Basis
Beweging
Geluid
Licht
antwoorden
antwoorden
antwoorden
antwoorden
videolessen
videolessen
videolessen
videolessen
Elektriciteit
Kracht
Warmte
Atomen
antwoorden
antwoorden
antwoorden
antwoorden
videolessen
videolessen
videolessen
videolessen

Hoofdstuk 5
Elektriciteit

§1     Lading

In dit hoofdstuk gaan we elektriciteit bestuderen. Omdat elektriciteit bestaat uit bewegende ladingen, gaan we in de eerste paragraaf eerst kijken naar het begrip lading.

Alle materie in het universum bestaat uit bolvormige deeltjes die we atomen noemen. Atomen bestaan op hun beurt uit nog kleinere deeltjes. In de atoomkern bevinden zich deeltjes met een positieve lading genaamd protonen. Deze protonen zijn relatief zwaar en zitten stevig vast in de atoomkern. Om de atoomkern heen bewegen een aantal deeltjes met een negatieve lading genaamd elektronen. Deze deeltjes zijn relatief licht en bewegen met enorme snelheid om de atoomkern. Het zijn deze negatieve ladingen die zorgen voor elektriciteit.

De positieve en de negatieve ladingen hebben de bijzondere eigenschap dat ze elkaar aantrekken. Daarnaast is het zo dat ladingen van dezelfde soort elkaar afstoten. Deze effecten zien we bijvoorbeeld als we een ballon tegen een trui wrijven. Door de wrijvingskracht komen elektronen van atomen uit de trui op de ballon te zitten. Als we de negatief geladen ballon dan bij een straaltje water houden, dan begint het water af te buigen (zie de linker onderstaande afbeelding). Dit komt doordat de positieve ladingen in het water en de negatieve ladingen in de ballon elkaar aantrekken. Op dezelfde manier kunnen we een ballon aan het plafond laten 'plakken' (zie de middelste afbeelding). We noemen deze fenomenen statische elektriciteit.

Als een voorwerp een groot overschot aan positieve ladingen heeft en een ander voorwerp een groot overschot aan negatieve ladingen, dan kan de aantrekkingskracht tussen deze ladingen zo groot worden dat de negatieve ladingen overspringen naar de positieve ladingen. We zien dan een 'vonk' overspringen (zie de rechter bovenstaande afbeelding). Het zijn meestal de negatieve elektronen die de sprong maken en niet de veel zwaardere positieve protonen.

In de natuur komen we deze effecten op grotere schaal tegen. Door bepaalde processen in wolken kan de onderkant van een wolk negatief worden en de bovenkant positief. De negatieve ladingen aan de onderkant van de wolk duwen de negatieve ladingen in de aarde weg en trekken de positieve ladingen in de aarde naar zich toe. Als het ladingsverschil groot genoeg wordt, dan ontstaat bliksem (zie de onderstaande afbeelding).

         Redeneren met lading
  1. Leg uit of de volgende stellingen waar zijn of niet:
    1. Twee positieve ladingen trekken elkaar aan.
    2. Twee negatieve ladingen stoten elkaar af.
    3. In een neutraal voorwerp zitten geen ladingen.
    4. In een positief geladen voorwerp zitten geen negatieve ladingen.
  2. Een elektroscoop bestaat uit een glazen fles met daarin een metalen staaf. Aan het einde van de staaf bevinden zich twee strookjes aluminiumfolie.

    1. Als je de bovenkant van de elektroscoop met een negatief geladen staaf aanraakt, dan gaan de strookjes aluminium uit elkaar. Verklaar dit.
    2. Verklaar wat er met de aluminium strookjes gebeurt als je de bovenkant met een positief geladen staaf aanraakt.
    3. Leg ook uit wat er in deze situatie met de ladingen gebeurt.
  3. Als je een negatief geladen ballon naast een straaltje water plaatst, dan gaat het water afbuigen. Leg met behulp van een schematische tekening van ladingen uit waarom het water afbuigt. Gebruik voor de positieve ladingen een ‘+’ en voor de negatieve ladingen een '-'
  4. Een persoon raakt de grote positief geladen metalen bol van een Van der Graaff generator aan en als gevolg gaan haar haren overeind staan.

    1. Leg uit of de elektronen het haar in of uit stromen.
    2. Leg uit waarom de haren overeind gaan staan.

 

§2     Schakelingen

In deze paragraaf gaan we het begrip lading gebruiken om stoomkringen te begrijpen en te ontwerpen.

Als we elektriciteit willen opwekken, dan hebben we in ieder geval een spanningsbron nodig. Een spanningsbron is een voorwerp waarvan één onderdeel een overschot aan negatieve ladingen bevat (de minpool) en een ander onderdeel een overschot aan positieve ladingen bevat (de pluspool). Voorbeelden van spanningsbronnen zijn de batterij, het stopcontact en de dynamo.

Als we de twee polen met elkaar verbinden, dan spreken we van een gesloten stroomkring. Als gevolg daarvan gaan de negatieve ladingen naar de pluspool stromen. Het bewegen van deze ladingen noemen we elektriciteit.

Het zijn alleen de negatieve elektronen die door de elektriciteitsdraden stromen van de min naar de plus. De positieve ladingen zitten immers goed vast in de atoomkernen. Toch zeggen we (helaas) dat de stroom van plus naar min stroomt. In werkelijkheid bewegen de elektronen dus precies de andere kant op! Deze onhandigheid stamt nog uit de tijd voordat de elektronen ontdekt waren.

In de onderstaande afbeelding is aan de stroomkring ook een gloeilamp en een schakelaar toegevoegd. Een schakelaar is niet meer dan een klepje, waarmee de stroomkring geopend en gesloten kan worden. Alleen als de schakelaar gesloten is gaan de ladingen van de min- naar de pluspool stromen. Aan de rechterkant zien we ook een schematische weergave van deze schakeling. Zoals je ziet gebruiken we voor de lamp een cirkel met een kruis erin en voor de spanningsbron een korte en een lange streep (de lange streep is de pluspool).

Als de ladingen door de schakeling stromen, dan botsen ze voortdurend tegen de atomen waaruit de schakeling bestaat. In de gloeidraad van een gloeilamp leveren deze botsingen genoeg energie om de draad zo warm te maken dat deze gaat gloeien.

Als we meerdere lampjes op een spanningsbron aansluiten, dan kunnen we dat op verschillende manieren doen. Linksonder zien we de zogenaamde serieschakeling. In een serieschakeling zijn alle lampjes in dezelfde stroomkring opgenomen. Als we in deze schakeling één lampje losdraaien, dan wordt deze stroomkring verbroken en gaan alle lampjes uit. Rechts zien we de zogenaamde parallelschakeling. In een parallelschakeling heeft elk lampje zijn eigen stroomkring. Als we in deze schakeling één lampje losdraaien, dan wordt slechts één van de stroomkringen verbroken. De andere lampjes blijven in dit geval gewoon branden. Als er een schakeling wordt gebouwd uit meerdere lampjes en het is niet serie en niet parallel, dan noemen we dit een gemengde schakeling.

De moeilijkheid waarmee een materiaal ladingen doorlaat noemen we de weerstand. Materialen met een kleine weerstand noemen we geleiders. De bekendste groep geleiders zijn de metalen. We gebruiken geleiders bijvoorbeeld voor de bedrading in schakelingen, zodat ladingen hier gemakkelijk doorheen stromen. Materialen met een grote weerstand noemen we isolatoren. Een veelvoorkomende isolator is plastic. Elektriciteitsdraden zijn meestal omhult met een laagje plastic. Dit zorgt er o.a. voor dat er geen kortsluiting kan ontstaan tussen verschillende draden.

         Ontwerpen en begrijpen van elektrische schakelingen
  1. Teken een parallelschakeling met twee lampen. Voeg ook twee schakelaren toe waarmee je de lampen afzonderlijk aan en uit kan zetten.
  2. Teken weer een parallelschakeling met twee lampen. Voeg nu één schakelaar toe waarmee je beide lampen tegelijk aan en uit kan zetten.
  3. In de volgende schakeling zijn drie schakelaren opgenomen. Ga voor elke schakelaar na welke lampen uitgaan als de schakelaar geopend wordt (en de andere schakelaren dicht blijven).

  4. In de onderste schakeling zijn vier identieke lampjes opgenomen.

    1. Ga na welke lampjes nog branden als je telkens één van de lampjes losdraait.
    2. Lampje D brandt het felst. Verklaar waarom dit het geval is.
  5. Geef bij elk van de volgende tekeningen aan of de lampjes wel of niet branden. Leg je keuze uit.

  6. In een appartement in een flat bevindt zich een deurbel. De bel kan geactiveerd worden met behulp van twee schakelaren. Eén schakelaar bevindt zich bij de voordeur van het appartement en de ander bij de voordeur van de flat zelf. Teken de schakeling die hier beschreven is.
  7. Een leerling maakt een schakeling waarmee hij kan testen of vloeistoffen wel of niet stroom geleiden. Teken deze schakeling.
  8. Jouw buurman wil een schakeling bouwen waarmee hij een lamp zowel boven als beneden uit en aan kan zetten. Zijn eerste ontwerp is deze schakeling:

    1. Leg uit waarom de schakeling niet doet wat de buurman graag wilt.
    2. De buurman besluit de elektricien in te schakelen. De elektricien bouwt een zogenaamde hotelschakeling. Deze schakeling is hieronder weergegeven. Leg uit waarom deze schakeling het probleem uit vraag a oplost.

 

§3     Stroomsterkte en spanning

In deze paragraaf gaan we de beweging van lading nader bestuderen. Dit doen we aan de hand van de begrippen stroomsterkte en spanning.

De hoeveelheid lading die per seconde door een punt in de schakeling stroomt noemen we de stroomsterkte (I). De SI-eenheid van de stroomsterkte is de ampère (A).

Laten we eens kijken hoe het zit met de stroomsterkte in een aantal verschillende schakelingen. In de onderstaande afbeelding stromen de ladingen door een serieschakeling (op de website is deze afbeelding een animatie). In de onderstaande animatie stromen de ladingen door een serieschakeling. In een serieschakeling gaat alle lading door alle lampjes heen. De hoeveelheid lading die uit de spanningsbron stroomt, is dus gelijk aan de hoeveelheid lading die het rechter lampje in stroomt en even later het linker lampje in stroomt. De stroomsterkte is in een serieschakeling dus in alle onderdelen gelijk.

AFBEEDLING BOEK!!!

In een parallelschakeling zijn er meerdere stroomkringen waarover de lading zich verdeelt. Hoe de stroomsterkte zich verdeelt hangt af van de weerstand van de lampjes. Alleen als de lampjes dezelfde weerstand hebben, zal de stroomsterkte zich gelijk verdelen over de lampjes.

AFBEEDLING BOEK!!!

Laten we nu een gemengde schakeling bestuderen. Hiernaast zien we 4 A uit de spanningsbron stromen. Al deze lading komt aan bij de rechter lamp. Hier is de stroomsterkte dus ook 4 A. Daarna splitsen de ladingen op. Stel dat 1 A bovenlangs gaat, dan weet je dat de rest (3 A) onderlangs moet gaan.

AFBEEDLING BOEK!!!

In de onderstaande afbeelding stroomt 10 A uit de spanningsbron. Bij punt P splitsen de ladingen op. Als blijkt dat 2 A linksaf gaat, dan moet de rest (8 A) dus bovenlangs gaan. Deze 8 A gaat door beide bovenstaande lampjes heen. Door elk stroomt dus 8 A.

De energie die één lading kwijtraakt als deze door een onderdeel van de schakeling beweegt noemen we de spanning (U). De SI-eenheid van de spanning is de volt (V). De spanning van de spanningsbron geeft aan hoeveel energie elke lading in totaal zal uitgeven als het van de min naar de plus stroomt. De meeste spanningsbronnen hebben een vaste spanning. Over een stopcontact staat bijvoorbeeld in Nederland altijd 230 V. We noemen dit ook wel de netspanning.

Laten we eens kijken hoe het zit met de spanning in een aantal verschillende schakelingen. Hieronder zien we bijvoorbeeld een serieschakeling. Elke lading gaat in deze schakeling door beide lampjes heen. Elke lading zal zijn energie dus verdelen over de twee lampjes. Hoe de spanning precies verdeeld wordt hangt af van de weerstand van de lampjes. Alleen als de lampjes dezelfde weerstand hebben, zal de spanning over beide lampjes gelijk zijn.

AFBEEDLING BOEK!!!

In een parallelschakeling gaat elke lading maar door één lampje heen. Elke lading besteedt dus al zijn energie in slechts één lampje. Als over de spanningsbron een spanning van 20 V staat, dan heeft in een parallelschakeling elk lampje dus ook een spanning van 20 V. Het veranderen van de weerstanden heeft hier geen invloed op.

AFBEEDLING BOEK!!!

Nu tijd voor gemengde schakelingen. De onderstaande schakeling bestaat uit twee stroomkringen . Sommige ladingen gaan namelijk door het rechter en het bovenste lampje en andere ladingen gaan door het rechter en het onderste lampje. In elke stroomkring moet een lading in totaal 12 V uitgeven. Als gegeven is dat over de rechter lamp een spanning van 8 V staat, dan moet over de twee linker lampen dus elk een spanning van 4 V staan. Op deze manier is de totale spanning over elke stroomkring gelijk aan 12 V.

AFBEEDLING BOEK!!!

         Rekenen met stroomsterkte en spanning in gemengde schakelingen
  1. Ga naar deze opdracht op de website of maak het stencil aan het eind van de paragraaf.
    Klik op de lampjes en de spanningsbron en vul de juiste stroomsterkte en spanning in:
  2. Beschrijf het verschil tussen stroomsterkte en spanning.
  3. Twee dezelfde lampjes zijn in serie aangesloten op een batterij. De batterij levert een stroomsterkte van 250 mA. Leg uit hoe groot de stroomsterkte door elk van de lampjes is.
  4. Twee dezelfde lampjes zijn parallel aangesloten op een batterij. De batterij levert een stroomsterkte van 0,090 A. Leg uit hoe groot de stroomsterkte door elk van de lampjes is.
  5. Bij sommige kerstverlichting gaan alle lampjes uit als we één lampje loshalen. Leg aan de hand van deze observatie uit of kerstverlichting uit een serie- of een parallelschakeling bestaat.
  6. Als je thuis de stekker van één lamp uit een stopcontact haalt, gaan gelukkig niet alle lampen in het huis plotseling uit. Leg aan de hand van deze observatie uit of de schakeling waarop de stopcontacten in huis zijn aangesloten een serie- of een parallelschakeling is.
  7. Verklaar de volgende correcte uitspraken met behulp van het begrip spanning.
    1. De spanning is overal gelijk in een parallelschakeling.
    2. De spanning wordt verdeeld over de lampjes in een serieschakeling.
  8. Hieronder zien we twee schakelingen met een aantal dezelfde lampjes:

    1. Beschrijf wat er gebeurt als een lampje in de bovenste schakeling doorbrandt.
    2. Beschrijf wat er gebeurt als een lampje in de onderste schakeling doorbrandt.
    3. Leg uit of de spanning over de lampjes verandert als we een lampje uit de onderste schakeling verwijderen.
  9. In de volgende schakeling zijn vijf dezelfde lampjes opgenomen.

    1. Door welke lampjes in de bovenste schakeling is de stroomsterkte het grootst? Leg je keuze uit.
    2. Door lampje 1 en 2 stroomt elk 750 mA. Bereken de stroomsterkte door lamp 3.
    3. Over lampje 1 en 2 staat elk een spanning van 6,0 V en over lampjes 3, 4 en 5 staat elk een spanning van 4,0 V. Bereken de spanning over de spanningsbron. Leg je antwoord uit.

 

§4     Wet van Ohm

Als we de spanning en de stroomsterkte van een onderdeel van de schakeling kennen, dan kunnen we hiermee de weerstand uitrekenen. We doen dit met de zogenaamde wet van Ohm.

De wet van Ohm wordt gegeven door:

$$ R = \frac{U}{I} $$

Spanning (U)

volt (V)

Weerstand (R)

ohm (Ω)

Stroomsterkte (I)

ampère (A)

 

         Rekenen met de wet van Ohm
  1. Ga naar deze opdracht op de website of maak het stencil aan het eind van de paragraaf.
    Klik op de lampjes en de spanningsbron en vul de juiste stroomsterkte en spanning in. Voor de Ω kan je de letter 'o' gebruiken.

  2. Een weerstand wordt op een batterij van 1,5 V aangesloten. De waarde van de weerstand is 50 Ω.
    1. Bereken de stroomsterkte door deze weerstand.
    2. Dezelfde weerstand wordt nu op een batterij van 5,0 V aangesloten. Bereken wederom de stroomsterkte door de weerstand.
  3. Een lamp met een weerstand van 200 Ω wordt op een stopcontact aangesloten.
    1. Bereken de stroomsterkte door de lamp.
    2. Er ontstaat kortsluiting in de koperen bedrading van deze lamp. De weerstand van de bedrading is 0,01 Ω. Als de stroomsterkte in huis boven de 20 A komt, dan wordt de stroom voor de veiligheid meteen afgesloten. Bereken of de stroom in dit geval afgesloten wordt.
  4. Een weerstand wordt op een batterij met een spanning van 1,5 V aangesloten. De stroomsterkte door de weerstand is 400 mA.
    1. Bereken de waarde van de weerstand.
    2. Dezelfde weerstand wordt nu op een batterij met een spanning van 9,0 V aangesloten. Bereken hoeveel stroom er nu door de weerstand loopt.
  5. Een leerling bouwt de volgende twee schakelingen:

    1. De spanningsbron in de linker schakeling levert een stroomsterkte van 5,0 A. Over lamp B staat een spanning van 4,0 V. De weerstand van deze lamp is 4 Ω. Bereken welk lampje de grootste weerstand heeft.
    2. Over de spanningsbron in de rechter schakeling staat een spanning van 5,0 V. Over Lamp B staat een spanning van 4,0 V. De weerstand van deze lamp is 4,0 Ω. Bereken welk lampje de grootste weerstand heeft.