1.3 Spanning en stroomsterkte

ONTDEKKEN

Als je een lamp aansluit op een hogere spanning, gaat de lamp feller branden. Het vermogen neemt toe als de spanning groter wordt. Maar ook bij een lage spanning kan het elektrisch vermogen van een apparaat groot zijn. Dat heeft te maken met de stroomsterkte. Hoe zit dat precies?

PARAGRAAFVRAAG

Hoe hangt het vermogen van een apparaat samen met de spanning en de stroomsterkte?

BEGRIJPEN

Wat beweegt er als er stroom loopt?

Elektrische stroom bestaat uit bewegende geladen deeltjes. In een metaal bewegen alleen vrije elektronen. Dat zijn elektronen die niet gebonden zijn aan een atoom en daardoor vrij door het metaal kunnen bewegen. De atomen zelf kunnen niet bewegen in een vaste stof. Ook sommige vloeistoff en, zoals zout water, geleiden stroom. In zo’n geleidende vloeistof zijn er positief en negatief geladen ionen. In een vloeistof bestaat de elektrische stroom dus uit ionen en niet uit elektronen.

B In een metaal bestaat de elektrische stroom uit bewegende vrije elektronen. B In een vloeistof bestaat de elektrische stroom uit bewegende ionen.

Spanning en stroomsterkte

Elektronen gaan niet uit zichzelf door een draad stromen. De spanningsbron ‘duwt’ elektrische lading door de kring. Elektronen worden afgestoten door de negatieve pool van de spanningsbron en aangetrokken door de positieve pool. De spanning geeft aan hoe hard er ‘geduwd’ wordt. De elektronen kunnen pas gaan stromen als er een gesloten stroomkring is tussen de negatieve en de positieve pool.

De elektrische stroomsterkte door een apparaat geeft aan hoeveel lading er per seconde door dat apparaat gaat. Elektrische lading wordt gemeten in coulomb (C). Een stroom van 1 ampère betekent dus dat per seconde 1 coulomb lading door het apparaat beweegt (1 A = 1 C/s). Als de stroomsterkte twee keer zo groot is, stroomt er per seconde twee keer zo veel lading doorheen.

Omdat het niet altijd elektronen zijn die bewegen, is de volgende afspraak gemaakt: de richting van de elektrische stroom is van de pluspool naar de minpool (terwijl de elektronen van de minpool naar de pluspool bewegen).

B De spanning is de oorzaak van de beweging van de geladen deeltjes. B Een grotere spanning zorgt voor een grotere kracht op de geladen deeltjes. B Er loopt alleen een elektrische stroom als de stroomkring gesloten is. B De elektrische stroomsterkte is de hoeveelheid lading die per seconde door een apparaat gaat. Experiment 4: Vermogen en stroomsterkte

Experiment 5: Het vermogen van lampjes

Figuur 16 Atomen hebben een positief geladen kern waar negatief geladen elektronen omheen bewegen.

baan van een vrij elektron

Figuur 17 Beweging van een vrij elektron door een metaal

Figuur 18 Een gesloten stroomkring

elektrische stroom elektronenstroom

Figuur 19 Afspraak: de elektrische stroom loopt van de pluspool naar de minpool.

Figuur 20 Adapter voor laptop Vermogen, stroomsterkte en spanning

Vrije elektronen transporteren elektrische energie van de bron naar een aangesloten apparaat. In het apparaat wordt deze energie omgezet in nuttige energie en/of warmte. Bij een grotere stroomsterkte gaan er elke seconde meer elektronen door het apparaat, en wordt er meer energie omgezet. Het vermogen is evenredig met de stroomsterkte.

De energie die één elektron in het apparaat afgeeft, hangt alleen af van de spanning. Bij een grotere spanning is de kracht op de elektronen groter, en is de energie ook groter. Bij een grotere spanning geeft elk elektron meer energie af. Het vermogen van een apparaat is evenredig met de spanning.

B Het vermogen van een apparaat is evenredig met de elektrische stroomsterkte (het aantal elektronen). B Het vermogen van een apparaat is evenredig met de spanning (de energie van elk elektron).

GELIJKSPANNING EN WISSELSPANNING

Een batterij, een accu en een zonnepaneel leveren gelijkspanning. De ene pool is altijd positief, de andere negatief. De stroom gaat dus steeds dezelfde kant op. Het is gelijkstroom. Een dynamo levert wisselspanning. De twee polen van een dynamo wisselen voortdurend van teken. Bij vrijwel alle elektriciteitscentrales wordt elektriciteit opgewekt met een dynamo, en die centrales leveren dus ook wisselspanning. Ook het stopcontact levert wisselspanning. Bij apparaten in huis die op een accu werken, zoals een laptop, wordt een adapter gebruikt om de spanning aan te passen. De wisselspanning van het stopcontact wordt door de adapter omgezet in een gelijkspanning om de accu op te laden. Bovendien wordt de spanning verlaagd, omdat deze apparaten meestal op een lagere spanning werken.

Begrijpen

Maak de opgaven in je boek of online.

24

Waar of niet waar? Verbeter de onjuiste uitspraken. a Vrije elektronen bewegen in een gesloten stroomkring van de minpool naar de pluspool. b Door een huishoudelijk apparaat met een groot vermogen loopt een grote stroom. c Als de stroomsterkte twee keer zo groot is, bewegen er per seconde twee keer zo veel elektronen door het apparaat. d Wordt de spanning twee keer zo groot, dan wordt de energie die elk elektron afgeeft in het apparaat twee keer zo groot. e Een apparaat dat werkt op een lage spanning, bijvoorbeeld 12 V, heeft altijd een laag vermogen. f Een adapter zet wisselspanning om in gelijkspanning. g Hoe groter de spanning, hoe groter het vermogen (bij dezelfde stroomsterkte). h Hoe groter de stroomsterkte, hoe groter het vermogen (bij dezelfde spanning).

25

26

27

28

29

30

i Als er per seconde twee keer zo veel elektronen door een apparaat stromen en elk elektron twee keer zo veel energie afgeeft, is het vermogen van dat apparaat vier keer zo groot. j Een zonnecel levert gelijkspanning, net als een accu. Een dynamo levert wisselspanning, net als het stopcontact.

Een elektrische stroomkring bestaat uit een spanningsbron, een apparaat en aansluitdraden. a Welke deeltjes bewegen door de aansluitdraden? b Hebben deze deeltjes een positieve of een negatieve lading? c Geef aan in welke richting deze deeltjes bewegen. d Geef aan in welke richting de elektrische stroom loopt. e Verklaar waardoor er alleen een stroom loopt als de stroomkring gesloten is. f Wat gebeurt er met de deeltjes als de spanning groter wordt gemaakt?

De achterruitverwarming van een auto werkt op 12 V en heeft een even groot vermogen als een verwarmingselement in huis dat op 230 V werkt. a Leg uit in welk apparaat één elektron de meeste energie afgeeft. b Leg uit door welk apparaat de meeste elektronen per seconde stromen. c Geef aan in welk apparaat de meeste energie per seconde wordt omgezet.

Zuiver water geleidt geen elektrische stroom. a Leg uit waardoor zuiver water geen elektrische stroom geleidt. b Leg uit hoe je ervoor kunt zorgen dat water wel elektrische stroom geleidt.

Elektrische apparaten met een accu hebben vaak een adapter. a Levert een accu gelijkspanning of wisselspanning? b Leg uit waarom de meeste adapters niet alleen de spanning verlagen, maar ook de wisselspanning omzetten in gelijkspanning.

In de schakeling van figuur 21 is een lamp aangesloten op een spanningsbron. De stroomsterkte door de schakeling wordt op twee punten gemeten met een stroommeter. Welke uitspraak is waar? A De stroom door meter A2 is groter dan die door meter A1. B De stroom door meter A2 is even groot als die door meter A1. C De stroom door meter A2 is kleiner dan die door meter A1. D Door meter A2 loopt geen stroom.

Door een apparaat loopt een stroom van 2,5 A. a Geef aan hoeveel lading er per seconde door het apparaat stroomt. Een elektron heeft een lading van 1,6 · 10−19 C. b Leg uit hoe je daarmee kunt berekenen hoeveel elektronen er per seconde door het apparaat stromen.

Figuur 21

A2 A1

VOORBEELDOPGAVE 3

Een spaarlamp van 12 W is aangesloten op het lichtnet. Vraag: Bereken de stroomsterkte door de lamp. Antwoord: De netspanning is 230 V. Invullen in P = U ∙ I geeft: 12 = 230 × I De stroomsterkte is dus: I = 12 _ 230 =0,052 A

VOORBEELDOPGAVE 4

Op een batterij van 1,5 V staat dat de capaciteit 1200 mAh is. Vraag: a Bereken hoeveel lading deze batterij in totaal kan leveren. b Bereken hoeveel energie deze batterij in totaal kan leveren. Antwoord: a Q = I · t = 1200mA × 1uur = 1,2A× 3600s

Q = 4320C b P = U · I = 1,5 × 1,2 = 1,8 W

E = P · t = 1,8 × 3600 = 6,5· 103 J = 6,5kJ

Symbolen +

– spanningsbron (gelijkspanning)

spanningsbron (wisselspanning)

verbindingsdraad

schakelaar

lamp

regelbare spanningsbron

V

A spanningsmeter

stroommeter

weerstand

regelbare weerstand

led

aarde

Figuur 22 Symbolen van elektrische componenten BEHEERSEN

Rekenen met het vermogen

Het vermogen van een apparaat is evenredig met de spanning én evenredig met de stroomsterkte. Het verband tussen vermogen, spanning en stroomsterkte wordt gegeven door de volgende formule:

P = U ∙ I

In deze formule is P het vermogen (in W), U de spanning (in V) en I de stroomsterkte (in A).

Stroom en lading

Elektrische stroom bestaat uit bewegende lading. De stroomsterkte is gelijk aan hoeveel coulomb lading per seconde door een apparaat stroomt. Er geldt:

I =

Q _ t

In deze formule is I de stroomsterkte (in A), Q de lading (in C) en t de tijd (in s). De lading van één elektron is heel erg klein: 1,60·10−19 C. Eén coulomb lading komt overeen met 1 ________ 1,60 · 10−19 =6,25 · 1018 elektronen.

LADING UIT EEN BATTERIJ

Een batterij kan gedurende een bepaalde tijd stroom leveren. Hoe groter de stroomsterkte, hoe eerder de batterij leeg is. De totale lading die een batterij kan leveren bereken je door de formule om te schrijven naar Q = I · t. Die totale lading wordt soms ook de capaciteit genoemd, en uitgedrukt in Ah of in mAh. Een capaciteit van 20 Ah betekent dat de batterij gedurende 2 uur een stroom van 10 A kan leveren. Of gedurende 5 uur een stroom van 4 A.

Symbolen en schakelschema’s

Figuur 18 is een foto van een schakeling. In figuur 19 is dezelfde schakeling afgebeeld in een schakelschema. Dit soort schema’s worden vanwege de overzichtelijkheid veel gebruikt. Ze bevatten een aantal internationaal afgesproken symbolen. Enkele veelgebruikte symbolen staan in figuur 22.

31

32

33

34

35

36

De paragraafvraag is: Hoe hangt het vermogen van een apparaat samen met de spanning en de stroomsterkte? a Is het elektrische vermogen evenredig met de spanning, evenredig met de stroomsterkte of evenredig met beide? b Leg uit hoe je met de spanning en de stroomsterkte kunt berekenen hoeveel joule een apparaat per seconde verbruikt.

Een autolamp met een elektrisch vermogen van 55 W is aangesloten op een accu. De stroomsterkte door de autolamp is 4,6 A. a Bereken de spanning van de accu. b Bereken het aantal elektronen dat per seconde door de autolamp stroomt. c Bereken de stroomsterkte door een lamp van 55 W die is aangesloten op de netspanning van 230 V.

Bij een thuisnetwerk zijn er nogal wat onderdelen die continu aan staan (stand by), ook als ze niet gebruikt worden. Dat heet sluipverbruik. Bij een bepaald netwerk is er sluipverbruik door een router (7,5 W), modem (6,8 W), printer (3,3 W) en een computer met beeldscherm (2,9 W). Bereken de totale stroomsterkte bij dit sluipverbruik.

Een accu van 12 V levert 4,5 uur lang een stroomsterkte van 3,0 A. a Vul in: 12 V = …… joule per coulomb. b Vul in: 3,0 A = …… coulomb per seconde. c Bereken hoeveel joule de accu per seconde levert. d Laat zien dat de accu in 4,5 uur tijd 162 Wh aan energie levert.

Een wasmachine heeft een maximaal elektrisch vermogen van 3,0 kW. Tijdens een wasprogramma op 60 °C is de gemiddelde stroomsterkte 9,1 A. a Bereken het gemiddelde elektrisch vermogen voor het wasprogramma van 60 °C. b Leg uit of de stroomsterkte bij het maximaal vermogen groter dan, kleiner dan of even groot is als 9,1 A.

Bij een bliksemontlading verplaatst zich – 6,4 C lading in 10 ms van een wolk naar de aarde. a Bereken de gemiddelde stroomsterkte van deze bliksemschicht. b Bereken hoeveel elektronen hierbij uit de wolk naar de aarde zijn gestroomd. Door draad A stroomt elke seconde 0,15 C lading. Door draad B stroomt in de helft van de tijd driemaal zo veel lading. c Bereken de stroomsterkte door draad B.

Op een oplaadbare batterij van 1,2 V staat ‘2,5 Wh’. a Staat ‘2,5 Wh’ voor de capaciteit of voor het vermogen van de batterij? b Bereken hoeveel uur deze batterij een vermogen van 0,18 W kan leveren. c Bereken hoeveel uur deze batterij een stoomsterkte van 50 mA kan leveren. d Bereken de totale lading (in coulomb) die deze batterij kan leveren.

37

Experiment 6: Licht versus warmte van een gloeilamp

Experiment 7: Rendement van een elektromotor

Figuur 23

Oefenen A

Bekijk of je de belangrijkste onderwerpen van paragraaf 1.2 en 1.3 begrepen hebt.

38

39

40

41

42

In figuur 23 zie je twee geladen bollen. De ene bol is positief geladen en de andere bol is negatief geladen. a Trekken de bollen elkaar aan of stoten ze elkaar af? De twee bollen worden door een metalen draad met elkaar verbonden. b Leg uit in welke richting er even een elektrische stroom loopt door de geleidende draad. c Welke deeltjes zorgen voor het ladingstransport? d Leg uit in welke richting die deeltjes bewegen.

Hieronder staat een beschrijving van drie verschillende stroomkringen. Teken van elke stroomkring het schakelschema. a Een stroomkring met een gelijkspanningsbron, een schakelaar en een lamp. b Een stroomkring met een wisselspanningsbron, een motor, een lamp en een spanningsmeter. De motor en de lamp zijn in serie geschakeld. De spanningsmeter meet de spanning over de motor. c Fietsverlichting met een dynamo, een koplamp, een achterlicht en een stroommeter. De lampen zijn parallel geschakeld. De stroommeter meet de stroomsterkte door de koplamp.

Het opladen van je smartphone gaat via een adapter. De adapter is aangesloten op 230 V en gebruikt 0,15 A. De gemiddelde oplaadtijd is 90 minuten per dag. a Bereken het vermogen waarmee de smartphone wordt opgeladen. b Bereken hoeveel geld het opladen van je smartphone per jaar kost. Ga ervan uit dat 1 kWh € 0,46 kost. De adapter levert een spanning van 4,4 V. c Leg uit dat de stroomsterkte die de adapter levert veel groter is dan de stroomsterkte uit het stopcontact (0,15 A).

Een accu levert een spanning van 5,0 V. Daarop kan een smartphone 150 minuten werken. Het gemiddelde vermogen van de smartphone is dan 35 W. a Bereken de stroomsterkte door de accu. b Bereken de capaciteit van de accu in Wh.

In deze paragraaf komen de volgende begrippen aan bod: stroomsterkte, elektronen, spanning, lading, vermogen, coulomb, ampère, volt, watt. a Controleer of je alle begrippen kent. Noteer de begrippen die je nog niet goed kent en zoek op wat ze betekenen. b Sommige van deze begrippen zijn grootheden. Bij elke grootheid hoort een symbool en een eenheid. Noteer bij elke grootheid het bijbehorende symbool en de eenheid (of eenheden). c Geef aan welke formules bij deze grootheden horen.