Elektriese Stroomvloei n Elektriese stroom bestaan uit die beweging van elektrone in n metaalgeleier. As jy nou die kraan oopdraai, vloei die water aan die onder kant uit. Dit gebeur omdat daar n druk-verskil is tussen die twee punte van die waterpyp. Ons noem dit n potensiaalverskil. In n metaal is die kerne van atome baie naby aan mekaar. Omdat hulle so naby aan mekaar is, vermeng die elektrone met mekaar, en hulle begin los beweeg, amper soos water oor klippe, of water in n tuinslang. In elektrisiteit praat ons ook van n potensiaalverskil: Dit gebeur as ons n kragbron, soos n battery opkoppel. Dan begin die elektrone vloei van die een punt na die ander, deur die geleier. As die stroom vloei as gevolg van die beweging van elektrone, dan sê ons lading vloei. Ons noem dit lading omdat elke elektron n negatiewe lading het, en al die miljoene elektrone saam n groterige lading vorm. Wanneer elektriese stroom deur gasse of vloeistowwe beweeg, kan die lading wat vloei egter uit positief-gelaaide deeltjies bestaan. Hierdie positief-gelaaide deeltjies word positiewe ione genoem. n Ioon ontstaan as gevolg van die bykom of verlies van elektrone.
Wat is n negatiewe ioon? Wanneer n neutrale atoom, wat byvoorbeeld 3 positiewe protone en 3 negatiewe elektrone het, een of meer van sy elektrone verloor, dan is daar meer positiewe protone as negatiewe elektrone, en die hele atoom verkry n positiewe lading. Dit word dan n positiewe ioon genoem. Ter wille van simplisiteit het die wetenskaplikes besluit om enige elektriese stroom as die beweging van positiewe lading te beskou, met ander woorde: Die lading beweeg van die positiewe pool van n sel na die negatiewe pool. Nou moet jy egter mooi oplet: In n sel is daar meer elektrone by die negatiewe pool, en eintlik is dit dus negatiewe lading wat van die negatiewe pool na die positiewe pool vloei (dit is tog die elektrone wat moet beweeg, nie waar nie? En hulle beweeg van waar daar te veel van hulle is (die negatiewe pool van die battery) na daar waar hulle kort (die positiewe pool)). As ons dus praat van konvensionele stroom dan bedoel ons die vloei van positiewe lading, en werklike stroom is die vloei van negatiewe lading. Onthou altyd die volgende analogie wanneer ons met elektriese stroom werk: Die vloei van water deur n tuinslang. Dink nou, as jy die hoeveelheid water wat deur die tuinslang vloei of enige plek in die tuinslang meet, dan sal dit mos oral dieselfde wees.
Net só is elektriese stroom op enige punt in die geleier dieselfde. As ons die kraan groter oopdraai, dan is die hoeveelheid water wat vloei ook meer. Net só is daar meer stroom in n geleier as ons die hoeveelheid selle vermeerder. Wat gebeur nou as jy jou vinger voor die opening van die tuinslang hou? Hoekom? Dieselfde gebeur as ons n weerstand in die elektriese stroom sit, soos byvoorbeeld n gloeilamp. Die weerstand in die elektriese stroom verhoog as gevolg van die struikelblok wat die elektrone teëkom, en hitte word afgegee, wat ons kan voel of as lig kan waarneem. Ons praat ook van n weerstand as n resistor. Kyk na die volgende sketse en beantwoord die vrae wat gevra word: Die tenk vol water het twee uitlaatpype wat ewe groot is. ) Wat sal die stroomvloei in die twee pype wees in vergelyking met mekaar? 2) Wat sal nou gebeur as ons n elektriese stroom in twee verdeel, en ewe groot resistors in elke been sit?
Hierdie tenk het twee uitlaatpype, wat verskillende diktes het. ) Watter een dra die grootste stroom? Hoekom? 2) Wat sal nou gebeur as ons verskillende weerstande in n verdeelde elektriese stroom sit? 3) Watter been van die stroombaan dra die meeste stroom?
Die meting van elektriese stroom Ons het vroeër gepraat van die stroom wat by enige plek in n tuinslang gemeet kan word en orals dieselfde sal wees. Maar wat gebeur met die hoeveelheid water wat by n punt verby beweeg as die kraan groter oopgedraai word? Ons moet dus die stroom beskryf as die hoeveelheid water wat by enige punt in die tuinslang verby beweeg in n gegewe tyd. Wat sal jy dink is n goeie tydsduur om te gebruik? Dieselfde word gedoen met elektriese stroom. Ons meet die hoeveelheid lading wat in n sekonde by n punt verby beweeg en dit gee dan vir ons n aanduiding van die stroomsterkte. Die eenheid waarin ons stroomsterkte meet, word genoem die ampère. As ons net die afkorting gebruik, gebruik ons die simbool A. Hierdie naam kom van die Franse wetenskaplike André Marie Ampère, wat in 775 naby Lyons in Frankryk gebore is. Hy het belangrike werk gedoen en bydraes gelewer tot die teorie van magneetvelde rondom stroomdraende geleiers en hy het ook n definisie van stroom gegee. n Ammeter kan analoog wees, m.a.w. dit het n meter en n naald, of dit kan digital wees, m.a.w. dit het n elektriese vertoon, soos n digitale horlosie. n Ammeter word in altyd serie in die stroombaan gekoppel, m.a.w. die stroombaan word gebreek en die ammeter word ingelas.
Die coulomb n Franse militêre ingenieur met die naam Charles de Coulomb het n definisie opgestel om die lading te beskryf en dit is: n Coulomb is die hoeveelheid lading wat binne een sekonde verby n punt beweeg in n geleier as die stroomsterkte A is. Dit is dus duidelik, as die stroomsterkte 5A is en die hoeveelheid lading in sekonde verby n punt gemeet word, dit 5 coulomb sal gee. Dit belangrik dat coulomb in só n sin met kleinletters geskryf word, maar die simbool, C, in n hoofletter. In wiskundige vorm word dit soos volg geskryf: waar Q = die simbool vir lading. I = die simbool vir stroomsterkte. t = die simbool vir tyd. Q = It
Dit kan dalk nou verwarrend wees om tussen die simbole Q en C vir lading te onderskei, en I en A vir stroom. Dit is egter nie so moeilik nie ons meet lading in coulomb, maar dui dit aan met Q, en ons meet stroom in ampère, maar dui dit aan met I, in vergelykings, soos hierbo. n Elektron is n baie klein voorwerpie. Dit kan nie eers met n baie sterk mikroskoop raakgesien word nie. Een elektron het n baie klein lading, Inteendeel, dit is so klein, ons moet dit skryf as: 0, 000 000 000 000 000 062 5 coulomb. Die vermoë om stroom te kan lewer Kyk weer na die volgende sketse in verband met water, en beantwoord die vrae wat gevra word. Die water in hierdie tenk oefen n druk uit op die uitlaatklep van die tenk, en hierdie druk is eweredig aan die hoeveelheid water in die tenk. Die volgende tenk het dieselfde grootte uitlaatklep, maar die druk op die uitlaat is groter, omdat daar meer water is wat druk verskaf. As jy nou die druk van die water onder by die klep meet vir elke geval, en die druk bo by die oppervlakte, dan sal jy mos sien dat daar geen druk by die oppervlakte is nie maar daar is n verskil in elke geval tussen die druk bo by die oppervlakte, en onder by die klep. Die water het dus n verskil in potensiaal vir hoeveel werk gedoen kan word, bo by die oppervlakte, en onder by die klep.
Dieselfde Beginsel geld vir elektriese stroom. Daar moet n manier wees om die vermoë van n sel om stroom te lewer te meet. Dit word gedoen deur die volt van n sel te bepaal. Die volt is vernoem na n Italiaanse wetenskaplike, Allesandro Volta, en die simbool daarvoor is V. Anders, egter, as met stroom, is die simbool vir volt in wiskundige vergelykings ook V. Wanneer ons na die volt verwys, kan ons praat van potensiaalverskil of spanning. Net soos met die tenk met die water in, is ook só n verskil tussen die hoeveelheid lading aan die een kant van n sel en die hoeveelheid lading aan die ander kant. Dit word n potensiaalverskil genoem, en veroorsaak spanning tussen die twee punte. n Voltmeter word altyd in parallel gekoppel, en altyd oor n sel of n weerstand, soos in die skets:
Ohm se wet Deur verskeie eksperimente met verskillende spannings en verskillende weerstande in stroombane te doen, het Georg Ohm bepaal die spanning (volt) en stroom (ampere, I) direk eweredig aan mekaar is, en deur die uitdrukking V α I gegee word. Om dit egter as n vergelyking te kan skryf, met n = teken, moet hy gebruik maak van n eweredigheidskonstante, en gewoonlik, totdat dit bepaal kan word, word dit sommer gegee deur k. Dus V = k I Ohm het gevind dat hierdie vergelyking vir elke tipe stroombaan altyd geldig bly, maar meer nog, hy het vasgestel dat die waarde van k n aanduiding gee van die weerstand wat hy elke keer in die stroombaan insit. Hy het toe n wet geformuleer, wat ons Ohm se Wet noem, en deur die konstante k met R te vervang, lees dit dan só: V = IR Dit is dus nou moontlik om die weerstand wiskundig te bepaal in stroombane as die spanning en stroom bekend is, sonder om dit eksperimenteel te bepaal. Hierdie wet is BAIE BELANGRIK en jy gaan dit nog baie teëkom. Die simbool R staan vir weerstand en die weerstand word in ohm gemeet. Die simbool vir ohm is Ω (Die Griekse letter omega).
Hierdie wet word baie keer in die volgende vorm geskryf: Met ander woorde: As ons V soek, vermenigvuldig ons I en R. As ons I soek, deel ons V met R. As ons R soek, deel ons V met I.
Parallel en Serie-skakelings n Vraag wat dalk al by jou opgekom het, is: Wat sal gebeur as ek selle of weerstande in parallel koppel? Kom ons kyk dus nou na n paar moontlikhede om dit te ondersoek. In bogenoemde stroombaan is daar ses,5 V selle oor n parallel weerstand kombinasie gekoppel met 3 Ω weerstand elk, met ammeters en voltmeters soos aangetoon. Die selle is in serie. Die lesings wat verkry is, is die volgende: A 6 A A 2 3 A A 3 3 A V 9 V 9 V V 2 Wat merk jy op van die spanning in elke been van die parallelle kombinasie? Wat merk jy op van die som van A en A 2?
Ons sien dat die stroom verdeel in n parallelle baan, maar die somtotaal van die stroom is dieselfde soos wat dit op enige plek in die hoof-geleier gemeet is, en die spanning bly dieselfde. Bepaal nou die weerstand van elk van die resistors met Ohm se wet: V V R = = R = I I = = Ω = Ω Sien jy dat dit dieselfde is as die waardes wat vir jou gegee is? Kom ons bepaal nou die weerstand van die hele stroombaan, m.a.w. die kombinasie van die twee weerstande. V Volgens Ohm se wet is: R = I 9 Dus R = 6 =,5 Ω Die totale weerstand van n parallelle-kombinasie is dus minder as die enkele resistors waaruit die kombinasie bestaan. Ons sal later na n formule kyk om parallelle weerstand te bepaal.
Wat nou van resistors in serie? Kom ons kyk na die vorige eksperiment, maar ons plaas die resistors in serie. A A 2 A 3 V V 2,5 A,5 A,5 A 4,5 V 4,5 V Kom ons werk nou die waarde uit vir die eerste weerstand: V R = = I = en vir die tweede weerstand: V R = = I = Wat merk jy op?
Kom ons bepaal nou egter die totale weerstand van die stroombaan: V R = = I = Nou sien ons dat n totale weerstand van n serie-kombinasie meer is as die enkele resistors wat die kombinasie uitmaak. Ons kon net die enkele resistors se waardes bymekaar getel het. Ons gaan later sien hoe die totale weerstand van n stroombaan bereken kan word deur kombinasies in een stroombaan. Onthou dus hierdie beginsels, dit gaan later handig te pas kom. Ons sien verder uit hierdie eksperiment dat in n serie weerstandkombinasie die stroom hierdie keer dieselfde bly, maar die spanning verskil. (Kyk na die waardes van A, A 2 en A 3 en V en V 2 ). BEPALING VAN PARALLELLE WEERSTAND Ons het vroeër gesien dat die weerstand in n serie stroombaan bepaal kan word deur bloot die weerstande se waardes op te tel, maar dat die weerstand van n parallelle kombinasie minder is as enige van die resistors wat die kombinasie opmaak. Ons bepaal die parallelle weerstand dus soos volg: R TOTAAL = R + R 2 + R 3 +...
Volg nou die stappe indien R = 2 Ω, R 2 = 4 Ω en R 3 = 6 Ω. R TOTAAL = 2 + 4 + 6 Die regterkant van die vergelyking hanteer ons soos die gewone optelling van breuke: 6 + 3 + 2 = 2 2 Dus: R TOTAAL = 2 Maar ons wil nie op R TOTAAL hê nie, ons wil R TOTAAL as n getal op sy eie hê. Wat ons dan doen, is om altwee die kante van die vergelyking om te dra, m.a.w. 2 R TOTAAL = Ω As ons nou gaan kyk na die eksperiment wat ons uitgevoer het met parallelle weerstande, kan ons nou die weerstand bepaal deur te sê: R TOTAAL = 3 + 3 = 2 3 Dus R TOT = 2 3 =,5 Ω
Oefening Bepaal die ekwivalente weerstande van die volgende kombinasies van weerstande in parallel gekoppel. a) R = 2 Ω ; R 2 = 4 Ω b) R = 6 Ω ; R 2 = 2 Ω ; R 3 = 4 Ω c) R = Ω ; R 2 = Ω ; R 3 = Ω d) R = 5 Ω ; R 2 = 5 Ω ; R 3 = 5 Ω
Interpretasie van stroombane Jy gaan nou gehelp word deur n aantal stroombaan verwante vrae, sodat jy self kan probeer om dit later te doen. ) Die ammeter lees n waarde van 6A as die skakelaar gesluit is. As die weerstand van R 6 Ω is, wat is: a) die potensiaalverskil V? b) die weerstand van R 2? a) Ons weet dat die stroom van 6A deur R en R 2 dieselfde is. En die weerstand van R = 6 Ω Dus: Volgens Ohm se wet: V = IR Dus: V = (6)(6) = 36 V b) Ons moet ons nou bepaal by die hele stroombaan. Die stroom wat deur R 2 vloei, is 6 A. Die stroombaan se potensiaalverskil is 50V en daar is dus 50 36 = 4V nog beskikbaar vir R 2. (Onthou dat die weerstande saam al die spanning opneem). Dus, in R 2 is V = 4V en I = 6A. V 4 R = = = Ω I 6
2) a) Wat is die stroom deur A? b) As die stroom deur A 2 0,8A is, wat is die waarde van R? a) Die stroom deur A is dieselfde as die stroom deur die 6Ω weerstand. V 6V Dus, I = = = A R 6Ω b) Van die oorspronklike 20 V is 6V klaar gevat deur die 6 Ω weerstand. Daar is dus 4 V beskikbaar vir die parallelle kombinasie en ons weet ook dat die potensiaal oor elke weerstand in n parallelle kombinasie dieselfde is. Dus is die spanning oor R 4V V 4 Dan: R = = = 7, 5Ω I 0, 8
Oefening ) In die skets het elke sel n emk van 2V. a) Wat is die lesing op A, V, V 2 en V 3 wanneer skakelaar S oop is? A = V = V 2 = V 3 = b) Skakelaar S word nou gesluit. Bereken i) Die totale weerstand van die stroombaan ii) Die lesing op die ammeter iii) Die lesing op voltmeter V 2 iv) Die lesing op voltmeter V v) Die lesing op voltmeter V 3
2) In die stroombaan het die battery n emk van 2V en weglaatbare interne weerstand. Die weerstande van die resistors is soos aangedui. Bereken a) Die weerstand van die parallelle kombinasie b) Die lesing op die ammeter c) Die lesing op voltmeter V d) Die lesing op voltmeter V 2 e) Die lesing op voltmeter V 3
3) Die skets toon n stroombaan waarin twee resistors in parallel aan n battery verbind is. a) Elke sel het n emk van 2,5V. Wat is die emk van die battery? b) Bereken die totale weerstand van die twee resistors in parallel. c) Bereken die lesing op die ammeter indien S en S 2 gesluit is d) Bereken die stroom deur die Ω resistor indien S en S 2 gesluit is. e) Sonder om verdere berekeninge te doen, hoe sal die ammeterlesing beïnvloed word as slegs S gesluit is. Verklaar.
4) Beskou die stroombaandiagram: a) Bereken die totale weerstand van die samestellende resistors b) Hoe groot is die stroom deur die 2Ω resistor? c) Bereken die stroom deur die 3Ω resistor. d) Bereken die potensiaalverskil oor die 6Ω resistor. e) Hoeveel lading beweeg in 2 minute verby n punt in die 3Ω resistor?
Bronne http://www.futuristic-alternative-energy.com/electrical-energy.html http://tembari.blogspot.com/20/03/high-energy-co-shoulders-tembari.html http://rapgenius.com/milo-backpackers-sermon-from-mount-jansport-lyrics#note-2394 http://www.vectorstock.com/royalty-free-vector/bright-electric-bulb-vector-536254 http://bafflingmagnetism.com/andre-marie_ampere http://www.3bscientific.com/hand-held-analog-measuring-instruments,pg_83_804_809.html http://teamwayscientific.en.made-in-china.com/product/zqoeyqwjbzwe/china-ammeter-j0407-.html http://www.daviddarling.info/encyclopedia/c/coulomb_charles.html http://saints.sqpn.com/ncd0655.htm http://www.thesciencefair.com/merchant2/merchant.mvc?screen=prod&product_code=740-8&category_code=em http://commons.wikimedia.org/wiki/file:gerog_ohm.jpg http://www.electronics-tutorials.ws/dccircuits/dcp_2.html