BASIS
BEWEGING
KRACHT
ELEKTRICITEIT
antwoorden
antwoorden
antwoorden
antwoorden
videolessen
videolessen
videolessen
videolessen
oefentoets
oefentoets
oefentoets
oefentoets
MECHANICA
ENERGIE
MOMENT
MODELLEREN
antwoorden
antwoorden
antwoorden
antwoorden
videolessen
videolessen
videolessen
videolessen
oefentoets
oefentoets
oefentoets
oefentoets
RADIOACTIVITEIT
(UIT VMBO BOEK)
...
...
...

Hoofdstuk 4
Elektriciteit

§1 Schakelingen
§2 De stroomsterkte
§3 De spanning
§4 De wet van Ohm
§5 Het vermogen



§1     Schakelingen

In dit hoofdstuk gaan we elektriciteit bestuderen. We beginnen in deze paragraaf met het bespreken van statische elektriciteit. Daarna gaan we deze kennis gebruiken om stroomkringen te begrijpen en uiteindelijk introduceren we een aantal elektrische onderdelen, waaronder de NTC.

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 deze ballon daarna tegen het plafond houden, dan blijft deze "plakken" (zie de linker onderstaande afbeelding). Dit komt doordat de negatieve ladingen in de ballon, de negatieve ladingen in het plafond wegduwen (zie de rechter afbeelding). Als gevolg blijft er netto een positieve lading achter in het plafond. De ballon wordt op zijn plek gehouden door de aantrekkingskracht tussen deze positieve ladingen en de negatieve ladingen in de ballon. We spreken bij dit soort fenomenen van statische elektriciteit.


(Afbeelding: Danny Nicholson; CC BY-ND 2.0)

         Demonstratievideo
In het rechter filmpje zien we de afstotende en aantrekkende werking van lading gedemonsteerd:
DEMO-VIDEO:
Statische elektriciteit

         Demonstratievideo
In het rechter filmpje zien we een zogenaamde van der Graaf generator. Een draaiende band in de generator zorgt dankzij wrijving dat er positieve ladingen op een metalen bol terecht komen. Op deze bol zijn metalen bordjes gelegd. Omdat deze bordjes allemaal positief worden gaan ze elkaar zichtbaar afstoten.
DEMO:
Van der Graaf generator

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 hier de negatieve elektronen die de sprong maken en niet de veel zwaardere positieve protonen.


(Afbeelding: Moses Nachman Newman; CC BY 4.0)

         Demonstratievideo
In het rechter filmpje zien we dit effect gedemonsteerd met een zogenaamde Wimshurst machine. Met behulp van wrijving worden hier genoeg positieve en negatieve lading op twee metalen bollen geplaatst dat er een vonk overspringt:
DEMO-VIDEO:
De Wimshurst machine

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, zodat de aarde aan het oppervlak netto positief geladen wordt. Als het ladingsverschil groot genoeg wordt, dan ontstaat bliksem (zie de onderstaande afbeelding).


(Afbeelding: Gerlos; CC BY-SA 2.0)

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 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, terwijl dus in werkelijkheid de elektronen precies de andere kant op bewegen! Deze onhandigheid stamt nog uit de tijd voordat 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 dat 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.

Het rechthoekige symbool in de eerste onderstaande afbeelding wordt een (vaste) weerstand genoemd. Een weerstand wordt o.a. gebruikt om de stroom door een draad te beperken. Als je een zwak lampje bijvoorbeeld direct op een stopcontact aansluit, dan brandt het meteen door. Dit is te verhelpen door een weerstand in serie te zetten met de lamp. Dit is hieronder links afgebeeld. Naast een vaste weerstand bestaat ook de zogenaamde variabele weerstand. De waarde van deze weerstand is handmatig in te stellen. Dit onderdeel wordt bijvoorbeeld gebruikt om een lamp handmatig te dimmen (zie de schakeling rechtsonder).

Een ander veelvoorkomend onderdeel is de NTC. De NTC is een weerstand waarvan de waarde afhangt van de temperatuur. Hoe hoger de temperatuur, hoe lager de weerstand. Een gerelateerd onderdeel is de PTC. Hier geldt: hoe hoger de temperatuur, hoe hoger de weerstand. Deze componenten worden gebruikt als temperatuursensoren. Een ander onderdeel is de LDR. Dit is een weerstand waarvan de waarde afhangt van de lichtintensiteit die erop valt. Deze component kan bijvoorbeeld gebruikt worden als lichtsensor. Hieronder zien we het symbool voor de NTC en de LDR. Deze en vele andere symbolen zijn te vinden in BINAS.

         Demonstratievideo
In het rechter filmpje is de werking van een NTC en een PTC gedemonsteerd. Beide onderdelen worden verwarmd met een föhn en op het scherm kan je zien wat dit doet met de weerstand. Ter vergelijking wordt daarna ook een normale vaste weerstand verwarmd. Deze waarde blijft constant.
DEMO-VIDEO:
De NTC

         Demonstratievideo
In het rechter filmpje zien we een praktische toepassing van een NTC. Met een NTC kunnen we bijvoorbeeld een schakeling maken waarbij een ventilator automatisch aan gaat als de temperatuur hoog is en uit gaat als de temperatuur laag is:
DEMO-VIDEO:
De NTC II

         Demonstratievideo
Rechts is een grappig experimentje te zien met een LDR. De LDR is aangesloten op een zogenaamde oscilloscoop. Hoe hoger de spanning over de oscilloscoop, hoe hoger een lichtpuntje op de oscilloscoop zichtbaar wordt. Als het lichtpuntje dicht bij de LDR komt, dan gaat door dit licht de weerstand van de LDR omlaag, daardoor de spanning over de oscilloscoop omhoog gaat en het lichtpunt over de LDR heen springt.
DEMO-VIDEO:
De LDR



INSTRUCTIE:
Elektriciteit

         Leerdoelen:
  • Zorg dat je kan redeneren met de afstotende en aantrekkende elektrische kracht tussen ladingen.
  • Zorg o.a. dat je snapt dat een geladen ballon een neutraal voorwerp aantrekt, doordat het de gelijke ladingen in het neutrale voorwerp wegduwt en de tegenovergestelde ladingen naar zich toetrekt.
  • Zorg dat je weet dat elektriciteit gelijk is aan het stromen van lading en dat dit alleen gebeurt bij een gesloten stroomkring.
  • Zorg dat je de symbolen voor een gelijkspanningsbron, een lamp, een weerstand, een variabele weerstand, een NTC en een LDR kent en in BINAS kan opzoeken.
  • Zorg dat je weet dat een weerstand wordt gebruikt om de stroom in een schakeling te beperken.
  • Zorg dat je weet dat een NTC een weerstand is waarvan de waarde afneemt bij hogere temperatuur. Bij een PTC neemt de weerstand juist toe bij hogere temperatuur. Bij een LDR neemt de weerstand af als er meer licht op dit onderdeel valt.
  • Zorg dat je serie- en een parallelschakelingen kan herkennen en dat je de bijbehorende schakelschema's kan ontwerpen.
  • Zorg dat je weet wat geleiders en isolatoren zijn en dat je een aantal veelvoorkomende materialen kan noemen die elektriciteit erg goed en erg slecht geleiden.

         Opdrachten
  1. Leg uit of de volgende stellingen waar zijn of niet:
    1. (1p) In een neutraal voorwerp zitten geen ladingen.
    2. (1p) In een positief geladen voorwerp zitten geen negatieve ladingen.
  2. Een elektroscoop bestaat uit een glazen fles met daarin een metalen staaf (zie de onderstaande afbeelding). Aan het einde van de staaf bevinden zich twee strookjes aluminiumfolie.

    1. (1p) Als je de bovenkant van de elektroscoop met een negatief geladen staaf aanraakt, dan gaan de strookjes aluminium uit elkaar. Verklaar dit.
    2. (2p) Verklaar wat er met de aluminium strookjes gebeurt als je de bovenkant met een positief geladen staaf aanraakt.
  3. (2p) 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.


    (Afbeelding: Lwilcoxson; CC BY-SA 4.0)

    1. (2p) Leg uit of de elektronen het haar in of uit stromen.
    2. (1p) Leg uit waarom de haren overeind gaan staan.
  5. (3p) In de volgende schakeling zijn drie schakelaren opgenomen. Ga voor elke schakelaar na welke lampen uitgaan als deze geopend wordt (en de anderen dicht blijven).

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

    1. (3p) Ga na welke lampjes nog branden als je telkens één van de lampjes losdraait.
    2. (1p) Lampje D brandt het felst. Verklaar waarom dit het geval is.
  7. (1p) Geef bij elk van de volgende tekeningen aan of de lampjes wel of niet branden. Leg je keuze uit.

  8. (1p) 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.
  9. (1p) Een leerling maakt een schakeling waarmee hij kan testen of vloeistoffen wel of niet stroom geleiden. Teken deze schakeling.
  10. (3p) Beschrijf de werking van de NTC, de LDR en de variabele weerstand.
  11. (1p) Een persoon installeert een lamp in zijn woonkamer die hij handmatig kan dimmen. Teken deze schakeling.
  12. (1p) Een persoon neemt een ventilator op in een schakeling. De schakeling zorgt ervoor dat de ventilator harder gaat draaien als het in de woonkamer warmer is. Teken deze schakeling.

 

§2     De stroomsterkte

In deze paragraaf gaan we de beweging van lading nader bestuderen. Dit doen we aan de hand van het begrip stroomsterkte.

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 animatie stromen ladingen door een serieschakeling. Een serieschakeling bestaat slechts uit één stroomkring. Als gevolg gaan alle ladingen die uit de spanningsbron stromen door alle lampjes heen. De hoeveelheid ladingen die uit de spanningsbron stromen, is dus gelijk aan de hoeveelheid ladingen die het rechter lampje in stromen en even later het linker lampje in stromen. De stroomsterkte is in een serieschakeling dus in alle onderdelen gelijk.

AFBEEDLING BOEK!!!

Hieronder zien we een parallelschakeling. In dit geval 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. Hieronder zien we een spanningsbron waaruit 4 ampère stroomt. Omdat er maar één pad loopt van de spanningsbron naar de rechter lamp, komen alle 4 ampère bij de rechter lamp aan. Hier is de stroomsterkte dus ook 4 ampère. Daarna splitsen de ladingen op. Stel dat 1 ampère bovenlangs gaat, dan weet je dat de rest (3 A) onderlangs moet gaan.

AFBEEDLING BOEK!!!

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

De stroomsterkte kunnen we meten met een zogenaamde ampèremeter (ook wel stroommeter genoemd). De ampèremeter sluit je in serie aan naast het onderdeel waarvan je de stroomsterkte wilt meten. Hieronder zie je in stappen hoe je de stroomsterkte van bijvoorbeeld de linker lamp in een serieschakeling meet. Haal één van de draden los uit de linker lamp en sluit de ampèremeter dan hiertussen aan.

Hieronder doen we hetzelfde voor de spanningsbron in een serieschakeling. Haal één van de draden los uit de spanningsbron en sluit de ampèremeter dan hiertussen aan.

Hieronder meten we de stroomsterkte door de onderste lamp in een parallelschakeling. In dit geval zitten er aan weerszijden van de onderste lamp twee draden. Haal aan één kant beide draden los en sluit de ampèremeter dan hiertussen aan.



         Leerdoelen:
  • Zorg dat je kan uitleggen wat stroomsterkte is.
  • Zorg dat je weet en begrijpt dat de stroomsterkte in een serieschakeling overal gelijk is en in een parallelschakeling opsplitst.
  • Zorg dat je kan redeneren met de stroomsterkte in gemengde schakelingen aan de hand van het opsplitsen en samenkomen van ladingen.
  • Zorg dat je weet hoe je een ampèremeter moet aansluiten in zowel serie- als parallelschakelingen. Een ampèremeter sluit je in serie met het onderdeel waarvan je de stroomsterkte wilt weten.

         Opdrachten
  1. (Deze opdracht is alleen in het boek te vinden).
  2. (2p) 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.
  3. (3p) 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.
  4. (3p) Een persoon wil de stroomsterkte meten door alle onderdelen in een parallelschakeling bestaande uit twee lampjes. Teken hieronder in alle drie de gevallen de schakeling.

                             

  5. Hieronder zien we twee schakelingen met een aantal dezelfde lampjes:

    1. (1p) Beschrijf wat er gebeurt als een lampje in de bovenste schakeling doorbrandt.
    2. (1p) Beschrijf wat er gebeurt als een lampje in de onderste schakeling doorbrandt.
  6. In de volgende schakeling zijn vijf dezelfde lampjes opgenomen.

    1. (1p) Door welke lampjes in de bovenstaande schakeling is de stroomsterkte het grootst? Leg je keuze uit.
    2. (2p) Door lampje 1 en 2 stroomt elk 750 mA. Bereken de stroomsterkte door lamp 3.
  7. (4p) Geef in de onderstaande schakelingen de stroomsterkte door de lampjes, de weerstanden en de spanningsbronnen.

        

 

§3     De spanning

In deze paragraaf voegen we het begrip spanning toe. De spanning vertelt ons hoeveel energie ladingen uitgeven als ze door een stroomkring stromen.

De negatieve ladingen in de spanningsbron worden naar de pluspool getrokken. Deze aantrekkingskracht geeft ladingen de energie om door de schakeling te stromen. De spanning (U) die over een spanningsbron staat vertelt ons hoeveel energie elke lading meekrijgt door deze aantrekkingskracht. We meten de spanning in volt (V). De meeste spanningsbronnen hebben een vaste spanning. Over een stopcontact staat bijvoorbeeld in Nederland altijd 230 V. We noemen dit ook wel de netspanning. In de andere onderdelen in de schakeling wordt de energie ook weer uitgegeven. Het is deze energie die er bijvoorbeeld voor zorgt dat een lamp gaat branden of een wasmachine gaat draaien.

Laten we eens kijken hoe het zit met de spanning in een aantal verschillende schakelingen. Hieronder zien we in de linker afbeelding een serieschakeling. Elke lading gaat in deze schakeling door beide lampjes heen. Elke lading zal zijn energie dus verdelen over de twee lampjes. In dit geval zien we dat over de batterij 20 volt staat. Deze 20 volt wordt uitgegeven in de twee lampjes. Hoe de spanning precies verdeelt, hangt af van de weerstand van de lampjes. In dit geval is de weerstand van beide lampjes gelijk en vinden we over elk lampje een spanning van 10 volt.

AFBEEDLING BOEK!!!

Rechts zien we een parallelschakeling. Hier 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 volt staat, dan heeft in een parallelschakeling elk lampje dus ook een spanning van 20 volt.

AFBEEDLING BOEK!!!

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

AFBEEDLING BOEK!!! STROOMKRINGEN DUIDELIJKER MAKEN. KLEUR IS MOEILIJK TE ONDERSCHEIDEN IN ZWART-WIT

De onderstaande schakeling bestaat ook uit twee stroomkringen. In de onderste stroomkring gaat elke lading maar door één lampje. Alle 4 volt van de spanningsbron moeten dus worden uitgegeven in het onderste lampje. In de bovenste stroomkring moet ook in totaal 4 volt uitgegeven worden. Als in de linker lamp 1 volt wordt uitgegeven, dan moet in de rechter lamp dus 3 volt worden uitgegeven.

De spanning meten we met een zogenaamde voltmeter (ook wel spanningsmeter genoemd). De voltmeter sluit je parallel aan over het onderdeel waarvan je de spanning wilt meten. Dit doe je door de voltmeter aan beide kanten van een onderdeel aan te sluiten. In de rechter afbeelding zien we een voltmeter die is aangesloten over het linker lampje in een serieschakeling en over het bovenste lampje in een parallelschakeling

In de onderstaande afbeelding is zowel een amperemeter als een stroommeter aangesloten. Links zien we een realtistische weergave van de schakeling en rechts een schematische versie.

         Demonstratievideo
In het rechter filmpje wordt gedemonsteerd hoe je een ampère- en een voltmeter aansluit:
DEMO-VIDEO:
Volt- en ampèremeters aansluiten

INSTRUCTIE:
Spanning en Stroomsterkte

         Leerdoelen:
  • Zorg dat je kan uitleggen wat spanning is.
  • Zorg dat je weet en begrijpt dat de spanning in een parallelschakeling overal gelijk is en in een serieschakeling opsplitst.
  • Zorg dat je kan redeneren met de spanning in gemengde schakelingen aan de hand van het verbruik van energie per stroomkring.
  • Zorg dat je weet dat de netspanning in Nederland altijd gelijk is aan 230 V.
  • Zorg dat je weet dat je de spanning van batterijen in serie bij elkaar kan optellen.
  • Zorg dat je weet hoe je een voltmeter moet aansluiten in serie- en parallelschakelingen. Een voltmeter sluit je parallel aan over het onderdeel waarvan je de spanning wilt weten.

         Opdrachten
  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. (2p) Beschrijf het verschil tussen stroomsterkte en spanning.
  3. (2p) Twee dezelfde lampjes zijn in serie aangesloten op een batterij. Over de batterij staat een spanning van 1,5 V. Leg uit hoe groot de spanning over elk van de lampjes is.
  4. (3p) Twee dezelfde lampjes zijn parallel aangesloten op een batterij. Over de batterij staat een spanning van 9,0 V.  Leg uit hoe groot de spanning over elk van de lampjes is.
  5. (2p) In de volgende schakeling zijn vijf dezelfde lampjes opgenomen. 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.

  6. (4p) Noteer bij elk onderdeel in de onderstaande schakeling de spanning en de stroomsterkte:

  7. (3p) Een persoon wil de spanning meten door alle onderdelen in een parallelschakeling bestaande uit twee lampjes. Teken hieronder in alle drie de gevallen de schakeling.

                             

 

§4     De wet van Ohm

In deze paragraaf herhalen we de wet van Ohm. We gaan deze wet dit jaar toepassen op wat complexere schakelingen.

De weerstand (R) van een onderdeel in een schakeling kunnen we berekenen met de wet van Ohm:

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

Spanning (U)

volt (V)

Weerstand (R)

ohm (Ω)

Stroomsterkte (I)

ampère (A)

 

Let erop dat deze wet niet werkt voor de spanningsbron zelf. De (ideale) spanningsbron heeft namelijk helemaal geen weerstand. Als je bij de spanningsbron de formule toepast, dan vind je in plaats daarvan de totale weerstand van de schakeling.

         Voorbeeld

 

Vraag:

Twee dezelfde lampjes in serie worden aangesloten op de netspanning. De stroomsterkte die de spanningsbron levert is gelijk aan 150 mA. Bereken de weerstand van elk van de lampjes.

Antwoord:

In een serieschakeling weten we dat de stroomsterkte overal gelijk is. Voor elk lampje geldt dus een stroomsterkte van 150 mA. Dit is gelijk aan 150 / 1000 = 0,150 A.

Ook weten we dat de lampjes zijn aangesloten op de netspanning. De netspanning is in Nederland altijd gelijk aan 230 V. In een serieschakeling verdeelt deze spanning zich over de lampjes. Omdat het hier om twee dezelfde lampjes gaat, weten we dat de spanning zich gelijk zal verdelen. Over elk lampje staat dus een spanning van 230 / 2 = 115 V.

Met deze gegevens kunnen we met de wet van Ohm de weerstand bepalen. Voor elk lampje geldt:

$$ R = \frac{U}{I}=\frac{115}{0,150}= 767 \text{ }Ω $$

 

Als we de pluspool en de minpool direct verbinden met een materiaal met een erg kleine weerstand, dan ontstaat er kortsluiting. Aan de bovenstaande formule kan je zien dat een kleine weerstand zorgt voor een grote stroomsterkte. Deze grote hoeveelheid stroom is niet alleen gevaarlijk voor het menselijk lichaam, maar kan ook gemakkelijk een brand veroorzaken.


(Afbeelding: ... / MdE; CC BY-SA 3.0)

         Demonstratievideo
In het rechter filmpje zien we hoeveel warmte er kan ontstaan bij kortsluiting:
DEMO-VIDEO:
Kortsluiting

         Demonstratievideo
Hiernaast zien we hetzelfde effect, maar dan bij hoogspanningskabels. Misschien heb je wel eens een vogel op een hoogspanningskabel zien zitten (zie de afbeelding onder het filmpje). Een vogel lijkt zich hier niet aan te storen. Dit komt omdat de vogel slechts één draad raakt en daarom geen onderdeel van een gesloten stroomkring vormt. In het onderstaande filmpje is een tak op hoogspanningskabels gevallen die twee kabels met elkaar verbindt. Nu is er wel een gesloten stroomkring! Hetzelfde gebeurt als er een verbinding is tussen een kabel en de grond (ook de grond kan vaak stroom geleiden).
DEMO-VIDEO:
Kortsluiting II

Om ons hiertegen te beschermen bevat de meterkast een aantal zekeringen. Een simpele zekering bestaat uit een draadje dat doorbrandt als de stroomsterkte boven een bepaalde waarde uitkomt. In de onderstaande afbeelding zien we bijvoorbeeld een zekering die bij 20 A doorbrandt.

De stopcontacten in huis zijn opgedeeld in een aantal groepen, elk met een eigen zekering (zie de onderstaande afbeelding). Apparaten die een grote stroom vragen, zoals de wasmachine of een elektrische kookplaat wil je niet allemaal op dezelfde groep zetten, want dan kan een zekering zelfs zonder kortsluiting doorbranden. In dit geval spreken we van overbelasting.

INSTRUCTIE:
De wet van Ohm
INSTRUCTIE:
De LED

         Leerdoelen:
  • Zorg dat je kan rekenen met de wet van Ohm (R = U/I). Zorg dat je deze formule alleen toepast op een enkel onderdeel. Je kan bijvoorbeeld niet de spanning van de spanningsbron delen door de stroomsterkte van een lampje.
  • Zorg dat je weet dat als je de wet van Ohm toepast op de spanningsbron, dat je dan niet de weerstand van de spanningsbron vindt, maar de weerstand van de gehele schakeling.
  • Zorg dat je weet dat bij een lagere weerstand de stroomsterkte groter wordt en andersom.
  • Zorg dat je weet dat kortsluiting ontstaat als we de plus- en de minpool van een spanningsbron verbinden met een draad met een kleine weerstand. Er gaat hierdoor een grote stroom lopen. Dit kan gevaarlijk zijn.
  • Zorg dat je weet dat een zekering de stroom verbreekt als de stroomsterkte door de zekering boven een bepaalde waarde uitkomt. Dit gebeurt bij kortsluiting en bij overbelasting.
  • Zorg dat je weet dat elke groep in huis zijn eigen zekering heeft.

         Opdrachten
  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 lamp met een weerstand van 200 Ω wordt op de netspanning aangesloten.
    1. (3p) Bereken de stroomsterkte door de lamp.
    2. (2p) 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.
  3. Een weerstand wordt op een batterij met een spanning van 1,5 V aangesloten. De stroomsterkte door de weerstand is 400 mA.
    1. (3p) Bereken de waarde van de weerstand.
    2. (3p) Dezelfde weerstand wordt nu op de netspanning aangesloten. Bereken hoeveel stroom er nu door de weerstand loopt.
  4. Een leerling bouwt de volgende twee schakelingen:

    1. (5p) 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. (5p) 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.
  5. (7p) Een leerling maakt de onderstaande schakeling bestaande uit twee dezelfde lampjes en een vaste weerstand. Bij de lampjes hoort het (U,I)-diagram dat ook hieronder is afgebeeld. Over de spanningsbron blijkt een spanning te staan van 5,0 V. De stroomsterkte van de spanningsbron blijkt 420 mA te zijn. Bereken de waarde van de vaste weerstand.

  6. (5p) Een vaste weerstand wordt in serie geschakeld met een NTC-weerstand. De temperatuursafhankelijkheid van deze weerstand kunnen we aflezen in de onderstaande grafiek. Er is een spanningsbron van 5,0 V gebruikt die een stroomsterkte van 1,0 mA levert. Bereken de spanning over de vaste weerstand bij een temperatuur van 40 graden Celsius.

  7. (4p) De onderstaande schakeling bestaat uit een variabele weerstand en een lampje. Op het lampje staat: "3,0 V; 0,50 A". Bereken de waarde die de rechterkant van de variabele weerstand moet hebben om het lampje met de aangegeven waarde te laten branden.

 

§5     Het vermogen

Met de spanning en de stroomsterkte kunnen we ook het vermogen berekenen. Het vermogen vertelt ons hoeveel energie een onderdeel in een schakeling per seconde verbruikt. In deze paragraaf bespreken we verschillende manieren om met het vermogen te rekenen.

Het vermogen (P) vertelt ons hoeveel energie een onderdeel in een schakeling per tijdseenheid verbruikt. De SI-eenheid van het vermogen is de watt (W) en dit is gelijk aan de hoeveelheid joule per seconde. Voor het vermogen geldt:

$$ P = U \times I $$

Vermogen (P)

watt (W)

Spanning (U)

volt (V)

Stroomsterkte (I)

ampère (A)

 

Met behulp van het vermogen kunnen we ook de totale energie (E) uitrekenen die een component gerbruikt heeft. Er geldt:

$$ P = \frac{\Delta E}{\Delta t} $$

Vermogen (P)

watt (W)

Tijdsduur (Δt)

seconde (s)

Verbruikte energie (ΔE)

joule (J)

 

Naast de joule is het ook mogelijk om als eenheid voor de energie de kilowattuur (kWh) te gebruiken. In dat geval moeten we het vermogen in kilowatt (kW) invoeren en de tijd in uren (h):

$$ P = \frac{\Delta E}{\Delta t} $$

Vermogen (P)

kilowatt (kW)

Tijdsduur (t)

uur (h)

Verbruikte energie (ΔE)

kilowattuur (kWh)

 

Merk op dat kilowattuur niet hetzelfde is als "kilowatt per uur". Kilowattuur is net als joule gewoon een maat voor de energie.

We kunnen kWh en joule als volgt omrekenen:

$$ 1 \text{ kWh} = 3\, 600 \,000 \text{ J} = 3,6 \times 10^6 \text{ J} $$

         Voorbeeld

 

Vraag:

Een lamp is aangesloten op de netspanning. Door het lampje gaat een stroomsterkte van 0,30 A. De kWh-prijs is 0,14 euro. Bereken hoeveel het kost om het lampje 4,0 dagen te laten branden.

Antwoord:

De netspanning is in Nederland gelijk aan 230 V. Met dit gegeven kunnen we het vermogen uitrekenen:

$$ P = U \times I = 230 \times 0,30 = 69 \text{ W} $$

We willen nu de verbruikte energie in kWh berekenen. Hiervoor hebben we het vermogen in kW nodig (69 W = 0,069 kW) en de tijd in uren (4 × 24 = 96 h). We vinden hiermee:

$$ \Delta E = P \times \Delta t = 0,069 \times 96 = 6,624 \text{ kWh} $$

Omdat een kWh aan energie 0,14 euro kost, worden de totale kosten:

$$ 6,624 \times 0,14 = 0,93 \text{ euro} $$

 

INSTRUCTIE:
Vermogen

         Leerdoelen:
  • Zorg dat je weet dat het vermogen in watt staat voor de energie in joule die per seconde wordt verbruikt.
  • Zorg dat je kan rekenen met P = UI.
  • Zorg dat je kan rekenen met P = ΔE/Δt zowel in de eenheden W, J en s als kW, h en kWh.
  • Zorg dat je joule en kilowattuur in elkaar kan omrekenen.
  • Zorg dat je met de kWh-prijs kan uitrekenen hoeveel het kost om apparaten voor een bepaalde tijd te gebruiken.

         Opdrachten
  1. (1p) Twee dezelfde lampen worden aangesloten in twee verschillende schakelingen. Leg uit welke grootheid uit deze paragraaf je nodig hebt als je wilt weten welke lamp de grootste lichtintensiteit heeft.
  2. (4p) Een gloeilamp van 60 W wordt op de netspanning aangesloten. Bereken de weerstand van de gloeilamp.
  3. (3p) Een klein lampje met een weerstand van 50 Ω wordt op een batterij met een spanning van 1,5 V aangesloten. Bereken het vermogen waarmee deze lamp brandt.
  4. (5p) Op een lamp staat: "6,0 V; 1,5 W". Dit zijn de waarden waarbij de lamp optimaal brandt. Je wilt de lamp aansluiten op een spanningbron van 24 V. Om te voorkomen dat de lamp te fel gaat branden, sluit je een extra weerstand in serie aan op de spanningsbron. Bereken de waarde van deze extra weerstand.
  5. Hieronder zien we drie schakelingen. In elke schakeling wordt hetzelfde type lampje gebruikt.

    1. (3p) Reken de spanning over elk lampje in deze schakelingen uit.
    2. (2p) Leg uit in welke schakeling de stroomsterkte door de lampjes het kleinst is en in welke het grootst.
    3. (1p) Leg uit in welke schakeling de lampjes het felst branden.
  6. (VWO) De elektromotoren van treinen in Nederland krijgen hun stroom via een koperen bovenleiding en de stroom wordt teruggevoerd via de rails. De bovenleiding heeft een weerstand van 0,068 Ω per kilometer. De weerstand van de rails is te verwaarlozen. De bovenleiding en de rails zijn aangesloten op een spanningsbron met een gelijkspanning van 1500 V.

    Op een bepaald moment bevindt een trein zich op een afstand van 2,0 km van de spanningsbron (zie afbeelding). Op dat moment loopt er een stroom van 4,0 kA door de elektromotor van de trein.
    1. (6p) Bereken het vermogen van de motor.
    2. (3p) Bereken hoeveel energie er elke seconde verloren gaat in de bovenleiding.
    (bron: examen VWO 2011-1)
  7. (4p) Een lamp wordt aangesloten op een batterij met een spanning van 1,5 V. De weerstand van de lamp is 30 Ω. Bereken hoeveel energie er per minuut in de lamp verbruikt wordt.
  8. (6p) In de onderstaande afbeelding zijn twee weerstanden op een spanningsbron aangesloten. Bereken hoeveel energie de spanningsbron in een halve minuut verbruikt.

  9. Leg uit wat er niet klopt aan de volgende uitspraken:
    1. (1p) "Een waterkoker zet per seconde 2000 W om".
    2. (1p) "Een lamp heeft een vermogen van 10 W. In een minuut is het vermogen dus toegenomen tot 10 × 60 = 600 W".
  10. (3p) Reken de volgende waarden om:
    1. 7 kWh = ... J
    2. 1500 J = ... kWh
    3. 2550 J = ... Wh
  11. (5p) Een wasmachine met een vermogen van 1500 W draait 2,0 uur. Bereken hoeveel elektrische energie de wasmachine in die periode verbruikt in kWh en in joule.
  12. (3p) Een leerling laat een lamp branden als ze op vakantie gaat. Verder gaat alles in huis uit. Als ze na vier weken weer thuiskomt, geeft de kWh-meter aan dat de lamp 26,88 kWh elektrische energie heeft verbruikt. Bereken het vermogen van de lamp.
  13. (5p) Een leerling föhnt haar haar tweehonderd keer per jaar met een föhn van 800 W. Elke behandeling duurt 6 minuten. Bereken de kosten per jaar. Ga ervan uit dat de kWh-prijs 0,20 euro is.
  14. (5p) Een lampje is aangesloten op een spanningsbron van 6,0 V. Door het lampje gaat een stroomsterkte van 0,30 A. De kWh-prijs is 0,14 euro. Bereken hoeveel het kost om het lampje 4,0 dagen te laten branden.
  15. (7p) Een gloeilamp van 75 W kost 0,90 euro en gaat 1000 uur mee. Een spaarlamp van 15 W geeft evenveel licht, kost 7,00 euro en gaat 8000 uur mee. De kWh-prijs is 0,15 euro. Bereken hoeveel euro je bespaart in 8000 uur als je een gloeilamp vervangt door een spaarlamp.

BINAS:
16 Elektrotechnische symbolen
5 Kilowattuur