Fysica

Elektrische stroomsterkte, eenheid ampère

Blok 1: Definitie en berekening van elektrische stroomsterkte

Definitie

Elektrische stroomsterkte is gedefinieerd als het quotiënt van de hoeveelheid elektrische lading die in een tijdsinterval door een dwarsdoorsnede van een geleider beweegt, en die tijdsduur zelf. Met andere woorden, de stroomsterkte geeft aan hoeveel coulomb lading per seconde door een bepaald punt in een elektrische kring passeert.

De stroomsterkte wordt aangeduid met het symbool I.

Mathematisch wordt dit geschreven als:

I=ΔQΔtI = \frac{\Delta Q}{\Delta t}

waarbij ΔQ de hoeveelheid verplaatste lading in coulomb is en Δt de beschouwde tijdsduur in seconden.

Belangrijke concepten

  • Kwantificering van stroom: Stroomsterkte is een fundamenteel elektronisch concept dat het dynamisch transport van elektrische lading karakteriseert.

  • Micro- en macroscopisch perspectief: Op microschaal komt elektrische stroom overeen met de beweging van vrije elektronen door het rooster van een geleider. Op macroschaal wordt enkel de netto hoeveelheid lading over een tijdsperiode gemeten.

  • Stroomrichting versus conventionele stroomzin: Hoewel elektronen bewegen van de negatieve naar de positieve pool, heeft de conventie zich historisch reeds gevestigd dat stroomzin van de positieve naar de negatieve pool wijst. Beide perspectieven worden toegepast: de fysische (elektronenbeweging) en de conventionele richting voor stroom in schakelschema’s en theoretische analyses.

Formules en berekeningen

De centrale relatie is:

I=ΔQΔtI = \frac{\Delta Q}{\Delta t}
  • I: stroomsterkte in ampère (A)

  • ΔQ: totale hoeveelheid lading in coulomb (C) die door het dwarsoppervlak stroomt

  • Δt: tijdsinterval in seconden (s)

Belangrijk bij deze formule is het correct interpreteren van ΔQ, vooral wanneer de ladingstroom niet constant is. In dat geval wordt het onmiddellijke stroomsterkte gegeven door het differentiaalquotient:

I(t)=dQdtI(t) = \frac{dQ}{dt}

Eenheid van stroomsterkte: De ampère (A) is gedefinieerd als één coulomb per seconde:

1 A=1 Cs1\ \mathrm{A} = 1\ \mathrm{\frac{C}{s}}

Praktijkvoorbeelden

Voorbeeld 1: Bepalen van gemiddelde stroomsterkte bij een elektronische schakeling Een condensator ontlaadt zich via een weerstand, waarbij in 4,0 milliseconden (4,0 × 10⁻³ s) een lading van 2,0 × 10⁻⁴ C passeert.

Bereken de gemiddelde stroomsterkte tijdens deze periode.

I=ΔQΔt=2,0×104 C4,0×103 s=5,0×102 AI = \frac{\Delta Q}{\Delta t} = \frac{2,0 \times 10^{-4}\ \mathrm{C}}{4,0 \times 10^{-3}\ \mathrm{s}} = 5,0 \times 10^{-2}\ \mathrm{A}

De gemiddelde stroomsterkte tijdens de ontlading is dus 50 mA.

Voorbeeld 2: Analyse van stroomsterkte bij niet-constante ladingsverplaatsing Beschouw een stroomkring waarin elektrische lading verplaatst wordt volgens Q(t)=10t2Q(t) = 10t^2 met Q in C en t in s. Bepaal de stroomsterkte op t = 3,0 s.

Hier nemen we de afgeleide: I(t)=dQdt=20tI(t) = \frac{dQ}{dt} = 20t Op t = 3,0 s: I(3,0)=20×3,0=60AI(3,0) = 20 \times 3,0 = 60\,\mathrm{A}

De stroomsterkte op dat tijdstip bedraagt dus 60 ampère.

Veel gemaakte fouten

  • Verwarren van elektrische stroomrichting en elektronenbeweging: Studenten verwarren vaak de fysische richting van elektronen met de conventionele stroomzin. Voor eindexamenvragen is het essentieel altijd de conventionele stroomzin te hanteren bij circuitanalyse, tenzij expliciet anders gevraagd.

  • Onjuiste tijdsintervallen gebruiken: Er wordt soms de totale tijd van een experiment genomen in plaats van het relevante tijdsinterval waarin de ladingsverplaatsing plaatsvindt. Dit leidt tot foutieve waarden van Δt en dus incorrecte stroomsterkte.

  • Foutieve differentiatie bij tijdsafhankelijke ladingsverplaatsingen: Bij functies waarbij de lading afhankelijk is van de tijd, wordt soms ten onrechte ΔQ/Δt genomen over een interval in plaats van de afgeleide (dQ/dt) te nemen op het exacte tijdstip.

  • Vergeten van eenheden: In uitgebreide berekeningen wordt de lading soms per ongeluk benoemd in ampère in plaats van coulomb, of omgekeerd, wat resulteert in verkeerde dimensies.

  • Negeren van teken bij ΔQ: Bij sommige processen, zoals het ontladen van een condensator, kan de lading afnemen (ΔQ negatief). Het negeren van het teken kan leiden tot conceptuele fouten bij het bepalen van de stroomrichting.

Samenvatting

De elektrische stroomsterkte I wordt berekend als het quotiënt van de totale ladingsverplaatsing (ΔQ) gedurende een tijdsinterval (Δt), en heeft als eenheid de ampère, overeenkomend met één coulomb per seconde. Op microscopisch niveau bewegen elektronen van de negatieve naar de positieve pool, maar in circuitanalyses wordt de conventionele stroomzin altijd van positief naar negatief beschouwd. Het correct toepassen van de formule, vooral bij niet-constante of tijdsafhankelijke processen, is essentieel bij gevorderde examenopgaven.

Oefenvragen

  1. Een stroombron levert aan een elektrisch toestel in 30 milliseconden een totale lading van 0,30 coulomb. Bereken de gemiddelde stroomsterkte door het toestel. Antwoord: I=ΔQΔt=0,30 C30×103 s=10 AI = \frac{\Delta Q}{\Delta t} = \frac{0,30\ \mathrm{C}}{30 \times 10^{-3}\ \mathrm{s}} = 10\ \mathrm{A}

  2. Voor een tijdsafhankelijk ladingsverloop geldt [INLINE_EQUATION]Q(t) = 4,0 + 2,5t^3[/INLINE_EQUATION], met Q in coulomb en t in seconde. Bereken de stroomsterkte op t = 2,0 s. Antwoord: I(t)=dQdt=3×2,5t2=7,5t2I(t) = \frac{dQ}{dt} = 3 \times 2,5 t^2 = 7,5 t^2 Voor t = 2,0 s: I=7,5×(2,0)2=7,5×4,0=30 AI = 7,5 \times (2,0)^2 = 7,5 \times 4,0 = 30\ \mathrm{A}

  3. In een circuit stroomt gedurende 120 microseconden (1,2 × 10⁻⁴ s) een elektronische lading van -1,6 × 10⁻⁵ coulomb door een weerstand. Wat is de gemiddelde stroomsterkte én wat is de conventionele stroomrichting? Antwoord: I=1,6×105 C1,2×104 s=0,133 AI = \frac{-1,6 \times 10^{-5}\ \mathrm{C}}{1,2 \times 10^{-4}\ \mathrm{s}} = -0,133\ \mathrm{A} De stroomsterkte is 0,133 A; het negatieve teken duidt erop dat de elektronenstroom tegengesteld is aan de conventionele stroomzin. Dus de conventionele stroom stroomt in de omgekeerde richting van de ladingsverplaatsing (van positieve naar negatieve pool).

Test je kennis met deze examenoefeningen