan de afstoting zo sterk worden dat de lading zich door de lucht gaat verplaatsen en je een vonk te zien krijgt. Een vonk is gewoon een stroom van elektronen door de lucht. Een voorbeeld van lading die zich verplaatst door de lucht, is bliksem.

Bliksem ontstaat doordat verschillende luchtlagen over elkaar wrijven. Hierdoor gaan ladingen overspringen van de ene naar de andere luchtlaag. Indien het ladingsverschil tussen een luchtlaag en de grond te groot wordt, zal de lading zich door de lucht naar de grond verplaatsen: je ziet een bliksemschicht.

Met een Van der Graaff-generator kun je ladingen opwekken. Het toestel bestaat uit een rubberen riem waarop aan één kant lading aangebracht wordt. De riem transporteert de lading naar het binnenste van een metalen bol, waar de lading afgenomen wordt en naar de buitenkant van de bol stroomt. De bol wordt zo steeds meer geladen.

Eenheid van lading

Hoe wordt lading gemeten en wat is de eenheid waarin lading wordt uitgedrukt? Men zou de hoeveelheid lading kunnen uitdrukken in het aantal ladingen van een elektron. Maar de lading van een elektron is zo gering, dat men met zeer grote getallen te maken zou krijgen. Er is gekozen voor een praktische eenheid, de coulomb (C), die overigens weer tamelijk groot is, maar die gerelateerd is aan twee zgn. grondeenheden in de natuurkunde, nl. de seconde en de ampère. Voor ons doel is het de omgekeerde wereld, want de ampère is de eenheid voor ladingstransport.

Een coulomb is een hoeveelheid lading die door een elektrische stroom van 1 ampère in 1 seconde getransporteerd wordt. Er zijn tegenwoordig speciale condensatoren met een capaciteit van 1 farad, zoals dat heet. Dat betekent dat een dergelijk condensator, opgeladen tot een spanning van 1 volt, juist een lading bevat van 1 coulomb.

De lading van een elektron is ongeveer -1,6022×10^-19 coulomb.

De geleidbaarheid

Het omgekeerde van weerstand is de elektrische geleidbaarheid (G), deze wordt uitgedrukt in siemens (S):

Hierin is:

Soortelijke weerstand

De weerstand van een component kan berekend worden uit zijn fysische eigenschappen. De waarde van een weerstand is afhankelijk van drie dingen:

• De weerstand is recht evenredig met de soortelijke weerstand (of weerstandscoëfficiënt) ρ van het materiaal
• De weerstand is recht evenredig met de lengte l van de component:

1 ohm	4 ohm

• De weerstand is omgekeerd evenredig met de oppervlakte van de dwarsdoorsnede A van het materiaal:

1 ohm	1/4 ohm

Hierin is:

Als voorbeeld berekenen we de weerstand van een blok koper.

Een blok koper heeft een doorsnede van 1 cm² en een lengte van 5 cm. De soortelijke weerstand van koper is 1,6×10^—8 Ωm. We berekenen de weerstand:

${\displaystyle R={0{,}05\ {\mbox{m}}\cdot 1{,}6\times 10^{-8}\ \Omega \cdot {\mbox{m}} \over 0{,}0001\ {\mbox{m}}^{2}}={0{,}08\times 10^{-8}\ \Omega \cdot {\mbox{m}}^{2} \over 0{,}0001\ {\mbox{m}}^{2}}}$

${\displaystyle R=8{,}0\times 10^{-6}\ \Omega }$

Serieschakeling

Denk eens na wat er gebeurt met de stroom als deze door bovenstaande schakeling loopt. Er is nergens een vertakking dus de elektrische stroom kan nergens weg. Daarom zal dezelfde stroom door de twee weerstanden stromen. Laat ons deze stroom I noemen.

De totale weerstand voor de hele schakeling is eenvoudig te berekenen. Het is gewoon R₁ plus R₂.

${\displaystyle R_{eq}=R_{1}+R_{2}}$

Indien n weerstanden in serie geschakeld worden berekenen we de totale weerstand met volgende formule:

Indien we de weerstanden en de stroom kennen, kunnen we makkelijk met de wet van Ohm de spanning over de weerstanden berekenen.

Parallelschakeling

Parallelschakelingen zijn wat de stroom betreft iets ingewikkelder dan serieschakelingen, omdat de stroom zich vertakt. De elektronen komen dus op een splitsing en moeten kiezen welke tak ze nemen. Kijk naar de figuur hierboven. Op punt X splitst de stroom zich. De elektronen kunnen of door weerstand R₁ of door weerstand R₂ gaan, maar niet door beide. Om de totale weerstand van de schakeling te vinden, berekenen we met de wet van Ohm de stroomsterkte in elke tak van de schakeling.

Voor bovenste tak van de schakeling geldt:

${\displaystyle I_{1}={\frac {U}{R_{1}}}}$

voor onderste tak geldt:

${\displaystyle I_{2}={\frac {U}{R_{2}}}}$

De totale stroom is:

${\displaystyle I=I_{1}+I_{2}}$

De vervangingsweerstand berekenen we door de spanning te delen door de totale stroom:

${\displaystyle R_{EQ}={\frac {U}{I_{1}+I_{2}}}}$

${\displaystyle {\frac {1}{R_{EQ}}}={\frac {1}{R_{1}}}+{\frac {1}{R_{2}}}}$

De vervangingsweerstand bij de parallelschakeling berekenen we met de volgende formule:

Indien slechts twee weerstanden parallel geschakeld zijn, kan voor de vervangingsweerstand geschreven worden:

${\displaystyle R_{EQ}={R_{1}R_{2} \over R_{1}+R_{2}}}$

Het bovenstaande is veel eenvoudiger te begrijpen uit het oogpunt van de geleidbaarheid. De totale geleidbaarheid moet immers de som zijn van de geleidbaarheid van de takken.