energietransport door een schakeling?

Bert stelde deze vraag op 05 mei 2015 om 12:27.

Als de stroomsterkte een maat is voor de snelheid waarmee elektronen door een draad stromen hoe kan het dan zijn dat door dezelfde draad met een zelfde stroomsterkte (van bijvoorbeeld 1 Ampère) verschillende hoeveelheden energie kunnen worden getransporteerd, afhankelijk van de spanningsbron en het vermogen van de lamp?

Bijvoorbeeld: een spanningsbron van 1 Volt die een lamp voedt van 1 Watt veroorzaakt een stroomsterkte van 1 Ampère maar een spanningsbron van 2 Volt die een lamp voedt van 2 Watt veroorzaakt óók een stroomsterkte van 1 Ampère.

Er gaat dus 2 keer zoveel energie door de draad bij dezelfde stroomsterkte!

Gaan er dan 2 keer zoveel elektronen door de draad met dezelfde snelheid?

Reacties

Jan van de Velde op 05 mei 2015 om 20:51

Bert plaatste:

Bijvoorbeeld: een spanningsbron van 1 Volt die een lamp voedt van 1 Watt veroorzaakt een stroomsterkte van 1 Ampère maar een spanningsbron van 2 Volt die een lamp voedt van 2 Watt veroorzaakt óók een stroomsterkte van 1 Ampère.

Er gaat dus 2 keer zoveel energie door de draad bij dezelfde stroomsterkte!

Vergelijk de de stroomsterkte met het aantal schakels dat per seconde door het voorste tandwiel van je fiets wordt bijgetrokken. 
Jij fietst dus op de vlakke weg, je voorste tandwiel gaat bijvoorbeeld 1 x per seconde rond (en dat betekent een x-aantal schakels per seconde) en levert daarbij een zeker vermogen.
Dan moet je bergop, maar je bent sterk en houdt hetzelfde tempo vol: het aantal schakels per seconde verandert dus niet, maar die ketting transporteert wel véél meer vermogen: de ketting staat een stuk harder gespannen.
Kortom, bij een hogere spanning kun je met dezelfde stroomsterkte meer vermogen leveren. (met een grotere trapkracht kun je met hetzelfde aantal traprondjes per seconde méér vermogen leveren)

Gaan er dan 2 keer zoveel elektronen door de draad met dezelfde snelheid?

Nee dus. Stroomsterkte is het aantal elektronen dat in één seconde een zeker punt in de draad passeert. Stroomsterkte gelijk, dan is dat aantal elektronen per seconde dus gelijk, en hun snelheid dus ook. 

Je kunt ook bij gelijke stroomsterkte de snelheid van die stroom verdubbelen: pak een half zo dik draadje en om evenveel elektronen per seconde langs een zeker punt te jagen zullen die elektronen (langs half zoveel paden tussen de atomen door) 2 x zo snel moeten. 

Stel je overigens niks spannends voor bij de snelheid van lading in een draad: zoiets kun je gewoonlijk beter weergeven in meter per uur dan in meter per seconde. 

Duidelijker zo?

Groet, Jan


Bert op 08 mei 2015 om 00:31
Ja ik begrijp nu dat stroomsterkte geen maat is voor de gemiddelde snelheid van de electronen maar voor het aantal elektronen per seconde. Elders las ik dat de gemiddelde snelheid van de elektronen in de richting van de draad weliswaar vrij klein is maar dat het er wel heel veel zijn.

De analogie met de fietser is heel duidelijk en verklaart waarom mijn voorbeeld klopt: bij dezelfde stroomsterkte wordt 2 keer zoveel energie getransporteerd. Oftewel de analogie illustreert de wet P = U x I.

Maar dit alles verklaart nog niet hoe 2 keer zoveel energie wordt overgebracht van de spanningsbron naar de lamp door hetzelfde aantal elektronen per seconde. Elders las ik dat dit iets te maken heeft met de afstotende kracht tussen de elektronen, de trillingen van de elektronen en de elektromagnetische kracht die de bewegende elektronen opwekken of andersom.

Ik kan helaas nergens een begrijpelijke uitleg vinden maar misschien is dit wel teveel gevraagd :)
Theo de Klerk op 08 mei 2015 om 00:40
Je kunt elektronen van verschillende energie voorzien. Zie ze als fietsen met of zonder iets extra's op de bagagedrager.

Spanning is (per definitie) niets anders dan de energietoename per ladingseenheid. Als 1 C lading een spanningsverschil van 1 V doorloopt, dan heeft die lading in totaal 1 J energie erbij gekregen.
Als 1 elektron door een batterij van 1,5 V van de + naar de - pool gaat (en de stroom van - naar +) dan krijgt het energie E = q.U = 1,6 . 10-19 C . 1,5 V = 2,4 . 10-19 J.  Als de spanning 2x zo hoog wordt, is de energietoename ook 2x groter. Als er 1019 elektronen tegelijk door de batterij gaan dan is de totale energie die ze hebben 1019 maal die van een enkel elektron (dus bij 1,5 V dan 2,4 J, bij 3 V 4,8 J enz)
Jan van de Velde op 08 mei 2015 om 01:00

Bert plaatste:

De analogie met de fietser is heel duidelijk en verklaart waarom mijn voorbeeld klopt: bij dezelfde stroomsterkte wordt 2 keer zoveel energie getransporteerd. Oftewel de analogie illustreert de wet P = U x I.

Maar dit alles verklaart nog niet hoe 2 keer zoveel energie wordt overgebracht van de spanningsbron naar de lamp door hetzelfde aantal elektronen per seconde. 
dat alles verklaart dat juist wél; de analogie van de fietstrappers als energiebron, de schakels van de ketting als elektronen in een stroomkring en het achterwiel als energieverbruiker heb je dan blijkbaar nog niet zo goed gesnapt als je denkt. 


Bert op 08 mei 2015 om 01:04
Hoi Theo,

Bedankt voor te toelichting. Helemaal duidelijk maar ik blijf zitten met de vraag: hoe kan een elektron dan 2 x zoveel energie hebben? Trilt hij (of zij) dan 2 x zo hard? Of draait hij 2 x zo hard om de kern van een atoom? Of is hij verder van de kern verwijderd? Of wordt de energie overgebracht door het electromagnetische veld? En hoe werkt dat dan?
Theo de Klerk op 08 mei 2015 om 01:38
Een eigenschap van lading is dat het in een elektrisch veld een kracht ervaart (veldsterkte = kracht per 1C lading) en daardoor (elektrische) energie heeft. Het trilt en gedraagt zich niet anders. Een massa (steen) die je bovenop een heuvel brengt in een zwaartekrachtveld, heeft ook "ineens" extra zwaarte energie zonder zich anders te gedragen. Dat is bij ladingen in elektrische velden niet anders. 
De energie die het krijgt is afhankelijk van de hoogte (afstand) bij massa en van spanningsverschil bij ladingen.
Bert op 08 mei 2015 om 09:52
Bedankt voor jullie heldere uitleg. Ik realiseer me nu dat ik de overdracht van zwaarte energie (zoals in de analogie van Jan) ook niet begrijp. Ik moet gewoon aannemen dat elektronen meer of minder energie kunnen hebben. Dit is ook voldoende om mijn zoon van 14 de begrippen Spanning en Stroomsterkte te kunnen uitleggen. Daar ging het namelijk om.
Bert op 08 mei 2015 om 10:03
Overigens ben ik hierdoor ook tot het inzicht gekomen dat mijn oorspronkelijke gedachte dat het energietransport door een schakeling veroorzaakt wordt door de bewegingsenergie van de elektronenstroom door de draad helemaal niet kan omdat de elektronen nadat ze hun energie hebben afgegeven in de lamp nog altijd met de zelfde aantallen en snelheid terugstromen naar de spanningsbron!
Theo de Klerk op 08 mei 2015 om 10:10
De begrippen vereisen wat "omdenken" aanvankelijk vanuit het dagelijkse gebruik, maar er daarna ook wel een logica.

Zwaartekracht, net als elektrische kracht, is iets wat we ervaren. Hoe en waarom die er zijn is nog steeds onderwerp van onderzoek en concurrerende theorieen. Maar het is er, en we kunnen het meten en ermee werken.
Die zwaartekracht werkt alleen op iets wat massa heeft. Lading doet niet terzake. Omgekeerd werkt elektrische kracht alleen op geladen deeltjes. ("Lading" is niet iets zelfstandigs, er is geen "lading", er zijn geladen deeltjes. Zoals "rood" er ook niet is, maar wel een rode emmer of rood licht).

Als je een object tegen zo'n kracht in beweegt (je duwt een steen omhoog tegen de zwaartekracht, brengt een lading tegen de veldrichting in naar elders) dan investeer je arbeid in dat object. Arbeid is uitwisseling van energie. Jij verliest energie, het object krijgt het erbij. De arbeid is gelijk aan de grootte van de kracht waar je tegeningaat maal de verplaatsing (in de richting van de kracht).
Die extra energie die je aan het voorwerp geeft wordt dan de "toegenomen zwaarte-energie" of "elektrische energie" genoemd. Met die extra energie kan zo'n voorwerp weer wat doen. Zelf arbeid verrichten bijvoorbeeld. Zoals (als het vrij bewegen kan) weer naar beneden te rollen of als geladen deeltje langs het elektrisch veld te bewegen.
Wat we ontdekten en als natuurwet zijn gaan beschouwen is dat blijkbaar nooit energie gemaakt wordt. Het heelal heeft een vaste hoeveelheid en alleen de verdeling is steeds anders.  Jij raakt energie kwijt (via spieren), het opgeheven steentje krijgt dat erbij (als zwaarte-energie). Als het gaat bewegen zet het die energie om in bewegingsenergie (kinetisch) en ook een beetje aan luchtopwarming (wrijving) en als het komt stil te liggen heeft het al zijn (kinetische) energie afgegeven als wrijvingsenergie aan de omgeving.

De hoeveelheid energie die iets krijgt (via spieren, kern-, chemische of mechanische processen e.d.) door arbeid hangt dus af van de hoeveelheid arbeid: W = F.s , de grootte van de kracht en de verplaatsing binnen dit krachtenveld. Dubbele massa betekent dubbele kracht om hetzelfde te kunnen doen. Dus dubbele arbeid nodig. Dubbele lading betekent dubbele kracht in een elektrisch veld dus ook dubbel zoveel arbeid om hetzelfde te doen. Daarmee krijgen massa en geladen deeltje ook dubbel zoveel energie.
Houd je de massa of lading hetzelfde, maar wordt het krachtenveld dubbel zo sterk (grotere planeet of grotere lading die het elektrisch veld geeft) dan heb je ook dubbel zoveel arbeid nodig.
Theo de Klerk op 08 mei 2015 om 10:13

Bert plaatste:

Overigens ben ik hierdoor ook tot het inzicht gekomen dat mijn oorspronkelijke gedachte dat het energietransport door een schakeling veroorzaakt wordt door de bewegingsenergie van de elektronenstroom door de draad helemaal niet kan omdat de elektronen nadat ze hun energie hebben afgegeven in de lamp nog altijd met de zelfde aantallen en snelheid terugstromen naar de spanningsbron!
Klopt. Zie de elektronen als pakezeltjes die met lege tassen zonder elektrische energie bij de batterij aankomen en met gevulde tassen weer de batterij verlaten. De lampjes, weerstanden e.d. die op de route worden tegengekomen "jatten" dan die energie weer uit de tassen zodat de pakezel weer leeg bij de batterij aankomt. Batterijen van 3V of 6V stoppen meer in de tassen dan een 1,5 V batterij.  Maar het gaat alleen om de tasinhoud. De ezel zelf loopt net zo hard van A naar B: de tasinhoud "weegt niks".

Een vraag op een repetitie kan dan ook zijn "Hoeveel lading heeft de batterij verloren nadat een lampje van 3W 2 uur gebrand heeft?" Antwoord: geen. De batterij heeft wel energie afgestaan (2 uur x 3600 s/uur x 3 J/s). Het chemisch proces erin zal uiteindelijk stoppen en men vindt de batterij "leeg". Maar hij is net zo vol als ervoor. Alleen geeft het geen energie meer af.
Jan van de Velde op 08 mei 2015 om 10:22
Laat ik anders de fietsketting-analogie nog eenmaal proberen. We zetten de fiets nu op een rollenbaan.
Jij trapt losjes met een zodanige snelheid dat er honderd schakels per seconde een telpunt (bijvoorbeeld recht boven de trapas, waar de tandjes in de ketting beginnen te grijpen) passeren. 
Ik zet nu een dynamo op de rollenbaan. Jij blijft in hetzelfde tempo trappen. De kracht die jij op de trappers moet zetten wordt groter, de kracht waarmee de schakels aan elkaar trekken wordt ook groter, maar de snelheid waarmee de schakels rondgaan blijft hetzelfde. 
Nog een dynamo erbij, nóg een dynamo erbij, er gaat per seconde méér energie naar die rollenbaan dan eerst, maar dat komt omdat de kracht tussen de schakels steeds toeneemt (de ketting wordt steeds sterker gespannen), NIET omdat er per seconde meer schakels bij de energie-overdracht betrokken worden.

Elektrische spanning kun je letterlijk beschouwen als de kracht waarmee tegen elektronen wordt geduwd (of eraan wordt getrokken) 

Plaats een reactie

+ Bijlage

Bevestig dat je geen robot bent door de volgende vraag te beantwoorden.

Roos heeft dertig appels. Ze eet er eentje op. Hoeveel appels heeft Roos nu over?

Antwoord: (vul een getal in)