Issuu on Google+

Natuurkunde Hoofdstuk 1


1.1 Elektrische energie 1.2 Spanning en stroomsterkte 1.3 Weerstand

1.4 Elektrische schakelingen 1.5 Veiligheid en transport

1

Elektrische apparaten


Verkennen

Je bent de oplader van je telefoon vergeten mee te nemen! Dat is geen goed begin van je vakantie. Wat kun je doen? Gelukkig heb je wel de oplader van de laptop meegenomen naar je vakantieadres. Zou je die kunnen gebruiken om je telefoon op te laden? Of batterijen, of een dynamo? Kun je dat allemaal zomaar proberen, of maak je de telefoon dan kapot? Hoe zou je kunnen uitzoeken welke methode werkt?

Dit hoofdstuk gaat over elektrische apparaten. Het gaat over het energiegebruik van de apparaten, over spanning en stroomsterkte, over schakelingen en over veiligheid.

I

Wat weet je al? Een waterkoker gebruikt elektrische energie om water te verhitten. a Noem nog drie apparaten in huis die met behulp van elektriciteit iets verwarmen. b Noem drie apparaten waarin elektriciteit een draaibeweging veroorzaakt. c Noem een apparaat dat veel elektrische energie gebruikt.

II

Goed of fout? Geef aan welke van de volgende uitspraken goed of fout zijn.

a Als er geen stroom loopt, is er ook geen spanning. b Alle elektrische stroom die je door het energiebedrijf geleverd krijgt, gaat via een kabel weer terug naar dat energiebedrijf. Lampen gaan zwakker branden als je meer lampen aansluit op hetzelfde stopcontact. d Een adapter gebruikt geen energie, als je er geen apparaat op aansluit.

c

III

Vergelijkbare situaties Bij elektrische apparaten gaat er een stroom van de pluspool naar de minpool. In tabel 1 staan meer situaties waarin iets van de ene naar de andere plaats stroomt. Neem tabel 1 over en vul hem in. Situatie

Wat stroomt er?

Wanneer stroomt het gemakkelijk? brede weg

milkshake stroom door draad leerlingen in gang TABEL 1

H1

Elektrische apparaten

6

7


Ontdekken

Geld verdienen

Inge stelt voor te letten op de opladers van de vijf telefoons die ze thuis hebben. Die zitten normaal gesproken de hele nacht in het stopcontact. Na een paar uur is het opladen klaar, dan kunnen ze uit het stopcontact.

2 Geef een reden waarom dit meer besparing zou kunnen opleveren dan Nicks plan.

3 Geef ook een reden waarom het tegen kan vallen en Inges plan juist minder gaat opleveren.

FIG 1

Bij de familie Warmerdam is de elektriciteitsrekening elk jaar hoger. Dat is niet zo vreemd, want er komen steeds meer elektrische apparaten in huis. Het wordt tijd om energie te gaan besparen. Jaap en Elise Warmerdam maken met hun kinderen de volgende afspraak: van elke goede besparing die ze bedenken en uitvoeren, mogen ze het eerste jaar het bespaarde geld zelf houden. De kinderen Nick, Inge en Sander maken er een wedstrijdje van. Wie bespaart het meest?

Onderzoek! Nick heeft als eerste een plannetje. Hij belooft dat hij voortaan niet meer zal vergeten het licht op zijn kamer uit te doen als hij ’s ochtends naar school gaat. Op een website over energie besparen heeft hij gevonden hoeveel dat scheelt: 100 keer per jaar een lamp van 60 W 8 uur lang aan laten, kost ongeveer ˆ 10.

1 Geef twee redenen waarom voor het aantal dagen waarop Nick iets kan besparen 100 dagen een betere schatting is dan 365 dagen. Inge zoekt op internet en komt met informatie van een Belgische website.

Het is Sander opgevallen dat bij het aan de kook brengen van theewater er vaak meer water wordt verhit dan nodig is. Het kopje wordt gevuld, de rest van het water blijft staan en koelt weer af. Hij doet een testje en merkt dat als je precies genoeg water verhit de waterkoker 20 s eerder afslaat dan bij de te ruime hoeveelheid water die hij normaal nam. Er wordt op een dag gemiddeld vijf keer thee gezet. Elke keer bespaar je een beetje als je precies genoeg water neemt.

4 Waardoor zou deze actie wel eens veel op kunnen leveren?

5 Om welke reden kan de opbrengst tegenvallen? In tabel 2 staat het ‘aantal watt’ bij de apparaten waarop de drie kinderen willen besparen. Dat geeft aan hoeveel energie een apparaat per seconde verbruikt. Voor Nicks plan is ook aangegeven hoeveel tijd per jaar het licht minder brandt.

6 Bereken met behulp van tabel 2 hoeveel de bespaarplannen van Inge en van Sander per jaar opleveren. Naam

Gebruikt

Energieverbruik

Tijd

Kosten

Nick licht 60 W 800 uur ˆ 10 Inge vijf opladers 4 W per oplader Sander waterkoker 1 800 W TABEL 2

7 Wie van de kinderen bespaart het meeste geld? 8 a Bedenk zelf nog een mogelijkheid om elektrische energie te besparen.

b Geef een schatting van het bedrag dat je daarmee in Lees bron 1.

8

een jaar bespaart.


1.1

Elektrische energie

Ontdekken

FIG 2

Eindproducten Maak het totale bespaarplan voor de familie Warmerdam. Geef hierin aan: • op welke manieren er energie bespaard kan worden; • welke voor- en nadelen er aan elke manier zitten; • wat je eventueel nog kunt doen om de nadelen te verminderen; • hoeveel geld elke manier naar schatting oplevert. Maak het script voor een clip over het onderwerp ‘energiebesparing’. Neem de clip op en lever hem in bij je docent. Te zien moet zijn: • waarom energiebesparing belangrijk is; • op welke manieren je in huis energie kunt besparen.

Bron 1

Venijnige energievreters

Sommige toestellen verbruiken ook elektriciteit als u het toestel niet gebruikt of als het toestel uitgeschakeld lijkt: het stand-by-, sluip- of continu-verbruik. Dit sluimerend verbruik kan al snel oplopen tot 10% van het totale jaarlijkse elektriciteitsverbruik. Met een aantal eenvoudige maatregelen kunt u de helft van dit sluipverbruik voorkomen. • Gebruik de uitknop van een toestel in plaats van de stand-by-knop. • Haal de stekker uit het stopcontact bij apparaten die u lang niet gebruikt. • Als u meerdere apparaten bij elkaar heeft staan, kunt u alle stekkers in een contactdoos met een aan/uit-schakelaar stoppen. Zet de stekkerdoos na gebruik gewoon uit. • Halogeenlampen hebben vaak de schakelaar tussen de lamp en de transformator staan. De transformator blijft stroom verbruiken als de lamp uit is. Als u de aan/uitknop tussen de transformator en het stopcontact zet, is dit euvel snel verholpen. • Laders van een kruimeldief, tandenborstel of mobiele telefoon verbruiken stroom, ook als er niet meer geladen wordt. Haal ze uit het stopcontact, als u niet aan het laden bent of als het toestel helemaal opgeladen is. Bron: www.positieve-economie.be

FIG 3

H1

Elektrische apparaten

9


Onderdeel Begrijpen

Elektrische apparaten worden steeds zuiniger. Toch Tekst... gebruiken huishoudens nu meer energie dan een paar jaar geleden, want er komen in huis steeds meer elektrische apparaten bij. Dat is niet goed voor het milieu en kost ook veel geld. Het is dus verstandig om bij het kopen van elektrische apparaten op het energieverbruik te letten.

Elektrische apparaten zetten elektrische energie om in andere energiesoorten zoals warmte, licht, beweging of straling. In figuur 5 zie je die energiesoorten getekend als pijlen die het apparaat inkomen en uitgaan. Het apparaat is een energieomzetter. De stofzuiger zet de elektrische energie om in beweging, geluid en warmte.

Energieverlies

Een zuinig apparaat maakt van elektrische energie vooral de energiesoort die je hebben wilt. Een gloeilamp gebruik je voor licht. Toch zet het gloeidraadje maar 5% van de binnenkomende elektrische energie om in licht. De overige 95% wordt omgezet in warmte. Dat merk je goed in een kledingwinkel waar veel spotjes branden. Een gloeilamp is dus niet erg energiezuinig. Spaarlampen en ledlampen zijn veel zuiniger. Bij bijna elke energieomzetting gaat energie verloren. Die energie verdwijnt niet, maar wordt omgezet in een energiesoort die je niet wenst. Die ongewenste energiesoort is bijna altijd warmte. FIG 4 Deze vliegende vleugel vliegt op alleen maar zonne-energie.

Sleutelbegrippen

Energieomzetter, vermogen, watt, kilowatt, kilowattuur, joule.

Niet alleen apparaten, maar ook energiebronnen en elektriciteitsdraden geven ongewenste warmte af. Batterijen worden warm als je er een apparaat op laat werken. Ook stroomdraden worden warm. Voel maar eens aan de kabel van een wasmachine als die al een tijdje draait.

Apparaten zetten energie om

Elektrische stroom brengt energie in een apparaat. In veel kleine apparaten zorgen batterijen voor de energie. Een batterij kan maar een bepaalde hoeveelheid energie leveren. Het stopcontact geeft ‘eindeloos’ energie. Het energiebedrijf stuurt hiervoor de rekening.

beweging elektrische energie

FIG 6 Deze batterijen zijn duidelijk te heet geworden. geluid warmte

FIG 5 Niet alle energie wordt gebruikt voor het opzuigen van stof.

10


0.0 1.1 Elektrische Titel paragraaf energie

Het energielabel

Het energielabel geeft aan hoe energiezuinig een apparaat is. In figuur 7 zie je een energielabel van een airco. Deze heeft label A. Dat betekent dat de airco heel zuinig is. De labels A+ en A++ zijn voor apparaten die nog zuiniger zijn. Label B is voor minder zuinige apparaten. Apparaten met energielabel G geven veel ongewenste energiesoorten af.

Begrijpen Onderdeel

Zuinige auto’s Een auto is ook een energieomzetter. De motor gebruikt de energie die vrijkomt bij de verbranding van benzine, voor de voortbeweging. Daarbij komt ook veel warmte vrij. De motor wordt zelfs met water gekoeld. Bij het remmen gaat eveneens veel energie verloren. De remmen en banden worden dan warm. Hybride auto´s en elektrische auto´s zijn energiezuiniger. Zij maken bij het remmen elektrische energie in plaats van warmte. Die elektrische energie wordt in een accu opgeslagen. Vooral in de stad, waar je vaak moet remmen, kun je zo veel energie terugwinnen. Een hybride auto rijdt in de stad ongeveer twee keer zoveel kilometers op dezelfde hoeveelheid benzine als op de snelweg. Maar transport kan nog zuiniger. In figuur 4 zie je een experimenteel vliegtuig dat volledig op zonne-energie vliegt.

Energie en vermogen Activiteit 1 op pagina 20. Bij alle apparaten hangt het energiegebruik af van het aantal uren dat het apparaat aanstaat. Van elk apparaat wordt daarom vermeld hoeveel energie het per seconde gebruikt. Dit noem je het vermogen, dat wordt aangegeven in watt (W). Het symbool voor vermogen is P (van het Engelse woord power). Bij veel elektrische apparaten staat het vermogen op een typeplaatje aangegeven. Een lamp van 11 W gebruikt elke seconde 11 J (J = joule). Voor grotere vermogens gebruik je de eenheid kilowatt (kW). 1 kW = 1 000 W. Een oven van 2,5 kW gebruikt elke seconde 2 500 J.

Type:/7

7400 230 V Serie Nr.

FIG 7 Het energielabel geeft aan hoe zuinig een apparaat is.

H1

Licht Elektrische en kleur apparaten

50 Hz

240 W

08/04/119338

FIG 8 Op het typeplaatje staat het vermogen van het apparaat.

11


Onderdeel Begrijpen

Het vermogen van een apparaat bepaalt hoe ‘sterk’ een Tekst... apparaat is. Een keukenmixer van 300 W is sterker dan een mixer van 100 W en een boormachine van 1 000 W is sterker dan een boormachine van 400 W. Bij veel apparaten is het vermogen niet altijd even groot. Een wasmachine heeft een groot vermogen bij het opwarmen maar een veel kleiner vermogen als hij alleen maar de was ronddraait. Een koelkast schakelt steeds in en uit om de temperatuur constant te houden. Het vermogen van een mp3-speler is groter als het geluid harder staat.

Opgaven bij begrijpen 1

2

Geef van elk van de volgende beweringen aan of deze waar of niet waar is. Als de bewering niet waar is, verbeter je deze zodat een bewering ontstaat die wel waar is. a Elektrische apparaten zetten warmte en beweging om in elektriciteit. b Bij elektrische apparaten gaat ook energie ‘verloren’ in de draad die naar het apparaat loopt. c Bij een gloeilamp gaat 5% van de elektrische energie verloren aan warmte. d Het vermogen van een apparaat geeft aan hoeveel energie het apparaat in een jaar gebruikt. e Het vermogen van een apparaat geeft aan hoeveel energie het apparaat in een seconde omzet. f Op het energielabel staat vermeld hoeveel elektrische energie een apparaat bij normaal gebruik per jaar verbruikt. Op een stofzuiger staat vermeld: 230 V – 1 200 W.

a Hoe groot is het vermogen van deze stofzuiger? b Hoeveel energie gebruikt de stofzuiger per seconde? c Is de nuttige energie die de stofzuiger levert, groter

FIG 9 Je kunt het vermogen van een apparaat meten met een energiemeter.

of kleiner dan de toegevoerde elektrische energie? Met een energiemeter kun je het vermogen van een apparaat meten. Een energiemeter geeft ook aan hoeveel energie een apparaat in een bepaalde tijd gebruikt heeft. Op het display staat het aantal kilowattuur (kWh). Dat is een eenheid voor energie die alleen bij elektrische energie wordt gebruikt. Een andere eenheid voor energie is joule. Deze kun je ook voor andere energiesoorten gebruiken.

Samenvatting

• E lektriciteit vervoert energie naar een apparaat. Het apparaat zet de elektrische energie om in andere energievormen zoals licht, warmte of geluid. • Het energielabel geeft aan hoe energiezuinig een apparaat is. • Het vermogen is de hoeveelheid energie die een apparaat per seconde omzet. • Het vermogen van een apparaat druk je uit in watt (W) of kilowatt (kW). • Het energiegebruik van een apparaat hangt af van het vermogen en het aantal uren dat het apparaat aanstaat. • De eenheid voor energie is joule; alleen bij elektrische energie wordt kilowattuur gebruikt.

12

3

Om een kapotte lamp te vervangen kun je kiezen uit drie lampen: een spaarlamp van 8 W, een spaarlamp van 15 W en een gloeilamp van 15 W. a Hoeveel energie gebruikt de gloeilamp per seconde? b Welke lamp geeft het meeste licht? c Welke lamp gebruikt de minste energie?

4

Neem tabel 3 over. Vul in welke gewenste en welke ongewenste energiesoort het apparaat levert. Apparaat gloeilamp keukenmixer haardroger soldeerbout radio TABEL 3

Gewenste energiesoort

Ongewenste energiesoort


0.0 1.1 Elektrische Titel paragraaf energie

5

Zet de volgende woorden op de juiste plek in de onderstaande tekst. Neem de tekst over en vul de juiste woorden in. haardroger, warmte, nuttige, weinig, energie, licht, warmte, gloeilamp, elektrische In een elektrisch apparaat wordt … omgezet. Er komt … energie het apparaat binnen en er gaan andere energiesoorten weer uit. De energie die je nodig hebt, noem je … energie. Veel energie gaat bij de omzetting verloren in de vorm van …. Zo maakt een gloeilamp maar weinig … en vooral veel … Je zou een … dus kunnen gebruiken om eieren uit te broeden. Sommige apparaten zijn juist bedoeld om warmte te maken. Bij deze apparaten gaat maar … energie verloren. Een … is zo’n apparaat dat warmte maakt uit elektrische energie.

6

Een timmerman heeft een krachtige boormachine en een schroefboormachine. De krachtige boormachine gebruikt hij zelden. De schroefboormachine gebruikt hij bijna de hele dag. a Leg uit welke van beide boormachines het grootste vermogen heeft. b Welke boormachine zal in een jaar de meeste elektrische energie verbruiken?

7 Een airco kan koelen en verwarmen. In figuur 7 zie je het energielabel van een airco.

a Hoeveel energie gebruikt de airco per seconde tijdens het koelen?

b Hoeveel energie gebruikt de airco per seconde tijdens het verwarmen? Het vermogen van de airco is heel groot. c Leg uit waarom deze airco toch een groen energielabel kan hebben.

8

Begrijpen Onderdeel

Op de rekening van het elektriciteitsbedrijf staat het aantal geleverde kilowattuur (kWh) vermeld. De kilowattuurmeter in de meterkast meet het energiegebruik. a Is kilowattuur een eenheid die hoort bij vermogen of bij energie? b Hoeveel kWh staat op het energielabel van de airco van figuur 7? c In hoeveel tijd gebruikt de airco zoveel kWh?

H1

Licht Elektrische en kleur apparaten

50 km op 1 liter benzine !

Nieuwe hybride is helemaal niet zo zuinig

FIG 10

9

Twee autobladen testen het energiegebruik van een nieuwe hybride auto. Het blad Autoplus rijdt met de auto door Amsterdam. Het blad Nieuwe Auto maakt een proefrit over de autosnelweg. De koppen van de artikelen die in de bladen verschijnen, staan in figuur 10. a Onder welke omstandigheden is een hybride auto veel zuiniger dan gewone benzineauto´s? b Welke kop is in welk blad verschenen? c Leg uit hoe een eerlijke proef eruit had moeten zien.

10 Steeds meer scooters hebben een elektrische aandrijving. De energie is bij zo’n scooter opgeslagen in een accu. In een advertentietekst voor een elektrische scooter staat: ‘Een elektrische scooter is veel goedkoper in gebruik dan een scooter op benzine. De kosten om de accu één keer volledig op te laden zijn ongeveer 40 eurocent. Een volle accu bevat 2 kWh energie, genoeg voor een afstand van 130 km.’ a Wat is de prijs van een kWh elektrische energie volgens deze advertentie? Een scooter op benzine rijdt met 1 liter benzine een afstand van gemiddeld 35 km. b Wat kost het om met zo´n scooter een afstand van 130 km te rijden? Vraag de benzineprijs aan je docent.

13


Onderdeel Berekenen

Tekst... Elektrische energie

In de rekenvoorbeelden zie je hoe je de ‘energieformule’ moet gebruiken.

Activiteit 2 op pagina 20. Om het energiegebruik van een apparaat te berekenen moet je twee dingen weten: het vermogen van het apparaat en hoe lang het apparaat heeft aangestaan. Een apparaat met een vermogen van één watt zet elke seconde één joule om. Een apparaat met een vermogen van 150 W gebruikt dus elke seconde 150 J. In een minuut is dat dan 60 × 150 J = 9 000 J. Omgekeerd kun je het vermogen van een apparaat berekenen uit het energiegebruik en de tijd.

Rekenen met kWh

Het energiebedrijf neemt eenmaal per jaar de stand van de energiemeter op. Deze meet energie in kilowattuur. Let op, er staat niet kilowatt per uur. Kilowattuur betekent kilowatt keer uur. Om de energie in kilowattuur uit te rekenen gebruik je dezelfde formule: energie = vermogen × tijd. Alleen vul je nu voor de tijd het aantal uur in en voor het vermogen het aantal kilowatt. Dan hoef je de tijd niet eerst om te rekenen naar seconde. Je ziet dat de eenheden ook hier bij elkaar passen: kilowatt, uur en kilowattuur.

Rekenvoorbeeld 1 Bereken het vermogen van een apparaat dat in 20 minuten 60 000 joule (60 kJ) heeft gebruikt. 20 minuten is 1 200 s. Je wilt het vermogen weten, dat is hoeveel het apparaat in 1 s gebruikt. Dat is dan dus: 60 000 J = 5 J/s 1 200 s

Rekenvoorbeeld 2 Bereken het elektrisch energieverbruik van een apparaat met een vermogen van 2 500 W dat 2 uur wordt gebruikt: Het vermogen is 2 500 W, dat is 2,5 kW. De tijd is 2 uur. Het apparaat heeft dus 2,5 kW × 2 h = 5 kWh energie omgezet.

Het vermogen is 5 J/s = 5 W. Met een verhoudingstabel vind je hetzelfde resultaat. 1 200 s 60 000 J 1s

De 'energieformule'

: 1 200

Bij energieberekingen kun je ook gebruikmaken van een formule. Om de energie E in joule te berekenen vermenigvuldig je het vermogen P in watt met de tijd t in seconde. De formule in woorden is dus:

De eenheden kilowattuur en joule kun je in elkaar omrekenen met een vaste omrekeningsfactor. Een kilowattuur is gelijk aan 3,6 miljoen joule. Eén kilowattuur elektrische energie kost ongeveer ˆ 0,20. Je kunt ook kiezen voor iets goedkopere nachtstroom. Dan is de energie ´s nachts goedkoper, maar je aansluiting is Bij elke formule moeten de eenheden goed bij elkaar passen. Het vermogen is in watt. Dat is joule per seconde. Daarbij hoort de tijd in seconde en de energie in joule. Je kunt de woordformule ook in symbolen schrijven: E=P×t

energie = vermogen × tijd In deze formule is E de omgezette energie (J), P het vermogen (W) en t de tijd (s).

14


0.0 1.1 Elektrische Titel paragraaf energie

wel wat duurder. Nachtstroom is alleen voordelig als je de wasmachine of de elektrische boiler ’s nachts laat werken. Het energiebedrijf plaatst dan een dubbele energiemeter. Die houdt het energieverbruik overdag en ’s nachts afzonderlijk bij.

Energiegebruik per jaar

Je wilt graag weten hoeveel energie een nieuw aangeschaft apparaat per jaar gebruikt. Op het energielabel staat vaak aangegeven hoeveel kWh het apparaat per jaar gebruikt. Daarbij wordt uitgegaan van een gemiddeld gebruik per jaar. Het is dus een schatting van het jaarlijkse energiegebruik. Er zijn grote verschillen tussen apparaten. De zuinigste koelkast met een vriezer verbruikt 125 kWh en de minst zuinige 475 kWh per jaar. Het verschil van 350 kWh kost jaarlijks ˆ 70.

Berekenen Onderdeel

Je kunt het jaargebruik van een apparaat ook zelf uitrekenen. Dan moet je een schatting maken van het aantal uur dat je het apparaat per jaar gebruikt. Op het apparaat zelf staat het vermogen. Je berekent de energie dan met de ‘energieformule’. Een andere methode is dat je met een energiemeter het jaarlijks energieverbruik bepaalt. Je sluit het apparaat een week lang aan via de energiemeter en vermenigvuldigt de gemeten hoeveelheid energie met 52.

Rekenvoorbeeld 3 Hoeveel kost de elektriciteit voor een avondje computeren? Je zit ’s avonds zes uur te computeren. Je ouders vinden dat geldverspilling. Jij rekent uit hoeveel je computer van 200 W (= 0,200 kW) gebruikt: E=P×t E = 0,200 kW × 6 uur = 1,2 kWh 1,2 × ˆ 0,20 = ˆ 0,24. Een avondje computeren kost ongeveer 24 cent.

Rekenvoorbeeld 4 Een iPod heeft een vermogen van 0,25 W. Je luistert 10 minuten naar je favoriete muziek. Hoeveel joule energie moeten de batterijen dan leveren? E=P×t E = 0,25 W × 10 × 60 s = 150 J

Rekenvoorbeeld 5 Een computer van 240 W gebruikt in een jaar tijd 180 kWh energie. Hoeveel uur wordt de computer gemiddeld per dag gebruikt? FIG 11 De ene koelkast is zuiniger dan de andere.

Een gemiddeld persoon gebruikt zo’n 7 000 kWh elektriciteit per jaar. Sommige aparaten zijn echte energievreters. Een wasdroger gebruikt meer dan twee keer zoveel energie als een wasmachine. Als je op de energierekening wilt besparen, kun je het best eerst kijken naar deze energievreters.

H1

Licht Elektrische en kleur apparaten

E=P×t 180 kWh = 0,24 kW × t geeft t = 750 uur. Per dag is dat: 750 = 2,1 uur 365

15


Berekenen

Steeds meer elektrische energie Grote en kleine getallen In figuur 12 zie je dat het verbruik van elektrische energie in Nederland sinds 1960 is toegenomen van 1 300 kWh tot meer dan 7 000 kWh per persoon per jaar.

Om grote en kleine getallen op een prettige manier weer te geven, gebruik je voorvoegsels als milli en kilo. Tabel 4 geeft een overzicht.

kWh 8000 7000 6000

Voorvoegsel

Symbool

Factor

micro milli kilo mega giga

μ m k M G

0,000 001 0,001 1 000 1 000 000 1 000 000 000

TABEL 4 5000

3 μA is dus 3 × 0,000 001 = 0,000 003 A 2,5 MW is 2,5 × 1 000 000 W = 2 500 000 W

4000 3000 2000 1000

0 1960 1965 1970 1975 1980 1985 1990 1995 2000 2005 2008 FIG 12 Verbruik elektrische energie per inwoner per jaar.

Rond 1960 hadden mensen een radio, een platenspeler en een paar lampen. Sommigen hadden een zwartwit-tv (figuur 13). Veel meer elektrische apparaten waren er niet in huis. Ook kochten mensen minder spullen die in fabrieken werden gemaakt. Ongeveer 40% van het elektriciteitsverbruik vindt plaats in de industrie.

Opgaven bij berekenen 11

Geef van elk van de volgende beweringen aan of deze waar of niet waar is. Als de bewering niet waar is, verbeter je deze zodat een bewering ontstaat die wel waar is. a De officiële eenheid voor energie is kilowattuur. b Een kilowattuur betekent een kilowatt per uur. c Om het energiegebruik te berekenen moet je het vermogen vermenigvuldigen met de tijd. d 100 W is hetzelfde als 6 kilojoule per minuut. e Een gemiddeld gezin betaalt ongeveer ˆ 1 400 per jaar voor de geleverde elektrische energie. f Een apparaat van 100 W gebruikt in 5 uur ongeveer 500 kWh.

12 Een frituurpan met een vermogen van 750 W smelt het frituurvet in 5 minuten. a Hoeveel joule elektrische energie gebruikt het apparaat in die tijd? b Hoeveel kilowattuur elektrische energie is dat? c Hoeveel kost dit als 1 kilowattuur ˆ 0,20 kost?

13 De batterijen in een zaklamp kunnen 8 000 J elektrische

FIG 13

16

energie leveren. Het lampje heeft een vermogen van 0,35 W. a Bereken hoeveel seconden je de zaklamp kunt laten branden. b Hoeveel uur is dat?


1.1

Elektrische energie

14 Een strijkijzer heeft een vermogen van 800 W. Een broek strijk je in tien minuten. Als je de broek laat strijken kost dit ˆ 2,00. a Hoeveel kilowattuur elektrische energie heb je nodig om de broek te strijken? b Laat met een berekening zien dat zelf strijken goedkoper is dan laten strijken. Als het strijkijzer warm genoeg is, slaat de thermostaat af. c Leg uit dat de werkelijke energiekosten lager zijn dan je hebt berekend.

15 In het huis waar Peter woont, staat een computer die door alle gezinsleden wordt gebruikt. Het vermogen van de computer inclusief monitor is 250 W. Peter schat dat de computer gemiddeld tien uur per dag aanstaat. a Bereken hoeveel kWh energie de computer volgens deze schatting per dag gebruikt. De computer wordt via een energiemeter aangesloten. In een week tijd is het gebruik 26 kWh. b Is dat meer of minder dan de schatting? c Bereken met de meting het jaargebruik van de computer. Een laptop heeft een vermogen van 45 W. d Bereken hoeveel geld het gezin van Peter per jaar kan besparen met een laptop.

16 Een bepaalde koelkast heeft een vermogen van 250 W. Dat is het vermogen van de pomp die voor de koeling zorgt. a Bereken hoeveel joule de pomp in een minuut gebruikt. b Bereken hoeveel joule het apparaat gebruikt, als de pomp van de koelkast zestig minuten lang draait. c Reken het antwoord van vraag b om naar kWh. d Laat zien hoe je het gebruik in kWh sneller had kunnen berekenen. De koelkast gebruikt in de praktijk ongeveer 1 kWh per dag. Dat komt doordat de pomp van de koelkast maar een deel van de tijd werkt. e Bereken hoeveel uur per dag de motor van de koelkast werkt.

17 Een stofzuiger gebruikt in een half uur 0,8 kWh energie. a Bereken het vermogen van de stofzuiger. b Bereken hoe lang de stofzuiger kan werken op een kilowattuur. In een jaar gebruikt de stofzuiger 50 kWh. c Bereken hoeveel uur de stofzuiger per jaar gebruikt wordt.

H1

Elektrische apparaten

Berekenen

18 In tabel 5 zie je het vermogen van enkele apparaten. a Een gloeilamp van 40 W kan 25 uur branden op 1 kWh. Controleer dat met een berekening.

b Bereken voor elk apparaat hoe lang het kan werken op 1 kWh elektrische energie. Vul dit in de laatste kolom in. Apparaat

Vermogen (W)

Tijd voor 1 kWh (uur)

lamp wasdroger computer stofzuiger stereo televisie

40 3 000 150 650 50 250

25

TABEL 5

19 In Flevoland staat een windturbine met een vermogen van 2,0 MW. Dat betekent dat de turbine bij voldoende wind elke seconde 2,0 miljoen joule elektrische energie aan het elektriciteitsnet levert. a Bereken de hoeveelheid elektrische energie in kWh die de turbine in een jaar kan leveren. In werkelijkheid levert de turbine 4 050 000 kWh in een jaar. b Verklaar het verschil met je antwoord op vraag a. Het elektriciteitsbedrijf betaalt de eigenaar van de turbine 8 cent per kWh. c Bereken hoeveel de eigenaar van de turbine in een jaar verdient.

20 K ijk nog eens naar figuur 12. a Hoeveel elektrische energie werd in Nederland verbruikt in 1960 en hoeveel in 2008?

b Noem vijf apparaten in huis die in 1960 nog niet bestonden. Zwartwit-tv´s uit 1960 hadden een vermogen van ongeveer 200 W. Een tv die je nu koopt, heeft vaak ook een vermogen van ongeveer 200 W. c Leg uit waarom een moderne tv toch energiezuiniger is.

21 Reken om: a 2 500 mA b 0,25 MW c 0,039 GJ d 380 kV e 25 W f 400 000 kWh

=…A =…W = … MJ =…V = … kW = … MWh

17


Onderdeel Verdiepen

Tekst... Rendement

Superzuinige gloeilampen

Activiteit 3 op pagina 21.

licht 5 joule elektrische energie 100 joule

warmte 95 joule

Het rendement van een gloeilamp kan veel hoger dan 5% worden gemaakt. In 2003 kwamen de eerste halogeenlampen op de markt met HIR-technologie (Halogen Infra Red). Dit zijn laagspanningslampen met ingebouwde reflector. De reflector weerkaatst de infrarode warmtestraling terug naar de gloeidraad en helpt zo mee de temperatuur van de draad hoog te houden. De nieuwste lampen met HIR-technologie hebben een rendement van ongeveer 30%. Dat is vrijwel gelijk aan het rendement van een spaarlamp.

FIG 14 Een gloeilamp van 100 W geeft maar 5 W licht.

In figuur 14 zie je wat er met de elektrische energie gebeurt in een gloeilamp. Van elke 100 J wordt maar 5 J omgezet in nuttige energie. De rest wordt omgezet in warmte. Je zegt dan: het rendement van de lamp is 5%. Bij het berekenen van het rendement gebruik je een verhoudingstabel of een formule. In een verhoudingstabel is de toegevoerde energie altijd gelijk aan 100%. Etoegevoerd Enuttig

100 J 5J

100%

: 100 en × 5

De 'rendementsformule'

De formule voor het berekenen van het rendement is: η=

Enuttig Etoegevoerd

× 100%

In deze formule is Enuttig de gewenste energie en Etoegevoerd de toegevoerde elektrische energie. Voor beide energiesoorten moet dezelfde eenheid gebruikt worden, bijvoorbeeld joule. η (spreek uit: eta) is het rendement. η ligt tussen 0% en 100%. Een perfect apparaat heeft een rendement van 100%. Alle toegevoerde energie wordt door zo’n apparaat omgezet in nuttige energie.

FIG 15 Halogeenlampen met HIR-technologie halen een rendement van wel 30%.

Rekenvoorbeeld 1 Het rendement van een magnetron is 42%. Voor het verwarmen van een maaltijd is 350 000 J nodig. Hoeveel elektrische energie neemt de magnetron op? Gebruik een verhoudingstabel. Etoegevoerd 100% Enuttig 350 000 J 42% Etoegevoerd =

18

×

100 42

350 00 J × 100% = 833 333 J 42%


0.0 1.1 Elektrische Titel paragraaf energie

Onderdeel Verdiepen

24 Een halogeenlamp met HIR-technologie haalt een Rekenvoorbeeld 2 Bereken het rendement van een lamp met een elektrisch vermogen van 11 W, die 5 W lichtenergie uitstraalt. Per seconde is de toegevoerde elektrische energie 11 J en de nuttige energie 5 J. Nu kun je beter de formule gebruiken: η =

5 × 100% = 45% 11

Het rendement is 45%.

rendement van 30%. a Wat gebeurt er in een HIR-lamp met de infraroodstraling? b Is de temperatuur van de gloeidraad in een HIRlamp hoger of lager dan bij een normale gloeilamp? c Leg uit hoe de HIR-technologie zorgt voor een hoger rendement. De HIR-lamp in figuur 15 heeft een vermogen van 75 W en een rendement van 30%. d Bereken hoe groot het vermogen van een normale gloeilamp moet zijn om evenveel licht te geven. Neem aan dat het rendement van zo'n gloeilamp 5% is.

Opgaven bij verdiepen 22 Geef van elk van de volgende beweringen aan of deze waar of niet waar is. Als de bewering niet waar is, verbeter je deze zodat een bewering ontstaat die wel waar is. a Het rendement van een apparaat geeft aan hoeveel procent van de energie gebruikt wordt voor de taak waarvoor het apparaat gemaakt is. b Een gloeilamp heeft een rendement van ongeveer 95%. c Bij een rendement van 40% gaat 40% van de energie verloren aan warmte. d Ongeveer 1% van de elektrische energie in huis gaat verloren aan de standby-stand van apparaten. e Apparaten met het energielabel A hebben een rendement van 100%.

23 Een decoder voor digitale televisie heeft bij gebruik een vermogen van 8,1 W. In de standby-stand is het vermogen 6,7 W. Het apparaat wordt dagelijks zes uur gebruikt. De resterende tijd staat het in standby. a Bereken hoeveel kWh het apparaat in een dag gebruikt. b Neem aan dat een kWh 20 cent kost. Bereken hoeveel het energiegebruik per jaar kost. c Leg uit dat het voor het energieverbruik niet veel uitmaakt hoeveel uur per dag de decoder aanstaat. d Hoe kun je het energiegebruik van de decoder omlaag brengen?

H1

Licht Elektrische en kleur apparaten

FIG 16

25 In figuur 16 zie je een terrasverwarmer. Een folder voor terrasverwarmers vermeldt het volgende: ‘Voor een particulier die 100 uur per jaar op zijn verwarmd terras zit kost de verwarming ˆ 34,00 per jaar, als hij één verwarmer gebruikt met een vermogen van 2 000 W. Voor een horecaondernemer zijn de kilowattuurkosten in verhouding een stuk lager, omdat dit extra energiegebruik in een gunstiger schaal van de energiebelasting valt en hij een veel grotere hoeveelheid energie inkoopt.’

a Reken uit welke prijs voor 1 kWh elektrische energie in deze folder is gebruikt.

b Waarom is het rendement van een terrasverwarmer c

erg laag? Wat is jouw mening over het gebruik van elektrische terrasverwarmers?

19


Onderzoeken Onderdeel

Tekst... Activiteit

1

Elektrische apparaten, energie en vermogen Elk elektrisch apparaat gebruikt energie. Maar hoe weet je nu of een apparaat veel of weinig energie gebruikt?

Dit ga je doen •

• •

• •

FIG 17

Vragen •

Maak een ranglijstje van alle apparaten waarbij het apparaat met het grootste vermogen bovenaan staat. Maak een ranglijstje van alle apparaten waarbij het apparaat dat per week de meeste energie gebruikt bovenaan staat.

Je hebt nodig •

v erschillende elektrische apparaten zoals krultang, scheerapparaat, radio, koffiezetapparaat, kleine koelkast enzovoort. energiemeter

aak eerst een schatting: welke twee apparaten geM bruiken veel energie, welke twee apparaten gebruiken weinig energie? Kijk op elk apparaat of je het vermogen kunt aflezen (in watt). Noteer deze waarden. Meet met de energiemeter van elk apparaat het vermogen. Noteer het naast de door de fabrikant opgegeven waarde. Meet hoeveel kWh het apparaat in 6 minuten gebruikt. Maak een schatting hoeveel uur het apparaat in een normaal gezin per week gebruikt wordt en bepaal daarmee het energiegebruik per week.

Activiteit 2 Thuis meten met de energiemeter Met een energiemeter kun je het vermogen van een apparaat meten. Om het elektrisch energieverbruik te meten moet het apparaat een tijdje op de energiemeter zijn aangesloten. Met een energiemeter kun je een van de volgende onderzoeken uitvoeren: 1 Hoeveel kun je besparen als je de decoder uitschakelt in plaats van op standby zet? 2 Klopt het energiegebruik van jullie koelkast met wat de fabrikant opgeeft? 3 Hoeveel energie gebruikt een computer per jaar? 4 Hoeveel energie kost het wassen van kleren (wasmachine + droger) per jaar? (Let hierbij op dat de energiemeter geschikt is voor het vermogen van de wasmachine.)

20

FIG 18

Dit ga je doen • • •

aak eerst een onderzoeksplan waarin je beschrijft M hoe je de metingen gaat uitvoeren. Ga na hoe de energiemeter werkt. Voer het onderzoek uit.

Je hebt nodig

Vraag

• •

Maak een kort verslagje van de resultaten van je onderzoek.

energiemeter elektrisch apparaat met wisselend vermogen


0.0 1.1 Elektrische Titel paragraaf energie

Onderzoeken Onderdeel

Activiteit 3 Gloeilampen en spaarlampen Spaarlampen zijn zuiniger dan gloeilampen, maar scheelt dat echt zoveel als er beweerd wordt? Volgens de fabrikant geeft een spaarlamp vier tot vijf keer zoveel licht als een gloeilamp met hetzelfde vermogen. Onderzoeksvraag: Geven spaarlampen inderdaad vier tot vijf keer zoveel licht als gloeilampen met hetzelfde vermogen?

Je hebt nodig • • • • •

energiemeter fitting met veilig snoer gloeilampen met verschillende vermogens spaarlampen met verschillende vermogens luxmeter, of lichtsensor met meetcomputer of app op de smartphone (bv. Megaman) statief

FIG 20 Luxmeter op de smartphone.

Dit ga je doen • • •

• •

eet met de energiemeter het vermogen van elke M gloeilamp en spaarlamp. Zet de lichtsensor in een statief. Meet van elke lamp op dezelfde afstand de lichtsterkte. Kies de afstand zodanig dat de luxmeter een flinke uitslag geeft bij elke lamp. Maak een tabel waarin je van elke lamp invult: - het door de fabrikant opgegeven vermogen; - het gemeten vermogen met de energiemeter; - de gemeten lichtsterkte met de luxmeter. Maak een grafiek waarin je de gemeten lichtsterkte (verticaal) uitzet tegen het gemeten vermogen. Verbind de meetpunten van de gloeilampen en van de spaarlampen met vloeiende curves.

Vraag Maak een verslag waarin je zet: • het doel van de proef; • de werkwijze, eventueel met foto of tekening; • de tabel met meetresultaten; • de grafiek; • je conclusie.

FIG 19

H1

Licht Elektrische en kleur apparaten

21


Ontdekken

Batterijen Als je zaklamp het niet meer doet, zeg je dat de batterij ‘leeg’ is, en vervang je deze. Maar hoe ‘leeg’ is zo’n batterij dan? Misschien doet de batterij het dan wel nog prima in een klok. Veel weggegooide batterijen zijn nog niet helemaal leeg. Thuis heb je geen apparaat waarmee je kunt testen hoe ‘vol’ een batterij nog is.

2 Bedenk zelf een derde gebruiksmogelijkheid van de batterijentester. De tester moet: • te gebruiken zijn door mensen die niets van natuurkunde weten; • eenvoudig te maken zijn.

3 Bedenk nog twee andere eisen die je aan de tester kunt stellen.

Doe activiteit 4. Geef enkele voorbeelden van een toepassing waarbij dit apparaat voldoende is.

4 Voor welke toepassing zou je een beter apparaat moeten hebben? De batterijentester die je hebt gemaakt, kan nog niet meten hoe vol een batterij is.

5 Wat is het verschil tussen een meting en de test die je hebt uitgevoerd?

6 Waarom levert het wegen van een batterij geen nuttige informatie op?

7 Wat verwacht je dat er met de spanning van de batterij gebeurt, als deze leeg raakt?

FIG 21 Veel weggegooide batterijen zijn nog niet helemaal leeg.

8 Leg uit of een bijna lege batterij nog een grote stroom In veel huizen liggen op allerlei plaatsen, in laden, in oud speelgoed, in vakantiespullen, nog heel wat oude batterijen. Vaak zijn deze batterijen leeg, maar soms zijn ze nog goed bruikbaar.

Onderzoek! Ga thuis op zoek naar oude batterijen. Neem er minstens twee mee naar school.

kan leveren.

Doe activiteit 5. 9 Welk van de drie kolommen van de tabel uit activiteit 5 geeft het duidelijkst aan hoe vol de batterij is?

Eindproduct •

1 Hoe kun je een apparaat maken dat test hoe vol een batterij nog is? Als je een batterij test, wil je weten: • of een oplaadbare batterij toe is aan een oplaadbeurt; • of een niet-oplaadbare batterij (die je ergens in huis gevonden hebt) nieuw is of al gebruikt is.

22

• •

erzamel de gegevens van de batterijen die je van thuis V hebt meegenomen en van die van je klasgenoten. Maak een schatting van het percentage rondzwervende batterijen dat nog goed te gebruiken is. Ontwerp nu een apparaat waarmee mensen thuis kunnen testen hoe vol een batterij is. Zorg ervoor dat het gebruikersvriendelijk is. Vraag aan je docent of je het apparaat mag maken.


1.2

Spanning en stroomsterkte

Ontdekken

Activiteit 4 Eenvoudige batterijentester

Je hebt nodig

Je gaat zelf batterijen testen. Hiervoor gebruik je een lampje dat je op een batterij aansluit.

• •

We maken de volgende afspraken: • Je noemt een batterij vol als deze nog net zo goed werkt als een nieuwe batterij. Echt helemaal vol, zoals toen je hem net gekocht had, hoeft deze dus niet te zijn. • Je noemt een batterij halfvol als het lampje duidelijk minder licht geeft dan bij een nieuwe batterij. • Je noemt een batterij leeg als het lampje niet of nauwelijks brandt.

aantal 1,5 V batterijen, vol, leeg of halfvol zaklantarenlampje dat bij een spanning van 1,5 V goed licht geeft

Dit ga je doen • Nummer de batterijen. • Test alle batterijen. Begin met een batterij waarvan je zeker weet dat die helemaal vol is. • Zet je metingen in een tabel.

Activiteit 5 Spanning en stroom van een batterij

Dit ga je doen

Op elke batterij staat de spanning die hij levert. Kijk maar eens op je de batterijen die je hebt verzameld. Je kunt de spanning van een batterij ook meten. Dat geeft je informatie over hoe vol de batterij is.

• • • • • • • • • •

Nummer de batterijen met een viltstift. Maak een tabel met vijf rijen, en evenveel kolommen als het aantal batterijen (zie tabel 6). Kruis in de eerste rij aan welke batterij je test. Schrijf in de tweede rij de spanning die op de batterij staat. Doe twee snoeren in de twee contacten van de voltmeter. Meet de spanning over de batterij, zoals in figuur 22. Schrijf deze spanning op in rij 3. Sluit het lampje aan op de batterij, en meet weer de spanning van de batterij. Schrijf deze spanning op in rij 4. Schrijf in rij 5 of de batterij vol, halfvol of zo goed als leeg is. Batterijnummer

FIG 22

Je hebt nodig • • • •

aantal batterijen, vol, leeg of halfvol zaklantarenlampje vier snoeren voltmeter (of multimeter)

H1

Elektrische apparaten

1

2

3

4

5

Spanning die op batterij staat (V) Gemeten spanning (V) Gemeten spanning als lampje is aangesloten (V) Hoe vol is de batterij? TABEL 6

23


Onderdeel Begrijpen

Elektrische apparaten zoals een televisie en een muziekTekst... speler verbruiken elektrische energie. Maar hoe komt die energie daar? En wat is het verschil tussen elektrische spanning en elektrische stroom?

Sleutelbegrippen

Spanningsbron, stroomkring, elektronen, stroomsterkte, ampère, ampèremeter, spanning, volt, voltmeter.

Gesloten stroomkring

Om een elektrisch apparaat te laten werken is een geschikte spanningsbron en een gesloten stroomkring nodig. De spanningsbron levert de energie. De elektrische stroom vervoert de energie van de bron naar het apparaat. In figuur 23 is dat een lampje. Het lampje zet elektrische energie om in licht en warmte. Na het afgeven van de energie aan het lampje loopt de elektrische stroom door de afvoerdraad weer terug naar de spanningsbron.

Stroomsterkte

Stroomsterkte druk je uit in ampère (A). Het symbool voor de stroomsterkte is I. Stroomsterkte meet je met een ampèremeter. De ampèremeter moet zo aangesloten worden dat de stroom door de meter gaat. Het maakt niet uit of je de meter in de aanvoerdraad of afvoerdraad plaatst. In beide draden is de stroomsterkte even groot. De stroomsterkte kan veel kleiner zijn dan 1 A. Het is dan gemakkelijker om de stroomsterkte in milliampère (mA) uit te drukken. 1 mA = 0,001 A.

Aansluiten van een ampèremeter In de foto’s van figuur 24 zie je hoe je een ampèremeter aansluit. Je gaat als volgt te werk (van boven naar beneden): 1 Maak de draad die naar het apparaat gaat los. 2 Sluit de + kant van de ampèremeter op het losse eind aan. 3 Sluit de − kant van de ampèremeter met een extra draad weer op het apparaat aan.

1

FIG 23 De stroomkring moet gesloten zijn.

De elektrische stroom bestaat uit kleine deeltjes, elektronen. Nadat de elektronen hun energie hebben afgegeven, moeten ze terug naar de spanningsbron. Bij de spanningsbron krijgen ze weer nieuwe energie. De elektrische stroom loopt rond; er is sprake van een stroomkring. Omdat in de stroomkring geen elektronen verloren gaan, gaan er gelijke stroomsterktes het apparaat in en uit. De elektrische stroomsterkte geeft aan hoeveel elektronen er per seconde door het lampje gaan.

2

3

FIG 24 Een ampèremeter plaats je in de stroomkring.

24


0.0 1.2

Spanning Titel paragraaf en stroomsterkte

Spanningsbronnen Activiteit 6 op pagina 34. Er zijn veel soorten spanningsbronnen. Zo zijn er honderden soorten batterijen, variërend van kleine knoopcelletjes voor een gehoorapparaat tot reuzenaccu’s voor vuurtorens. Ook de accu in een scooter is een spanningsbron. Batterijen en accu’s hebben een plus- en een minpool. Voor apparaten in huis lijkt de spanningsbron het stopcontact. Maar dat is niet de werkelijke spanningsbron: de draden achter het stopcontact zijn verbonden met de echte spanningsbron in de elektriciteitcentrale. Alle spanningsbronnen hebben één ding gemeen: ze laten een elektrische stroom rondgaan. Je kunt een spanningsbron zien als een pomp die de elektronen rondpompt. In een stroomkring loopt de stroom van de + pool naar de − pool. De + pool en de − pool oefenen een kracht uit op de elektronen, die daardoor in beweging komen. De spanning is dus de oorzaak van de stroom.

Begrijpen Onderdeel

Spanning en energie

Een hogere spanning leidt tot een grotere stroomsterkte, omdat de kracht op de elektronen groter is. Maar spanning heeft ook te maken met de energie die de elektrische stroom kan leveren. Hoe hoger de spanning, hoe meer energie elk elektron kan afgeven. Daarom werken apparaten die veel energie gebruiken op een hoge spanning. Een klok heeft genoeg aan een spanning van 1,5 V, huishoudelijke apparaten hebben 230 V nodig, en de treinen in Nederland rijden op een spanning van 1 500 V.

Waar komt de energie vandaan?

Spanningsbronnen maken elektrische energie uit een andere energiesoort. De waterturbine van figuur 26 maakt elektrische energie uit bewegingsenergie. Door het water dat tegen de schoepen spuit, gaat het schoepenrad draaien. Dit rad laat een grote dynamo, een generator, draaien en die zorgt voor de omzetting in elektrische energie.

Eenheid van spanning: volt Activiteit 7 op pagina 34. Elektrische spanning druk je uit in de eenheid volt (V). Een penlight batterij heeft een spanning van 1,5 V, een fietsdynamo kan ongeveer 6 V leveren en op het stopcontact staat 230 V. Het symbool voor de spanning is U. Voor een penlight batterij noteer je dus U = 1,5 V. Spanning meet je met een voltmeter. Daarmee kun je de spanning van een bron meten of de spanning die op een apparaat staat. Bij een spanningsbron sluit je de voltmeter aan op de + en − polen, bij het apparaat sluit je de voltmeter aan op de twee aansluitpunten van het apparaat. Een voltmeter staat niet in maar buiten de stroomkring (zie figuur 25).

FIG 26 Dit schoepenrad drijft een generator aan in een waterkrachtcentrale.

In elektriciteitscentrales draaien grote generatoren die de elektrische energie aan de stopcontacten in de huizen leveren. Hete stoom onder hoge druk zorgt in de centrale voor de beweging van de generatoren. Een brandstof, vaak steenkool, olie of gas, zorgt voor de verhitting van water tot stoom. Ook in een windturbine draait een generator. Hier zorgt de wind voor de beweging van de generator. Een batterij wekt elektriciteit op met een scheikundige reactie tussen twee stoffen, en zet dus chemische energie om. Als één van die stoffen helemaal is omgezet is, zeg je dat de batterij ‘leeg’ is. Zonnecellen maken elektrische energie rechtstreeks uit het licht van de zon. De bron is dan dus zonne-energie.

FIG 25 Zo sluit je een voltmeter aan op een lampje.

H1

Licht Elektrische en kleur apparaten

25


Onderdeel Begrijpen

Dynamo´s en generatoren leveren wisselspanning. De plusTekst... en minpool wisselen razendsnel. De elektrische stroom verandert daardoor steeds van richting. Bij een batterij, een accu en een zonnecel wisselen de plus en de min niet. De stroom gaat daar dus steeds in dezelfde richting. Deze energiebronnen leveren gelijkspanning.

Elektriciteit als waterstroom Activiteit 8 op pagina 35. Een elektrische stroom kun je vergelijken met een waterstroom door een waterleiding. In de waterstroom bewegen waterdeeltjes; een elektrische stroom bestaat uit bewegende elektronen. Je kunt de stroomsterkte vergelijken met de hoeveelheid water die een bepaalde plaats per seconde passeert.

FIG 27

De kraan in figuur 27 levert een behoorlijke waterstroom. Als je de kraan langzaam dichtdraait, wordt de waterstroom steeds kleiner. Je kunt dit vergelijken met verschillende lampjes waarbij het draadje steeds dunner is. Je maakt de stroomsterkte steeds kleiner, waardoor de lamp steeds minder fel brandt. Elektrische spanning is een maat voor de kracht waarmee de stroom wordt voortgestuwd. Vergelijk dit met water waarbij de druk op de waterleiding wordt verhoogd. Het water gaat dan sneller stromen. Een hogere spanning vergelijk je dus met water dat met een grotere druk door een leiding geperst wordt. Een hogedrukspuit (figuur 28) gebruikt weinig water, maar de druk is erg groot. Door de hoge druk zit er toch veel energie in het water. Je kunt dit vergelijken met een spanningsbron die met een hoge spanning bij een kleine stroomsterkte toch een groot vermogen levert.

FIG 28 Een hogedrukspuit gebruikt weinig water. Door de hoge druk is de energie van het water toch groot.

Er is nog een overeenkomst tussen waterleidingen en elektriciteit. Als je een grote waterstroom nodig hebt, gebruik je een brede waterleiding. Voor een grote elektrische stroom heb je een dikke kabel nodig. Een te dunne kabel wordt warm. Maar er is ook ĂŠĂŠn groot verschil: het water hoeft niet terug naar de pomp; elektriciteit stroomt alleen als de kring gesloten is.

Elektrisch schema

Een elektrisch schema maakt duidelijk hoe een schakeling in elkaar zit. In het schema worden elektriciteitsdraden aangegeven door rechte lijnen. Elektrische onderdelen, zoals een spanningsbron, een lamp en een weerstand, worden aangegeven door symbolen. De belangrijkste symbolen zie je in figuur 29. lampje stroomdraad

+

-

spanningsmotor schakelaar (open) schakelaar (dicht) weerstand wisselspanningsbron

FIG 29

26


0.0 1.2

Spanning Titel paragraaf en stroomsterkte

Begrijpen Onderdeel

c Elektrische energie wordt getransporteerd door … d Een ampèremeter sluit je aan in de … e De spanning kun je vergelijken met de … van een

Samenvatting

• Een elektrische stroom transporteert elektrische energie. De elektrische stroom bestaat uit bewegende elektronen die energie opnemen in de spanningsbron en afgeven aan het apparaat. • De spanningsbron zorgt voor het rondpompen van de elektronen. Hoe groter de spanning des te groter wordt de stroomsterkte en des te meer energie wordt er afgegeven in het apparaat. • Spanning druk je uit in volt (V). Stroomsterkte druk je uit in ampère (A). • Een voltmeter sluit je aan op de twee aansluitpunten van de spanningsbron of het apparaat. Een voltmeter staat buiten de stroomkring. • Een ampèremeter sluit je aan in de stroomkring: in de aanvoerdraad of in de afvoerdraad. • De stroomsterkte naar een apparaat toe is gelijk aan de stroomsterkte van het apparaat vandaan. • Er zijn spanningsbronnen die elektrische energie maken uit chemische energie, bewegingsenergie of zonne-energie. • Een elektrische stroom kun je vergelijken met een waterstroom door een waterleiding. In de waterstroom bewegen waterdeeltjes; een elektrische stroom bestaat uit bewegende elektronen. • Een elektrisch schema maakt duidelijk hoe een schakeling in elkaar zit.

Opgaven bij begrijpen 26 Geef van elk van de volgende beweringen aan of deze waar of niet waar is. Als de bewering niet waar is, verbeter je deze zodat een bewering ontstaat die wel waar is. a Elektrische energie wordt getransporteerd door bewegende elektronen. b De elektrische stroom loopt van de + pool naar de − pool van de spanningsbron. c Een voltmeter sluit je aan in de kring. d Elektrische stroomsterkte is de kracht die op de elektronen wordt uitgeoefend. e De eenheid van elektrische energie is ampère.

waterpomp. Nadat de stroom door het apparaat is gegaan, loopt de stroom terug naar de … g Een dynamo levert ... h Een zonnecel levert ...

f

28 Verbeter de fouten in de volgende zinnen. a Een haardroger staat onder stroom. b Door de kabels loopt dan 2,5 V. c Als je de stroomdraad aanraakt, krijg je een stroomstoot van 230 V.

d Er loopt 15 mV door je lichaam. 29 Een brommer heeft een dynamo, een koplamp en een

achterlicht. De motor draait en de dynamo draait rond, maar de lampen zijn nog niet op de dynamo aangesloten. a Levert de dynamo nu spanning, stroom, allebei of geen van beiden? Je sluit de lampen aan op de dynamo. b Leg uit in welk van de volgende situaties de dynamo de grootste stroomsterkte levert. • Alleen de koplamp brandt. • Alleen het achterlicht brandt. • Zowel de koplamp als het achterlicht branden. Beide lampjes zijn aangesloten op de dynamo. Je geeft gas, zodat de lampjes harder gaan branden. c Leg uit wat er nu veranderd is. • Alleen de stroomsterkte is groter geworden. • Alleen de spanning van de dynamo is groter geworden. • Zowel de spanning als de stroomsterkte zijn groter geworden. Vanaf de dynamo loopt er maar één draadje naar de koplamp. d Hoe loopt de stroom terug naar de dynamo?

27 Maak de volgende zinnen af. Kies uit: elektronen, volt, gelijkspanning, stroomkring, spanningsbron, druk, ampère, wisselspanning. a De eenheid van spanning is … b De eenheid van stroomsterkte is …

H1

Licht Elektrische en kleur apparaten

27


Onderdeel Begrijpen

Tekst...

+ -

A

B

+ -

A

A

+ -

C

D

+ -

V A

FIG 30

30 In figuur 30 zie je vier schema´s. In welk van de schema´s is de meter goed aangesloten?

FIG 32

1

32 Elektriciteit kun je vergelijken met een fontein die water

-+

4

2

3 FIG 31

31 In figuur 31 zie je een schakeling met een spanningsbron, een lampje, een schakelaar en vier meters. a Welke meters zijn ampèremeters? b Welke meters zijn voltmeters? Als de schakelaar geopend is, wijzen drie van de vier meters niets aan. c Welke meter geeft wel iets aan?

28

spuit (figuur 32). a Welk onderdeel uit de schakeling kun je vergelijken met de pomp? b Wat is bij de fontein de stroomsterkte? c Wat gebeurt er bij de fontein als je de ‘spanning’ groter maakt? d Wat wordt er bij een elektrische schakeling rondgepompt? Er is één groot verschil tussen een stroomkring en een waterfontein. e Wat is dat verschil?

33 Op een batterij van 4,5 V is een lampje aangesloten. De stroomsterkte die van de batterij naar het lampje loopt is 0,5 A. a Hoe groot is de stroomsterkte die van het lampje terug loopt naar de batterij? Vervolgens wordt het lampje aangesloten op een spanning van 6 V. De stroomsterkte door het lampje neemt hierdoor toe. b Geef twee redenen waarom het lampje op 6 V feller brandt dan op 4,5 V. Gebruik in je uitleg de elektronen.


0.0 1.2

Spanning Titel paragraaf en stroomsterkte

34 In figuur 33 zie je vijf soorten batterijen. De staafbatterijen geven 1,5 V; de blokvormige batterij 9 V. a Op welke batterij zal een lampje het felst branden? b Bij welke batterij is de kracht waarmee de elektronen rondgepompt worden het grootst? De vier staafbatterijen leveren allemaal 1,5 V. c Wat is het verschil tussen een dikke en een dunne staafbatterij?

Begrijpen Onderdeel

37 In de schakeling van figuur 34 zie je een spanningsbron, een lampje en een meter. Leg uit of die meter een ampèremeter of een voltmeter is.

-

+ 0

1

2

3

4

FIG 34

38 Op sommige daken zie je zonnepanelen. Deze zijn via

FIG 33

35 Er zijn drie soorten spanningsbronnen: dynamo’s, zonnecellen en batterijen (of accu’s). a Welke soorten spanningsbronnen leveren gelijkspanning? b Welke soort spanningsbron is te vinden in de meeste elektriciteitscentrales? Een waterstofcel werkt op een reactie tussen waterstof en zuurstof. c Leg uit of een waterstofcel een dynamo, een zonnecel of een batterij is.

36 Combineer elk apparaat met de bijbehorende spanning: 1. 2. 3. 4. 5. 6.

H1

föhn hoge snelheidstrein klok met wijzers koplamp auto stoptrein zaklamp

Licht Elektrische en kleur apparaten

A B C D E F

1,5 V 4,5 V 12 V 230 V 1 500 V 25 000 V

een elektronische schakeling verbonden met het elektriciteitsnet. a Welke twee veranderingen zijn nodig om ervoor te zorgen dat de elektriciteit van het paneel probleemloos in de woning gebruikt kan worden? Er zijn ook afgelegen recreatiewoningen die volledig afhankelijk zijn van de energie van zonnepanelen. Overdag laden de panelen een accu op, die ´s avonds elektriciteit kan leveren. De accu is zo groot dat ook een paar dagen met weinig zon geen probleem zijn. Alle apparaten in zo´n huisje werken op 12 volt. b In welke vorm wordt de energie van de zon opgeslagen? Om te laten zien hoe goed de panelen werken, is er soms een ampèremeter die aangeeft hoeveel de panelen leveren. c Teken een elektrisch schema van zo´n vakantiehuisje. Neem alleen twee lampen als elektrische apparaten. Zet schakelaars op alle plekken waar een schakelaar nodig is. Teken zowel de accu als de zonnecel als een spanningsbron en zet de woorden accu en zonnecel erbij. Ook de ampèremeter moet in het schema staan.

29


Berekenen

Vermogen, spanning en stroomsterkte Activiteit 9 en 10 op pagina 35. Het vermogen van een apparaat is de hoeveelheid energie die het apparaat per seconde gebruikt. Die energie heeft natuurlijk iets te maken met de spanning van de spanningsbron en de stroomsterkte door het apparaat. Een grotere spanning betekent een grotere kracht die de elektronen rondpompt. Een grotere kracht betekent meer energie. De energie wordt getransporteerd door de stroom. Een grotere stroomsterkte betekent meer rondstromende deeltjes en dus ook meer energie. Als een spanningsbron veel energie moet leveren, gebruik je het liefst een hoge spanning én een grote stroomsterkte. Apparaten die je op het stopcontact aansluit, werken allemaal op de netspanning van 230 V. Daar kun je niets aan veranderen. Bij een apparaat dat veel energie gebruikt moet de stroomsterkte dus groot zijn. De spanning is niet altijd even groot bij apparaten die op batterijen of een accu werken. De zaklamp van figuur 35 werkt op drie batterijen van 1,5 V die samen een spanning van 4,5 V geven. De batterijen hoeven maar enkele tientallen milliampère te leveren. De accu van een hybride of elektrische auto heeft een grote spanning, ongeveer 200 V, en kan een grote stroomsterkte leveren, meestal meer dan 300 A.

Verband tussen vermogen, spanning en stroomsterkte

Het vermogen van een apparaat hangt af van de spanning en de stroomsterkte. In formule: vermogen = spanning × stroomsterkte De eenheden bij deze formule zijn: vermogen in watt (W) spanning in volt (V) stroomsterkte in ampère (A) Voor de eenheden geldt dan: 1 watt = 1 volt × 1 ampère In symbolen schrijf je de formule als: P=U×I Hierin is: P het vermogen (W) U de spanning (V) I de stroomsterkte (A)

Rekenvoorbeeld Een autoaccu heeft een spanning van 12 V. Om een auto te starten is een stroomsterkte van ongeveer 250 A nodig. Welk (elektrisch) vermogen is nodig om de auto te starten? Het ‘startvermogen’ is: P = U × I = 12 V × 250 A = 3 000 W = 3 kW

FIG 35

30


1.2

Spanning en stroomsterkte

Opgaven bij berekenen 39 Geef van elk van de volgende beweringen aan of deze waar of niet waar is. Als de bewering niet waar is, verbeter je deze zodat een bewering ontstaat die wel waar is. a ampère × volt = kilowattuur b Het vermogen dat een spanningsbron levert, hangt af van de spanning en de stroomsterkte. c Bij huishoudelijke apparaten die je op het stopcontact aansluit, hangt het vermogen alleen af van de stroomsterkte. P d De formule P = U × I is hetzelfde als I = U

Berekenen

a Bereken de stroomsterkte door de kabels. Hoogspanningskabels zijn erg dik, ongeveer 4 cm. Een elektriciteitsdraad in een woning is maar 1,7 mm dik. b Leg uit waarom een hoogspanningskabel zoveel dikker moet zijn.

40 Een gloeilamp van 25 W geeft evenveel licht als een autolamp van 25 W. Een autolamp werkt op 12 V. a Op welke spanning werkt een gloeilamp in huis? b Leg zonder berekeningen uit door welke lamp de stroomsterkte het grootst is. c Bereken bij elke lamp de stroomsterkte. In de autolamp zit een dikkere gloeidraad dan in de normale gloeilamp. d Leg uit waarom dat nodig is.

41 Veel stofzuigers hebben een vermogensregelaar. Je kunt zo’n stofzuiger regelen van minimaal vermogen (400 W) tot maximaal vermogen (1 200 W). a Leg uit dat de spanning over de stofzuiger niet verandert als je hem op een groter vermogen instelt. Hasna koopt de stofzuiger in Nederland en neemt hem mee naar Marokko, waar de netspanning 220 V is. b Leg uit of de maximale ‘zuigkracht’ van de stofzuiger in Marokko verschilt van die in Nederland.

42 Door een broodrooster (230 V) loopt een stroom met een sterkte van 2,5 A. a Bereken het vermogen van de broodrooster. Een stofzuiger heeft een vermogen van 1 200 W en is aangesloten op de spanning van het lichtnet (230 V). b Bereken de stroomsterkte die door de stofzuiger loopt. Een autostofzuiger, die werkt op de spanning van 12 V van de auto-accu, heeft ook een vermogen van 1 200 W. c Bereken de stroomsterkte door de autostofzuiger.

43 Een elektriciteitscentrale levert een vermogen van 2 500 000 kW. De elektrische energie wordt via hoogspanningskabels getransporteerd. De spanning op de hoogspanningskabels is 350 kV.

H1

Elektrische apparaten

FIG 36 Elektrische auto bij een oplaadpunt.

44 De accu van de elektrische auto van figuur 36 heeft een spanning van 360 V. Het maximale vermogen van deze auto is 90 kW. a Bereken de stroomsterkte die de accu bij maximaal vermogen levert. Als de accu vol is, kan deze 24 kWh elektrische energie leveren. De accu kun je in een half uur opladen. b Bereken de stroomsterkte die je tijdens het laden nodig hebt. Om met een snelheid van 80 km/h te rijden heeft de auto een vermogen van 11 kW nodig. c Bereken welke afstand de auto bij deze snelheid kan afleggen, als hij met een volle accu start.

45 Niels heeft twee verschillende gloeilampen. De lampen zijn beide gemaakt voor netspanning, maar het vermogen van lamp 1 is drie keer zo groot als het vermogen van lamp 2. a Door welke lamp gaat de grootste stroomsterkte? b Hoeveel keer zo groot is die stroomsterkte? Bij twee andere lampen is het vermogen van de twee lampen gelijk. De spanning waarop lamp 1 werkt is drie keer zo groot als de spanning waarop lamp 2 werkt. c Door welke lamp gaat de grootste stroomsterkte? d Hoeveel keer zo groot als bij de andere lamp is die stroomsterkte?

31


Onderdeel Verdiepen

Tekst... Formules combineren

De energie die een apparaat gebruikt, hangt af van het vermogen en de tijd. Het vermogen hangt weer af van de spanning en de stroomsterkte. Het energiegebruik kun je berekenen met E = P × t, voor het vermogen gebruik je de formule P = U × I. Soms heb je beide formules nodig om het energiegebruik uit te rekenen.

Rekenvoorbeeld 1 Het starten van een auto duurt 2 s. De accu levert een spanning van 12 V en de stroomsterkte tijdens het starten is 250 A. Hoeveel energie is nodig om de auto te starten? De energie bereken je met E = P × t, maar je moet eerst het vermogen P berekenen: P = U × I = 12 V × 250 A = 3 000 W E = P × t = 3 000 W × 2,0 s = 6 000 J = 6 kJ

Grote stroomsterktes

Een autoaccu heeft een spanning 12 V. De stroomsterkte die deze accu moet leveren om een apparaat te laten werken is veel groter dan in huis. De koplampen van een auto hebben een vermogen van 55 W, en die hebben een stroomsterkte van 4,6 A nodig. De stroomsterkte door een lamp in huis van 55 W is maar 0,24 A. De grotere stroomsterkte is nodig, omdat de spanning zo laag is. Een lage kracht betekent minder energie. De stroomsterkte moet dan groter worden om toch voldoende energie te kunnen leveren. Je kunt het verband tussen spanning en stroomsterkte ook zien aan de formule P = U × I. Als P gelijk moet blijven en U kleiner wordt, moet I groter worden. Het product U × I moet immers constant blijven. Bij apparaten in de auto die veel elektrische energie verbruiken, kan de stroomsterkte erg groot worden. De stroomsterkte door de airco is bijvoorbeeld ongeveer 60 A, de startmotor heeft een stroomsterkte van wel 250 A nodig.

Rekenvoorbeeld 2 Hoeveel energie gebruikt de flitser van een camera als de flits 1 ms (= 0,001 s) duurt? De flitser werkt op een spanning van 1 000 V en de stroomsterkte is 10 mA (= 0,01 A). Ook hier moet je eerst het vermogen uitrekenen: P = U × I = 1 000 V × 0,01 A = 10 W E = 10 W × 0,001 s = 0,01 J

Rekenvoorbeeld 3 Een stofzuiger gebruikt 0,10 kWh energie. De stroomsterkte in het netsnoer is 4,35 A. Hoeveel minuten ben je bezig geweest? P = U × I = 230 V × 4,35 A = 1 000 W = 1 kW E=P×t 0,10 kWh = 1 kW × t 0,10 kWh t= = 0,10 uur = 6 minuten 1kW

32

FIG 37

In figuur 37 zie je een lasser die twee buizen aan elkaar smelt. De stroomsterkte door de laselektrode is ongeveer 100 A. Het lasapparaat heeft niet zo´n groot vermogen nodig, want de spanning is maar enkele tientallen volt.


0.0 1.2

Spanning Titel paragraaf en stroomsterkte

Onderdeel Verdiepen

Opgaven bij verdiepen

TYPE AJ3

46 Bij een onweer kan tussen de wolken een spanning ontstaan van 500 000 V. Een bliksem duurt heel kort: 1 ms. Tijdens de bliksem is de sterkte van de stroom 80 kA. a Bereken het vermogen van de bliksem in watt. b Bereken de energie die door de bliksem vrijkomt in J. c Bereken die energie ook in kWh. Het jaarlijks energiegebruik van een gemiddeld Nederlands gezin bedraagt 2 000 kWh. d Hoe lang kan een gemiddeld Nederlands gezin toe met de energie van één bliksem?

47 Je laat je zaklamp branden op twee oplaadbare batterijen van 1,2 V. Op het lampje staat de tekst: ‘2,4 V 1,0 A’. Op de batterijen is aangegeven dat ze een capaciteit hebben van 4 400 mAh. Dit betekent dat de batterijen gedurende 1 uur (h) een stroomsterkte van 4 400 mA kunnen leveren. Daarna is de batterij ‘leeg’. Levert de batterij een twee keer zo kleine stroom, dan gaat hij twee keer zo lang mee. Bij een grotere stroom is de batterij eerder leeg. a Bereken de spanning op het lampje. b Bereken het vermogen van het lampje. c Bereken hoe lang het lampje op de batterijen kan branden. d Bereken hoeveel joule energie de batterijen dan in totaal geleverd hebben.

220-240V 50/60Hz 1850-2200 W CAPACITY 1,5 LITERS

Mx

Made in France N”Q/96 252 4784959C F1115116 423

P

T

FIG 38

50 Bas en Rolf hebben een elektrische waterkoker gekocht. De waterkoker bestaat uit een voet van kunststof en een kan met een verwarmingselement. Het typeplaatje van de waterkoker is weergegeven in figuur 38. Bas en Rolf vragen zich af waarom er twee vermogens op het typeplaatje staan. Ze doen ieder een uitspraak over dat probleem. Bas zegt: ‘Het vermogen van de waterkoker is niet precies bekend, want het hangt af van de netspanning’. Rolf zegt: ‘Het vermogen van de dompelaar is niet precies bekend, want het hangt af van de hoeveelheid water die je in de kan doet’.

a Welke van deze uitspraken is of zijn juist? Bij een spanning van 240 V is het vermogen 2 200 W. b Bereken de stroomsterkte bij deze spanning. c Leg uit waardoor de stroomsterkte bij 220 V kleiner is.

48 Een laptop zet in 20 minuten 1,2 MJ energie om. a Bereken het gemiddelde vermogen van de laptop. b Waarom kun je hier alleen het gemiddelde vermogen berekenen? De gemiddelde stroomsterkte door de laptop is in die 20 minuten 5,0 A. c Bereken de accuspanning van de laptop.

49 De startmotor van een auto levert gedurende 3,5 s een stroomsterkte van 250 A. De spanning van de accu is 12 V. a Bereken hoeveel joule energie het starten van de auto kost. De airco van de auto wordt gedurende 45 minuten gebruikt. De stroomsterkte is 60 A. b Bereken hoeveel kWh de airco gebruikt.

FIG 39

51 In figuur 39 zie je een geïmproviseerd lasapparaat, dat in noodgevallen wordt gebruikt om te lassen op plekken waar geen elektriciteit is. Er zijn drie accu´s nodig. Waarom is één accu niet voldoende?

H1

Licht Elektrische en kleur apparaten

33


Onderzoeken Onderdeel

Tekst... Activiteit

6

Activiteit 7

Spanningsbronnen

Spanning en stroomsterkte meten

Bij spanningsbronnen denk je misschien aan batterijen of het stopcontact, maar er zijn nog veel meer spanningsbronnen. In dit experiment vergelijk je verschillende spanningsbronnen met elkaar.

Bij deze activiteit meet je spanning en stroomsterkte in een schakeling.

+

-

A

V 0

FIG 41

Je hebt nodig FIG 40

Je hebt nodig • • • • • • • •

zonnecel lichtbron spoel magneet fietsdynamo (met fietswiel) en/of knijpkat led, fietslampje voltmeter elektromotor

• • • •

Dit ga je doen • • • • •

Dit ga je doen • • • •

aak groepjes: elk groepje onderzoekt één of meer M van de spanningsbronnen. Sluit de voltmeter aan op de spanningsbron. Onderzoek of je de spanning kunt veranderen en zo ja hoe. Onderzoek of je een led, een fietslampje of een elektromotor op de spanningsbron kunt laten werken.

regelbare spanningsbron voor- en achterlichtlampje van een fiets in fitting ampèremeter en voltmeter aansluitdraden

• • •

Stel de spanning van de bron in op 6 V. Meet de spanning van de bron met de voltmeter. Sluit één van de lampjes aan en meet de spanning over de fitting. Draai het lampje los uit de fitting en meet opnieuw de spanning over de fitting. Verander de schakeling zodat je ook de stroomsterkte door het lampje kunt meten (figuur 40). Draai het lampje los en meet opnieuw de stroomsterkte. Vervang het lampje door het andere lampje en meet opnieuw de stroomsterkte. Verlaag tot slot de spanning van de bron en kijk wat er met de stroomsterkte gebeurt.

Vragen Vragen • • •

34

Hoe kun je de spanning die de spanningsbron afgeeft veranderen? Op welke spanningsbron(nen) kun je een fietslampje, een led of een elektromotor laten werken? Levert de bron ook spanning als er geen apparaat op aangesloten is?

• • •

Waarom meet je nog wel spanning als het lampje is losgedraaid? Hoe komt het dat de stroomsterkte verandert als je een ander lampje op dezelfde spanning aansluit? Neem de volgende zin over en vul hem aan: De spanning wordt bepaald door … ; de stroomsterkte hangt af van … en ….


0.0 1.2

Spanning Titel paragraaf en stroomsterkte

Onderzoeken Onderdeel

Activiteit 8 Applet stroom en energie Met deze applet kun je zien hoe de elektrische stroom energie (licht en warmte) levert. Ook onderzoek je hoe de ontwikkelde warmte verandert als je de stroomsterkte vergroot.

Je hebt nodig applet over stroom en energie

Dit ga je doen • •

G a naar het benodigde applet via www.impact-online.nl of via de ELO van de school. Onderzoek wat er gebeurt als je de spanning met de schuifbalk verandert.

Onderzoek wat er gebeurt als je met de andere schuifbalk de dikte van de gloeidraad van het lampje verandert.

Vragen • •

Leg uit wat er gebeurt als je de spanning groter maakt. Beschrijf wat er gebeurt als de draad dunner wordt gemaakt. In het dunne deel van de draad bewegen de elektrische deeltjes sneller dan in het dikke deel van de draad. • Beredeneer of de stroomsterkte in het dunne deel groter is geworden. Als de draad dunner wordt gemaakt, neemt de stroomsnelheid ook in het dikke deel van de draad af. • Waarom wordt de stroomsterkte daar ook kleiner?

Activiteit 9 Spanning, vermogen en stroomsterkte Bij deze activiteit vergelijk je de eigenschappen van elektrische apparaten.

Je hebt nodig • •

v erschillende elektrische apparaten, zowel werkend op netspanning als op batterijen ampèremeter, drie meetsnoeren, krokodillenklemmen

• •

Vragen •

Dit ga je doen •

oteer van elk apparaat het vermogen en de spanning N (typeplaatje).

Zet de apparaten in volgorde van energiegebruik. Meet bij elk apparaat dat op batterijen werkt de stroomsterkte, of lees de stroomsterkte af op het apparaat. Vraag aan je docent hoe je de ampèremeter aansluit tussen de batterijen en het apparaat.

Vergelijk alle apparaten die op netspanning werken. Is de stroomsterkte evenredig met het vermogen? Kun je uit de gegevens van de apparaten de formule voor spanning, stroomsterkte en vermogen achterhalen?

Activiteit 10 De capaciteit van een batterij De ene batterij gaat langer mee dan de andere. In deze proef ga je meten hoeveel energie een batterij kan leveren.

• • •

Je hebt nodig

• • •

volle oplaadbare batterij van 1,3 V zaklantarenlampje stopwatch, klokje, horloge of mobieltje voor tijdmeting

Sluit het lampje op de batterij aan. Sluit in de stroomkring ook een ampèremeter aan. Meet elke 10 minuten de stroomsterkte en schrijf deze op. Als de stroomsterkte nog maar de helft is van de stroomsterkte in het begin, stop je met de meting. Bereken zelf hoeveel mAh de batterij heeft geleverd.

Vragen Dit ga je doen •

ijk op de batterij of de capaciteit erop staat. K De eenheid is mAh.

H1

Licht Elektrische en kleur apparaten

• •

Klopt de uitkomst van je meting met wat op de batterij is aangegeven? Verklaar eventuele verschillen.

35


Ontdekken

Zij liegt Petra is betrapt. Ze liep met een dure lippenstift in de hand zonder te betalen de winkel uit. Petra beweert dat ze echt wel van plan was de lippenstift te betalen, maar de winkeleigenaar gelooft haar niet. Ze moet de lippenstift betalen en mag de winkel niet meer in. Petra zoekt een manier om de winkeleigenaar van haar onschuld te overtuigen en vindt op internet een beschrijving van een leugendector. Hoe werkt een leugendetector eigenlijk?

4 Bedenk hiervoor een experiment. Vraag aan je docent of je het experiment mag uitvoeren, waarbij je gebruikmaakt van de leugendetector die je hebt gemaakt.

Lees bron 2. Doe activiteit 12. 5 Overleg met twee medeleerlingen welke daderkennis zij hebben gekozen, en beoordeel of het echt kennis is waar de dader anders op zal reageren dan iemand die het niet gedaan heeft.

FIG 42

Onderzoek! Doe activiteit 11. 1 Werkt het apparaat om leugens te detecteren? 2 Bedenk waardoor het komt dat de stroomsterkte toeneemt. Wat gebeurt er met je huid als je liegt? a Je huid wordt …… b Je huid wordt …… c Je huid wordt ……

3 Welke van deze reacties heeft een toename van de stroomsterkte tot gevolg? Test in een experiment of je gelijk hebt. Daarvoor moet je de verandering die je huid ondergaat als je liegt, op een andere manier nabootsen.

36

FIG 43 Aan de Universiteit Maastricht doen psychologen onderzoek naar de betrouwbaarheid van de leugendetector.

Eindproduct Petra wil de winkel weer in kunnen. Schrijf namens Petra een e-mail naar de winkel, waarin je uitlegt dat Petra echt niet van plan was de lippenstift te stelen, en waarin je de winkelier adviseert om een leugendetector te gebruiken. Leg in die brief uit hoe een leugendetector werkt.


1.3

Weerstand

Ontdekken

Activiteit 11

Activiteit 12

Een eenvoudige leugendetector

Daderkennis

Deze leugendetector bestaat uit twee stroken aluminiumfolie die goed contact moeten maken met twee vingers van één hand. Met een batterij laat je een kleine en dus ongevaarlijke stroom door je hand lopen. Deze stroom meet je.

Een leugendetector kan ook vals alarm geven. Dat gebeurt als een verdachte bij een vraag helemaal in de stress schiet. Dat hoeft natuurlijk niet te betekenen dat hij liegt. Bij directe vragen als: ‘Heb jij de moord gepleegd?’, schiet bijna iedereen in de stress. Daarom moet de ondervrager dingen vragen waar de echt schuldige op reageert. De politie maakt daarvoor gebruikt van daderkennis: dingen die de dader wel in verband brengt met het delict en een onschuldige niet.

Je hebt nodig • •

9 V batterij 2 strookjes aluminiumfolie van ongeveer 1 cm breed en 5 cm lang, waarop met tape snoertjes zijn vastgemaakt gevoelige stroommeter (microampèremeter)

+

Stel je voor dat iemand een mobiele telefoon heeft gestolen. Bedenk een vraag waardoor de echte dader wel en een onschuldig iemand niet in de stress schiet. Je mag bij die vraag ook een voorwerp laten zien.

Bron 2

+

A

contacten

FIG 44

Dit ga je doen • •

ape de stroken aluminiumfolie om twee vingers van T één hand. Sluit de beide snoertjes aan op een 9 V batterij en schakel een stroommeter in de stroomkring, zie figuur 44. Test de meter. Dat doe je in de vorm van een spel. Iemand stelt enkele vragen en de verdachte mag zelf kiezen of hij liegt of niet. De verhoorder moet raden of er gelogen is. Als de verdachte liegt, geeft de stroommeter een grotere uitslag dan wanneer hij niet liegt.

H1

Elektrische apparaten

De polygraaf

Een echte leugendetector werkt iets ingewikkelder. Het apparaat heet polygraaf. Het meet niet alleen hoe goed de huid elektrische stroom geleidt, maar ook andere lichaamskenmerken, zoals de hartslag en de spierspanning. Vooral in Amerika gebruikt de politie de polygraaf bij ondervragingen. Over de betrouwbaarheid woedt al jaren een discussie. Een voordeel is dat verdachten sneller bekennen. De rechter mag echter geen waarde hechten aan de uitslag van het apparaat. Er zijn ook bedrijven die leugendetectie toepassen tijdens sollicitatiegesprekken.

37


Onderdeel Begrijpen

Elektrische apparaten in huis werken allemaal op Tekst... dezelfde spanning, maar de stroomsterkte is door elk apparaat anders. De stroomsterkte is groter door apparaten die veel energie verbruiken en kleiner door apparaten die weinig energie verbruiken. Hoe komt het dat de stroom door het ene apparaat groter is dan door het andere apparaat?

Weerstand druk je uit in ohm (Ω). Het symbool voor weerstand is R. Als een apparaat een weerstand heeft van 500 Ω, schrijf je dit op als: R = 500 Ω. Bij grote weerstanden gebruik je kilo-ohm, kΩ (1 kΩ = 1 000 Ω) of megaohm, MΩ (1 MΩ = 1 000 000 Ω).

Sleutelbegrippen

Weerstand, ohm, wet van Ohm.

Weerstand

In paragraaf 1.2 is de elektrische stroom vergeleken met een waterstroom. In figuur 45 zie je dunne waterstraaltjes die uit de sproeikop van een buitendouche spuiten. Als je de sproeikop eraf schroeft, gaat er per seconde meer water stromen.

FIG 45 Een douchekop biedt weerstand aan het stromende water.

Een gloeidraadje van een lamp is voor de elektriciteit zo´n kleine doorgang. Het kost moeite om de stroom door een dun draadje te persen. Hoe dunner het gloeidraadje, des te kleiner wordt de stroomsterkte. In elektrische schakelingen gebruik je het begrip weerstand. De weerstand geeft aan in welke mate de stroom wordt tegengehouden door een draad. Bij een hoge weerstand is de stroomsterkte klein, bij een lage weerstand is de stroomsterkte groot. Een dikkere draad heeft dus een lagere weerstand dan een dunnere draad.

FIG 46 Een verwarmingselement van een wasmachine (boven) heeft een dikkere draad dan een gloeilampje (onder). De weerstand is kleiner en daardoor zijn de stroomsterkte en het vermogen groter.

De weerstand hangt ook af van de lengte van de draad. Een langere draad heeft een hogere weerstand.

38


0.0 1.3

Weerstand Titel paragraaf

Weerstand van een apparaat

Elk elektrisch apparaat heeft weerstand. In tabel 7 zie je waarden van de weerstand voor verschillende apparaten. Apparaat

Weerstand

wasmachine haardroger gloeilamp van 100 W gloeilamp van 40 W led-lamp van 1 W iPod

15 Ω 50 Ω 500 Ω 1,3 kΩ 53 kΩ 2 500 Ω

Begrijpen Onderdeel

Weerstanden en elektronica Met ‘weerstand’ wordt ook een onderdeeltje in elektronische schakelingen aangeduid (zie figuur 47). Op een printplaatje zie je veel weerstanden. Die weerstanden bepalen de stroomsterkte in de schakeling. Zo’n weerstand is meestal niet meer dan een dun laagje koolstof in een plastic cilindertje. Op de weerstand staat een code van gekleurde ringetjes. Deze code geeft de grootte van de weerstand (het aantal ohm) aan.

TABEL 7

Je ziet dat de weerstand van apparaten kleiner wordt, naarmate ze meer stroom door moeten laten. In het dagelijks leven heb je weinig te maken met de weerstand van een apparaat. Voor de ontwerper van een elektrisch apparaat ligt dat anders: die zorgt ervoor dat het apparaat de juiste weerstand heeft.

Weerstand, materiaal en temperatuur

De weerstand van een apparaat hangt niet alleen van de dikte en de lengte van de draden in het apparaat af. Ook de temperatuur en het soort metaal spelen een rol. Bij metalen wordt de weerstand groter bij hogere temperatuur. Dat komt doordat de elektronen in het metaal tussen de atomen door moeten bewegen. Als de temperatuur toeneemt, gaan de atomen in het metaal heviger trillen. Daardoor wordt het voor de elektronen moeilijker om tussen de atomen door te bewegen. De weerstand wordt dan dus hoger.

Activiteit 13 en 14 op pagina 48.

Het aflezen van de kleurcode gaat als volgt: Leg de weerstand met de zilver- of goudkleurige ring rechts. De kleurcodes vind je in figuur 47 rechts. De eerste twee ringen geven een cijfer aan, de derde ring het aantal nullen. Rood, rood, oranje, betekent dus 2 en nog een 2 en dan 3 nullen. Dat is 22 000 Ω.

zzwart

0

groen 5 g

bruin b

1

blauw 6 b

rrood

2

paars p

7

grijs g

8

wit w

9

oranje 3 o geel g

4

ring 1 = cijfer ring 2 = cijfer ring 3 = aantal nullen 1

2

3

Weerstand van een gloeilamp Een brandende gloeilamp heeft een grotere weerstand dan een koude gloeilamp. Als je een lamp aandoet, is er ook heel even een veel hogere stroomsterkte. Dat duurt maar een paar duizendste seconde. Een brandende gloeilamp heeft dus een veel hogere weerstand dan een gloeilamp die uit is. De weerstand van een ‘hete’ gloeilamp kan meer dan tien keer zo groot worden als van een ‘koude’ gloeilamp. De meeste elektrische apparaten worden gelukkig niet zo heet als een gloeilamp.

H1

Licht Elektrische en kleur apparaten

FIG 47 De getekende weerstand heeft een weerstand van 4 500 Ω. De laatste ring is goudkleurig en geeft de nauwkeurigheid aan: 5%.

Samenvatting

• E lektronen ondervinden tegenwerking bij hun beweging door een draad. Die tegenwerking druk je uit in de weerstand van de draad of het apparaat. • De weerstand heeft het symbool R en de eenheid is ohm (Ω). • Kortere en dikkere draden hebben een kleinere weerstand en laten de stroom dus gemakkelijker door. • De weerstand hangt ook af van de temperatuur. Als een draad heter wordt, neemt de weerstand toe.

39


Onderdeel Begrijpen

Tekst... Opgaven

bij begrijpen

52 Geef van elk van de volgende beweringen aan of deze waar of niet waar is. Als de bewering niet waar is, verbeter je deze zodat een bewering ontstaat die wel waar is. a Hoe groter de weerstand van een draad, hoe kleiner de stroomsterkte. b De eenheid van weerstand is ohm. c Een dikke draad heeft een grotere weerstand dan een dunne draad. d Bij een hogere temperatuur bewegen de elektronen gemakkelijker door de draad. e Goede geleiders hebben een kleine weerstand.

FIG 48

53 In figuur 48 zie je verschillende autolampen. Alle lampen werken op een spanning van 12 V, maar de koplamp brandt veel feller dan de achterlichten en het knipperlicht. a Heeft de koplamp of het knipperlicht het grootste vermogen? b Gaat de grootste stroomsterkte door de koplamp of door het knipperlicht? De gloeidraden in de lampen zijn even lang. c Leg uit of de koplamp of het achterlicht de dunste gloeidraad heeft. De koplamp van de auto heeft een vermogen van 55 W. Dat is ongeveer evenveel als een normale gloeilamp. De koplamp geeft ook ongeveer evenveel licht als zo’n gloeilamp. De koplamp van de auto werkt op 12 V; een normale gloeilamp op 230 V. d Leg uit waarom die twee lampen dan toch even fel kunnen branden. e Welke lamp heeft de grootste weerstand, de koplamp of de gloeilamp?

40

FIG 49

54 Tijdens een practicum wordt met een digitale meter de

weerstand van een lampje gemeten (figuur 49). De draaiknop geeft aan welke grootheid gemeten wordt en wat de maximale waarde is die in die stand gemeten kan worden. Hoe groot is de weerstand van het lampje? A 2,6 A B 2,6 V C 2,6 kΩ D 2,6 Ω

55 Een lamp is aangesloten op een stopcontact. Door een beschadiging maken de twee draden in het snoer contact met elkaar. a Wat gebeurt er met de weerstand van de stroomkring als de draden elkaar raken? b Leg uit waarom bij kortsluiting de stroomsterkte erg groot wordt. c Waarom gaat er bij kortsluiting vrijwel geen stroom meer door de lamp?


0.0 1.3

Weerstand Titel paragraaf

Begrijpen Onderdeel

a Uit welke slang komt per seconde het meeste water? Je sluit de tuinslang aan op de brandkraan. b De hoeveelheid water die de slang uitkomt is: A evenveel als bij de normale kraan. B meer dan bij de normale kraan, maar minder dan bij de brandslang. C evenveel als bij de brandslang, D meer dan bij de brandslang. De waterstroom hangt af van de dikte van de slang. Water kan minder gemakkelijk door een dunne slang. De weerstand van de slang werkt de waterstroom tegen. c Leg uit welke slang de grootste weerstand heeft. FIG 50 .

56 De gloeidraad van een lamp is gemaakt van een lange dunne draad die in een spiraal is gewikkeld. De weerstand van een draad hangt af van de lengte, de dikte en het soort metaal. Op het moment dat je de lamp aandoet, is de stroomsterkte heel even veel groter dan normaal. a Leg uit hoe dat komt. Je vervangt de gloeidraad door een draad die gemaakt is van een metaal dat slechter geleidt. De lengte en de dikte van de draad zijn gelijk. b Leg uit of de lamp nu feller of minder fel zal branden.

57 Je vergelijkt een televisie (180 W) en een strijkijzer (1 800 W). a Welk apparaat heeft het grootste vermogen? b Leg uit welk apparaat in een jaar de meeste elektrische energie verbruikt. c Leg uit welk apparaat de grootste weerstand heeft.

58 Soms kun je een kapotte gloeilamp repareren door er een

FIG 51 Doorsnede van een gloeilamp.

60 Bekijk nog eens de applet van activiteit 8 uit de vorige

tikje tegen te geven. De losse uiteinden van de gloeidraden smelten dan aan elkaar. De lamp brandt dan iets feller dan daarvoor. Leg uit waardoor de lamp na ‘reparatie’ feller is gaan branden.

59 Als je water met meer druk door een tuinslang perst, geeft dat een grotere waterstroom. Dat geldt ook voor een elektrische stroom. Waar hangt de stroomsterkte nog meer van af? Beantwoord samen met je buurman/vrouw de volgende vragen. Je vergelijkt een tuinslang met een op een brandkraan aangesloten brandslang.

H1

Licht Elektrische en kleur apparaten

paragraaf. De elektronen in een elektrische stroom ondervinden een weerstand als ze door een draad gaan. a Leg uit of de dunne of de dikke draad de grootste weerstand heeft. Kijk eens naar de gloeidraad van een gloeilamp (figuur 51). b Welke draden zijn dikker, de aan- en afvoerdraden of de gloeidraad? c Leg uit waarom de weerstand van de aan- en afvoerdraden veel kleiner moet zijn dan de weerstand van de gloeidraad.

41


Onderdeel Berekenen

Tekst... Wet van Ohm

De verhouding tussen spanning en stroomsterkte kun je ook schrijven als een breuk.

Activiteit 15 op pagina 48. Als je in een experiment de spanning over een metaaldraad groter maakt, wordt de stroomsterkte ook groter. Spanning en stroomsterkte zijn evenredig met elkaar: een twee keer zo grote spanning blijkt voor een twee keer zo grote stroom te zorgen. De stroomsterkte hangt ook van de weerstand af. De spanning is de oorzaak van de stroom. De weerstand bepaalt samen met de spanning hoe groot de stroomsterkte wordt. Dit is de wet van Ohm.

Weerstand berekenen

In de vorm van een breuk wordt de formule voor de weerstand: R=

U I

Dit is dezelfde formule als U = I × R alleen anders geschreven. Volgens deze formule is de weerstand dus hetzelfde als de verhouding tussen spanning en stroomsterkte.

Wet van Ohm

Je kunt de wet van Ohm in een formule uitdrukken:

Rekenvoorbeeld 1

spanning = stroomsterkte × weerstand In deze formule staat de spanning in volt, de stroomsterkte in ampère en de weerstand in ohm. De formule kun je ook in symbolen opschrijven: U=I×R Hierin is: U spanning (V) I stroomsterkte (A) R weerstand (Ω) De wet van Ohm laat zien dat bij een apparaat met een grote weerstand een hoge spanning nodig is om dezelfde stroomsterkte te krijgen. Apparaten in huis werken allemaal op dezelfde spanning van 230 V. Uit de formule kun je dan afleiden dat de stroomsterkte door een apparaat met een grotere weerstand kleiner is. Stroomsterkte × weerstand moet immers constant zijn (230 V). Ook hier kun je een vergelijking maken met waterstromen. Een hogedrukreiniger werkt met een hoge druk en een kleine waterstroom. De weerstand van het apparaat moet dus groot zijn. Dat is inderdaad zo, want het water moet door een nauwe opening. Hoe kleiner de opening, hoe groter de weerstand, en hoe minder water per seconde er uit de spuit komt.

42

FIG 52

Een autoaccu heeft een spanning van 12 V. Als je de lampen van de auto aandoet, gaat er een stroomsterkte van 3,0 A lopen. Je rekent de weerstand van de lampen uit met: U=I×R 12 V = 3 A × R R=

12 V = 4,0 Ω 3A


0.0 1.3

Weerstand Titel paragraaf

Berekenen Onderdeel

62 Een boormachine werkt op een spanning van 230 V. Rekenvoorbeeld 2 Een monteur laat per ongeluk een ringsleutel op de polen van de accu vallen. Zo’n sleutel is kort en dik en heeft dus een heel lage weerstand: ongeveer 0,01 Ω. Er gaat nu een heel grote stroom lopen: U=I×R 12 V = I × 0,001 Ω 12 V I= = 1 200 A 0,001 Ω

De stroomsterkte door de boormachine is 2,3 A. a Bereken de weerstand van de boormachine. Een computer is aangesloten op een spanning van 230 V. De stroomsterkte is dan 4,0 A. b Bereken de weerstand van de computer. Een luidspreker is aangesloten op een versterker. De stroomsterkte is 4,0 A. De luidspreker heeft een weerstand van 4,0 Ω. c Bereken de spanning over de luidspreker. d Bereken de stroomsterkte die door de luidspreker gaat als de spanning 10 V wordt.

Het vermogen is dan: P = U × I = 12 V ×1 200 A = 14 400 W = 14,4 kW Dat is voldoende om een flinke brand te veroorzaken!

De weerstand van een apparaat is niet altijd hetzelfde. Een föhn heeft verschillende standen. In de stand waarin hij het grootste vermogen levert, is de weerstand het laagst. De weerstand van een gloeidraad in een broodrooster neemt toe naarmate de draad warmer wordt.

Opgaven bij berekenen 61 Geef van elk van de volgende beweringen aan of deze waar of niet waar is. Als de bewering niet waar is, verbeter je deze zodat een bewering ontstaat die wel waar is. a Voor de eenheden geldt: ohm = volt × ampère. b Bij een constante weerstand is de stroomsterkte evenredig met de spanning. c 0,252 kΩ is hetzelfde als 252 Ω. d Als je een weerstand van 24 Ω aansluit op een spanningsbron van 12 V, gaat er een stroomsterkte van 2 A lopen. U e De formule U = I × R is hetzelfde als R = I

H1

Licht Elektrische en kleur apparaten

FIG 53

63 Een stofzuiger heeft een vermogen van 1,8 kW. Hij werkt op het lichtnet (230 V). a Bereken de stroomsterkte door de stofzuiger. b Bereken de weerstand van de stofzuiger.

64 a Bereken de stroomsterkte door een gloeilamp van 230 V, 40 W.

b Doe hetzelfde voor een lamp van 230 V, 100 W. c Laat met een berekening zien welk van beide lampen de grootste weerstand heeft.

65 Twee gloeilampen hebben beide een vermogen van 55 W. De ene gloeilamp is voor in huis, de andere is een koplamp van een auto en werkt op 12 V. a Leg in je eigen woorden uit welke lamp de grootste weerstand heeft. b Bereken voor beide lampen de weerstand.

43


Onderdeel Berekenen

68 Els en Tjidde meten de stroomsterkte door een gloei-

I (A)

Tekst...

lampje bij verschillende waarden van de spanning. De spanning mag niet hoger worden dan 6 V, anders gaat het lampje stuk. In figuur 55 zie je de grafiek van de metingen van Els en Tjidde. a In welk punt van de grafiek is het vermogen het grootst? b Bereken de weerstand van de lamp in dat punt. c Hoe zie je in de grafiek, dat de verhouding tussen spanning en stroomsterkte niet constant is? d Bereken de weerstand als de stroomsterkte 0,10 A is. e Wat is de oorzaak van de verandering in weerstand?

0,4 0,3 0,2 0,1 0

0

2

4

6

8

10

12

14

FIG 54

66 Carl bepaalt de weerstand van een draad door bij verschillende spanningen over die draad de stroomsterkte te meten. Hij tekent van zijn metingen de grafiek van figuur 54. a Lees de stroomsterkte bij 12 V af. b Bereken de weerstand van de draad. c Lees de stroomsterkte af bij een spanning van 6 V. d Leg uit of de verhouding tussen spanning en stroomsterkte steeds hetzelfde is. e Hoe kun je aan het diagram zien dat de stroomsterkte evenredig is met de spanning?

67 Ergens in huis wordt kortsluiting gemaakt, doordat twee koperen elektriciteitsdraden elkaar raken. a Leg uit waardoor de stroomsterkte dan heel groot wordt. Gebruik in je uitleg het begrip weerstand. De draden waarmee kortsluiting is gemaakt, hebben een totale lengte van 20 m. De weerstand van deze elektriciteitsdraad is 0,15 立. b Bereken de stroomsterkte bij deze kortsluiting. c Bereken het vermogen bij deze kortsluiting. d Wat gebeurt er met de energie bij kortsluiting? e Leg uit welk gevaar er bij kortsluiting is.

44

I (A)

U (V)

0,5 0,4 0,3 0,2 0,1 0

0

1

2

3

4

5

6

U (V)

FIG 55

69 In koeienstallen lopen waterleidingen die zorgen voor vers drinkwater. Om te voorkomen dat die leidingen bevriezen, wikkelen boeren er in de winter een verwarmingskabel omheen. Deze wordt aangesloten op het stopcontact. Om 12 meter waterleiding te verwarmen is een vermogen van 150 tot 200 watt nodig. a Bereken de minimale en maximale stroomsterkte die door de kabel moet lopen. b Bereken de minimale en maximale weerstand van deze kabel. Een boer heeft twee kabels met een verschillende weerstand. c Leg uit of de kabel met de grootste weerstand het grootste of juist het kleinste vermogen heeft.


0.0 1.3

Weerstand Titel paragraaf

Onderdeel Verdiepen

Niet alle metalen geleiden even goed

Waarom wordt het dure metaal koper gebruikt voor stroomleidingen? IJzer is veel goedkoper en geleidt de stroom toch ook? En waarom zijn de contacten van computeronderdelen verguld (voorzien van een dun goudlaagje)?

1mm2

1m

FIG 57

FIG 56 Goede speakerkabels hebben contactpunten met een laagje goud. Contactpunten op printplaten van computers zijn ook vaak verguld.

Metalen geleiden de elektrische stroom goed. Je noemt ze daarom geleiders. Stoffen die de stroom niet geleiden zijn isolatoren. Voorbeelden van isolatoren zijn kunststoffen, droog hout en rubber. Niet alle metalen zijn even goede geleiders. Sommige metalen geleiden de stroom beter dan andere. Koper is een betere geleider dan ijzer. Zilver en goud geleiden nog beter. Bij bijna alle metalen ontstaat op het oppervlak een dun laagje metaaloxide. Dat heeft een hoge weerstand. Als je een heel goed contact nodig hebt, gebruik je daarom vergulde stekkers. Goud is een van de weinige metalen die geen oxide vormen.

Soortelijke weerstand Activiteit 16 en 17 op pagina 49.

Om de geleiding van metalen onderling te vergelijken, is telkens bij een temperatuur van 20 °C de weerstand gemeten van een draad met een lengte van 1 m, waarvan de doorsnede een oppervlakte van 1 mm2 heeft. In figuur 57 zie je de afmetingen van zo’n draad. Die weerstand wordt de soortelijke weerstand genoemd. Soortelijke weerstand is een stofeigenschap (het woord soortelijke slaat op de soort stof). Met behulp van de soortelijke weerstand kun je ook de weerstand van een langere of dikkere draad berekenen. Als de draad bijvoorbeeld vijf keer zo lang is, wordt de weerstand vijf keer zo groot. Is de oppervlakte van de doorsnede tien keer zo groot, dan wordt de weerstand tien keer zo klein. De eenheid van soortelijke weerstand is: Ω·mm2/m. In tabel 8 staan de soortelijke weerstanden van enkele veelgebruikte metalen. Metaal

Soortelijke weerstand (in Ω.mm2/m)

goud zilver koper ijzer aluminium

0,022 0,016 0,017 0,105 0,027

TABEL 8

Om te onderzoeken welk metaal beter geleidt, vergelijk je verschillende metalen onder gelijke omstandigheden. Het is niet eerlijk om een dikke ijzeren kabel te vergelijken met een dunne gouden kabel. Een goede vergelijking is pas mogelijk als de draden: • even dik zijn; • dezelfde temperatuur hebben; • even lang zijn. De invloed van dikte en temperatuur is al eerder besproken. Maar ook de lengte van een draad speelt een rol bij de weerstand: hoe langer de draad, hoe groter de weerstand. Ter vergelijking: als water door een heel lange tuinslang geperst moet worden, kost dat meer moeite. Je hebt dan meer weerstand dan bij een korte slang.

H1

Licht Elektrische en kleur apparaten

FIG 58 Hoogspanningskabels zijn gemaakt van aluminium, met een ijzeren kern voor de sterkte.

45


Verdiepen

In 200 mobieltjes zit goud voor één trouwring Rekenvoorbeeld 1 Een 20 km lange hoogspanningskabel is gemaakt van aluminium. De oppervlakte van de doorsnede is 1 000 mm2. Hoe groot is de weerstand van deze kabel? Zoek eerst de soortelijke weerstand van aluminium in tabel 8 op: 0,027 Ω·mm2/m. De weerstand van 1 m aluminiumdraad met een doorsnede van 1 mm2 is dus 0,027 Ω. De hoogspanningskabel is 20 km = 20 000 m lang. De weerstand wordt hierdoor 20 000 maal zo groot. De oppervlakte van de doorsnede is 1 000 mm2. De weerstand wordt hierdoor 1 000 maal zo klein. De weerstand van de kabel wordt dan: R=

Wat gebeurt er met je afgedankte laptop, fax of mobieltje? Die worden uit elkaar gehaald en de grondstoffen gaan naar China en India. Op het terrein van recyclebedrijf Sims in Eindhoven staan rijen manshoge kratten. Ze zijn volgepropt met laptops zo dik als telefoonboeken, beeldschermen van het formaat verhuisdoos, faxmachines en andere oude rommel. ‘Wij zien hier een hele technologische geschiedenis langskomen’, zegt Johan Zwart, directeur van Sims Recycling Solutions (5,5 miljoen euro winst over 2007 op 26,8 miljoen euro omzet, 100 werknemers).

0,027 × 20 000 = 0,54 Ω 1 000

: FIG 59

Rekenvoorbeeld 2 In het algemeen houd je geen rekening met de weerstand van aansluitdraden. Is die inderdaad verwaarloosbaar? Een 50 cm lang practicumsnoertje is gemaakt van koper. De oppervlakte van de doorsnede is 0,5 mm2. Hoe groot is de weerstand van dit snoertje? Zoek de soortelijke weerstand van koper in de tabel op: 0,017 Ω·mm2/m. De weerstand van 1 m koperdraad met een doorsnede van 1 mm2 is dus 0,017 Ω. Het snoertje is 0,5 m lang. De weerstand wordt hierdoor 0,5 maal zo groot. De oppervlakte van de doorsnede is 0,5 mm2. De weerstand wordt hierdoor 0,5 maal zo klein: R=

0,017 × 0,5 = 0,017 Ω 0,5

Zulke kleine weerstanden mag je in de meeste berekeningen verwaarlozen.

46

Recycling is lucratief. Recycling van ICT-apparatuur is nog lucratiever. Dat komt doordat de materialen in die apparatuur, zoals aluminium, nikkel en koper op de wereldmarkt steeds hogere prijzen halen. Opkomende markten als China en India zitten te springen om zulke grondstoffen. Vorig jaar recyclede het bedrijf 60 miljoen kilo ICT-apparatuur. ‘Recycling is bovengrondse mijnbouw’, zegt Zwart. Naar NRC, 12 maart 2008

Opgaven bij verdiepen 70 Geef van elk van de volgende beweringen aan of deze waar of niet waar is. Als de bewering niet waar is, verbeter je deze zodat een bewering ontstaat die wel waar is. a Koper geleidt elektriciteit beter dan ijzer. b Een dikke en korte koperdraad heeft een kleinere weerstand dan een lange dunne koperdraad die even zwaar is. c De soortelijke weerstand van een stof is de weerstand van een kilogram van die stof. d Voor het maken van goede contactpunten wordt vaak goud gebruikt. e Goud is de beste elektriciteitsgeleider.


1.3

Weerstand

Verdiepen

71 De draden van de huisinstallatie zijn gemaakt van koper.

I (mA)

Een installatiedraad van 20 m lengte heeft een weerstand van 0,14 Ω. a Bereken de weerstand van een meter elektriciteitsdraad. b Neem over en vul in. De soortelijke weerstand is de weerstand van een draad met een lengte van … en een doorsnede van …. c Waaraan zie je dat deze elektriciteitsdraad dikker is dan 1 mm²? d Bereken de oppervlakte van de doorsnede van het elektriciteitsdraad in de huisinstallatie.

a Leg uit waarom deze formule niet klopt. b Schrijf de juiste formule op. Noteer hem in woorden. c Controleer jouw formule met de volgende berekening: een koperdraad met een lengte van 80 m en een oppervlakte van 0,4 mm² heeft een weerstand van 3,4 Ω.

74 Volgens de kop van het artikel uit de NRC zit in 200 mobieltjes voldoende goud voor een trouwring. Een trouwring bevat gemiddeld 10 g goud. a Hoeveel gram goud is er gemiddeld in een mobieltje verwerkt? Zoek de actuele prijs van een kilogram goud (in euro’s) op internet. b Voor hoeveel euro aan goud zit er gemiddeld in een mobieltje?

1000 800 600

.

400 200 0

0

1

2

3

4

5

6 U (V)

FIG 60

72 Je meet bij verschillende spanningen de stroomsterkte door een lampje en maakt een grafiek. De grafiek is in figuur 60 weergegeven. a Reken na dat bij 6 V de weerstand 5,0 Ω bedraagt. Bij 2 V is de weerstand van het lampje kleiner dan bij 6 V. b Hoe zie je dat aan de grafiek? c Bereken de weerstand van het lampje als er 2 V op staat. d Hoe komt het dat bij 2 V de weerstand lager is dan bij 6 V?

73 Josse heeft voor de berekeningen met soortelijke weerstand een formule gemaakt. Volgens Josse is de juiste formule: weerstand =

H1

soortelijke weerstand × oppervlakte lengte

Elektrische apparaten

FIG 61 Verschillende kwaliteiten luidsprekerdraad

75 Luidsprekerkabel is te koop in allerlei kwaliteiten. De

goedkoopste versie kost ˆ 0,25 per meter, daarvan is de oppervlakte van de doorsnede 0,4 mm². De duurste versie kost ˆ 2,50 per meter, daarvan is de oppervlakte van de doorsnede 4,0 mm². a Leg uit waardoor dikkere draad duurder is. Luidsprekers hebben meestal een weerstand van 8 Ω. b Leg uit waarom het zinvol kan zijn om extra dikke kabels te kopen, als de afstand van de versterker tot de luidspreker vrij groot is. c Leg uit dat bij een kabel van 20 m lengte de stroomkring een lengte van 40 m heeft. d Bereken de weerstand van een goedkope kabel van 20 m en van een dure kabel van 40 m.

47


Onderzoeken

Activiteit 13

Activiteit 14

Weerstand van een gloeilamp

Kleurcodes van weerstanden Aan de gekleurde strepen op een weerstand kun je de weerstandswaarde aflezen.

Je hebt nodig enkele weerstanden, multimeter

Dit ga je doen • •

oteer van elke weerstand de weerstand met behulp N van de kleurencode. Meet elke weerstand met de multimeter.

Vraag De laatste ring is goud of zilver. Een gouden ring betekent, dat de werkelijke weerstand niet meer dan 5% afwijkt van de waarde volgens de ringen. Voor een zilveren ring is dat 10%. Controleer of alle gemeten weerstanden hieraan voldoen.

Activiteit 15 Stroom en spanning bij een draad FIG 62

In deze activiteit vergelijk je de weerstand van een koude gloeilamp met de weerstand van een gloeilamp die goed brandt.

Je onderzoekt hoe de stroom verandert als je de spanning over een draad verandert.

Je hebt nodig • • •

metaaldraad op een plankje voedingskastje, voltmeter, ampèremeter aansluitdraden

Je hebt nodig • •

gloeilamp, 230 V, niet in fitting weerstandsmeter

Dit ga je doen • • • •

Lees op de gloeilamp het vermogen af. Bereken met deze gegevens de stroomsterkte door de lamp als deze goed brandt. Bereken met de stroomsterkte en de benodigde spanning de weerstand van de lamp. Meet met de weerstandsmeter de weerstand van de koude lamp.

Vragen • •

48

Hoeveel keer zo groot wordt de weerstand van de gloeidraad als de lamp op de juiste spanning brandt? Waardoor wordt dit veroorzaakt?

Dit ga je doen • •

arieer de spanning, zodat je bij vijf verschillende V spanningen meet. Meet bij elke spanning de stroomsterkte. Noteer je metingen in een tabel.

Vragen •

Kijk naar de metingen in je tabel. Neemt de stroomsterkte evenredig toe met de spanning?

Wat betekent het dat de verhouding

aak een grafiek van je metingen. Zet daarin de M stroomsterkte I (verticaal) uit tegen de spanning U (horizontaal). Bereken de weerstand van deze draad.

U constant is? I


1.3

Weerstand

Onderzoeken

Activiteit 16 Weerstand van draden

+

Met deze proef onderzoek je het verband tussen spanning, stroomsterkte en weerstand in een draad. Op een plankje zitten enkele metaaldraden met verschillende dikte en/of verschillende lengte. Het metaal waarvan de draden is gemaakt, is op het plankje aangegeven.

A

Je hebt nodig • • • • •

enkele metaaldraden op een plankje voedingskastje voltmeter ampèremeter aansluitdraden

Bouw de schakeling van figuur 63. Zet de voeding op een vaste spanning. Deze spanning verander je in deze proef niet. Meet bij deze spanning de waarde van de stroomsterkte bij elke draad. Noteer je metingen in een tabel. U ereken de verhouding voor alle metingen, en vul B I deze in je tabel in.

V 1

2

4

3

5

6

8

7

9

10

FIG 63

Dit ga je doen • •

-

Vragen • • • •

Kijk naar de metingen in je tabel. Door welke draad loopt de sterkste stroom? Had je dat verwacht? Bij welke draad is de stroomsterkte het kleinst? Verklaar de verschillen. Welke draad heeft de grootste weerstand? Welke kolom van de tabel heb je gebruikt om de vorige vraag te beantwoorden?

Activiteit 17 Niet alle metalen geleiden even goed

Dit ga je doen

Met de formule U = I × R kun je de weerstand van een metaaldraad of een apparaat berekenen. De weerstand van een draad hangt af van de dikte (de oppervlakte van de doorsnede), de lengte en het soort metaal. Op een plankje zitten verschillende metaaldraden. Bij elke draad is het soort metaal, de lengte en de oppervlakte van de doorsnede gegeven. Om de metalen eerlijk te vergelijken ga je van elk metaal de weerstand bepalen van een draad met een lengte van 1 m en een doorsnede-oppervlakte van 1 mm2. Dat is de soortelijke weerstand van het metaal.

• • •

Vragen •

Je hebt nodig • • •

Meet de weerstand van elke draad. Vraag de oppervlakte van de doorsnede van de draden aan de docent. Noteer in een tabel het soort metaal, de gemeten weerstand, de lengte en de oppervlakte van de doorsnede.

Gebruik de metingen om van elke metaalsoort de weerstand te berekenen van een draad met een lengte van 1 m en een doorsnede-oppervlakte van 1 mm2. Rangschik de metalen op volgorde van soortelijke weerstand.

plankje met verschillende metaaldraden digitale weerstandmeter aansluitdraden

H1

Elektrische apparaten

49


Ontdekken

Botsautootjes Je staat te kijken bij de botsautootjes op de kermis. Er rijden maar twee autootjes. Je kleine broertje, die nog op de basisschool zit, vraagt van alles aan jou: ‘Waarom is de vloer van ijzer? Ga je dood als je dat net bovenaan aanraakt? Enne, als er nu tien autootjes rijden, gaan ze dan minder hard?’ Tja, geef daar maar eens antwoord op! En dan horen jullie de zoon van de kermisexploitant ook nog zeggen: ‘Ik wil één van de botsautootjes opvoeren, ik zet er een sterkere motor in.’ ‘Kan dat? Blijven de andere botsautootjes dan goed werken?’, vraagt je broertje. Je wilt hem antwoord op al zijn vragen geven.

Op het net boven de botsauto’s staat een hoge elektrische spanning: tussen de 70 V en 110 V. Het is gevaarlijk als je dit net aanraakt en tegelijk een paal van de stellage, of de vloer. Als je naar het net zou springen en daarbij alleen het net zou aanraken, zou je geen schok krijgen.

4 Leg dit uit. 5 Leg uit waarom de vogels in figuur 65 rustig op de draden kunnen zitten.

FIG 65 Vogels ‘online’.

FIG 64 Hoe werkt dat eigenlijk?

Onderzoek! De botsautootjes maken via een lange stang contact met een metalen net boven de baan. Daar ontstaan af en toe vonken. Hierdoor weet je dat de botsautootjes op elektriciteit werken. Je zoekt informatie over andere voertuigen die op elektriciteit werken. Misschien kun je zo ook de botsauto’s begrijpen.

Lees bron 3.

Doe activiteit 18. 6 Met welk onderdeel uit activiteit 18 kun je het laten rijden van een opgevoerd botsautootje vergelijken?

7 Leg uit dat het laten rijden van een opgevoerd autootje de werking van de andere autootjes niet beïnvloedt.

Lees bron 4.

Eindproduct •

1 Leg uit met welk onderdeel van de ‘treinenschakeling’ je het metalen net boven de botsautootjes kunt vergelijken.

2 Leg uit met welk onderdeel van de ‘treinenschakeling’ je de metalen vloer van de botsautobaan kunt vergelijken.

3 Leg uit waarom de botsauto’s even goed blijven rijden, als er meer tegelijk rijden. Gebruik daarvoor een vergelijking met het voorbeeld van de treinen uit bron 3.

50

aak een verslag van één bladzijde, met korte tekstM jes en tekeningen, waarin je uitlegt hoe het zit met de schakeling met meerdere botsautootjes. Leg ook de overeenkomsten en de verschillen van een gewone botsauto met een opgevoerde botsauto uit. Leg uit waarom de vloer van de botsautobaan meer lijkt op de treinrails dan op de straat waarop de trolleybus rijdt.


1.4

Bron 3

Elektrische schakelingen

Treinen

Ontdekken

Bron 4

In figuur 66 zie je schematisch een stuk spoor met treinen. Elke trein is aangegeven met een ‘M’ van ‘motor’. De draden van de bovenleiding zijn de plus (1 500 V), en de rails zijn de min. De motor van een trein werkt op een spanning van 1 500 V. Links in de tekening is een plek waar 1 500 V spanning op de draden wordt gezet. Op drie plaatsen is een verbinding tussen de plus (de bovenleiding) en de min (de rails) getekend: op die plaatsen bevinden zich treinen. Er gaan stromen vanuit de bovenleiding via de stroomafnemers en de motoren (M), naar de rails.

Trolleybussen

In Arnhem rijden trolleybussen. Die werken iets anders dan treinen. Trolleybussen hebben twee bovenleidingen. Eén is de plus; de andere is de min. De weg kan niet de minkant van de schakeling zijn, omdat de bussen op luchtbanden rijden.

bovenleiding

+ -

M

M

M rails

FIG 67 Trolleybussen hebben een dubbele stroomafnemer en een dubbele bovenleidingsdraad.

FIG 66 Schema van een schakeling met drie treinen.

Elke trein is rechtstreeks aangesloten op de spanning van 1 500 V. Elke trein heeft dus zijn eigen stroomkring. Als er meer treinen op hetzelfde traject rijden, gaat de spanningsbron een grotere stroomsterkte leveren. De spanning blijft hetzelfde. Elke trein rijdt dus op een spanning van 1 500 V.

Activiteit 18 Model met aluminiumfolie

Dit ga je doen

Je bouwt de schakeling van de botsautobaan na. Als rijdend autootje gebruik je een brandend lampje.

Je hebt nodig

• •

• •

• • •

4,5 V batterij 2 strookjes aluminiumfolie van ongeveer 2 cm breed en 15 cm lang, met een onderlinge afstand van 10 cm op een vel papier geplakt fietslampjes met aansluitsnoertjes stroommeter voltmeter

H1

Elektrische apparaten

• • •

luit de twee stroken aluminiumfolie via de stroomS meter op de batterij aan. Sluit de voltmeter op de batterij aan. Meet de spanning en de stroomsterkte als er één lampje brandt. Sluit twee lampjes aan, kijk of het eerste lampje anders gaat branden. Meet opnieuw de spanning en de stroomsterkte. Doe dit ook met drie lampjes. Neem ten slotte één lampje met een groter vermogen en kijk welke invloed dat heeft op de werking van de andere lampjes en op de stroomsterkte.

51


Onderdeel Begrijpen

In huis werken alle elektrische apparaten op 230 V. Tekst... Dat is de spanning van het lichtnet. Er is maar één spanningsbron met vele apparaten. Op welke manier zijn die apparaten aangesloten op die spanningsbron? Deze paragraaf gaat over verschillende soorten schakelingen.

Sleutelbegrippen

Spanning en stroomsterkte in een parallelschakeling

Serieschakeling, parallelschakeling

Twee lampjes op één spanningsbron

Activiteit 19 op pagina 62.

Je wilt twee lampjes aansluiten op één batterij van 4,5 V. De lampjes zijn allebei geschikt voor 4,5 V, maar wat is nu de juiste manier om ze op de batterij aan te sluiten? Figuur 68 laat je twee mogelijkheden zien. In figuur 68A staan de lampjes achter elkaar, zodat de stroom eerst door het ene en daarna door het andere lampje gaat. Dat noem je een serieschakeling. De lampjes kunnen ook naast elkaar staan, zoals in figuur 68B. De stroom splitst zich, een deel van de stroom gaat door het ene lampje en een deel gaat door het andere lampje. Dat is een parallelschakeling.

-

+

-

4,5 V

A

Bij een parallelschakeling is elk lampje rechtstreeks aangesloten op de polen van de batterij. De elektronen in het lampje voelen dan de kracht van de batterij. Bij een serieschakeling moet die kracht de stroom door twee lampjes achter elkaar persen. Er is dan een bron met een grotere spanning nodig om de twee lampjes goed te laten werken.

In huis worden alle apparaten aangesloten op het lichtnet. De apparaten zijn ontworpen voor de netspanning van 230 V. Elk apparaat moet dus rechtstreeks op 230 V worden aangesloten. De huisinstallatie is daarom een parallelschakeling.

Niet tegelijk vertrekken Om een trein op gang te brengen is veel energie nodig. Door de elektromotoren van de trein gaat een stroomsterkte van wel 1 000 A. Dat kan problemen opleveren. Treinen zijn net als afzonderlijke apparaten in huis parallel geschakeld. Als er meerdere treinen tegelijk optrekken, neemt de totale stroomsterkte toe. Als drie treinen tegelijkertijd zouden vertrekken, is er een stroomsterkte van 3 000 A nodig. Er is echter een grens aan de stroomsterkte die geleverd kan worden en daarmee ook aan het aantal treinen dat tegelijk kan optrekken. Het is dus verstandig om de treinen even na elkaar te laten vertrekken.

+

4,5 V

B

FIG 68 Je kunt lampjes op twee manieren op een batterij aansluiten.

De lampjes in de parallelschakeling van figuur 68B branden goed. In de serieschakeling geven ze nauwelijks licht. Om twee lampjes van 4,5 V in een serieschakeling goed te laten branden, is een spanning van 9 V nodig. De spanning geeft aan met hoeveel kracht de elektronen in beweging worden gebracht. Die kracht wordt veroorzaakt door de + en − pool van de batterij.

52

FIG 69 Bij een vertrekkende trein moeten de bovenleidingen wel duizend ampère leveren.


0.0 1.4

Elektrische Titel paragraaf schakelingen

De apparaten hebben geen invloed op elkaar. Als er een apparaat uitgeschakeld wordt of kapot gaat, blijven de andere apparaten gewoon werken. Ze blijven immers aangesloten op 230 V en hebben hun eigen stroomkring. Als je een apparaat in- of uitschakelt, wordt wel de totale stroomsterkte naar de gezamenlijke apparaten groter of kleiner. Je berekent de hoofdstroom door de afzonderlijke stroomsterktes bij elkaar op te tellen.

Stroomsterkte en spanning in een serieschakeling Activiteit 20 op pagina 62. Een serieschakeling met lampjes is niet zo handig, want als één van de lampjes kapot gaat, gaan alle lampjes uit. Serieschakeling wordt toegepast bij kerstboomverlichting. Je kunt de lampjes niet apart aan- en uitzetten. Een voordeel van een serieschakeling is dat de spanning verdeeld wordt over de lampjes. Een snoer met kleine lampjes kun je dan toch op het stopcontact aansluiten. De fabrikant kiest bijvoorbeeld lampjes die op 10 V werken en 1 schakelt er 23 in serie. Op elk lampje staat dan 23 deel van 230 V = 10 V. Bij een serieschakeling is de stroomsterkte door alle lampjes gelijk. Er is immers maar één stroom en die gaat door alle lampjes.

Begrijpen Onderdeel

Als de fabrikant in plaats van 23 een kleiner aantal van dezelfde lampjes in het snoer zet, wordt de weerstand in de kring kleiner. De stroomsterkte wordt daardoor groter. Ook krijgt elk lampje dan een groter deel van de spanning. Beide veranderingen zorgen ervoor dat de lampjes feller gaan branden en daardoor ook eerder stuk zullen gaan.

Spanningsbronnen in serie schakelen

De batterijen in een zaklamp zijn altijd ‘kop-staart’ geschakeld. Dit is ook een serieschakeling. De spanningen van de afzonderlijke batterijen mag je dan optellen. In een zaklamp met vier batterijen van elk 1,5 V, staat over het lampje een spanning van 6 V.

Sidderalen Sidderalen gebruiken ook een serieschakeling om een hoge spanning te maken. In hun lichaam hebben ze elektrische orgaantjes die net als batterijen werken. Tussen de kop en de staart staan meer dan honderd van deze organen achter elkaar. Zo kan de sidderaal uiteindelijk stroomstoten geven met een spanning van wel 600 V. Genoeg om een prooi of een aanvaller te verlammen of zelfs te doden.

FIG 70 Hoe meer lampjes in serie, hoe lager de spanning over ieder lampje.

Weerstand in een serieschakeling

FIG 71 Sidderalen kunnen tot wel 600 V spanning afgeven.

In een serieschakeling van 23 lampjes moet de stroom 23 keer door een gloeidraadje, voordat deze terug is bij het stopcontact. Je kunt dat zien als een enkele draad die 23 maal zo lang is. Daardoor ondervindt de stroom een 23 maal zo grote weerstand als wanneer de stroom maar door één gloeidraadje zou gaan.

H1

Licht Elektrische en kleur apparaten

53


Onderdeel Begrijpen

Tekst... Serie- en parallelschakeling bij raceautootjes Bij een racebaan heeft elke speler een snelheidsregelaar. Met een drukknop schakel je een weerstand meer of minder in. Hoe dieper je die knop indrukt, hoe kleiner de weerstand wordt.

FIG 72 De snelheidsregelaar bij deze racebaan is óók een weerstand.

De snelheidsregelaar is in serie geschakeld met het motortje van het autootje. Een kleinere weerstand betekent dus dat er een grotere stroom door de regelaar en het autootje gaat, zodat het autootje sneller gaat rijden. Elk autootje heeft zijn eigen baan. Die banen zijn parallel aangesloten op de spanningsbron, waardoor de autotjes volledig onafhankelijk van elkaar rijden.

Opgaven bij begrijpen 76 Geef van elk van de volgende beweringen aan of deze waar of niet waar is. Als de bewering niet waar is, verbeter je deze zodat een bewering ontstaat die wel waar is. a Bij een parallelschakeling is sprake van één stroomkring. b Bij een parallelschakeling is de spanning over elk apparaat gelijk. c Als je batterijen parallel schakelt, wordt de spanning groter. d Hoe meer apparaten je parallel schakelt, des te kleiner wordt de totale weerstand. e Hoe meer apparaten je in serie schakelt, des te kleiner wordt de stroomsterkte.

A

-

Samenvatting

• E r zijn twee manieren om elektrische apparaten te schakelen: parallel of in serie. • Elektrische apparaten in huis zijn parallel geschakeld. • Bij een parallelschakeling: - krijgt elk apparaat de spanning van de spanningsbron; - kan elk apparaat apart werken, ook als de andere apparaten niet aangesloten of kapot zijn; - levert de spanningsbron de gezamenlijke stroomsterkte van alle apparaten samen. • Bij een serieschakeling: - werken alle apparaten tegelijk (of geen van allen); - wordt de spanning die de spanningsbron levert verdeeld over alle apparaten; - is de stroomsterkte door elk apparaat gelijk; - wordt de stroomsterkte kleiner als je een extra apparaat in de kring plaatst; - is de totale weerstand groter dan die van de apparaten afzonderlijk. • Batterijen worden vaak in serie geschakeld. Ze leveren dan een hogere spanning, die gelijk is aan de som van spanningen van de afzonderlijke batterijen.

54

B

-

uit

FIG 73

+

aan

+


4,5 V

0.0 1.4

Elektrische Titel paragraaf schakelingen

Begrijpen Onderdeel

77 Geef van elk van de twee schakelingen in figuur 73 aan of het een serie- of parallelschakeling is.

A

78 Je sluit een lamp en een radio aan op een verdeeldoos.

Q

De lamp brandt en de radio speelt. a Waardoor blijft de lamp branden, als je de radio uitzet? b Teken het schema voor deze schakeling. Gebruik voor de radio een blokje met het woord ‘radio’ erin. Geef de stroom die door de radio loopt en de stroom die door de lamp loopt aan met een pijltje en schrijf er Iradio en Ilamp bij. c Hoe bereken je de totale stroomsterkte uit het stopcontact? d Op welke manier zijn de apparaten in huis op het lichtnet aangesloten? Leg uit.

P uit

aan R

-

S

+

4,5 V

2,25 V

2,25 V

B

-

+

+

20 Ω

4,5 V

0

1

2

3

4

20 Ω

FIG 75

80 Bekijk de schakelingen in figuur 75 en vul in de regels 30 60

FIG 74

79 In figuur 74 zie je een spanningbron, twee weerstanden en een ampèremeter. a Leg uit of dit een serieschakeling of een parallelschakeling is. b Teken het schema van deze schakeling. c Leg uit of de ampèremeter op de juiste manier geschakeld is. d Teken het schema nogmaals maar nu met de stroommeter op een andere plaats. De weerstanden zijn niet gelijk. Toch is de stroomsterkte door de weerstanden even groot. e Leg dit uit.

H1

Licht Elektrische en kleur apparaten

hieronder de juiste woorden in. Gebruik de volgende woorden: dezelfde – lampje – niet – schakelaar (2x) – stroom ( 3x) Q P – wel – spanning uit aan a Om het lampje in de schakeling van figuur A uit en aan te doen, gebruik ik een … R S b Als die geopend is, loopt er geen … door. + c De … kan dan ook niet door het … en het lampje brandt niet. d In de serieschakeling van een lampje en een … zijn er dus twee mogelijkheden; de stroom loopt … of de 4,5 V stroom loopt … e In de schakeling is er dus maar één … mogelijk. f Dit geldt ook voor de lampjes in de schakeling van figuur B. Door beide lampjes gaat dus … stroom. g Beide lampjes branden normaal, als ze gemaakt zijn voor de helft van de … van de batterij.

55


Begrijpen

veer om batterijen bij elkaar te houden

A

metalen omhulsel schuifschakelaar geïsoleerde metalen reflex

+ + -

B FIG 76

81 Een zaklamp werkt op twee batterijen van 1,5 V

A

B

C

D

E

FIG 77

FIG 78

82 Hans heeft een aantal batterijen van 1,5 V in serie

geschakeld op de manier van figuur 77. a Leg uit dat de spanning die de batterijen samen leveren niet 6 V maar 3 V is. b Teken een schakeling waarmee je een zo groot mogelijke spanning krijgt met vier batterijen.

83 In figuur 78 zie je twee schakelingen. a Is de schakeling in figuur A een serie- of een parallelschakeling?

b Leg uit dat de schakeling in figuur B, met de

56

+ + -

(figuur 76). a Neem de figuur schematisch over en teken met rood hoe de stroom in een gesloten stroomkring loopt. b Op welke spanning brandt het lampje?

schakelaars open (zoals in de tekening) een serieschakeling is. c Wat voor soort schakeling wordt figuur B als beide schakelaars gesloten worden? Als in figuur B de ene schakelaar open staat en de andere dicht, brandt er maar één lampje. d Laat met een tekening zien hoe dat komt.

84 Bekijk de racebaan uit figuur 72 nog eens goed. a Teken het elektrische schema. b Omschrijf de schakeling. Gebruik daarbij de woorden serie en parallel.


1.4

Elektrische schakelingen

Rekenen aan een parallelschakeling

In een parallelschakeling is de spanning over elk apparaat gelijk aan de spanning van de bron. Elk apparaat is immers rechtstreeks aangesloten op de spanningsbron. Je telt de stroomsterktes in elke paralleltak op om de totale stroomsterkte te berekenen.

Itotaal

I1

I2

I3

+ -

Berekenen

Rekenen aan een serieschakeling Activiteit 21 en 22 op pagina 63. Een serieschakeling bestaat uit slechts één stroomkring. Daarom is de stroomsterkte door elk apparaat hetzelfde. De spanning van de bron wordt in een serieschakeling verdeeld over de verschillende apparaten. Als er een weerstand bij komt, wordt de totale weerstand in de serieschakeling groter. De totale weerstand bereken je door de weerstanden bij elkaar op te tellen. De stroomsterkte door de schakeling kan, net als bij een apparaat, uitgerekend worden met de wet van Ohm: U = I × R. Om de stroomsterkte uit te rekenen vul je de spanning van de bron en de totale weerstand in.

FIG 79 Drie lampjes in een parallelschakeling.

+

-

Voor een schakeling waarin apparaten parallel staan, geldt: • De spanning U is voor elk apparaat gelijk. • De stroom die de bron moet leveren is de som van de stromen door de apparaten. Zijn er bijvoorbeeld drie apparaten parallel geschakeld, dan geldt: Itotaal = I1 + I2 + I3 Hierbij zijn I1, I2 en I3 de stromen door de afzonderlijke apparaten. Itotaal is de (totale) stroomsterkte die de bron moet leveren.

Rekenvoorbeeld 1 Een elektrische oven (R = 100 Ω) en een waterkoker (I = 0,9 A) zijn parallel geschakeld op een stopcontact. Hoe groot is de stroomsterkte uit het stopcontact? Bereken eerst de stroomsterkte door de oven met U = I × R: 230 V = I1 × 100 Ω 230 V I1 = = 2,3 A 100 Ω De totale stroomsterkte uit het stopcontact is dan: Itotaal = I1 + I2 = 2,3 A + 0,9 A = 3,2 A

R3 = 250 Ω

R2 = 550 Ω

R1 = 1 k Ω

FIG 80 Een serieschakeling van drie apparaten.

Voor een schakeling waarin apparaten in serie staan geldt: • De stroomsterkte I door elk apparaat is gelijk. • De spanning van de bron wordt verdeeld over de apparaten. Als het allemaal dezelfde apparaten zijn, krijgt elk apparaat een gelijk deel van de spanning. Zijn er bijvoorbeeld drie apparaten geschakeld, dan geldt: Utotaal = U1 + U2 + U3 Hierbij zijn U1, U2 en U3 de spanningen over de afzonderlijke apparaten. Utotaal is de spanning van de bron. Om de stroomsterkte in een serieschakeling te vinden, reken je eerst de totale weerstand uit. In figuur 80 geldt: Rtotaal = R1 + R2 + R3 Hierbij zijn R1, R2 en R3 de weerstanden van de afzonderlijke apparaten.

H1

Elektrische apparaten

57


Berekenen

De stroomsterkte door de serieschakeling kun je daarna uitrekenen: Utotaal = I × Rtotaal Als je de stroomsterkte weet, kun je ook de spanning over één apparaat uitrekenen. Voor apparaat 1 vind je dan: U1 = I × R1

Rekenvoorbeeld 2 Twee weerstanden van 200 Ω en van 300 Ω staan in serie aangesloten op een spanningsbron die een spanning van 10 V levert (figuur 81). Hoe groot is dan de spanning over de weerstand van 300 Ω?

-

+

85 Geef van elk van de volgende beweringen aan of deze waar of niet waar is. Als de bewering niet waar is, verbeter je deze zodat een bewering ontstaat die wel waar is. a Bij een serieschakeling is de totale weerstand gelijk aan de som van de weerstanden. b Bij een parallelschakeling is de totale stroomsterkte gelijk aan de som van de stroomsterkten. c De wet van Ohm geldt ook voor de hele schakeling. d Hoe meer lampjes je in serie schakelt, hoe groter de spanning moet zijn om de lampjes normaal te laten branden. e In een parallelschakeling is de stroomsterkte overal gelijk, in een serieschakeling is de spanning overal gelijk.

86 Op een 12 V accu zijn drie lampjes parallel aangesloten.

10 V

R2 = 300 Ω

Opgaven bij berekenen

R1 = 200 Ω

FIG 81

Om de stroomsterkte in deze stroomkring te vinden, bereken je eerst de totale weerstand: Rtotaal = R1 + R2 = 200 Ω + 300 Ω = 500 Ω Daarna bereken je de stroomsterkte met: Ubron = I × Rtotaal 10 V = I × 500 Ω

De weerstand van de lampjes is R1 = 4,0 Ω, R2 = 3,0 Ω en R3 = 2,0 Ω. a Teken de schakeling. b Bereken de stroomsterkte in elk van deze drie lampjes. c Bereken de stroomsterkte die de bron levert.

87 Op een 12 V accu zijn drie weerstanden in serie aangesloten: R1 = 5,0 Ω, R2 = 3,0 Ω en R3 = 2,0 Ω. Teken de schakeling. Bereken de totale weerstand in deze schakeling. Bereken de stroomsterkte die de bron levert. Bereken de spanning U1 over weerstand R1. Leg uit waarom weerstand R1 de helft van de spanning krijgt. f Bereken ook de spanning over de weerstanden R2 en R3.

a b c d e

88 In een parallelschakeling zijn drie weerstandjes aan10 V I= = 0,02 A = 20 mA 500 Ω De spanning over de weerstand van 300 Ω kun je nu berekenen met: U2 = I × R2 = 0,02 A × 300 Ω = 6 V

58

gesloten op een spanningsbron van 6,0 V. R1 = 20 Ω, R2 = 75 Ω en weerstand R3 is onbekend. a Teken het schema van de schakeling. b Bereken de stroomsterkte I1 door R1. c Bereken de stroomsterkte I2 door R2. d De totale stroomsterkte vanuit de spanningsbron is 0,44 A. e Bereken de onbekende weerstand.


1.4

Elektrische schakelingen

89 In huis zijn drie apparaten aangesloten op het lichtnet:

Berekenen

92 De elektromotoren in een trein zijn aangesloten op

een computer van 180 W, een printer van 50 W en een scanner met een weerstand van 460 Ω. a Bereken de stroomsterkte door de computer. b Bereken de stroomsterkte door de printer. c Bereken de stroomsterkte door de scanner. d Bereken de totale stroomsterkte.

90 Een kerstboomverlichting bestaat uit 30 lampjes. Op elk lampje staat de tekst ‘7,5 V; 0,4 A.’ a Bereken de weerstand van een enkel lampje. b Bereken de weerstand van de 30 lampjes in serie. c Bereken de stroomsterkte door de kerstboomverlichting als de lampjes op normale sterkte branden. d Leg uit waarom het niet de bedoeling is dat je dit lichtsnoer aansluit op 7,5 V. e Ga na of deze lampjes goed branden als je het snoer aansluit op het stopcontact. f Hoe groot is dan de spanning over ieder lampje? R1 = 2 Ω

R2 = 6 Ω

+

93 Ben zoekt in zijn elektronica hobbydoos naar een weer

I1

I2

-

FIG 82

750 volt. Om langzamer te kunnen rijden moeten de elektromotoren een kleinere spanning krijgen. In oudere treinen schakelt de machinist dan een extra weerstand in de stroomkring, in serie met de motor. a Teken de schakeling met de motor rechtstreeks aangesloten op een spanningsbron van 750 V. b Teken de schakeling nog een keer, maar nu met een weerstand van 2 Ω in serie met de motor. c Leg uit waarom de trein het snelst rijdt zonder de weerstand in de stroomkring. Met de weerstand van 2 Ω in serie, krijgt de motor een spanning van 500 V. d Hoe groot is dan de spanning over de weerstand van 2 Ω? e Bereken de stroomsterkte door de weerstand. f Leg uit hoe groot de stroomsterkte door de motor dan is.

stand van 10 Ω. Maar die zijn op. Zijn zus geeft hem de tip dat een combinatie van 18 Ω en 22 Ω hetzelfde effect heeft in een stroomkring. Ben onderzoekt of dat klopt. Hij sluit de twee weerstanden parallel aan op een spanningsbron van 6,0 V. a Teken het schakelschema voor Ben. b Bereken de stroomsterkte door de weerstand van 18 Ω. c Bereken de stroomsterkte door de weerstand van 22 Ω. d Bereken de totale stroomsterkte door de spanningsbron. Ben wilde eigenlijk een weerstand van 10 Ω. e Bereken de stroomsterkte door een werstand van 10 Ω, als je die aansluit op 6,0 V. f Leg uit of de bewering van Ben's zus klopt.

91 Bekijk het schakelschema in figuur 82. a Leg uit welke stroom groter is: I1 of I2.

De stroomsterkte door de weerstand van 6 Ω is 1,5 A.

b Beredeneer de stroomsterkte door R1. c Bereken de spanning over R1. d Leg uit hoe groot de spanning van de batterij is.

H1

Elektrische apparaten

59


Verdiepen

+

-

+

-

2

1

1 2

3 A

3

B

FIG 83 Drie lampjes in gecombineerde schakeling.

Combinatieschakelingen

De schakelingen in figuur 83 zijn geen echte serie- of parallelschakeling. Het zijn combinaties van beide. Een deel van de schakeling heeft de eigenschappen van een serieschakeling en een ander deel heeft de eigenschappen van een parallelschakeling. De lampjes zijn allemaal hetzelfde.

Wetenschappelijke notatie

Bij grote getallen is het handig om in de ‘wetenschappelijke notatie’ te werken. In deze notatie maak je gebruik van machten van 10. Zo kun je 400 000 schrijven als 4·105, want: 400 000 = 4 × 100 000 = 4 × 10 × 10 × 10 × 10 × 10

Voor de schakeling van figuur 83A geldt: • De lampjes 2 en 3 staan parallel; samen staan ze in serie met lampje 1. • De totale stroom gaat door lampje 1, maar door lampje 2 en 3 gaat een vertakking van die stroom. Omdat de lampjes hetzelfde zijn, krijgen lampje 2 en 3 elk precies de helft van de totale stroom (Itotaal = I2 + I3). • Over lampje 2 en 3 staat dezelfde spanning. Voor de schakeling van figuur 83B geldt: • De lampjes 2 en 3 staan in serie; samen staan ze parallel met lampje 1. • Lampje 1 staat rechtstreeks aangesloten op de bron. Over lampje 2 en 3 samen staat dezelfde spanning van de bron, maar daarvan krijgen ze elk maar een deel (Ubron = U2 + U3). • Door lampje 2 en 3 gaat dezelfde stroom. De stroomsterkte door lampje 1 is groter. In beide schakelingen brandt lampje 1 feller dan de andere twee.

60

En je schrijft 2,5 MW als 2,5·106 W, want: 2,5 MW = 2,5 × 1 000 000 W = 2,5 × 10 × 10 × 10 × 10 × 10 × 10 W In tabel 9 staan nog een paar voorbeelden. Gewoon

Wetenschappelijke notatie

300 000 000 6 400 000 150 000 000 000

3·108 6,4·106 1,5·1011

TABEL 9

Het voordeel van deze notatie is dat je die direct in je rekenmachine kunt invoeren. Je hoeft dan bij berekeningen niet een heleboel nullen te typen. Je kunt je rekenmachine zelfs zo instellen dat deze alle getallen automatisch weergeeft in de wetenschappelijke notatie. Voor het invoeren van getallen in deze notatie heeft je rekenmachine een speciale toets. Op deze toets staat ‘EE’ of ‘EXP’.


1.4

Elektrische schakelingen

Verdiepen

FIG 84 In 2010 werd de nieuwe Maxima centrale in Lelystad in bedrijf gesteld. De centrale is gasgestookt en levert een vermogen van 870 MW.

Opgaven bij verdiepen 94 In de schakelingen van figuur 83 zijn alle lampjes identiek. Ze branden normaal bij 6 V en 0,4 A. De spanning in schakeling A wordt zo gekozen dat lampje 1 normaal brandt. a Leg uit dat de lampjes 2 en 3 minder fel branden dan lampje 1. b Leg uit of de spanning van de batterij groter is dan, kleiner is dan of gelijk is aan 6 V. De spanning in schakeling B wordt zo gekozen dat lampje 1 normaal brandt. c Leg uit dat de lampjes 2 en 3 minder fel branden dan lampje 1. d Leg uit of de spanning van de batterij groter is dan, kleiner is dan of gelijk is aan 6 V. Lampje 2 wordt losgedraaid. e Leg uit wat er dan met de lampjes 1 en 3 gebeurt.

H1

Elektrische apparaten

95 Maak de volgende berekeningen. Gebruik daarbij je rekenmachine in wetenschappelijke notatie en geef de uitkomst ook in wetenschappelijke notatie. a 1,25·108 × 4,3·106 = b 2,5·105 × 3,1·1012 = c 1,50·1011 / 3,0·108 =

96 Een grote elektriciteitscentrale levert per jaar 5·109 kWh elektrische energie. Een huishouden gebruikt gemiddeld 4 000 kWh per jaar. Bereken hoeveel huishoudens deze centrale van energie kan voorzien.

97 Een koperatoom in een stuk koper neemt 2,5.10-10 m ruimte in. Een plaatje koper is 0,2 mm dik. Bereken hoeveel lagen koperatomen er in het plaatje op elkaar liggen.

61


Onderzoeken

Activiteit 19 Lampjes in een parallelschakeling

Dit ga je doen

Met deze proef onderzoek je hoe je parallel geschakelde lampjes kunt laten branden.

• • • • • •

Sluit een lampje aan op een regelbare spanningsbron. Regel de spanning zodanig dat het lampje normaal brandt. Meet de stroomsterkte die de bron levert. Verander de spanning niet en schakel het tweede identieke lampje parallel met het eerste lampje. Meet de stroomsterkte in de schakeling. Sluit nu ook het derde lampje aan (ook parallel) en meet opnieuw de stroomsterkte.

Vragen •

FIG 85

Hoe komt het dat de twee lampjes ook normaal branden op dezelfde spanning als bij één lampje? • Waardoor verandert de stroomsterkte als je het tweede lampje aansluit? Je hebt drie keer de totale stroomsterkte in de schakeling gemeten. • Bereken nu de stroomsterkte door het tweede en door het derde lampje.

Je hebt nodig • • • •

drie lampjes, twee identieke en één ander lampje regelbare spanningsbron (voedingskastje) verbindingsdraden ampèremeter

Activiteit 20 Lampjes in een serieschakeling Met deze proef onderzoek je hoe je in serie geschakelde lampjes kunt laten branden.

• • •

Je hebt nodig • • • •

twee identieke lampjes regelbare spanningsbron (voedingskastje) ampèremeter verbindingsdraden

Vragen • •

Dit ga je doen • • • •

62

luit één lampje aan op de spanningsbron. Neem ook S de ampèremeter op in de stroomkring. Regel de spanning zodanig, dat het lampje normaal brandt en noteer deze spanning. Noteer de stroomsterkte. Verander de spanning niet.

laats het tweede lampje in serie met het eerste in de P stroomkring. Noteer opnieuw de stroomsterkte. Verander nu de spanning net zolang tot beide lampjes weer op normale sterkte branden.

• • •

Hoe komt het dat de stroomsterkte kleiner wordt als je twee lampjes gebruikt? Leg uit waarom je de spanning moet verhogen om de lampjes normaal te laten branden. Leg uit waardoor bij twee lampjes in serie de spanning wel groter moet zijn, maar de stroomsterkte niet. Voorspel wat er gebeurt bij drie lampjes in serie: hoe groot moet de spanning dan zijn? Hoe groot is dan de stroomsterkte?


1.4

Elektrische schakelingen

Onderzoeken

Activiteit 21 Meten in een serieschakeling 1

Je hebt nodig

Bij deze activiteit onderzoek je de spanning in een schakeling met ‘apparaten’ in serie.

• • • •

drie lampjes (of weerstanden) regelbare spanningbron (voedingskastje) voltmeter verbindingsdraden

Dit ga je doen • • • • • •

Sluit de drie lampjes in serie aan op de spanningsbron. Stel de spanning in op 9 V. Meet de spanning (U1) over het eerste lampje. Let op dat je de voltmeter goed aansluit. Meet de spanning (U2) over het tweede lampje. Meet de spanning (U3) over het derde lampje. Bereken U1 + U2 + U3

Vragen • • FIG 86

Welke regel heb je hiermee aangetoond? Kun je de voltmeter zo aansluiten dat je nog een andere spanning meet? Voorspel deze spanning.

Activiteit 22 Meten in een serieschakeling 2

Bij dit practicum onderzoek je de stroomsterkte en de weerstand in een serieschakeling. •

Je hebt nodig • • • •

drie verschillende weerstanden regelbare spanningbron (voedingskastje) ampèremeter verbindingsdraden

Vragen •

Dit ga je doen

• •

Sluit de grootste weerstand aan op de spanningsbron. Plaats de ampèremeter in de kring zodat je de stroomsterkte door deze weerstand kunt meten. Stel de bron in op een spanning van 6,0 V en meet de stroomsterkte.

H1

Elektrische apparaten

Zet een tweede weerstand in serie met de eerste. Verander de spanning niet en meet opnieuw de stroomsterkte. Zet de derde weerstand in serie met de eerste twee. Verander de spanning niet en meet de stroomsterkte. Noteer je metingen in een tabel.

aardoor wordt de stroomsterkte kleiner naarmate je W meer weerstanden aansluit? Bereken bij elke meting de totale weerstand met: Ubron = Itotaal × Rtotaal Welke regel kun je uit de metingen afleiden over de weerstand bij een serieschakeling?

63


Ontdekken

In één klap alles donker Ruben heeft gedoucht. In zijn badjas en op blote voeten komt hij uit de badkamer. Het is buiten nog donker, dus het licht in zijn kamer is aan. Zijn computer staat ook aan. Snel wil Ruben een paar losse papieren in zijn tas doen. Maar één vel valt naast het kastje waar het op lag. Ruben kan er net bij, denkt hij. Hij steekt zijn hand in de smalle ruimte tussen de kast en de muur. BANG! Ruben krijgt een enorme schok. Het licht en de computer vallen uit. Ruben moet even bijkomen, maar hij is ongedeerd.

Onderzoek! Iets heeft ervoor gezorgd dat alle elektriciteit uitviel toen Ruben in contact kwam met de spanning van 230 V. Dat heeft Ruben het leven gered. Hij wil weten aan welke beveiliging hij dit te danken heeft. Als eerste denkt hij: ‘Misschien sloeg de stop door.’ Stoppen, officieel worden ze ‘zekeringen’ genoemd, slaan door bij een stroomsterkte van 16 A.

Lees bron 5. 1 Laat met een berekening zien dat er nooit een stroomsterkte groter dan 16 A door Ruben kan zijn gegaan. Gebruik gegevens uit bron 5.

2 Leg van elk van de omstandigheden in tabel 10 uit of die zorgde voor een sterkere schok, een minder sterke schok, of dat het niet uitmaakte. Neem tabel 10 over en vul hem verder in. Erger / Geen verschil / Minder erg Ruben liep op blote voeten Ruben had net gedoucht Het licht was aan TABEL 10

Als de stroom een tijdje loopt, is een stroomsterkte vanaf enkele tienden van een ampère dodelijk.

3 Leg uit dat Ruben deze schok zonder een andere veiligheidsmaatregel zeker niet had overleefd. Een zoektocht op internet brengt Ruben bij een Amerikaanse website.

FIG 87 Wat redde zijn leven?

Lees bron 6. 4 Bedenk of zoek op wat de Nederlandse term is voor

Later blijkt waardoor Ruben een schok kreeg. Jaren geleden is de kast in die hoek gezet. Daar zat een stekker in het stopcontact. De kast heeft de stekker vermorzeld toen hij er tegenaan werd geschoven. Er zat nog een losse metalen pin van de kapotte stekker in het stopcontact …

64

‘Ground Fault Circuit Interrupter’.


1.5

Veiligheid en transport

Het aantal doden in de Verenigde Staten daalde sterk, maar werd niet tot nul gereduceerd toen deze veiligheidsmaatregel werd geïntroduceerd.

5 Noem een reden uit de tekst van bron 6, waardoor er nog steeds doden vallen. Als je familie een oud huisje in Frankrijk koopt, of als je in Nederland in een oud huis woont, moet je controleren of alle moderne veiligheidsmaatregelen zijn ingebouwd.

6 Op welke plek in huis kun je dat controleren? 7 Welk beroep heeft iemand die dit vakkundig in orde kan maken?

Eindproduct Zoek informatie over een ongeluk met elektriciteit. Beschrijf in twee alinea’s welke veiligheidsmaatregel zorgde dat het relatief goed afliep. Of als het helemaal niet goed afliep, welke veiligheidsmaatregel misschien zou hebben geholpen. Er zijn ongelukken gebeurd in kruipruimtes, bij het opladen van een spelcomputer en op het traject van de hogesnelheidslijn. Die zoektermen brengen je bij geschikte informatie.

Ontdekken

Bron 5

Weerstand van de huid

Als een stroom door de huid van je vingers, vervolgens door je lichaam, en ten slotte door de huid van je voeten loopt, is de weerstand van de huid bepalend voor de grootte van de stroom die gaat lopen. Als je huid droog is, is de totale weerstand zo’n 100 kΩ. Is je huid nat, dan kan dit dalen tot 1% van die waarde, dus ongeveer 1 kΩ. Schoenen en handschoenen vormen een extra weerstand. Als je die allebei aan hebt, moet de stroom door handschoen, huid, lichaam, huid en schoenzool. Onder spanning staan is dus minder gevaarlijk als je handschoenen en/of schoenen aan hebt. Maar voor schoenen en handschoenen geldt hetzelfde als voor de huid: als ze nat zijn, daalt de weerstand dramatisch.

Bron 6

Ground Fault Circuit Interrupters

Before the introduction of GFCIs in newly constructed homes, 700 people died from household electrocutions in the USA each year. As of 2001, that number has decreased to about 400 deaths each year, according to the Electrical Safety Foundation.

FIG 88 In oude huizen is de elektrische installatie niet altijd goed beveiligd.

H1

Elektrische apparaten

65


Begrijpen

Soms hoor je in het nieuws dat iemand is omgekomen door een elektrische schok of dat er ergens brand is ontstaan door kortsluiting. Hoe voorkom je ongelukken met elektriciteit?

Sleutelbegrippen

Overbelasting, zekering, kortsluiting, groep, aardlekschakelaar.

Draden Activiteit 23 op pagina 76.

Overbelasting en kortsluiting

In huis kan de stroomsterkte te groot worden door het gebruik van te veel elektrische apparaten tegelijk. Dat noem je overbelasting. In de schakeling is een zekering opgenomen, die de stroom uitschakelt zodra de stroomsterkte te groot wordt. De draden kunnen anders te heet worden en brand veroorzaken. De zekeringen in huis schakelen uit, zodra een stroomsterkte van 16 A overschreden wordt. De zekering beveiligt ook bij kortsluiting. Dat gebeurt als twee stroomdraden elkaar raken. Er ontstaat een stroomkring zonder apparaat. Omdat de weerstand dan zo klein is, gaat er een zeer sterke stroom lopen. De zekering schakelt de stroom dan uit.

In huis gaat de elektrische stroom door koperdraden naar de stopcontacten. Een hoogspanningsleiding die vanuit de elektrische centrale naar steden gaat, bestaat uit veel dikkere kabels. Elektriciteitsdraden hebben altijd een beetje weerstand. De draden worden warm door de elektrische stroom die erdoor gaat. Er gaat bij transport dus elektrische energie verloren in de vorm van warmte. Dit verlies is groter bij grotere stroomsterktes. Voor de grote stroomsterktes door een hoogspanningsleiding heb je daarom dikke draden met weinig weerstand nodig. De dikte van de draden in de huisinstallatie is zo gekozen dat ze tot een stroomsterkte van 25 A niet te heet worden. FIG 90 Links een ouderwetse smeltzekering (‘stop’), rechts een moderne automatische zekering.

Door de vele apparaten in huis is een maximale stroomsterkte van 16 A lang niet genoeg. De stopcontacten en lampen in huis zijn daarom in groepen verdeeld. Elke groep heeft vanaf de meterkast aparte elektriciteitsdraden voor een deel van het huis. In de meterkast zie je voor elke groep een afzonderlijke zekering. Zo kan elke groep in huis met stroomsterktes tot 16 A werken. Bij kortsluiting of overbelasting zal niet in het hele huis de elektriciteit uitvallen, omdat alleen de betreffende groep wordt uitgeschakeld.

FIG 89 De stroomdraden van de huisinstallatie zitten in kunststof installatiebuizen.

66


1.5

Veiligheid en transport

Altijd uitrollen Als je op een wat grotere afstand van een stopcontact een apparaat wilt aansluiten, gebruik je een kabelhaspel. De stroom in de kabel veroorzaakt ook warmte. Als de kabel is opgerold, liggen de draden dicht bij elkaar en kan de warmte moeilijk weg. De temperatuur kan dan zo hoog worden dat de kunststof isolatie smelt. Dan ontstaat er kortsluiting of zelfs brand. Je moet het snoer dus altijd volledig uitrollen. Sommige haspels zijn beveiligd met een schakelaar, die de stroom uitschakelt bij te hoge stroomsterktes.

Begrijpen

Stroom door je lichaam

Behalve het risico van brand heb je bij het werken met elektriciteit ook altijd het risico van stroom door je lichaam. Je krijgt een flinke schok als je per ongeluk een onge誰soleerde draad aanraakt waar spanning op staat. Een grote stroomsterkte door je lichaam is dodelijk. In tabel 11 staan de gevolgen van verschillende stroomsterktes door je lichaam. De stroomsterkte door je lichaam hangt af van de manier waarop je de draden aanraakt en van de weerstand van je lichaam. Als je met twee handen twee stroomdraden tegelijk aanraakt, gaat de stroom langs je hart. Dat is erg gevaarlijk, omdat de hartspier dan ontregeld wordt. Als je handen vochtig zijn dan wordt het nog gevaarlijker. De weerstand van een vochtige huid is lager, waardoor de stroomsterkte groter wordt. Hoogspanning is extra gevaarlijk omdat er door de hoge spanning altijd een grote stroomsterkte kan ontstaan, ook als er veel weerstand is. Maar de schokjes met een hoge spanning van schrikdraad om een weiland zijn weer niet gevaarlijk, omdat ze maar heel kort duren. Gevolgen van elektrische stroom door je lichaam 0,5 - 5 mA 5 - 20 mA 20 - 40 mA 50 - 200 mA 200 - 1 000 mA > 1 000 mA

Ongevaarlijk; geeft een licht prikkelend gevoel. Spierkrampen in hand en arm. Vanaf 20 mA is loslaten niet meer mogelijk. De ademhaling wordt belemmerd. Zenuwcentra kunnen verlamd worden. Het hart stopt met werken; de bloedsomloop valt stil. Brandwonden in weefsels, zenuwen en spieren. Vergiftiging van de nieren. Acuut dodelijk.

TABEL 11

Aardlekschakelaar

FIG 91 Een opgerold stroomsnoer kan gevaarlijk heet worden.

Om je te beschermen tegen stroom door je lichaam is er een aardlekschakelaar in de huisinstallatie opgenomen. Dit apparaatje vergelijkt de stroomsterkte die het huis ingaat met de stroomsterkte die terugkomt. Als daar een verschil tussen is, lekt er blijkbaar stroom weg. Een deel van de stroom verlaat dan het huis via een andere route en stroomt uiteindelijk naar de aarde. Misschien wel via een persoon die ergens in contact komt met de spanning van 230 V. De aardlekschakelaar schakelt razendsnel de spanning uit. Een aardlekschakelaar in huis schakelt uit bij een lekstroom van 30 mA.

Activiteit 24 op pagina 76.

H1

Elektrische apparaten

67


Begrijpen

Randaarde

Veel elektrische apparaten, zoals wasmachines en koelkasten, hebben een metalen buitenkant. Als de isolatie van een draad beschadigt, kan een stroomdraad contact maken met de metalen buitenkant. Het apparaat komt dan onder spanning te staan. Om dit te voorkomen moeten apparaten met een metalen buitenkant geaard zijn. Het snoer van zo’n apparaat heeft een extra draad, die met de metalen buitenkant verbonden is. Via de ‘randaarde’ van het stopcontact is deze draad verbonden met een aardleiding. Deze leiding gaat naar een aardpen die diep de grond in gaat. De buitenkant van het apparaat kan nu niet meer onder spanning komen te staan, omdat er in dat geval een stroom naar de aarde gaat lopen. De aardlekschakelaar schakelt de spanning dan bovendien uit.

In oudere huizen zijn niet alle stopcontacten aangesloten op de aardleiding. Als je een apparaat met randaarde aansluit op een stopcontact zonder randaarde is het niet beveiligd. Apparaten met een kunststof buitenkant hebben eigenlijk geen randaarde nodig. Deze apparaten hebben bijna altijd een stekker uit één stuk, die je niet open kunt schroeven. Die stekker is meestal toch geaard. Deze apparaten noem je ‘dubbel geïsoleerd’.

FIG 93 Een dubbel geïsoleerd apparaat herken je aan dit logo.

Samenvatting

• E en stroomdraad wordt altijd een beetje warm. Bij het transport van elektriciteit ontstaat daardoor energieverlies. • Te hete draden kunnen brand veroorzaken. • In huis beschermt een zekering tegen een te grote stroomsterke. Die kan ontstaan door overbelasting of door kortsluiting. • De aardlekschakelaar beschermt je tegen een elektrische schok. Deze schakelaar schakelt de stroom meteen uit als er stroom via een andere route dan door de stroomdraden het huis verlaat. • Randaarde voorkomt dat de metalen buitenkant van een elektrisch apparaat onder spanning komt te staan.

FIG 92 Stopcontact en stekker met randaarde. Het snoer heeft dan drie draden.

68


1.5

Veiligheid en transport

Opgaven bij begrijpen 98 Geef van elk van de volgende beweringen aan of deze waar of niet waar is. Als de bewering niet waar is, verbeter je deze zodat een bewering ontstaat die wel waar is. a Bij overbelasting worden de elektriciteitsdraden in huis te warm. b Hoogspanningskabels worden niet warm, omdat ze vrijwel geen weerstand hebben. c Een zekering beschermt tegen een te grote stroom door je lichaam. d Een apparaat met een kunststof buitenkant moet altijd geaard zijn. e Een aardlekschakelaar beschermt tegen een te grote stroom door je lichaam.

99 Door een ongeluk komt er 230 V op je lichaam te staan.

De weerstand van je lichaam is 20 kΩ. a Bereken de stroomsterkte door je lichaam. b Zoek in tabel 11 op welke gevolgen deze stroomsterkte heeft. c Leg uit waarom een zekering je in dit geval niet beschermt. d Leg met behulp van het begrip weerstand uit hoe je de stroomsterkte door je lichaam kunt beperken.

100 Een kabelhaspel moet je bij gebruik altijd helemaal uitrollen. a Welk gevaar bestaat er als de kabel opgerold is?

Begrijpen

Op de haspel staat: ‘opgerold max 3 A, uitgerold max 9 A’. b Verklaar het verschil. Bij een tuinfeest worden voor de verlichting achterin de tuin meerdere kabelhaspels gebruikt, die op elkaar worden aangesloten. c Leg uit waardoor de verlichting dan minder fel brandt dan normaal.

101 In vaktaal noem je een aardlekschakelaar ook wel een verliesstroomschakelaar.

a Leg uit hoe een aardlekschakelaar werkt. b Leg uit of je ‘verliesstroomschakelaar’ een goede naam vindt. Bij welk verschil in stroomsterkte reageert de aardlekschakelaar? d Waarom is deze stroomsterkte zo laag gekozen? e Leg uit waarom een zekering niet beschermt tegen stroom door je lichaam. Bij kortsluiting raken twee elektriciteitskabels elkaar. f Leg uit waarom dan wel de zekering maar niet de aardlekschakelaar de stroom onderbreekt.

c

102 Sommige apparaten hebben randaarde, andere apparaten niet. a Hoe kun je aan de stekker zien dat het apparaat geen randaarde heeft? b Leg uit waarom apparaten met een metalen buitenkant randaarde hebben. c Wat gebeurt er zodra er een stroom door de aardedraad loopt?

FIG 94 Links twee aardlekschakelaars met ernaast twee automatische zekeringen.

H1

Elektrische apparaten

69


Berekenen

Rekenen aan overbelasting

Bij een feest wil je veel koffie en thee zetten. Daarom wil je drie waterkokers samen op hetzelfde stopcontact aansluiten. Om erachter te komen of dit kan, moet je uitrekenen of de apparaten samen niet meer dan 16 A gebruiken. Bij een grotere stroomsterkte krijg je overbelasting en schakelt de zekering de spanning uit. Op de meeste apparaten staat de stroomsterkte niet vermeld. Wel staat het vermogen er bijna altijd op. De stroomsterkte kun je berekenen als het vermogen bekend is. Daarvoor gebruik je de formule P = U × I. De spanning in huis is altijd 230 V. Tel vervolgens de berekende stroomsterktes van alle apparaten op. Als dat bij elkaar meer dan 16 A is, is er sprake van overbelasting. Je kunt ook eerst alle vermogens optellen. Met dezelfde formule kun je uitrekenen dat je maximaal 3 680 W (16 A × 230 V) mag inschakelen.

Rekenvoorbeeld 1 Twee waterkokers hebben een vermogen van 2,2 kW en een derde heeft een vermogen van 2,0 kW. De groep is beveiligd met een zekering van 16 A. Kun je de apparaten alle drie tegelijk aansluiten? Methode 1 De stroomsterkte door een waterkoker met een vermogen van 2,2 kW bereken je met: P=U×I 2 200 W = 230 V × I I=

2 200 W = 9,6 A 230 V

Voor de waterkoker met een vermogen van 2,0 kW vind je op dezelfde manier een stroomsterkte van 8,7 A. De totale stroomsterkte is dan: I = 9,6 A + 9,6 A + 8,7 A = 27,9 A Dit is meer dan 16 A. De drie waterkokers kun je dus niet op één groep aansluiten. Zelfs met twee van deze waterkokers lukt dit niet! Methode 2 De groep kan maximaal leveren: P = U × I = 230 V × 16 A = 3 680 W

FIG 95 Drie waterkokers op één groep, gaat dat goed?

De waterkokers hebben een vermogen van 2 200 W, 2 200 W en 2 000 W. Dat is samen 6 400 W en dus meer dan 3 680 W. De drie waterkokers kun je dus niet op één groep aansluiten.

Rekenen aan transport

Voor het transport van elektrische energie over langere afstanden wordt hoogspanning gebruikt. De kabels van een hoogspanningsleiding zijn geschikt voor stroomsterktes tot 500 A. Het is niet zinvol nog dikkere kabels te gebruiken, want die zouden te zwaar en te duur worden.

70


1.5

Veiligheid en transport

Berekenen

Fataal vliegeren Een middagje vliegeren met de dood bekopen? Via een advertentiecampagne probeert Essent Netwerk je bewust te maken van de risico’s. Via kranten waarschuwen ze vliegeraars, zeilers en vissers om met hun spullen ver uit de buurt van hoogspanningsleidingen en hoogspanningsmasten te blijven.

FIG 96 Hoogspanningsleidingen transporteren elektrische energie over grote afstanden.

Om veel energie te kunnen transporteren moet je een grote spanning gebruiken. Voor het vermogen dat je transporteert geldt immers de formule P = U × I. Bij een spanning van 230 V zou de stroomsterkte vanaf een centrale veel te hoog worden (zie ook rekenvoorbeeld 2). Om een kleinere stroomsterkte te krijgen, moet je met een hogere spanning werken. Het Nederlandse hoogspanningsnet werkt met spanningen tot wel 380 kV. Er is altijd een klein energieverlies in de hoogspanningskabels. De weerstand van de kabel is wel erg klein, maar niet nul.

FIG 97

Op een hoogspanningskabel kan zomaar 380 000 volt staan. Je hoeft de leiding niet eens aan te raken om geëlektrocuteerd te worden. In de buurt komen met je vlieger of hengel kan al voldoende zijn voor een fatale afloop. Natuurlijk is het Essent niet alleen te doen om je in leven te houden. Als het ergens mis gaat in het net, heeft dat ook grote gevolgen voor de stroomvoorziening. Komt je vlieger tegen zo’n kabel, dan gaat niet alleen bij jou het licht uit. Bron: www.energiezekerheid.blogspot.com

Een groot gevaar van hoogspanning is elektrocutie: een dodelijke stroomsterkte door je lichaam. Als je een hoogspanningskabel aanraakt, is dat onmiddellijk dodelijk. Door de hoge spanning zal er immers een grote stroomsterkte door je lichaam gaan. Ook als een hijskraan of een ander metalen voorwerp een verbinding maakt tussen een hoogspanningskabel en de grond, ontstaat een levensgevaarlijke stroomsterkte.

H1

Elektrische apparaten

71


Berekenen

Rekenvoorbeeld 2 Een elektriciteitscentrale levert een vermogen van 690 MW. Hoe groot moet de stroomsterkte in de kabel zijn, om dit vermogen te transporteren?

alleen met wisselspanning. Daarom gebruiken we in het elektriciteitsnet wisselspanning. Toch hebben veel elektronische apparaten in huis gelijkspanning nodig. In de adapter van die apparaten zit niet alleen een transformator, maar ook een schakeling die de wisselspanning omzet in gelijkspanning.

Stel je voor dat de centrale met 230 V zou werken. De stroomsterkte die door een kabel moet gaan kun je berekenen met P = U × I. Bij een spanning van 230 V zou de stroomsterkte worden: I=

690 000 000 W = 3 000 000 A 230 V

Zelfs een polsdikke kabel zou bij deze stroomsterkte smelten. De elektriciteitsbedrijven kiezen daarom voor een veel hogere spanning: 380 000 V. Nu is de stroomsterkte:

FIG 98 In een transformatorhuisje wordt hoogspanning omgezet naar 230 V.

Opgaven bij berekenen 103 Geef van elk van de volgende beweringen aan of deze

690 000 000 W I= = 1 816 A 380 000 V Deze stroomsterkte kun je wel transporteren. Vier kabels, elk geschikt voor 500 A, zijn voldoende.

Transformator Activiteit 25 op pagina 77. De hoge spanning bij het transport van elektrische energie moet voor de gebruiker weer omgezet worden in de normale spanning van 230 V. En voor allerlei apparaten in huis moet die spanning nog weer verder omlaag naar bijvoorbeeld 12 V. Het veranderen van de spanning gebeurt in een transformator. Dat apparaat kan de spanning omlaag of omhoog brengen. Het elektrisch vermogen moet daarbij even groot blijven. Als de transformator de spanning lager maakt, zal de stroomsterkte dus groter worden. Immers: P = U × I blijft gelijk. Omgekeerd wordt de stroomsterkte kleiner, als je de spanning omhoog transformeert. In woonwijken staan de transformatoren in transformatorhuisjes (zie figuur 98). Thuis vind je kleine transformatoren in de adapters van allerlei apparaten. Een transformator werkt

72

waar of niet waar is. Als de bewering niet waar is, verbeter je deze zodat een bewering ontstaat die wel waar is. a Bij een zekering van 16 A is het maximale vermogen 16 kWh. b Het maximale vermogen van een groep kun je berekenen met de formule P = U × I. c Bij een hogere spanning is het vermogensverlies in de aanvoerdraden groter. d Bij een hogere transportspanning is de stroomsterkte in de aan- en afvoerdraden groter. e Een transformator gebruik je altijd om van een hoge spanning een lage spanning te maken. f Een transformator werkt met gelijkspanning en met wisselspanning.

104 Elke groep van de elektrische huisinstallatie is beveiligd met een zekering van 16 A. a Hoe noemen we de situatie waarbij er te veel apparaten op een groep worden aangesloten? b Bereken hoeveel lampen van 60 W je maximaal op een groep kunt aansluiten.

105 In de keuken zijn een wasmachine met een vermogen van 1 800 W en een droogtrommel van 1 700 W met een dubbel stopcontact op dezelfde groep aangesloten. a Laat met een berekening zien of de zekering van 16 A van deze groep dit aankan.


1.5

Veiligheid en transport

In de keuken zijn ook nog een koelkast (500 W), een vaatwasser (3,0 kW), een combi-oven (3,2 kW) en enkele stopcontacten aanwezig. b Hoeveel groepen moeten er voor deze keuken minstens beschikbaar zijn?

106 Michiel, Wouter, Pieter en Samantha vormen de groep de ‘Rocking Physicists’. Zij willen een optreden verzorgen op de binnenplaats van de school. De installatie voor de gitaar van Michiel heeft een vermogen van 2 200 W, de basinstallatie van Wouter 3 000 W en de zanginstallatie van Samantha 1 800 W. Ze gebruiken zes sets met lampen. Iedere set gebruikt 600 W. De school heeft een aantal groepen die ieder voorzien zijn van een 16 A zekering. a Hoeveel vermogen heeft de rockgroep in totaal nodig? b Bereken hoeveel stroomgroepen er minstens nodig zijn om het optreden mogelijk te maken. De groep wil graag ook nog een rookmachine gebruiken. Maar er is geen extra groep beschikbaar. c Welke stroomsterkte is in de bestaande situatie maximaal nog mogelijk? d Hoe groot mag het maximale vermogen van de rookmachine dan nog zijn?

107 Hoogspanningskabels transporteren de elektrische energie van de centrale naar een dorp, zie figuur 99. De huishoudens in het dorp verbruiken bij elkaar een vermogen van 7,9 MW bij een spanning van 230 V. De hoogspanningskabels werken op een spanning van 115 kV. De centrale levert een spanning van 20 kV. a Leg uit waarom er twee transformatoren nodig zijn: één bij de centrale en één bij het dorp. b Bereken de stroomsterkte in het dorp. c Neem over en vul in: De spanning van de hoogspanningsleiding is … maal zo groot als de spanning in het dorp.

Berekenen

d Neem over en vul in: De stroomsterkte door de hoogspanningsleiding is dan ... maal zo klein als die in het dorp. e Bereken de stroomsterkte in de hoogspanningleiding. Het vermogensverlies in de kabels en de transformatoren is bij elkaar 0,4 MW. De centrale levert een spanning van 20 kV. f Bereken de stroomsterkte van de centrale. 108 Op de bodem van de Noordzee liggen dikke kabels om elektriciteit te vervoeren van Nederland naar Engeland of omgekeerd. Lees het nieuwsbericht. AMSTERDAM (Dow Jones) – Een joint-venture tussen het Nederlandse TenneT en het Britse National Grid plc is dinsdag in Engeland begonnen met het trekken van een kabel onder de Noordzee, die de hoogspanningsnetwerken van Nederland en het Verenigd Koninkrijk zal verbinden. ‘Deze joint-venture tussen National Grid en TenneT draagt bij aan een opener Europa en zal de betrouwbaarheid van de levering van elektriciteit in zowel het VK als Nederland helpen’, aldus de directeur van het samenwerkingsverband Bill Russell in een toelichting. De kabel met een capaciteit van 1 000 megawatt zal lopen over de 260 kilometer tussen de Maasvlakte en het Isle of Grain ten zuidwesten van England.

a Hoe groot is het maximale vermogen dat door deze kabel getransporteerd kan worden?

b Leg uit waarom de kabel twee aders heeft. De maximale stroomsterkte door de kabels is 820 A. c Bereken de spanning die voor het transport gebruikt wordt. In de documentatie staat dat de temperatuur in de kabel kan oplopen tot 50 °C. d Leg uit waardoor de kabel zo warm kan worden.

A

D

B

trafo

E

F

H

G

trafo

centrale

C dorp

T1

T2

FIG 99 Transport van elektrische energie.

H1

Elektrische apparaten

73


Verdiepen

Statische lading Activiteit 26 op pagina 77. Soms krijg je een schokje als je een deurkruk of een kraan vastpakt. Door wrijving tussen je schoenen en de vloerbedekking ben je elektrisch opgeladen. Als je op een droge winterdag je trui uittrekt, hoor je het soms knetteren. Ook kun je voelen dat je haren ervan overeind komen. Door de wrijving tussen de trui en de kleding eronder, is de trui elektrisch opgeladen. Je noemt dit statische elektriciteit. Het schokje dat je voelt is de ontlading. In het donker kun je daarbij vonkjes zien. Ook bliksem is een ontlading van statische elektriciteit.

Tussen positieve en negatieve ladingen werken krachten. Positieve en negatieve ladingen trekken elkaar aan. Positieve ladingen onderling stoten elkaar af, zoals ook negatieve ladingen elkaar afstoten. Bij de elektroscoop in figuur 103 hebben de twee metaalblaadjes altijd dezelfde lading, daardoor stoten ze elkaar af. Soms treedt er een elektrische ontlading op. De elektronen van een negatief geladen voorwerp springen over op een positief geladen voorwerp. Je ziet dan vonken. Een elektriseermachine is een apparaat dat door wrijving flinke vonken kan produceren. Zo´n vonk is eigenlijk een klein elektrisch stroompje bij een zeer hoge spanning. De stroomsterkte is klein en het duurt maar heel kort.

In alle materialen zitten elektronen. Als er precies genoeg elektronen aanwezig zijn, is het materiaal elektrisch neutraal of ‘ongeladen’. Als er te veel of te weinig elektronen zijn, is er statische elektriciteit. Bij een teveel aan elektronen noem je het materiaal ‘negatief geladen’ en als er elektronen te weinig zijn is het ‘positief geladen’. Wrijf een opgeblazen ballon langs je kleding en er ontstaat statische elektriciteit. Tijdens het wrijven springen er elektronen over van je kleding naar de ballon. De ballon is nu negatief geladen, terwijl je kleding positief geladen is. FIG 101 Een elektriseermachine maakt een zeer hoge spanning tussen positieve en negatieve ladingen, waardoor een vonk door de lucht ontstaat.

Stofexplosie

Statische lading zelf is ongevaarlijk, maar een vonkje kan wel tot een ontploffing leiden. Dat gebeurt wel eens in een stoffige omgeving. Door het bewegen van het stof raakt dit elektrisch geladen. Er zijn al heel wat graansilo´s ontploft door zo’n klein vonkje. Tegenwoordig zijn er strenge veiligheidsmaatregelen om vonken in een stoffige omgeving te voorkomen.

Bliksem

FIG 100 Door de wrijving tussen haar kleding en de plastic hangmat is het meisje elektrisch geladen.

74

In stapelwolken wrijven sterke luchtstromen omhoog en omlaag langs elkaar. De bovenkant van de wolk wordt daarbij sterk positief geladen en de onderkant juist sterk negatief. Als deze negatieve lading groot genoeg is, kan er een vonk van de onderkant van de wolk naar de aarde toe schieten, door honderden meters lucht heen. Die ontlading, de bliksem, bestaat uit elektronen. De stroomsterkte in een bliksem is tienduizenden ampères. Daar staat tegenover dat de ontlading heel kort duurt. Na de bliksem hoor je de donder. Die is een gevolg van de plotselinge opwarming en uitzetting van de lucht bij de bliksem.


1.5

Veiligheid en transport

Verdiepen

Stroom door een gas

Zoals er bij een bliksem een stroom door de lucht gaat, zo gaat er binnen tl-buizen en spaarlampen een elektrische stroom door een gas. Dat kun je zien als je een tl-buis bij een plasmabol houdt. Net als bij een bliksem zorgt de stroom in een tl-buis voor een blauwpaars licht. De witte laag tegen de binnenkant van het glas zorgt ervoor dat het in wit licht wordt omgezet.

FIG 103 Elektroscoop

FIG 102 Elektrische ontladingen door het gas in een tl-lamp en in een plasmabol veroorzaken licht.

Opgaven bij verdiepen

111 Als je haar elektrisch geladen is, gaan je haren uit elkaar staan. a Leg uit waardoor je haren uit elkaar gaan staan. b Leg uit of je nu kunt vaststellen of je haren positief of negatief geladen zijn.

109 Geef van elk van de volgende beweringen aan of deze waar of niet waar is. Als de bewering niet waar is, verbeter je deze zodat een bewering ontstaat die wel waar is. a Als er elektrische lading door de lucht schiet, ontstaat er een vonk. b Als je met een ballon over een trui wrijft, worden zowel de ballon als de trui negatief geladen. c Door een vonk wordt de lucht warm. d Voor een elektrische stroom door lucht is een grote spanning nodig. e Bij een bliksem gaan er elektronen van de grond naar de wolk.

112 Bij het uittrekken van je trui hoor je het soms knetteren.

Als je dat in het donker doet, zie je zelfs de lichtflitsjes.

a Beschrijf kort hoe dit verschijnsel ontstaat. b Waardoor ontstaat de lichtflits? c Waardoor ontstaat het knetterende geluid? Een knetterende trui treedt alleen op als de lucht erg droog is. d Wat doet de waterdamp met de elektrische lading?

113 Bij een plasmabol zie je ook een elektrische stroom door 110 Met een elektroscoop zie je of een voorwerp geladen is (figuur 103). Als je een geladen voorwerp tegen de knop houdt, bewegen de twee blaadjes zilverpapier van elkaar af. a Waardoor bewegen de blaadjes zilverpapier uit elkaar? b Waarom kun je met een elektroscoop niet zien of de lading positief of negatief is?

H1

Elektrische apparaten

de lucht gaan.

a Waardoor heeft licht van een plasmabol dezelfde kleur als de bliksem? Als je een spaarlamp bij een plasmabol houdt, gaat de spaarlamp licht geven. b Leg dit verschijnsel uit. c Waardoor is het licht van de spaarlamp wit en niet blauwpaars zoals bij de plasmabol?

75


Onderzoeken

Activiteit 23 Warmte in een metaaldraad

Dit ga je doen

In deze proef ontdek je het warmte-effect van elektrische stroom.

• • • • • • •

evestig de metaaldraad tussen de statieven, zoals in B figuur 104. Hang het gewichtje aan de draad. Hang een gevouwen papiertje over de draad. Sluit de draad aan op de spanningsbron. Zet de spanningsbron nog niet aan. Voorspel wat er bij inschakelen van de spanning gaat gebeuren met het gewichtje en met het papiertje. Zet de spanningsbron aan en maak de spanning voorzichtig steeds een beetje groter. Noteer al je waarnemingen.

Vragen FIG 104

Je hebt nodig • • • • • •

dunne metaaldraad twee statieven met isolator gewichtje papiertje variabele spanningsbron verbindingsdraden

• Klopte je voorspelling? In huis gaat de elektrische stroom ook door metaaldraden. • Wat gebeurt er met die draden als de stroomsterktes erg groot worden? • Wat kan er in huis gebeuren als je veel apparaten tegelijk aansluit? Voor de elektrische installatie in huis gelden allerlei voorschriften. Daar staat bijvoorbeeld in hoe dik de stroomdraden moeten zijn. • Leg uit waarom stroomdraden in huis een minimale dikte moeten hebben.

Activiteit 24 Spanningzoeker gebruiken

In deze activiteit onderzoek je de werking van een spanningzoeker.

Je hebt nodig

• •

spanningzoeker (met goed geïsoleerde stift) stekkerdoos of verlengsnoer met randaarde

luit de stekkerdoos aan op het stopcontact. Leg de S stekkerdoos daarna op tafel. Meet met de spanningzoeker op welke aansluitpunten spanning staat. Haal de stekker uit het stopcontact en doe die er andersom weer in. Meet opnieuw op welke aansluitpunten van de stekkerdoos spanning staat.

Vragen •

FIG 105

• •

Dit ga je doen •

76

Pas op, werken met de netspanning kan gevaarlijk zijn. Werk nauwkeurig volgens de aanwijzingen.

Meet je in het laatste geval ook een spanning op een van de randaardecontacten? Leg uit hoe er een stroom kan lopen, als steeds maar één pootje van een stekker spanning krijgt. Leg uit waarom je de stroom door je lichaam niet voelde, toen je de spanningzoeker gebruikte. Leg uit waarom je geen spanning meet op een randaardecontact.


1.5

Veiligheid en transport

Onderzoeken

Activiteit 25 Transport van elektriciteit

Bij deze activiteit onderzoek je het verlies van energie bij het transport.

Je hebt nodig • • • • • •

l ampje (moet werken op een lage spanning met een grote stroomsterkte) lange dunne elektriciteitsdraad variabele spanningsbron voltmeter ampèremeter verbindingsdraden

• • • • •

Vragen •

Dit ga je doen •

eken het schema van de schakeling waarmee je de T spanning over het lampje en de stroomsterkte door het lampje kunt meten.

ouw deze schakeling met de normale verbindingsB draden. Stel de spanningsbron in op de spanning die bij het lampje hoort, zodat het op de normale manier brandt. Noteer de stroomsterkte en de spanning. Sluit daarna het lampje aan via de lange draad. Meet opnieuw de spanning en stroomsterkte. Verhoog vervolgens de spanning van de bron, totdat het apparaat normaal werkt. Meet weer de spanning en de stroomsterkte.

• •

Hoe komt het dat het lampje niet meer normaal brandt, als je het aansluit via een lange draad? Hoeveel extra spanning was er nodig om het lampje weer normaal te laten branden? Leg uit waarvoor deze extra spanning nodig is.

Activiteit 26 Statische elektriciteit Je onderzoekt de kracht tussen elektrisch geladen voorwerpen.

-

+ +

-

FIG 106

Je hebt nodig

Vragen

• • •

twee glazen staafjes met zijden doekje twee pvc-buisjes met wollen doekje draaitafeltje

Dit ga je doen • • • •

rijf een glazen staaf stevig met het zijden doekje en W leg de staaf op het draaitafeltje (zie figuur 106). Wrijf de tweede glasstaaf ook en houd die met de punt bij de eerste staaf. Doe dezelfde proef met de twee pvc-buisjes en de wollen doek. Doe de proef nog een keer, maar nu met een glasstaaf en een pvc-buisje.

H1

Elektrische apparaten

• • • • • •

Kun je de draaitafel met de twee glazen staafjes laten draaien? Trekken de twee geladen glasstaven elkaar aan of stoten ze elkaar af? Hoe zit dat met de pvc-buisjes? Leg uit of het pvc-buisje en de glasstaaf dezelfde lading hebben gekregen. De glasstaaf wordt door het wrijven positief geladen. Wat is dan de lading van de zijden doek geworden? Krijgt de pvc-buis een positieve of een negatieve lading? Gaan er tijdens het wrijven elektronen naar de pvc-buis toe of gaan ze er juist vanaf?

77


Afsluiten Afrondende opdrachten 1

d Vergelijk de energiekosten met de aanschafprijs. In hoeveel jaar is het energieverbuik even duur als de aanschaf?

Begrijp je alles al? a Blader door het hoofdstuk en kijk vooral naar alle

Toepassingsopdrachten

sleutelbegrippen en de samenvattingen.

b Noteer alle begrippen of onderdelen die je nog niet

Bij deze opdrachten pas je de kennis uit dit hoofdstuk toe in verschillende concrete situaties. De opdrachten zijn beschikbaar via www.impact-online.nl of het schoolnetwerk. A Elektrisch kunstwerk B Regelbare lampjes C Telefoon opladen met accu D Wietteler betrapt

goed genoeg begrijpt. Lees eerst de tekst bij elk begrip dat je nog niet begrijpt. d Streep de begrippen door die je nu wel begrijpt. e Vraag voor de overblijvende begrippen om uitleg bij de docent of een andere leerling.

c

2

Sleutelbegrippentest Doe de sleutelbegrippentest op www.impact-online.nl of op het schoolnetwerk.

3

Oud en nieuw a Schrijf van elke paragraaf op wat je al wist en wat

Test jezelf 1

Een elektriciteitsbedrijf vraagt ˆ 0,21 voor een kWh. a Een gemiddeld huishouden verbruikt jaarlijks 3 500 kWh elektriciteit. Wat kost dat? b Hoeveel kost dan 1 MJ elektrische energie? Een oude koelkast verbruikt per week 10 kWh. Een moderne koelkast slechts 3 kWh per week. c Hoeveel euro bespaar je per jaar met de moderne koelkast?

2

Een groot plasmascherm verbruikt jaarlijks 420 kWh (90 euro) aan stroom, terwijl een zuinige lcd-televisie met 160 kWh aan elektriciteit toe kan. Het scherm staat 4 uur per dag aan. a Bereken het vermogen van het plasmascherm. b Hoeveel kost 1 uur televisie kijken met een plasmascherm? c Hoeveel euro bespaar je jaarlijks met een lcd-televisie? d Bereken de stroomsterkte als de lcd-televisie aan staat.

3

Door een gloeilamp die op de netspanning werkt, gaat een stroom van 0,175 A. a Bereken het vermogen van de gloeilamp. b Een halogeenlampje werkt op een spanning van 12 V. Het lampje verbruikt per seconde evenveel energie. Bereken de stroomsterkte door het halogeenlampje. c Een andere gloeilamp met een weerstand van 885 Ω wordt parallel aangesloten op de gloeilamp. Bereken de totale stroomsterkte.

nieuw voor je was. Doe dat zo.

.

Dit wist ik al Dit was nieuw voor mij ........................... …………………………... ………………….. …………………………...

b Vergelijk jouw lijstje met dat van een andere leerling. Ga na of je alles bij a goed begrijpt.

4

Formules bij elektriciteit a Schrijf alle formules uit dit hoofdstuk op. Noteer bij elke formule ook de eenheden.

b Noem bij elke formule een situatie waarop je de formule kunt toepassen (dat hoef je niet verder uit te werken). Voorbeeld E = P·t eenheden: joule = watt × seconde of kWh = kW × uur. Een waterkoker van 1 800 W staat 6 minuten aan. Bereken het energieverbruik in J en in kWh.

5

Kies een elektrisch apparaat dat je vaak gebruikt a Zoek van het apparaat zoveel mogelijk gegevens op die te maken hebben met elektriciteit: spanning, vermogen, wissel- of gelijkspanning, geaard of niet. b Bereken met die gegevens de andere elektrische gegevens zoals stroomsterkte en weerstand. c Maak een schatting hoeveel joule of kWh het apparaat in een jaar verbruikt.

78


Afsluiten 4

5

Teken het schakelschema van de volgende schakeling: Drie identieke lampjes zijn parallel aangesloten op een gelijkspanning van 12 V. Met een schakelaar kunnen lampje 2 en 3 tegelijk aan- en uitgezet worden. In de schakeling zijn vier meters opgenomen die het volgende meten: de stroomsterkte door lampje 2, de stroomsterkte van de bron, de spanning over lampje 3 en de spanning van de bron. Geef voor elke formule aan of deze juist of onjuist geschreven is. a U = I·R c E = R·t e U = P·I

b R=

I U

d

P=

E t

f

I=

8 In figuur 108 zie je twee lijnen. Lijn A hoort bij een gloeilamp, lijn B bij een metaaldraad.

a Hoe kun je zien dat lijn A bij een gloeilamp hoort? b Bij welke lijn is de stroomsterkte evenredig met de spanning?

c Bij welke lijn is de verhouding tussen U en I constant? d Hoe kun je aan de grafiek zien dat de weerstand van het lampje kleiner is dan de weerstand van de metaaldraad?

9

P U

a Noteer welke woorden juist zijn in de volgende zin: Alle huishoudelijke apparaten zijn gemaakt om te werken op dezelfde spanning / stroomsterkte / weerstand. Daarvoor zijn alle apparaten in huis parallel / in serie geschakeld. Hoe meer apparaten aangesloten worden des te groter wordt de spanning / stroomsterkte / weerstand. Als er te veel apparaten tegelijk worden aangesloten, heet dat kortsluiting / overbelasting / aarding. In dat geval zal de aardlekschakelaar / fasedraad / zekering de stroom onderbreken. b Noteer met een kruisje in tabel 12 of de uitspraak geldt voor een parallelschakeling of een serieschakeling.

6

Moshe vindt in een doos een verzameling oude gloeilampen. Hij leest de informatie op de lampen. Lamp 1: 230 V, 40 W Lamp 3: 230 V, 400 mA Lamp 2: 25 W, 2,5 A Lamp 4: 6 V, 2,4 W a Door welke lamp is de stroomsterkte het grootst? b Welke lamp heeft de grootste weerstand? c Waarom kun je niet zeggen ‘De lamp met de grootste weerstand heeft de dunste gloeidraad’?

7

a Door de aan- en afvoerdraden van een gloeilamp

Uitspraak

loopt een even grote stroom als door de gloeidraad. Leg uit waarom de aan- en afvoerdraden lang niet zo warm worden als de gloeidraad. b Een schroefboormachine heeft een weerstand van 1,35 kΩ. De stroomsterkte is 17 mA. Bereken het vermogen van de schroefboormachine. c Een föhn heeft een veel groter vermogen dan een koelkast. Toch verbruikt een koelkast per jaar veel meer energie. Waardoor komt dat?

De stroomsterkte is overal gelijk. Elk apparaat werkt op dezelfde spanning. Hoe meer apparaten hoe kleiner de stroomsterkte. Alle apparaten gaan tegelijk aan en uit.

Serie

Parallel

TABEL 12

I (A)

10 a Beveiligt een aardlekschakelaar tegen brand of tegen stroom door je lichaam?

0,5

b Beveiligt een zekering tegen brand of tegen stroom door je lichaam?

lijn A

0,4

c. Bereken hoeveel lampen van 25 W kunnen worden aangesloten op een groep die gezekerd is met 16 A.

0,3

d Een hoogspanningsverbinding bestaat uit zes kabels naast elkaar. Door elke kabel kan maximaal een stroom van 1,7 kA lopen, de spanning is 380 kV. Bereken het maximale vermogen van de verbinding.

0,2 lijn B

0,1 0

0

1

2

3

4

5

6

Op www.impact-online.nl vind je een samenvatting en een proeftoets.

U (V)

FIG 108

H1

Licht en kleur

79


Impact Natuurkunde proefhoofdstuk