Natuurwetenschappen GO! - Mens en maatschappij - inhoudstafel en thema 1 - proef 3

natuur-

wetenschappen

GO!

Mens en maatschappij natuurwetenschappen voor de derde graad aso M Dim nja arij itri De ke L Gov Cr am aer ae be t m rt er

So

Wat is Natuurwetenschappen GO!?

Natuurwetenschappen GO! bestaat uit twee leerwerkboeken voor natuurwetenschappen derde graad ASO. Ze bevatten de leerstof voor de vakken biologie, chemie en fysica, overeenkomstig de nieuwe leerplannen (2014).

Ze realiseren tevens de eindtermen biologie, chemie en fysica alsook de vakgebonden eindtermen wetenschappen.

Centraal in het concept van Natuurwetenschappen GO! staan wetenschappelijke geletterdheid en wetenschap voor de burger. Het is realistische wetenschap die leerlingen kunnen herkennen en toepassen in het dagelijks leven.

Natuurwetenschappen GO! biedt bovendien uitgebreide ondersteuning voor de leerkracht met handleiding en i-board en voor de leerlingen met aanvullend onlinelesmateriaal.

Inleiding De titel van dit leerwerkboek over de natuurwetenschappen is 'Mens en Maatschappij'.

Vanaf de achttiende eeuw kende de wetenschap een stormachtige vooruitgang en sindsdien is die vooruitgang niet meer gestopt en zal die ook niet meer stoppen. De wetenschappen en de daaruit voortvloeiende technologieĂŤn hebben vandaag een overdonderende impact op mens en maatschappij: niet alleen op ons persoonlijk leven, maar ook op alle domeinen van onze samenleving. In een democratische samenleving betekent dat ook dat iedereen wetenschappelijk geletterd moet zijn om mee verantwoorde beslissingen te kunnen nemen over de eigen toekomst en die van de maatschappij.

In de fysica hebben we het over elektriciteit (wie kan zich nog een leven voorstellen zonder?), over de wetten van kracht en beweging (waarmee bijvoorbeeld topsporters hun prestaties optimaliseren) en over trillingen (daar is er de leuke associatie met muziek, maar trillingen kunnen voor onze gezondheid ook risico’s inhouden, zoals geluidsoverlast).

In de biologie gaan we dieper in op de menselijke voortplanting, en komen ook de moderne reproductieve voortplantingstechnieken in beeld. Er is een thema over de beginselen van de erfelijkheid, en in het laatste thema gaan we op zoek naar wetenschappelijke kennis over hoe het leven evolueert en bestuderen we onze eigen biologische oorsprong.

Opbouw van elk thema

Elk thema start met een concrete en herkenbare context: de intro.

Dan volgt de leerstof, waarbij gefocust wordt op nieuwe begrippen, toepassingen, maatschappelijke en ethische kwesties.

Binnen de theorie vind je opdrachten die aangegeven worden met de twee icoontjes: Een opdracht die de leerling kan oplossen aan de hand van een goed begrip van de leerstof.

Raadpleeg ook het onlinelesmateriaal.

DEMO 1 CONTEXT

Blokjes demo bevatten experimenten die in de les uitgevoerd worden.

Blokjes context leveren extra informatie bij de leerstof of sluiten aan bij een concrete situatie uit het dagelijks leven.

3

In de kern van de zaak staan alle te kennen begrippen netjes onder elkaar. Een handig geheugensteuntje bij het studeren.

Op het einde van elk hoofdstuk vind je een ruim aanbod van opdrachten. Ze zijn gestructureerd in twee grote luiken: Leerstof verwerken en Omgaan met informatie.

Leerstof verwerken

Hier wordt het ‘leren leren’ ontwikkeld d.m.v. toepassingen en opdrachten, waarbij je de opgedane kennis en inzichten verder bijschaaft.

Omgaan met informatie Practicum

Hier vind je allerlei vormen van informatie verwerken. Dat kan zowel individueel als in groep, wat het samenwerkend leren bevordert.

Sommige thema’s bevatten ook een practicum. Dit is een uitdagende en motiverende leerlingenproef of experiment.

We wensen je veel succes!

De auteurs

4

Inhoud DEEL 1 Elektriciteit en magnetisme Thema 1 Van Volta tot de zonnewagen

9

Intro 10 1 De elektrische kring

10

2 De wet van Ohm

12

3 Vermogen van een weerstand

15

4 Schakeling van weerstanden

17

5 Magnetisme 5.1 Magneten 5.2 Magnetische velden 5.3 Magnetisch veld van de aarde 5.4 Magnetische krachtwerking van elektrische stroom 5.5 Toepassingen van magneten 5.6 De lorentzkracht 5.7 De elektromagnetische inductie

24 24 25 26 27 28 30 34

6 Energieproductie 6.1 De wisselstroomgenerator 6.2 Wisselspanning en wisselstroom 6.3 De transformator 6.4 De windturbine en waterkrachtcentrale 6.5 De elektrische centrale: de thermische centrale en de kerncentrale

35 36 37 37 38 38

7 De zonnecel

39

De kern van de zaak

40

Leerstof verwerken

43

Omgaan met informatie

54

Leerlingenpracticum 56

DEEL 2 KRACHT EN BEWEGING Thema 2 Bewegen

59

Intro 60 1 Veranderlijke bewegingen

61

2 De eenparig veranderlijke beweging 2.1 Versnelling 2.2 Definitie van de EVB 2.3 Afgelegde weg 2.4 Oppervlaktemethode

63 63 63 64 65

3 De vrije val en valversnelling

65

4 De eenparig cirkelvormige beweging

66

De kern van de zaak

68

Leerstof verwerken

69

Omgaan met informatie

71 5

Thema 3 Krachten

73

Intro 74 1 Kracht en beweging

75

2 Krachtstoot 2.1 Toepassingen in de sport 2.2 Toepassingen in het verkeer

76 76 78

3 Kracht bij cirkelvormige beweging of centripetale kracht

80

4 Gravitatiekracht

81

De kern van de zaak

84

Leerstof verwerken

86

Leerlingenpracticum 90

DEEL 3 Van trilling tot geluid Thema 4 Van trilling tot geluid

93

Intro 94 1 De harmonische trilling

95

2 Golven

99

3 Geluid 3.1 Kenmerken van geluid 3.2 Eigenschappen van geluidsgolven 3.3 Energie en geluid

102 103 106 115

De kern van de zaak

117

Leerstof verwerken

119

Omgaan met informatie

129

Leerlingenpracticum 131

DEEL 4 Voortplanting en erfelijkheid Thema 5 Voortplanting bij de mens

133

Intro 134 1 Het voortplantingsstelsel 1.1 Voortplantingsorganen van de man en hun functies 1.2 Voortplantingsorganen van de vrouw en hun functies 1.3 Teelbal en eierstok uitvergroot 1.4 Zaadcel en eicel onder de microscoop 1.5 Primaire en secundaire geslachtskenmerken 1.6 Sekse, gender en seksuele geaardheid

135 135 136 137 139 140 140

2 Hormonen voor de voortplanting 2.1 Geen voortplanting zonder hormonen 2.2 Een hormonaal feedbacksysteem regelt onze vruchtbaarheid 2.3 De menstruatiecyclus onder de loep 2.4 Geslachtshormonen en hun effecten 2.5 Gametogenese

142 142 142 143 145 145

6

3 De coïtus

147

4 De bevruchting 4.1 De vruchtbaarste dag 4.2 De route van de zaadcel 4.3 De eicel wordt bevrucht

148 148 148 149

5 De zwangerschap 5.1 De embryonale ontwikkeling 5.2 Het foetale leven 5.3 De hulporganen van de baby 5.4 Schadelijke invloeden uit de omgeving 5.5 Zwangerschapshormonen 5.6 Het lichaam verandert

149 149 152 152 154 157 158

6 De geboorte 6.1 De bevalling verloopt in drie fasen 6.2 Hormonale regeling

159 159 159

7 De lactatie 7.1 De borst 7.2 Hormonale regeling

160 160 160

8 Een tweeling (en meer)

161

9 Prenatale testen en postnatale zorg 9.1 Prenataal, vóór de geboorte 9.2 Postnataal, na de geboorte

163 163 164

10 Liever niet zwanger 10.1 Anticonceptie 10.2 Abortus

165 165 169

11 Als zwanger worden moeilijk lukt 11.1 Oorzaken van verminderde vruchtbaarheid 11.2 Medisch begeleide voortplanting

169 169 171

12 Met meer dan 7 miljard

172

De kern van de zaak

173

Leerstof verwerken

176

Omgaan met informatie

184

Thema 6 Erfelijkheid

187

Intro 188 1 Genotype en fenotype

189

2 Bruine ogen of blauwe ogen?

191

3 De wetten van Mendel 3.1 Historie 3.2 Twee erwtenplanten met maar een verschil 3.3 Twee erwtenplanten met onderling twee verschillen 3.4 Roze wonderbloemen en gespikkelde Andalusische hennen

194 194 194 196 197

4 Erfelijkheid bij de mens 4.1 Multipele allelen 4.2 Erfelijke afwijkingen bij de mens 4.3 Het menselijk genoom in beeld

198 198 199 202

De kern van de zaak

204

Leerstof verwerken

206

Omgaan met informatie

209

7

DEEL 5 Evolutie Thema 7 Evolutie van soorten

211

Intro

212

1 Het begrip soort

213

2 Soortvorming 2.1 Mutaties 2.2 Natuurlijke selectie en adaptaties 2.3 Soortvorming door isolatie 2.4 Toeval: genetic drift

213 214 214 217 218

3 Aanwijzingen voor de evolutietheorie 3.1 Feiten die Darwin verzamelde 3.2 Recente aanwijzingen

219 219 222

4 Evolutie van de mens 4.1 Gelijkenissen tussen de primaten 4.2 Evolutiestamboom van de mensapen 4.3 Hominisatie 4.4 Onze menselijke voorouders 4.5 Evolutiestamboom van de mens

227 227 228 229 231 234

De kern van de zaak

235

Leerstof verwerken

238

Omgaan met informatie

240

Leerlingenpracticum 242

Register 243

8

THEMA

1

Van Volta tot de zonnewagen Inhoud Intro 1 De elektrische kring 2 De wet van Ohm 3 Vermogen van een weerstand 4 Schakeling van weerstanden 5 Magnetisme 5.1 Magneten 5.2 Magnetische velden 5.3 Magnetisch veld van de aarde 5.4 Magnetische krachtwerking van elektrische stroom 5.5 Toepassingen van magneten 5.6 De lorentzkracht 5.7 De elektromagnetische inductie

6 Energieproductie 6.1 De wisselstroomgenerator 6.2 Wisselspanning en wisselstroom 6.3 De transformator 6.4 De windturbine en waterkrachtcentrale 6.5 De elektrische centrale: de thermische centrale en de kerncentrale

7 De zonnecel De kern van de zaak Leerstof verwerken Omgaan met informatie Leerlingenpracticum

•

DEEL 1

E le k t r i c iteit e n ma g n etisme

•

• Intro • Als je ’s morgens opstaat, je toilet maakt en ontbijt, maak je een aantal keer gebruik van elektriciteit om allerlei apparaten in te schakelen. Meestal sta je daar niet bij stil.

Elektriciteit is niet alleen thuis, maar ook in de hele samenleving enorm belangrijk. We gebruiken elektriciteit om trein en tram te laten rijden, voor verlichting en verwarming, voor communicatie met telefoon, radio, tv en computer en om allerlei machines en motoren te laten werken. We kunnen ons een leven zonder elektriciteit niet meer voorstellen.

We gebruiken gigantische hoeveelheden elektrische energie. Maar hoe komen we eraan?

Fig. 1.1 In een huis worden veel elektrische toestellen gebruikt.

1 De elektrische kring Om een smartphone of een tablet te laten werken, heb je een batterij nodig. Een batterij is een voorbeeld van een elektrische stroombron of spanningsbron. Ze levert ons de gewenste elektrische energie.

Als we een toestel of een geleider aansluiten op de bron, maken we een elektrische kring. Als de kring gesloten is, bewegen er elektrische ladingen door de kring, namelijk elektronen. Het bewegen van elektrische ladingen noemen we een elektrische stroom. De stroomsterkte is een maat voor het aantal bewegende ladingen per tijd door de doorsnede van een geleider. Stroomsterkte wordt uitgedrukt in ampère (A) en gemeten met een ampèremeter.

I=

Q t

Q staat voor de hoeveelheid lading. Ladingen worden uitgedrukt in coulomb (C). De coulomb is een heel grote eenheid. De lading van een elektron bijvoorbeeld bedraagt slechts -1,60 · 10-19 C. Als er per seconde een lading van 1 coulomb door een doorsnede van een geleider gaat, dan spreken we van een stroomsterkte van 1 ampère: 1A=1

C s

De bron geeft aan de ladingen energie mee zodat ze kunnen bewegen. De meegegeven energie per lading noemen we de spanning. Spanning drukken we uit in volt (V): zo lees je bv. op een batterij 1,5 V of 4,5 V. Dat is de spanning geleverd door de batterij. Spanning meet je met een voltmeter.

Als je een lamp wilt laten branden, dan heb je een lamp, een batterij verbindingssnoeren en een schakelaar nodig. In figuur 1.2 zie je een opstelling met open kring (schakelaar open) en een opstelling met gesloten kring (schakelaar gesloten). Eerder dan opstellingen te tekenen, maken we gebruik van schema’s om die kringen voor te stellen.

10

DEEL 1: Elektriciteit en magnetisme

A

B

S

S

S

S I

I

I I Fig. 1.2 A Open kring B Gesloten kring

We kunnen de elektrische stroom of de verplaatsing van ladingen best vergelijken met een waterstroom zoals bij de centrale verwarming.

Opdat het water door de radiator zou stromen, moet er een drukverschil zijn. Dat drukverschil wordt onderhouden door een pomp.

In figuur 1.3 zie je een gesloten waterkring: een schroef van Archimedes pompt water van laag naar hoog zodat het kan blijven stromen.

In het hogere punt heeft het water een hogere zwaarte-energie (potentiële energie) dan in het lagere punt. De pomp onderhoudt dat energieverschil.

Fig. 1.3 Vergelijking tussen een gesloten vloeistofkring en een elektrische stroomkring

Stroom ontstaat als gevolg van de spanning over de geleider.

A

B A

–

A

+

E Fig. 1.4 A Willekeurige verplaatsing van ladingen B Stroom ontstaat als gevolg van de spanning over de geleider.

In de elektrische kring speelt de spanningsbron de rol van pomp. Ook hier hebben we te maken met een verschil in potentiële energie tussen twee punten. De potentiële energie per lading heet potentiaal in een punt. De batterij of spanningsbron onderhoudt het potentiaalverschil tussen twee punten.

Spanning tussen twee punten is dus het verschil in potentiaal of potentiële energie per lading tussen die punten. Spanning wordt genoteerd met het symbool U. De spanning van een batterij is gelijkspanning. Bij gelijkspanning is de spanning constant in de tijd.

Een gelijkspanningsbron stel je symbolisch zo voor: Fig. 1.5 Symbool voor gelijkspanningsbron

Het korte dikke streepje stelt de minpool voor.

Het lange dunne streepje stelt de pluspool voor.

De spanning van het net is een wisselspanning van 230 V. De grootte van de wisselspanning verandert voortdurend in de tijd, maar heeft hetzelfde effect als een gelijkspanning van 230 V. Een wisselspanningsbron stel je zo voor: Fig. 1.6 Wanneer je een stekker van een bureaulamp in het stopcontact steekt, dan is er tussen de twee contactpennen van het snoer een spanning van 230 V die door de elektrische centrale wordt onderhouden.

Fig. 1.7 Symbool voor wisselspanningsbron

THEMA 1: Van Volta tot de zonnewagen

11

Hieronder zie je een voorbeeld van een schematische voorstelling van een elektrische kring, met een lampje waarover de spanning wordt gemeten en een ampèremeter die de stroomsterkte door je lampje meet.

Een voltmeter plaats je parallel op het toestel waarover je de spanning wenst te meten.

Een ampèremeter staat in serie met het toestel waardoor je de elektrische stroom wilt meten.

In een geleider lopen elektronen van - naar +, maar conventioneel loopt de stroom van + naar -. stroombron +

conventionele stroomzin – stroomgeleider

schakelaar

A V ampèremeter

omzetter (lamp)

context

Fig. 1.8 Schematische voorstelling van een elektrische kring

voltmeter

G e b ru ik e r o f omzetter?

Een lamp of een willekeurig toestel waardoor elektrische stroom gaat, wordt vaak de verbruiker genoemd.

In werkelijkheid is dat een foute term: er wordt geen stroom verbruikt. In een toestel wordt elektrische energie omgezet in een andere energievorm – bij een lamp bijvoorbeeld licht en warmte – en een betere term is dus omzetter.

Fig. 1.9 Een lamp verbruikt geen energie, maar zet elektrische energie om in een andere energievorm.

2 De wet van Ohm In een strijkijzer of een broodrooster zit een weerstand.

Ook voor de elektrische schakelingen in radio’s, tv’s en computers worden weerstanden gebruikt. De naam ‘weerstand’ geeft aan dat de elektrische stroom in zekere mate gehinderd wordt: de vrije elektronen ondervinden tijdens de verplaatsing door een geleider weerstand bij botsing op de roosterionen in die stof. Dat wordt weergegeven door de grootheid elektrische weerstand.

Sommige stoffen geleiden de elektrische stroom heel goed. We noemen ze goede geleiders. Alle metalen zijn goede geleiders. Andere stoffen geleiden de stroom minder goed: we noemen ze slechte geleiders. Sommige stoffen geleiden de stroom helemaal niet. We noemen ze niet-geleiders of isolatoren.

12

Fig. 1.10 Een elektrisch snoer bestaat uit koperdraden waarrond plastic of pvc als isolatiemateriaal is aangebracht.

DEEL 1: Elektriciteit en magnetisme

Koper is een heel goede geleider. Het is dan ook logisch dat de elektrische leidingen in huis uit koper bestaan; ze hebben immers een lage weerstand. De plastic isolatie rond de koperdraad heeft een hoge weerstand.

Geleiding en weerstand hangen dus samen. Hieruit volgt de definitie van weerstand: De weerstand R van een geleider is de verhouding van de spanning UR over de geleider tot de stroom die erdoor loopt.

R=

UR I

Een weerstand wordt genoteerd met het symbool R en uitgedrukt in ohm (Ω). De eenheid berekenen we 1V V als volgt: 1 Ω = =1 1A A Symbolisch stellen we weerstand zo voor: 47 kΩ

150 Ω

of

Fig. 1.11 Symbool voor een weerstand

DEMO 1

Hoe kunnen we de weerstand van een toestel bepalen?

Werkwijze We maken een elektrische stroomkring waarbij een dunne draad is opgenomen tussen twee punten P1 en P2. We bestuderen hoe die draad zich gedraagt in de schakeling.

Over de metalen draad schakelen we een spanningsbron met een veranderlijke spanning Ub. De spanning UR over de draad meten we met een voltmeter, de stroom I door de draad met een ampèremeter.

Tijdens de metingen houden we de temperatuur van de draad constant. Daarom mag je de spanning over de draad niet te groot kiezen.

Waarneming Door de spanning van de bron te veranderen, wijzigt de spanning over de draad. Meet de stroomsterkte door de draad bij een vijftal waarden van de spanning over de draad.

Noteer je metingen in de onderstaande tabel: U (V)

THEMA 1: Van Volta tot de zonnewagen

I (A)

I Ub

V V2 P2

UR

V1 P1

Fig. 1.12 Een metalen draad is in een elektrische stroomkring geplaatst.

R (Ω)

13

I

A

Als je de stroom I meet voor verschillende waarden van U vind je voor de I (UR )-grafiek een rechte door de oorsprong. Zet je UR in een grafiek als functie van I, dan vind je ook een rechte door de oorsprong.

A

B

I

UR U2

I2 U1

I1

0

U1

0

UR

U2

I1

I2

I

Fig. 1.13 A I (UR)-grafiek van een metalen draad B UR(I)-grafiek

Dus geldt: UR ~ I

of

UR = cte · I

of

UR = cte I

Met de definitie van weerstand volgt uit die grafiek voor een metalen draad: R=

U = cte I

De spanning UR over een metalen draad met weerstand R waardoor een stroom I loopt, is gelijk aan: UR = R · I

R = constant

Dat is de wet van Ohm. De wet is alleen van toepassing als de temperatuur van de draad constant gehouden wordt.

Elk elektrisch toestel biedt weerstand aan de elektrische stroom. Het begrip weerstand gebruiken we zowel voor de grootheid als voor de component of het toestel zelf.

De grootte van weerstanden kan variëren van een paar ohm tot heel grote waarden (1 MΩ = een megaohm of een miljoen ohm).

In elk elektronisch toestel zitten heel wat weerstanden. Ze zien eruit als kleine staafjes waarop kleurringen aangebracht zijn. Met behulp van de kleurringen kan je de waarde van de weerstand bepalen.

Fig. 1.14 Weerstanden in een elektronisch toestel

Raadpleeg het onlinelesmateriaal dat ter beschikking is over de betekenis van de kleurringen op weerstanden.

14

DEEL 1: Elektriciteit en magnetisme

3 Vermogen van een weerstand Met elektrische energie zetten we toestellen aan het werk om andere vormen van energie te produceren. Vaak is het de bedoeling om warmte te produceren. Dat gebeurt bijvoorbeeld als er stroom gaat door een broodrooster, een verwarmingselement van een wasmachine of in een koffiezetapparaat.

Maar ook een lamp, een boormachine, een computer en een tv-toestel worden warm. Om die warmte af te voeren, zijn ze voorzien van open roosters, ventilatoren en koelvinnen.

Als een elektrische ventilator draait, wordt elektrische energie omgezet in bewegingsenergie. In een lamp wordt elektrische energie omgezet in licht.

A

Fig. 1.15 Een elektrische ventilator

B

C

Fig. 1.16 A Een lamp zet elektrische energie om in stralingsenergie.

B Een broodrooster zet elektrische energie om in warmte-energie.

C Een boormachine zet elektriciteit om in mechanische energie.

Noteer voor een vijftal elektrische apparaten bij je thuis de energieomzetting.

Het vermogen van een elektrisch apparaat is de omgezette elektrische energie gedeeld door de tijd of de omgezette elektrische energie per seconde.

Een gloeilamp van 60 W heeft dus een maximaal vermogen van 60 W: elke seconde worden 60 J aan elekJ trische energie omgezet in licht en warmte. Vermogen wordt uitgedrukt in watt (W). 1 W = 1 . s De betekenis van het elektrisch vermogen kan je bepalen aan de hand van de volgende demo.

THEMA 1: Van Volta tot de zonnewagen

15

DEMO 2 Werkwijze We sluiten een lamp met een nominaal vermogen van 60 W (dat is het ontwikkeld vermogen bij optimale lichtsterkte) aan op de netspanning (230 V). We meten met een ampèremeter de stroomsterkte door de lamp.

Fig. 1.17 Opstelling elektrisch vermogen Waarneming De stroomsterkte bedraagt 0,26 A. Als we die waarde met de netspanning vermenigvuldigen, dan krijgen we:

0,26 A x 230 V = 0,26

C J J x 230 = 60 = 60 W s C s

Dat is het vermogen van de lamp.

Besluit Voor om het even welk elektrisch toestel geldt deze betrekking: Pel = U · I Voor de eenheid watt geldt dus de betrekking: 1W=1V·A=1

J s

Op elk elektrisch toestel staat het vermogen aangegeven, uitgedrukt in W (watt). Zoek een aantal elektrische toestellen in huis en lees het vermogen af op het toestel.

Bijvoorbeeld: fornuis, koelkast, tv, dampkap, toaster, mixer, stofzuiger, haardroger, wasmachine, koffiezetapparaat, computer. Vul de tabel aan. toestel

vermogen

Een elektrisch apparaat kan enkel elektrische energie omzetten als het aangesloten is op het net.

Het zet energie om zolang er elektrische stroom door loopt: de hoeveelheid energie kunnen we dus vinden door het vermogen te vermenigvuldigen met de tijd dat de stroom door het toestel loopt. energie = vermogen x tijd of Eel = P · t Hoe meer elektrische toestellen op een bepaald ogenblik aanstaan, hoe groter de afname van elektrische energie en hoe sneller de schijf in de elektriciteitsmeter draait.

16

Fig. 1.18 Elektriciteitsmeter

DEEL 1: Elektriciteit en magnetisme

Een hoeveelheid energie wordt uitgedrukt in joule. Daarbij geldt dat 1 J = 1 W · 1 s.

Vermits de seconde als eenheid van tijd een heel kleine eenheid is, zouden wij na verloop van een jaar een enorm getal krijgen op de teller en op de factuur. Om dat te vermijden, werd een praktische eenheid ingevoerd: de kWh, de kilowattuur.

De definitie is: 1 kWh = 1 kW x 1 h. Dat wil zeggen dat een toestel met een vermogen van 1 kW of 1 000 W dat 1 h ingeschakeld is, een hoeveelheid elektrische energie van 1 kWh heeft omgezet.

Opgelet: we zeggen niet ‘kilowatt per uur’ maar ‘kilowatt maal uur’.

1 kWh = 1 kW · 1 h = 1 000 W · 3 600 s = 3 600 000 J = 3,6 · 106 J = 3,6 MJ De kWh wordt als hoeveelheid energie door de elektriciteitsmaatschappij verkocht aan een vastgestelde prijs.

4 Schakeling van weerstanden In huis beschikken we over heel wat elektrische apparaten maar uit praktische overwegingen gebruiken we daarbij zo weinig mogelijk spanningsbronnen. Verschillende onderdelen van een muziekinstallatie en van een computer worden meestal geschakeld op een contactdoos die aangesloten is op het stopcontact.

Elektrische leidingen in een woning zijn opgesplitst in verschillende kringen die allemaal vertrekken uit de zekeringenkast en aangesloten zijn op één aansluiting op het net.

kWh

Fig. 1.19 Voorbeeld van een elektrische schakeling

Ook op een autobatterij zijn verschillende toestellen aangesloten: koplampen, achtermistlamp, autoradio …

Er zijn twee mogelijkheden om weerstanden te schakelen: de serieschakeling en de parallelschakeling.

Als je weerstanden achter elkaar schakelt, dan ontstaat een serieschakeling (figuur links). Bij een parallelschakeling (figuur rechts) zijn alle weerstanden parallel met elkaar en parallel met de bron aangesloten. Die schakeling bevat zogenaamde ‘knooppunten’, waar minstens drie geleiders samenkomen.

A

I

B

I R1

R1

R2 R2

Fig. 1.20 A Serieschakeling B Parallelschakeling

Om de eigenschappen en wetten van beide schakelingen te vinden, voeren we enkele metingen uit met behulp van gloeilampjes.

THEMA 1: Van Volta tot de zonnewagen

17

DEMO 3

Eig en sch a p p en van een s eries c hakeling

Serieschakeling met twee weerstanden Werkwijze We schakelen twee weerstanden R1 en R2 in serie op een bron met spanning Ub. Als je met een ampèremeter de stroom I meet op verschillende plaatsen, zie je dat de stroom overal gelijk is.

I Ub I R2

I

A

R1

A

A

Fig 1.21 Weerstanden in serie

Als je met een voltmeter de spanning over elke weerstand meet, zie je dat de som van de beide deelspanningen gelijk is aan de bronspanning: Ub = UR1 + UR2

I UR

V

Voor elke weerstand geldt de wet van Ohm.

2

Ub

UR

V

R2

Waarneming Schrijf de wet van Ohm voor elke weerstand.

1

R1

Fig 1.22 Spanningsverdeling in een serieschakeling

Serieschakeling met meer dan twee weerstanden Info Wat je hierboven ontdekte, geldt ook voor meer dan twee weerstanden. Dat principe wordt toegepast in de potentiometer.

In elektrische toestellen met een regelknop of potentiometer is een regelbare weerstand ingebouwd. Dat kan een schuifweerstand zijn voor continue regeling of een knop waarmee verschillende, vooraf bepaalde, instellingen kunnen worden ingesteld.

Dimmers, een volumeknop voor geluid en temperatuurregeling, bestaan meestal uit een weerstand waarvan de waarde varieert volgens de positie van de regelknop die verbonden is met het contact dat langs de weerstand schuift.

Fig. 1.24 Potentiometer

Rb

R’

R” U’

U”

U’ R’

Relektrisch apparaat Fig. 1.23 Serieschakeling met meer dan twee weerstanden

Fig. 1.25 Schuifweerstand

18

DEEL 1: Elektriciteit en magnetisme

Werkwijze Realiseer met lampjes en bron een serieschakeling. Bekijk de lichtsterkte van de lampjes en ga na wat er gebeurt als een lampje losgedraaid wordt of stuk gaat.

Waarneming

Verklaring

Eig en sch a p p en van een parallels c hakeling

DEMO 4

Werkwijze We schakelen twee weerstanden R1 en R2 parallel op een bron met spanning Ub. Er zijn twee knooppunten: 1 en 2.

Als je met een ampèremeter de stroom I vóór knooppunt 1, de stroom I1 door R1 en de stroom I2 door R2 meet, dan zie je dat: I = I1 + I2 De totale stroom is verdeeld over twee takken: een tak is een deel van de schakeling tussen twee opeenvolgende knooppunten.

Dat geldt ook als meer dan twee weerstanden geschakeld zijn.

A

B

I

I

Ub

Ub

A

V

A I1

R1

UR1

R1

A

2 I2

V

U

R2

1

2

V R2

A

UR2 1

Fig. 1.26 A Een parallelschakeling van weerstanden is een stroomverdeler.

B De spanning is overal gelijk.

Als je met een voltmeter de spanningen over de weerstanden en de bron meet, zie je dat: U = UR1 = UR2 De spanning is gelijk aan de spanning van de bron. Voor elke weerstand geldt de wet van Ohm.

THEMA 1: Van Volta tot de zonnewagen

19

Waarneming Schrijf de wet van Ohm voor elke weerstand.

Werkwijze Realiseer met identieke gloeilampjes de parallelschakeling uit de figuur. Bekijk de lichtsterkte van de lampjes en ga na wat er gebeurt als je een lampje losdraait.

Waarneming

Verklaring

context

Ele k triciteit en veiligheid

Elektrisch materiaal en elektrische toestellen worden gekeurd door CEBEC (Comité Electrotechnique Belge – Belgisch Elektrotechnisch Comité). Deze organisatie keurt het materiaal op zijn elektrische veiligheid, duurzaamheid, vermogen, waterdichtheid en temperatuurverhoging bij gebruik. Gebruik enkel gekeurde toestellen.

Elektrische kringen thuis zijn beveiligd. Er is enerzijds de beveiliging van de apparaten en anderzijds de beveiliging van de mens.

Apparaten worden beveiligd door middel van smeltveiligheden of door middel van automaten; de beveiliging van de mens gebeurt door de verliesstroomschakelaar of differentieelschakelaar en de aarding.

Fig. 1.27 Logo CEBEC

230 V

15 W 25 W 40 W 60 W Fig. 1.28 In een elektrische installatie staan vele apparaten parallel. We bekijken de schakeling van vier lampen op een contactdoos verbonden met een stopcontact.

Met de formule voor elektrisch vermogen kunnen we de stroomsterkte berekenen die door elke lamp afzonderlijk stroomt.

I1 =

15 W = 0,065 A 230 V

I2 =

25 W = 0,109 A 230 V

I3 =

40 W = 0,174 A 230 V

I4 =

60 W = 0,261 A 230 V

Opdat al die lampen gelijktijdig zouden kunnen branden, moet het net minimaal een stroomsterkte van I = I1 + I2 + I3 + I4 = 0,609 A leveren.

20

DEEL 1: Elektriciteit en magnetisme

zekering 230 V

Fig. 1.29 Huishoudelijke toestellen worden ook parallel aan het net geschakeld.

De stroomsterkte, die het net moet leveren, wordt groter naarmate het aantal ingeschakelde toestellen toeneemt.

Als er te veel toestellen gelijktijdig in werking zijn, wordt de stroomsterkte zo groot dat de automatische zekering de stroomtoevoer uitschakelt.

Hoe meer toestellen parallel geschakeld worden, hoe groter de stroom door de draden naar de bron. Hoe groter de stroom, hoe groter de warmteontwikkeling. Om te voorkomen dat er brand ontstaat, plaatst men de smeltveiligheid: die gaat bij bepaalde waarde van de stroom doorbranden. De smeltveiligheid is berekend voor bepaalde waarde van de stroom en beveiligt de apparaten in de kring.

Smeltveiligheden kunnen een draadje bevatten dat doorbrandt bij bepaalde waarde van de stroom (nooit zelf herstellen!) of kunnen een mechanisme bevatten dat de kring onderbreekt bij bepaalde stroomsterkte. In het eerste geval is de smeltveiligheid kapot en moet je die vervangen; in het tweede geval gaat het om een automatische veiligheid die opnieuw kan worden ingeschakeld als de oorzaak van de overbelasting weggenomen is. We spreken van een automaat.

Fig. 1.30 Zekeringenkast

Fig. 1.31 Dominostekker

Omwille van overbelasting is het verboden dominostekkers te gebruiken. Gebruik altijd veilige contactdozen.

THEMA 1: Van Volta tot de zonnewagen

21

context

G e v a ren va n elektric iteit

We bekijken een elektrisch apparaat, bijvoorbeeld een lamp, van nabij. Als we een snoer ontmantelen, dan merken we de twee geleiders op. Beide geleiders zijn goed geïsoleerd in het snoer. Door gebruik kan echter sleet komen op de isolatie, waardoor een kortsluiting kan ontstaan. Contact van een defecte draad met het metalen omhulsel van een toestel (bv. een koelkast, een wasmachine ...) kan tot gevolg hebben dat er stroom ‘lekt’ naar het omhulsel van de machine, zodat bij aanraking van het toestel de elektrische stroom langs het lichaam naar de aarde loopt. Dat kan elektrocutie tot gevolg hebben.

Tegenwoordig zijn alle toestellen ‘geaard’. In het snoer zitten drie draden (zie ook fig. 1.10): • de fasedraad (bruin), • de neutrale draad (blauw), • de aardingsdraad (groen-geel).

De eerste twee geleiden de elektrische stroom. De laatste is verbonden met het metalen omhulsel van het toestel en via het stopcontact met de aardingslus: een koperen geleider die rond het huis diep in de grond is ingegraven.

Fig. 1.32 Een wasmachine is geaard.

De verliesstroomschakelaar of differentieelschakelaar en de aarding zijn bedoeld om de mens te beveiligen tegen elektrische schokken. De aarding geleidt de lekstroom naar de aarde.

De verliesstroomschakelaar vergelijkt voortdurend de stroomsterkte in de fasedraad en de neutrale draad. Normaal gezien zijn die gelijk. Als een verschil wordt gemeten, moet er ergens een lek zijn.

Zodra de differentieelschakelaar een verschil van meer dan 30 mA detecteert, wordt de stroom binnen de 0,2 s uitgeschakeld. Die tijd is zo kort dat geen elektrocutie kan optreden.

Bij stroomverlies schakelt de verliesstroomschakelaar, sneller dan een smeltveiligheid, onmiddellijk de hele kring uit. Pas nadat de fout hersteld is, kan je de verliesstroomschakelaar weer inschakelen. Als je de fout niet vindt, moet je een vakman raadplegen, in dit geval een elektricien.

Het menselijk lichaam is een geleider van elektrische stroom. Als er een sterke elektrische stroom door het lichaam gaat, kan dat de dood tot gevolg hebben. We noemen dat ‘elektrocutie’. Het is dan ook heel belangrijk om de veiligheidsvoorschriften in acht te nemen bij het werken met elektriciteit en met elektrische apparaten. elektrisch vuur defecte isolatie

metalen omhulsel staat onder spanning

stopcontact toevoerkabel zonder aarding toevoerkabel met aarding

metalen omhulsel is geaard

Fig. 1.33 Een aarding heeft als doel om bij mogelijk stroomverlies de mens te beschermen tegen elektrische schokken.

22

DEEL 1: Elektriciteit en magnetisme

Naargelang van de omstandigheden waarin we ons bevinden, is ons lichaam een min of meer goede geleider. Het is immers voor 70 % opgebouwd uit water, met daarin tal van opgeloste stoffen. Bij elektrocutie verspreidt de stroom zich via de bloedsomloop en de zenuwen. Vooral het hart is een teer punt: het is het centrale gedeelte van de bloedsomloop en dus vaak de eerst getroffen plaats in het menselijk lichaam.

Elektrocutie kan op twee manieren optreden: • door rechtstreekse aanraking: dat gebeurt als de twee geleiders tegelijk aangeraakt worden, of bij aanraking van één geleider terwijl er contact is met de grond; • door onrechtstreekse aanraking: het metalen omhulsel van een toestel (de massa) kan onder spanning komen als de isolatie beschadigd is; bij aanraking van die massa kan elektrocutie optreden.

De gevolgen van elektrocutie zijn afhankelijk van verschillende factoren.

1 Vooral de stroomsterkte oefent een grote invloed uit: hoe groter die is, hoe ernstiger de gevolgen. Er worden niet alleen zware brandwonden veroorzaakt, een heel grote stroomsterkte kan zelfs dodelijk zijn.

• De meeste mensen nemen een stroomsterkte van 1 mA waar als een lichte kriebeling.

• Bij een stroomsterkte van 30 mA verkrampen de spieren; dat wil zeggen dat je de aangeraakte spanningsbron niet meer kan loslaten.

• Zware ademhalingsmoeilijkheden krijg je vanaf 50 mA. • Tussen 100 en 200 mA treedt fibrillatie op: het hart begint volledig onregelmatig te kloppen, zodat geen enkel orgaan nog van bloed wordt voorzien. Dat heeft hetzelfde effect als een heel zware hartaanval.

• Een stroom van 1 A veroorzaakt zulke zware brandwonden dat huid en weefsels onherstelbaar beschadigd zijn.

2 Wélke stroomsterkte er bij een ongeluk door je lichaam loopt, hangt af van de aangeraakte spanning en van de weerstand van het lichaam. Die weerstand is veranderlijk en kan schommelen tussen 200 000 Ω (als de huid droog en zuiver is) en 200 Ω (als ze vochtig of bezweet is).

Met de formule voor weerstandswaarde zie je meteen hoe gevaarlijk het aanraken van de netspanning kan zijn.

220 = 0,0011 A = 1,1 mA 200 000 220 • vochtige huid: I = = 1,1 A 200

• droge huid: I =

Zelfs een spanning van enkele tientallen volt kan in het laatste geval al heel gevaarlijk zijn!

3 Ook de aanrakingstijd speelt een grote rol: al vanaf enkele seconden treedt er een blijvend letsel op. De organen die het gevoeligst zijn voor elektrocutie zijn uiteraard de hersenen en het hart.

Bij elektrocutie is vooral de grootte van de stroomsterkte belangrijk.

Ook de aanrakingstijd speelt een rol: vanaf enkele seconden ontstaat een blijvend letsel.

THEMA 1: Van Volta tot de zonnewagen

23

5 Magnetisme We stellen het volgende vast: • Magneten vind je op vele plaatsen: op de deur van de koelkast, in de dynamo van je fiets en in een luidspreker.

• Bepaalde metalen (ijzer, kobalt en nikkel) worden door een magneet aangetrokken.

• Een ijzeren staaf, geplaatst in een spoel waar stroom door loopt, bezit de eigenschap ijzeren voorwerpen aan te trekken.

• Een kompasnaald richt zich steeds met één uiteinde naar het noorden.

• De gloeidraad van een kooldraadlamp met een magneet gaat hevig trillen als je een magneet in de buurt brengt.

Fig. 1.34 Magneten vind je in vele toepassingen. Ze hebben o.m. als eigenschap dat ze bepaalde materialen aantrekken.

Wat zijn magneten? Wat is magnetische werking en waardoor wordt ze veroorzaakt?

In wat volgt, proberen we op die vragen een antwoord te vinden.

5.1 Magneten Al in de oudheid was bekend dat bepaalde mineralen zoals magnetiet en pyrrotiet de eigenschap hebben kleine stukjes ijzer aan te trekken. Blokjes uit magnetiet (Fe3O4) waren de eerste bekende magneten. De Chinezen gebruikten een brokje van het mineraal als kompas voor navigatie.

Een lichaam dat de eigenschap bezit stukjes ijzer aan te trekken, noemen we een magneet. Er zijn stoffen die van nature magnetisch zijn, maar we kunnen aan ijzer en staal die eigenschap ook geven: • een ijzeren staaf, geplaatst in een spoel waar elektrische stroom door loopt, bezit die eigenschap zolang er stroom door de spoel gaat. Bij het uitschakelen van de stroom verdwijnt de magnetische werking. We spreken van een elektromagneet; • staal kan de eigenschap wél behouden na uitschakelen van de stroom. Een stalen staaf wordt een permanente magneet. Permanente magneten kunnen natuurlijk of kunstmatig zijn: de magnetische werking blijft.

Magneten kunnen in verschillende vormen voorkomen. Enkele vormen van permanente magneten zijn de staafmagneet, de ringmagneet, de hoefijzermagneet en de vlakke magneet.

N

N

Z

N

Z

Z

N

N

Z

Z

Z N

Fig. 1.35 Magneten in diverse uitvoeringen

24

DEEL 1: Elektriciteit en magnetisme

Magnetische werking is een krachtwerking: de kracht gaat uit van de twee uiteinden. Het ene uiteinde noemen we noordpool, het andere zuidpool. Elke magneet heeft twee polen die even sterk zijn. Als je twee magneten vrij ophangt of draaibaar opstelt, dan kan je vaststellen dat gelijksoortige polen elkaar afstoten en ongelijksoortige polen elkaar aantrekken.

Z

Z

N

Z

N

N Z

N

Fig. 1.36 Magneten oefenen krachten uit op elkaar.

5.2 Magnetische velden Het gebied rond de magneet waar kracht uitgeoefend wordt op een deeltje ijzer of op een andere magneet heet het magnetisch veld. Als de kracht groot is, is het veld sterk. Als de kracht klein is, is het veld zwak.

De krachtwerking kan je zichtbaar maken door middel van ijzerpoeder en kleine kompasnaaldjes. Als we het veld van een staafmagneet en hoefijzermagneet op die manier bekijken, zien we dat het ijzerpoeder lijnen vormt. De kompasjes richten zich langs die lijnen buiten de magneet met hun noordpool gericht naar de zuidpool van de magneet. Dat lijnenpatroon heet het magnetisch spectrum.

Tussen twee ongelijksoortige polen is er een gebied waar de veldlijnen dicht bij elkaar liggen en evenwijdig zijn: dat is een homogeen veld. De veldsterkte is er overal gelijk.

N

Fig. 1.37 Veldlijnen kan je zichtbaar maken met ijzervijlsel.

Z

Fig. 1.38 Homogeen veld

De zin van veldlijnen is vastgelegd van noord naar zuid buiten de magneet. Het is de zin die de noordpool van een kompasje zou volgen bij beweging in het veld. Magnetische veldlijnen kunnen elkaar nooit snijden.

De krachtwerking in het magnetisch veld wordt beschreven door → de magnetische inductie B. Inductie wordt gemeten met een teslameter. →

De magnetische inductie B in een punt P van een magnetisch veld heeft: • als aangrijpingspunt het punt P; • de richting van de kompasnaald in P; • dezelfde zin als de zin waarin de noordpool van de kompasnaald wijst.

THEMA 1: Van Volta tot de zonnewagen

25

Fig. 1.39 Magnetische veldsterkte meet je met een teslameter.

→

De grootte van B geeft de sterkte van het magnetisch veld in het punt P aan. Ze wordt uitgedrukt in tesla (T).

BP

Q

BQ

R

P N

BR

Z

N

Z

N

Z

Fig. 1.40 Zin van de magnetische veldlijnen en de magnetische veldsterktevector

Uit de tabel kan je afleiden dat 1 T een grote waarde is.

Tabel 1: Grootteorde van de magnetische inductie van enkele magneetvelden in het oppervlak van een neutronenster

108 T

heel sterke magneet in een onderzoekslaboratorium

35 T

magneet in een CT-scanner

1,5 T

staafmagneet

10–1 T

aardmagnetisch veld in Vlaanderen

5 · 10–5 T

kleinste waarde in een magnetisch afgeschermde kamer

10–14 T

We maken de volgende afspraken bij het tekenen van veldlijnen: • een veldlijn die loodrecht op het vlak van dit blad staat en naar voren komt, stellen we voor door een cirkel met een punt in het midden. Je ziet de pijlpunt; • als de veldlijn naar achteren gaat in het vlak van het papier, dan stellen we ze voor door een cirkel met een kruis. Je ziet de veer van de pijl; • waar de cirkels dicht bij elkaar staan, is het veld groot; • waar de cirkels op gelijke afstand staan, is het veld homogeen.

in

uit

Fig. 1.41 De veldlijnen komen uit het vlak naar voren.

Fig. 1.42 De veldlijnen gaan in het vlak naar achteren.

5.3 Magnetisch veld van de aarde De aarde waarop wij leven is een reusachtige magneet. Je kan de aarde voorstellen als een grote staafmagneet, waarvan de magnetische noordpool gelegen is in de nabijheid van de geografische zuidpool en de magnetische zuidpool in de buurt van de geografische noordpool.

N-pool

Z

N

Fig. 1.43 Magnetisch veld van de aarde

Z-pool

26

DEEL 1: Elektriciteit en magnetisme

5.4 Magnetische krachtwerking van elektrische stroom I

Fig. 1.44 Hans Oersted was ervan overtuigd dat er een verband bestond tussen magnetisme en elektriciteit.

Fig. 1.45 Magnetische veldlijnen bij een rechte geleider

De Deen Oersted was overtuigd van het feit dat magnetisme te maken had met elektriciteit en dat er een verband tussen beide was. In 1820 ontdekte Oersted dat een kompasnaald gaat draaien in de buurt van een draad waar een elektrische stroom door loopt. De krachtwerking op het kompas en de draaizin zijn afhankelijk van de grootte en de zin van de elektrische stroom.

Omgekeerd oefent ook een permanente magneet een kracht uit op een stroomvoerende geleider. Magnetische krachtwerking is een uitwerking van elektrische stroom. Magnetisme vindt zijn oorsprong in de elektrische stroom.

Wanneer je een geleider rond een cilinder wikkelt, krijg je een spoel. Veel apparaten bevatten een spoel: een elektrische bel, een dynamo ‌

l

I Fig. 1.46 Een spoel is een elektrische component die bestaat uit wikkelingen die geleiden.

I

Fig. 1.47 Wikkelingen rond een cilinder

Draden, windingen en spoelen waar stroom door loopt, hebben een magnetisch veld. Het veld van een spoel of solenoĂŻde is zoals het veld van een staafmagneet. De krachtwerking is vrij zwak buiten de spoel maar sterk in de spoel en aan de uiteinden.

Z

Z I

I

N

N

THEMA 1: Van Volta tot de zonnewagen

27

Fig. 1.48 Analogie tussen spoel en staafmagneet

De zin van het veld is afhankelijk van de zin van de stroomsterkte I, en van de wijze waarop de draad op de kern werd gewonden (links- of rechtsdraaiend).

Als je een grijpende beweging maakt met de rechterhand terwijl je de vingers in de zin van I houdt, wijst de duim de zin van de veldlijnen aan.

De magnetische werking van de elektrische stroom wordt gebruikt om elektromagneten te maken of om staal permanent te magnetiseren. Dat doet men door de kern van ijzer of staal in een spoel te plaatsen. Bij het inschakelen van de stroom wordt de ijzeren of stalen kern magnetisch. We noemen dat een elektromagneet.

Bij het uitschakelen van de stroom verliest ijzer zijn magnetische werking; staal behoudt zijn magnetische werking. Zo worden permanente magneten uit staal gemaakt.

Een magneet kan je wel breken, maar dan krijg je twee nieuwe magneten. Noord- en zuidpool zijn niet te scheiden van elkaar. Zij stellen een krachtwerking voor.

Fig. 1.49 Veldlijnen bij een spoel, met de rechterhandregel voor de spoel

Vergelijk de magnetische krachtwerking met ladingen. Ladingen kan je wel scheiden van elkaar. Verklaar het verschil.

5.5 Toepassingen van magneten • Permanente magneten worden gebruikt als deursloten: koelkastdeuren sluiten doordat een magnetische strip in het deurkader aangetrokken wordt door de ijzeren kast. Ook keukenkasten kunnen gesloten worden met een magneetslot.

• Op een letterbord vind je magnetische letters. Onder de plastic oppervlakte van het bord zit een ijzeren blad. De letters bevatten achteraan een magneetje.

• Een bankkaart bevat op de bruinzwarte strook een magneet: de strook bevat een code die door de geldautomaat wordt gelezen.

• Elektromagneten kennen eveneens een hele reeks toepassingen: hefkranen die worden gebruikt bij het optillen van ijzeren voorwerpen, schroot van auto’s e.d. of bij het sorteren van ferromagnetisch materiaal uit afval werken volgens dit principe. De magnetische werking van elektromagneten is doorgaans veel groter dan van permanente magneten.

• Ook de elektrische bel, de werking van waterkleppen bij een wasmachine, de telefoon en de luidspreker zijn toepassingen van de elektromagneet.

Fig. 1.50 We worden omringd door voorwerpen met een magnetische werking.

28

DEEL 1: Elektriciteit en magnetisme

context

D in g d o n g d eurbel

dong

De figuur hiernaast stelt schematisch een dingdongdeurbel voor. In de spoel zit een staaf die gedeeltelijk uit ijzer bestaat. Als je op de belknop duwt, wordt de stroomkring gesloten, zodat er een stroom door de spoel loopt.

Er ontstaat een magnetisch veld, waardoor het ijzeren gedeelte van de staaf in de spoel wordt getrokken. De staaf slaat tegen een metalen plaat en de veer wordt uitgerekt. Als je de belknop loslaat, wordt de schakelaar geopend: het magnetisch veld valt weg, het ijzer wordt niet meer aangetrokken en de veer trekt de staaf de andere kant op waar ze tegen de andere metalen plaat slaat. Het aanslaan van beide metalen rechts en links veroorzaakt het bekende dingdonggeluid.

veer

ding ijzer

drukknop

1.51 Schematische voorstelling van een dingdongdeurbel

context

A u to ma tische zekering

Zoals we al leerden in de contextkader Elektriciteit en veiligheid op p. 22 worden de elektrische kringen beveiligd met smeltzekeringen en automatische zekeringen.

Die laatsten bevatten een elektromagneet A waardoor de stroom van de kring loopt. De elektromagneet oefent een kracht uit op een plaatje B. Als de waarde van de stroom te groot wordt (bv. door een kortsluiting), dan wordt het plaatje zo sterk aangetrokken dat de hefboom kantelt waardoor de kring geopend wordt en de stroom onderbroken wordt. Je moet de knop C terug indrukken om de kring (na herstelling van de fout!) terug te sluiten.

Een belangrijk onderdeel in de veiligheids– en automatiseringstechnieken is het relais. Daarmee kunnen kringen op afstand worden geopend en gesloten. Er zijn altijd twee onafhankelijke kringen: de stuurkring (laagspanning) en de hoofdkring. Wanneer de schakelaar in de stuurkring gesloten wordt, loopt een stroom door de kring en wordt de ijzeren kern magnetisch waardoor een ijzeren plaatje wordt aangetrokken. Daardoor wordt de hoofdkring gesloten of geopend. Dat kan bijvoorbeeld een hoogspanningskring zijn.

D C

A B

D A C

B

S1 Fig. 1.52 Schematische voorstelling van een automatische zekering

verbruiker

stuurkring S2 veer hoofdkring

THEMA 1: Van Volta tot de zonnewagen

Fig. 1.53 Schematische voorstelling van een schakeling met relais

29

context

MR I-sca n

Een nieuwe techniek in de geneeskunde is de MRI-scan (voluit: magnetic resonance imaging). Dat systeem laat toe om een beeld te vormen van het binnenste van een lichaam, zonder het daarvoor van binnenuit te moeten bekijken. De patiënt wordt in een tunnel met sterk magnetisch veld geschoven en bestraald met een ongevaarlijke straling.

Het lichaam bestaat voor het grootste deel uit water. De waterstofatomen in de watermoleculen hebben een bepaalde ‘spin’ (= een rotatie om hun as). Wanneer die de straling absorberen, verandert hun spin. Bij het terugkeren naar de oorspronkelijke toestand sturen ze een straling uit die door een computer geregistreerd en verwerkt wordt. Zo wordt informatie verkregen over elk punt uit het lichaam. Die straling is typisch voor het weefsel of orgaan. De computer verwerkt alle gegevens tot beelden per schijfje uit het lichaam.

Fig. 1.54 De MRI-scan laat toe om een beeld te vormen van het binnenste van een lichaam, zonder het daarvoor van binnenuit te moeten bekijken.

5.6 De lorentzkracht 5.6.1

De lorentzkracht Een permanente magneet veroorzaakt een magnetisch veld en ondervindt een krachtwerking als ze in het veld van een andere magneet komt. Oersted toonde al aan dat rond stroomvoerende draden en spoelen een magnetisch veld ontstaat dat een permanente magneet beïnvloedt. Het is dan ook niet zo vreemd dat bewegende ladingen en stroomvoerende geleiders ook een kracht ondervinden in een magnetisch veld.

Het effect van de kracht uitgeoefend door een magneet op een stroomvoerende draad kan je duidelijk zien als je een brandende kooldraadlamp nadert met een magneet.

Fig. 1.55 Kooldraadlamp met magneet

Waarom gaat die draad aan het trillen?

In vele toestellen zit een elektrische motor. De werking daarvan is gebaseerd op de kracht die een magnetisch veld uitvoert op een stroomvoerende geleider.

30

Fig. 1.56 De werking van een elektrische motor is gebaseerd op elektromagnetisme.

DEEL 1: Elektriciteit en magnetisme

We bestuderen de krachtwerking van magnetische velden op vrije ladingen en stroomvoerende geleiders. Een Crookesbuis is een glazen buis, gevuld met een gas onder lage druk. Tussen twee elektroden in de buis wordt een hoge spanning aangelegd. Aan één elektrode komen elektronen vrij; ze bewegen naar de andere elektrode op een rechte baan. Als we naderen met een magneet loodrecht op de snelheid van de elektronen, buigen ze af. De zin van het afbuigen hangt af van de zin van het magnetisch veld. Dat effect is gekend als de lorentzkracht. Ook op positieve ladingen die bewegen in een magnetisch veld werkt de lorentzkracht.

Grootte van de kracht: F = B · v · Q

Fig. 1.57 Hendrik Antoon Lorentz

Fig. 1.58 Crookesbuis zonder en met magnetisch veld

5.6.2

De kracht op stroomvoerende geleiders Op ladingen die bewegen in een magnetisch veld werkt een lorentzkracht.

Een elektrische stroom bestaat uit bewegende ladingen. De kracht die door een magnetisch veld wordt uitgeoefend op een stroomvoerende geleider werd al door Laplace aangetoond. De krachtwerking wordt de laplacekracht genoemd maar is een gevolg van de lorentzkracht.

Op de afbeelding zie je een horizontale geleider die in het veld van een hoefijzermagneet opgehangen is. In figuur A loopt er geen stroom door de geleider. Als door de geleider een stroom loopt (zie fig. B), beweegt de geleider opzij (hier naar links). Als de stroomzin omkeert (zie fig. C), beweegt de geleider de andere kant op (hier naar rechts ). Als je de polen van de magneet omkeert, werkt de kracht in de andere richting.

A

B

Fig. 1.59 Pierre Laplace

C

Fig. 1.60 Lorentzkracht op een stroomvoerende geleider

De elektrische stroom door de geleider is een beweging van ladingen (elektronen): op elke lading die beweegt in een magnetisch veld werkt de lorentzkracht. De totale kracht op al die ladingen is de kracht op de geleider.

THEMA 1: Van Volta tot de zonnewagen

31

De kracht staat loodrecht op het vlak van de stroom I en de veldlijnen van het magnetisch veld met inductie B. De richting en zin van de kracht vind je met de rechterhandregel: houd wijsvinger (index), middenvinger en duim loodrecht op elkaar. Als de wijsvinger de zin van de stroom I aanduidt (index I) en de middenvinger de zin van het magnetisch veld, dan wijst de duim de zin van de lorentzkracht.

F B

I

Fig. 1.61 De richting en de zin van de lorentzkracht vind je ook met de linkerhandregel: wijs → met de vingers van je linkerhand in de richting en zin van de stroom I en draai je hand tot B in → je handpalm priemt. Je duim geeft de richting en zin van de kracht F.

Als de draad loodrecht op het magnetisch veld staat, is de grootte van de lorentzkracht op een stroomvoerende draad met lengte l en stroomsterkte I: F=B.I.l Als de draad evenwijdig is, dan is de lorentzkracht nul.

5.6.3

De lorentzkracht toegepast: de gelijkstroommotor Veruit de belangrijkste toepassing van de lorentzkracht is de elektrische motor. Die is niet weg te denken in huishoudelijke apparatuur (bv. wasmachine, elektrische tandenborstel, ventilator … ), keukenapparatuur (bv. mixer) of klusgereedschap (bv. boormachine).

De werking ervan kunnen we eenvoudig onderzoeken en verklaren met behulp van een winding en een magnetisch veld.

In de figuur zie je een rechthoekige stroomvoerende draad in een homogeen magnetisch veld met inductie B, verticaal van boven naar onder gericht. De geleider kan draaien rond een as vw loodrecht op het magnetisch veld. Ga na met behulp van de regel van de rechterhand dat de lorentzkracht op de stukken PQ, RS en TU evenwijdig is met de as: die krachten veroorzaken geen beweging. De lorentzkracht echter op het stuk QR en op ST ligt in een vlak loodrecht op de rotatieas. De richting en zin van kracht F1 op QR is horizontaal naar links, de richting en zin van kracht F2 op ST is horizontaal naar rechts.

Beide krachten geven aanleiding tot een koppel van krachten dat de winding doet draaien tot het vlak van de geleider loodrecht op de veldlijnen staat.

N

F1 Q P v

R

I

w S

B U

I T

F2 B Z

Fig. 1.62 Rechthoekige geleider in een magnetisch veld

Door traagheid zal de geleider niet plots stoppen maar even verder draaien. Na een rotatie over 180° is de zin van de vector I echter omgekeerd waardoor de lorentzkracht in de andere richting wijst en de draaizin van de geleider omkeert. Tenzij je de stroomzin binnen de geleider omkeert, blijft de geleider in dezelfde zin doordraaien. Dan hebben we een elektrische motor.

De stroomzin omkeren in de winding zelf gebeurt met een commutator: elk uiteinde van de geleider is verbonden met een halve koperen ring. De uiteinden zijn van elkaar gescheiden door een isolator, bijvoorbeeld lucht. Ze maken permanent contact met de bron doordat ze bij het draaien glijden tegen koolstaafjes, die verbonden zijn met de polen van een gelijkstroombron.

32

DEEL 1: Elektriciteit en magnetisme

Op de figuur wordt de werking van de commutator voorgesteld.

I

I

I I

I

P I

P

I

I

Fig. 1.63 Werking van een commutator

I

I

Hieronder wordt de geleider voorgesteld in vier opeenvolgende standen tijdens een omwenteling. De stroom loopt volgens wijzerzin. In stand A staat het vlak van de geleider verticaal. De geleider draait in tegenwijzerzin via stand B tot stand C. De stroom loopt telkens van A naar B. In stand C is de geleider bijna horizontaal. Even later gaat hij door de horizontale stand en wisselt het contact van de halve ringen met de koolstofstaafjes. In stand D loopt de stroom van B naar A. De stroomzin in de geleider is nu tegengesteld aan de stroomzin van de vorige drie posities. De lorentzkrachten blijven echter in dezelfde zin werken en de winding blijft draaien in tegenwijzerzin.

N

N

F A

I

•

B

I

I

B

+ –

I

I

F A

•

B

I B

+ – I

•

I

F

• B

B

Z

Z N

F

I A

+ –

•

I B

I

N

F

B I

I

•

I I

B

•

I

B

+ –

F

F

Z

A

B

•

F Z

Fig. 1.64 Opeenvolgende standen van een draaiende geleider

In werkelijkheid telt een motor niet één winding maar vele windingen: de krachten zijn dus groter. Bovendien liggen die windingen niet allemaal in hetzelfde vlak, zodat hij niet kan stilvallen als het vlak van de windingen loodrecht op de veldlijnen staat. Het magneetveld is meestal ook niet afkomstig van een permanente magneet, maar van een elektromagneet. Dat is een uitvinding van de Belg Zenobie Gramme.

Welke energieomzetting hebben we bij de elektrische motor?

THEMA 1: Van Volta tot de zonnewagen

33

5.7 De elektromagnetische inductie • Een controlesysteem op de luchthaven moet vaststellen of passagiers metalen voorwerpen bij zich dragen. Metalen objecten geven immers aanleiding tot de verandering van een magnetisch veld van een stroomvoerende geleider bij beweging t.o.v. die geleider. Hoe werkt dat?

• Als je een computer wilt gebruiken, dan sluit je die aan op het stopcontact. De spanning geleverd door het net bedraagt 230 V. • Als je in het donker fietst, dan levert je dynamo de gewenste elektrische stroom voor de fietslamp. De spanning aan de dynamo-uitgangen bedraagt een paar volt – meestal 6 V. Het stopcontact en een dynamo zijn andere types van stroombronnen of spanningsbronnen dan de batterij.

Volgens welk principe werken ze? Hoe maken we hier ‘elektriciteit’?

Elektrische motoren werken omdat een magnetisch veld een kracht uitoefent op een stroomvoerende geleider zoals een spoel: de spoel gaat draaien. Elektrische energie wordt omgezet in mechanische energie.

In 1838 ontdekte Michael Faraday dat een magnetisch veld ook een elektrische stroom kan opwekken. We noemen dat elektromagnetische inductie.

We onderzoeken het verschijnsel: een spoel wordt verbonden met een voltmeter met wijzer in het midden.

Een kompasje staat aan het uiteinde van de spoel.

• Als je een staafmagneet naar de spoel beweegt, geeft de voltmeter een spanning aan.

• Als je de magneet van de spoel weg beweegt, geeft de voltmeter een spanning aan.

Z

a

N

• Als je de magneet niet beweegt, is er geen spanning.

• Als je de magneet snel beweegt, dan is de spanning groot; doe je dat traag, dan is de spanning klein.

V

b

Z

N

• Als je de magneet stilhoudt en de spoel beweegt, is er ook een spanning.

• Hetzelfde effect verkrijg je eveneens met een elektromagneet i.p.v. een permanente magneet.

V

Als je een spoel en een magneet t.o.v. elkaar beweegt, verandert het veld waarin de spoel zich bevindt. Als dat veld verandert, ontstaat in die spoel een spanning. Die is groter wanneer het veld snel verandert. Dat verschijnsel noemen we elektromagnetische inductie. De opgewekte spanning heet elektromagnetische inductiespanning.

c

Inductiespoel en voltmeter vormen een gesloten kring. Onder invloed van de inductiespanning gaat in een gesloten kring een elektrische stroom lopen: de inductiestroom. Inductiestroom kan je meten met een A-meter.

d

Z

N

V

Z

N

V Fig. 1.65 De voltmeter geeft een spanning aan als de magneet beweegt.

34

DEEL 1: Elektriciteit en magnetisme

De zin van de inductiestroom kan je onthouden met de wet van Lenz: wanneer een elektromagnetische inductiestroom ontstaat, wekt die een magnetisch veld op dat zijn oorzaak tegenwerkt. Een sterker wordend veld (naderen met een magneet) wordt afgestoten door het veld dat door de inductiestroom werd gecreëerd in de spoel en het zwakker wordend veld wordt aangetrokken of versterkt.

A

B

Z

N

Z

N

I

N

Z

N

Z

A

I

A

Fig. 1.66 A Een noordpool nadert een spoel.

B Een noordpool wordt weggetrokken van een spoel.

Enkele toepassingen • De werking van een metaaldetector steunt op het inductieverschijnsel: in de detector zit een spoel waar een kleine stroom door loopt. In de spoel is er dus een magnetisch veld aanwezig. Het aanbrengen van metalen (in het bijzonder ferromagnetische metalen zoals ijzer en staal) verandert dat magnetisch veld. De verandering van magnetisch veld geeft aanleiding tot een inductiestroom die een alarm in werking stelt.

• Dicht bij een snaar van een elektrische gitaar bevindt zich een staafmagneet. In de snaar ontstaan daardoor een noord- en een zuidpool. Rond de magneet is een spoel gewikkeld. Als de snaar trilt, verandert het veld in de spoel en wordt er een spanning geïnduceerd die de beweging van de snaar volgt.

Die spanning wordt versterkt en via een luidspreker in klank omgezet.

B

A

metalen snaar

N Z N

Z Fig. 1.67 De werking van een metaaldetector (A) en elektrische gitaar (B) steunt op het inductieverschijnsel.

6 Energieproductie De levenswijze van de moderne mens wordt gekenmerkt door het verbruik van gigantische hoeveelheden energie. Ons comfort wordt mogelijk gemaakt door het feit dat we altijd ongelooflijk gemakkelijk – bijna altijd en overal – beschikken over elektrische energie. De productie van elektriciteit is een kerntaak van onze industrie.

Fig. 1.68 Koeltorens

THEMA 1: Van Volta tot de zonnewagen

35

magneet

De figuur hieronder stelt schematisch een elektriciteitsnet voor. Twee belangrijke onderdelen zijn de spanningsgenerator en de transformator, waarmee de spanning wordt omgevormd in grootte. hoogspanningsleidingen transformator

elektriciteitscentrale met generator transformators

230 V

Fig. 1.69 Schematische voorstelling van het distributienet voor elektriciteit

gebruiker

6.1 De wisselstroomgenerator In een geleider die ten opzichte van een magnetisch veld beweegt, ontstaat een elektrische spanning. Als we bijvoorbeeld een hoefijzermagneet continu voor een spoel draaien of een magneet aan een veer op en neer laten trillen in een spoel, dan wordt er continu elektromagnetische inductiespanning opgewekt.

Hetzelfde gebeurt als we de spoel continu draaien tussen de polen van een magneet. We spreken van een generator of dynamo. In de gesloten kring, gevormd door het spoeltje en een ampèremeter, loopt een elektrische stroom.

Als het wieltje van je fietsdynamo contact maakt met het wiel terwijl je rijdt, levert je dynamo stroom. Hier wordt de mechanische energie van de draaibeweging omgezet in elektrische energie.

Hetzelfde principe wordt toegepast in een elektriciteitscentrale: de grote dynamo van de elektriciteitscentrale noemen we de generator.

N Z

Fig. 1.71 Fietsdynamo Fig. 1.70 Schematische voorstelling van een fietsdynamo

36

DEEL 1: Elektriciteit en magnetisme

6.2 Wisselspanning en wisselstroom De figuur hieronder stelt een rechthoekige winding voor in een homogeen magnetisch veld van een permanente magneet. De winding kan draaien om een as loodrecht op de veldlijnen. De eindpunten van de winding zijn verbonden met ringen die voortdurend tegen borstels slepen. Als we die borstels met een oscilloscoop of met een V-meter verbinden, dan zien we het verloop van de inductiespanning in de tijd.

Als we met een weerstand en een A-meter verbinden, dan hebben we een gesloten kring waarin een N inductiestroom loopt waarvan we het verloop op de A-meter kunnen volgen.

Op V- en A-meter zien we de wijzer voortdurend heen en weer bewegen: spanning en stroom wisselen V w voortdurend van zin.

Hier wordt een wisselspanning opgewekt. In een gesloten kring loopt een wisselstroom. Dergelijke generator heet een alternator.

Als je de spanning op de oscilloscoop bekijkt, dan zie je een sinusvorm.

v

B Z

Fig. 1.72 Bij een rechthoekige winding in een homogeen magnetisch veld van een permanente magneet wordt wisselspanning opgewekt.

opgewekte spanning (U ) U max tijd (t) - U max Fig. 1.73 Voorstelling van wisselspanning

Fig. 1.74 Oscilloscoop

De generator in een elektrische centrale staat in een soortgelijke opstelling: er wordt gewerkt met een spoel die bestaat uit duizenden windingen om de verkregen spanning zo groot mogelijk te maken. Het magnetisch veld wordt gemaakt met behulp van een elektromagneet in plaats van een permanente magneet, en dat om dezelfde reden. Om veiligheidsredenen staat de spoel waarin de inductie wordt opgewekt vast, maar de spoelen waarin het magnetisch veld wordt opgewekt draaien rond.

Een omwenteling van de spoel duurt T seconden. Het aantal omwentelingen per seconde is de frequentie: bij de generator bedraagt die frequentie 50 Hz. Een stopcontact is een bron die dergelijke wisselspanning levert.

De geleverde elektrische energie bij generatoren is een omzetting van bewegingsenergie. Een generator is een energieomzetter.

6.3 De transformator In de alternator van de centrale wordt een wisselspanning opgewekt van heel grote waarde. Die wordt daarna nogmaals ‘opgetransformeerd’ tot hoogspanning van 300 kV die langs hoogspanningskabels door het land getransporteerd wordt. Bij transport onder hoogspanning zijn de verliezen geringer.

Up

•

~

•

Np

Ns

In transformatoren in de nabijheid van steden en industrieterreinen wordt die hoogspanning ‘afgetransformeerd’ tot spanning voor huishoudelijk gebruik: 230 V. Fig. 1.75 Schematische voorstelling van een transformator

THEMA 1: Van Volta tot de zonnewagen

37

Us

Het toestel waarmee de omvorming gebeurt, heet een transformator. Het bestaat uit twee spoelen gewikkeld rond een ijzeren kern. De eerste of primaire spoel heeft Np windingen en is verbonden met de bron. De tweede spoel of secundaire spoel heeft Ns windingen en is verbonden met de verbruiker.

Up Np Bij een transformator is de verhouding van de spanningen: = Us Ns

6.4 De windturbine en waterkrachtcentrale Een windturbine is een generator waarvan de spoel aan het draaien wordt gebracht door de wind. Het kan gaan om een alternator die wisselspanning levert of om een dynamo die gelijksspanning (in werkelijkheid gelijkgerichte wisselspanning) levert. In het laatste geval kan de elektrische energie opgeslagen worden in accu’s.

Wisselspanning immers kan je niet opslaan.

In een waterkrachtcentrale wordt de spoel aan het draaien gebracht door middel van een turbine die op dezelfde as is gemonteerd en die aangedreven wordt door stromend water.

Fig. 1.76 Een windturbine

6.5 De elektrische centrale: de thermische centrale en de kerncentrale In ons land zijn er overwegend thermische centrales. Dat wil zeggen dat de energie die hier wordt omgezet warmte is. De alternator draait op de as van een turbine, die met stoom wordt aangedreven. De stoom wordt geproduceerd in een ketel door verbranding van steenkool, aardgas of olie. Ook een kerncentrale is een thermische centrale.

A

B

Fig. 1.77 A Een klassieke centrale B Een kerncentrale

In een kerncentrale wordt voor de stoomproductie de energie gebruikt die vrijkomt bij kernsplijting van uraan. Enkel het isotoop U-235 is belangrijk. De splijting ontstaat door het beschieten van de uraan-235kernen met neutronen. De kern valt uiteen in twee grote brokstukken en enkele neutronen. Bij zo’n splijting komt heel veel energie vrij, nl. 200 MeV. Centrales vormen een zware belasting voor het milieu: bij de kerncentrales is er veel radioactief afval en bij de klassieke thermische centrales is er veel luchtvervuiling door uitstoot van verbrandingsgassen. Die veroorzaken zure regen en het broeikaseffect. Bovendien gebruiken we heel snel de reserves aan steenkool, aardgas en aardolie op. Er zijn dus vele redenen om zuinig te zijn met energie in het algemeen en elektrische energie in het bijzonder!

38

DEEL 1: Elektriciteit en magnetisme

Geef jouw mening over energiegebruik en de mogelijkheden om energie te sparen.

7 De zonnecel Bepaalde rekentoestelletjes werken niet op een batterij noch op het net, maar halen hun elektrische energie uit een zonnecel of fotovoltaïsche cel. Hier wordt licht omgezet in elektrische energie. Per cel is de opgewekte spanning vrij laag. Daarom worden die cellen meestal in een zonnepaneel gemonteerd; net als bij batterijen kan je de spanning verhogen door meerdere cellen met elkaar in serie te verbinden.

Zonne-energie kan je op twee manieren benutten: • door gebruik te maken van zonnecollectoren waarin water wordt opgewarmd; • door gebruik te maken van fotovoltaïsche zonnecellen of kortweg zonnecellen waarin elektriciteit wordt opgewekt.

In het laatste geval wordt het zonlicht direct omgezet in elektriciteit.

A

Wanneer er licht op de zonnecel valt, wordt het geheel een gelijkstroombron: er ontstaat een spanning tussen de bovenkant en de onderkant van het plaatje.

Een fotovoltaïsche cel bestaat uit laagjes halfgeleidermateriaal (silicium). De elektrische stroom kan maar in één richting door de zonnecel lopen. Als er zonlicht (elektromagnetische straling) op de zonnecel valt, worden er elektronen vrijgemaakt. Die gaan in de gewenste richting bewegen.

De beweging van alle losgemaakte elektronen samen is de elektrische stroom die door de zonnecel loopt.

Een zonnepaneel levert gelijkstroom. Het kan aangesloten worden op een omvormer om wisselstroom te krijgen. De energie kan meteen gebruikt worden door aangesloten apparaten. Er kan ook een accu mee opgeladen worden. Opslaan op een batterij is enkel nuttig als er geen netstroom ter beschikking is, bijvoorbeeld voor lichtbakens en signalisatie.

Als het zonnepaneel aan het lichtnet aangesloten is, kan het daar eventueel stroom aan leveren. De wisselwerking tussen eigen opbrengst en terugleveren van overschotten aan het net is veel rendabeler dan opslaan op een batterij.

B

Fig.1.78 A Een voorbeeld van zonnecollectoren B Een voorbeeld van fotovoltaïsche zonnecellen

Zonne-energie is wellicht de energie van de toekomst, vooral dan bij kleinschalig gebruik. Er bestaan al auto’s met een elektrische motor die op zonnepanelen werkt.

Fig. 1.79 Voertuig aangestuurd door zonne-energie

THEMA 1: Van Volta tot de zonnewagen

39

• D E k e r n v a n de z a a k • De elektrische kring • elektrische stroom = het bewegen van elektrische ladingen • stroomsterkte (I ) = een maat voor het aantal bewegende ladingen (Q) per tijd (t) door de doorsnede van een geleider

Stroomsterkte wordt uitgedrukt in ampère (A) en gemeten met een ampèremeter.

I=

Q t

• Ladingen worden uitgedrukt in coulomb. Als er per seconde een lading van 1 coulomb door een doorsnede van een geleider gaat, dan spreken we van een stroomsterkte van 1 ampère.

1A=1

C s

• spanning (U) = een maat voor de meegegeven energie per lading

Spanning drukken we uit in volt (V).

De spanning van een batterij is gelijkspanning. Bij gelijkspanning is de spanning constant in de tijd.

De spanning van het net is een wisselspanning van 230 V. De grootte van de wisselspanning verandert voortdurend in de tijd, maar heeft hetzelfde effect als een gelijkspanning van 230 V.

De wet van Ohm • goede geleiders = stoffen die de elektrische stroom heel goed geleiden. Alle metalen zijn goede geleiders. slechte geleiders = stoffen die de elektrische stroom minder goed geleiden. niet-geleiders of isolatoren = stoffen die de stroom helemaal niet geleiden.

• De weerstand (R) van een geleider = de verhouding van de spanning UR over de geleider tot de stroom die erdoor loopt.

R =

UR I

Weerstand drukken we uit in ohm (Ω).

De eenheid berekenen we als volgt:

1Ω=

1V V =1 1A A

• De spanning UR over een metalen draad met weerstand R waardoor een stroom I loopt, is gelijk aan: UR = R · I en R = constant. Dat is de wet van Ohm.

Vermogen van een weerstand • vermogen (P) (van een elektrisch apparaat) = de omgezette (elektrische) energie per seconde

Vermogen wordt uitgedrukt in watt (W).

1W=1

Voor om het even welk elektrisch toestel geldt: Pel = U · l

J s

40

DEEL 1: Elektriciteit en magnetisme

• Energie (E) = vermogen x tijd Eel = P · t

1 kWh = 1 kW · 1 h = 1 000 W · 3 600 s = 3 600 000 J = 3,6 · 106 J = 3,6 MJ

Schakeling van weerstanden • Voor serieschakeling van twee weerstanden R1 en R2 op een bron met spanning Ub geldt dat de stroom overal gelijk is en dat de som van beide deelspanningen gelijk is aan de bronspanning: Ub = UR1 + UR2.

• Voor parallelschakeling van twee weerstanden R1 en R2 op een bron met spanning Ub geldt voor de stroom I1 door R1 en de stroom I2 door R2 : I = l1 + l2 en U = UR1 = UR2.

• Voor elke weerstand geldt de wet van Ohm. • Elektrische kringen thuis zijn beveiligd. Er is enerzijds de beveiliging van de apparaten en anderzijds de beveiliging van de mens. Apparaten worden beveiligd door middel van smeltveiligheden of door middel van automaten; de beveiliging van de mens gebeurt door de verliesstroomschakelaar of differentieelschakelaar en de aarding.

• Bij elektrocutie is vooral de grootte van de stroomsterkte belangrijk. Ook de aanrakingstijd speelt een rol: vanaf enkele seconden ontstaat een blijvend letsel.

Magnetisme • Een lichaam dat de eigenschap bezit stukjes ijzer aan te trekken, noemen we een magneet.

• Magnetische werking is een krachtwerking: de kracht gaat uit van de twee uiteinden. Het ene uiteinde wordt noordpool genoemd, het andere zuidpool. Elke magneet heeft twee polen die even sterk zijn.

Als je twee magneten vrij ophangt of draaibaar opstelt, stel je vast dat gelijksoortige polen elkaar afstoten en ongelijksoortige polen elkaar aantrekken.

• Het gebied rond de magneet waar kracht uitgeoefend wordt op een deeltje ijzer of op een andere magneet, heet het magnetisch veld. →

• De krachtwerking in het magnetisch veld wordt beschreven door de magnetische inductie B. Inductie wordt gemeten met een teslameter.

• Magnetische krachtwerking is een uitwerking van elektrische stroom. Magnetisme vindt zijn oorsprong in de elektrische stroom.

• Draden, windingen en spoelen waar stroom door loopt, hebben een magnetisch veld. Het veld van een spoel of solenoïde is zoals het veld van een staafmagneet.

• De magnetische werking van de elektrische stroom wordt gebruikt om elektromagneten te maken of om staal permanent te magnetiseren.

• Op ladingen die bewegen in een magnetisch veld werkt een lorentzkracht. Een elektrische stroom bestaat uit bewegende ladingen. De kracht die door een magnetisch veld wordt uitgeoefend op een stroomvoerende geleider werd al door Laplace aangetoond. De krachtwerking wordt de laplacekracht genoemd, maar is een gevolg van de lorentzkracht.

• Als de draad loodrecht op het magnetisch veld staat, is de grootte van de lorentzkracht op een stroomvoerende draad met lengte l gelijk aan: F = B · l · I. Als de draad evenwijdig is, dan is de lorentzkracht nul.

THEMA 1: Van Volta tot de zonnewagen

41

• Veruit de belangrijkste toepassing van de lorentzkracht is de elektrische motor.

• Een veranderend magnetisch veld wekt een elektrische stroom op. We noemen dat elektromagnetische inductie. De opgewekte spanning heet elektromagnetische inductiespanning.

Energieproductie • In een geleider die beweegt in een magnetisch veld ontstaat een elektrische spanning: we spreken van een generator of dynamo. Er wordt een spanning opgewekt.

• In een spoeltje dat ronddraait in een magnetisch veld ontstaat een wisselspanning. Een dergelijke generator heet een alternator. Als een verbruiktoestel aangesloten wordt op de bron, hebben we een gesloten kring en loopt er stroom door het toestel. In dat geval gaat het om een wisselstroom.

• Het toestel waarmee omvorming van wisselspanning gebeurt, heet een transformator.

• Een windturbine is een generator waarvan de spoel aan het draaien wordt gebracht door de wind.

• In een waterkrachtcentrale wordt de spoel aan het draaien gebracht door middel van een turbine die op dezelfde as is gemonteerd en die aangedreven wordt door stromend water.

• In een thermische centrale wordt warmte omgezet in elektrische energie. De alternator draait op de as van een turbine die met stoom wordt aangedreven. De stoom wordt geproduceerd in een ketel door verbranding van steenkool, aardgas of olie.

• In een kerncentrale wordt voor de stoomproductie de energie gebruikt die vrijkomt bij kernsplijting van uraan.

Enkel het isotoop U-235 is belangrijk.

De zonnecel • In de zonnecel of fotovoltaïsche cel wordt licht omgezet in elektrische energie.

42

DEEL 1: Elektriciteit en magnetisme

Leerstof verwerken

De elektrische kring 1 De coulomb is een heel grote eenheid. Reken na hoeveel elektronen je nodig hebt om een lading van één coulomb te verkrijgen.

2 Omschrijf wat deze uitspraak betekent: ‘Door een draad loopt een stroomsterkte van 2 A’. Gebruik daarbij de definitie van stroomsterkte.

3 Wat bedoel je met de doorsnede van een draad en welke formule gebruik je om die doorsnede te berekenen?

4 Bereken de lading die door de doorsnede van een draad stroomt in 60 s bij een stroomsterkte van 100 mA. Hoeveel elektronen heb je nodig om die lading te verkrijgen?

5 Lees de waarde van de A-meter en de V-meter af. Let op voor het geselecteerde meetbereik.

THEMA 1: Van Volta tot de zonnewagen

43

6 Tussen twee punten staat een elektrische spanning van 5 V. Wat betekent dat? In je verwoording moet het woord arbeid of energie voorkomen.

7 Juist of fout? a Spanning is het gevolg en de stroomsterkte is de oorzaak.

b Een batterij en een stopcontact zijn beide spanningsbronnen.

c Een elektrische stroom kan slechts stromen in een gesloten kring.

8 Benoem elk van de volgende symbolen en maak met die symbolen een elektrisch schema zodat je de waarde van de spanning over en de stroomsterkte door een weerstand kan bepalen.

V

A

De wet van Ohm 9 Omschrijf de betekenis van deze uitspraak: ‘Een draad heeft een ohmse weerstand gelijk aan 2,0 Ω’.

Gebruik daarbij de wet van Ohm.

44

DEEL 1: Elektriciteit en magnetisme

10 Omschrijf de fysische betekenis van het begrip weerstand.

11 Van welke stof zijn de handschoenen en laarzen gemaakt van mensen die herstellingen uitvoeren aan elektrische installaties? Leg uit waarom precies die stof gebruikt wordt.

12 Vul de ontbrekende waarden in de tabel aan. spanning (U)

stroomsterkte (I)

100 V

5,00 mA

weerstand (R)

60 mV

15 Ω 50 µA

4 000 Ω

13 Welke schakeling is het best geschikt om de weerstand van het lampje te bepalen? Omcirkel de correcte schakeling en motiveer je antwoord.

A

V

A

V A

schakeling 1

A schakeling 2

THEMA 1: Van Volta tot de zonnewagen

45

V

V

schakeling 3

schakeling 4

14 Voor een bepaalde weerstand is de grafiek I als functie van U getekend.

Is de weerstand bij elke stroomsterkte constant? Hoe verandert de grafiek als de weerstand verdubbelt?

I

U

15 Bepaal de waarde van de weerstand op basis van de grafiek. Hoe groot is de stroomsterkte bij een spanning van 3,0 V?

U (V)

8,0

4,0

0

0

0,5

1,0

I (A)

Vermogen van een weerstand 16 Op een toestel staat ‘230 V, 1 200 W’. Omschrijf wat dat betekent.

46

DEEL 1: Elektriciteit en magnetisme

17 In 20 seconden geeft een lading van 16 C een energie van 40 J af in een lamp. Beredeneer de stroomsterkte door de lamp, de spanning over de lamp en het vermogen van de lamp.

18 Een strijkijzer zet 1 kWh elektrische energie om in warmte. Wat betekent dat?

19 Een stofzuiger van 750 W wordt gedurende 5 minuten ingeschakeld. Bereken het verbruik van elektrische energie in joule.

20 Wat is het vermogen van een lamp die in 80 s een elektrische energie van 6 000 J verbruikt?

21 Een elektromotor met een vermogen van 500 W draait gedurende vier uur. Bereken het verbruik in kWh.

22 Een gloeilamp van 40 W en een gloeilamp van 100 W worden beide aangesloten op een spanning van 220 V. Verklaar het verschil in lichtsterkte.

23 Geef voor elke bewering aan of ze juist of fout is en verbeter als dat nodig is. a De kWh is een eenheid van vermogen.

b Het vermogen van een elektrisch toestel is altijd constant.

THEMA 1: Van Volta tot de zonnewagen

47

c Bij een bepaalde spanning geldt: hoe groter het vermogen van het toestel, hoe groter de stroomsterkte door het toestel.

d Als je de spanning over een toestel verdubbelt, verdubbelt het ontwikkelde vermogen.

24 Maak een begrippenkaart met de volgende zeven begrippen:

lading / tijd / stroomsterkte / spanning / weerstand / vermogen / energie, arbeid a Omschrijf de begrippen en geef formules of wiskundige verbanden tussen de grootheden.

b Verbind de begrippen met lijnen die relaties voorstellen en verwoord die relaties.

48

DEEL 1: Elektriciteit en magnetisme

Schakeling van weerstanden 25 Drie weerstanden met een verschillende waarde zijn in serie geschakeld en aangesloten op een constante spanning. Zijn de volgende beweringen juist of fout? a De spanning over elke weerstand is dezelfde.

b De stroomsterkte door elke weerstand is dezelfde.

c Het ontwikkeld vermogen door elke weerstand is gelijk.

26 Drie weerstanden met een verschillende waarde zijn parallel geschakeld en aangesloten op een constante spanning. Zijn de volgende beweringen juist of fout? a De spanning over elke weerstand is dezelfde. b De stroomsterkte door de grootste weerstand is het kleinst. c Het ontwikkeld vermogen door de kleinste weerstand is het grootst.

27 Op een doosje zijn twee lampjes gemonteerd die branden. De schakeling zit verstopt in de doos. Hoe kan je uitzoeken of de lampjes in serie of parallel geschakeld zijn?

28 In de schakeling brandt lamp A fel en lamp B zwak. Zijn de volgende beweringen juist of fout?

A

B

a De stroomsterkte door lamp A is groter dan door lamp B.

b De spanning over lamp A is gelijk aan de spanning over lamp B.

c Het vermogen ontwikkeld door lamp A is groter dan het vermogen ontwikkeld door lamp B.

THEMA 1: Van Volta tot de zonnewagen

49

29 Elektrische apparaten in een huisschakeling zijn parallel geschakeld. a Waarom worden ze op die manier geschakeld?

b Is de stroomsterkte door elk toestel hetzelfde?

30 In de onderstaande schakelingen zijn alle batterijen en lampen identiek. Rangschik de schakelingen van een lage naar een hoge lichtsterkte.

A

B

C

D

E

31 Je laat de waarde van een regelbare weerstand in elke schakeling geleidelijk aan toenemen. Beschrijf wat er gebeurt met de aflezing op de voltmeter in de schakelingen A, B, C en D.

A

B

C

D

50

DEEL 1: Elektriciteit en magnetisme

32 In de onderstaande schakeling zijn alle lampen identiek. Als je op de ampèremeter A3 een waarde van 0,3 A afleest, welke waarde lees je dan af op de ampèremeters A1, A2 en A4?

A1

A2

A3

A4

33 Een batterij van 12,0 V wordt verbonden met drie weerstanden van respectievelijk 2,0 Ω, 4,0 Ω en 6,0 Ω die in serie geschakeld zijn. Bereken: a de stroomsterkte in de kring. b de stroomsterkte door elke weerstand. c de spanning over elke weerstand. d het vermogen ontwikkeld door elke weerstand.

Magnetisme 34 Teken een stroomvoerende spoel en het magnetisch veld dat daarbij wordt opgewekt. Beschrijf het gebruik van de rechterhandregel bij tekenen van de zin van de magnetische veldlijnen.

THEMA 1: Van Volta tot de zonnewagen

51

35 Bij de voorstelling van magnetische veldlijnen gebruiken we deze symbolen: Wat stellen die symbolen voor bij een magnetische veldlijn?

36 Zijn de volgende beweringen juist of fout? Verbeter als dat nodig is. a Als je een kompasnaald in twee stukken knipt, krijg je twee afzonderlijke polen.

b Buiten de magneet gaan de veldlijnen altijd van de noordpool naar de zuidpool.

c Magnetische veldlijnen kunnen elkaar nooit snijden.

Magnetische krachtwerking van elektrische stroom 37 De punten A, B, C en D bevinden zich in de omgeving van een permanente magneet. Teken de magnetische veldlijnen door elk van de punten en de stand van een kompasnaald in elk punt.

C N

Z

A

D Z

N

Z

N

Z

N

B N

Z

38 Een magneetnaald is draaibaar opgesteld op een pin. a Volgens welke richting zal de magneetnaald zich richten?

b Welke magnetische pool bevindt zich in het noorden van de aarde?

52

DEEL 1: Elektriciteit en magnetisme

39 Els heeft een stalen gemagnetiseerde haarspeld. Ze breekt de naald in stukken. Duid de magnetische polen aan bij elk stuk.

N

Z

40 Teken de lorentzkracht op de stroomvoerende geleider in deze twee situaties.

I

B

B

I

De elektromagnetische inductie 41 Beschouw deze drie opstellingen: • een hoefijzer draait tegenover een spoel; • een magneet schommelt aan een veer; • een spoel draait in een magnetisch veld.

In welke gevallen ontstaat er inductiestroom?

A

hangende magneet die draait

A

staafmagneet aan veer

A-meter of oscilloscoop

Wisselspanning en wisselstroom 42 Wat betekent: ‘De frequentie van de wisselspanning van het net bedraagt 50 Hz’?

THEMA 1: Van Volta tot de zonnewagen

53

draaiende spoel in magneet

Energieproductie 43 Vul de tabel verder aan. soorten generatoren / centrales

voordelen

nadelen

waterkrachtcentrale

windturbine

thermische centrale op gas

thermische centrale op steenkool

thermische centrale op olie

kerncentrale

44 Wat is het onderscheid tussen een zonnecollector en een zonnecel?

Omgaan met informatie 1 Lees aandachtig de tekst bij het onlinelesmateriaal en beantwoord de vragen. a Welke waarde heeft een weerstand met deze ringen: rood, groen, oranje, goud?

b Welke kleurringen hebben een weerstand van 300 Ί ¹ 5 %?

Controleer de antwoorden van vragen a en b bij het onlinelesmateriaal.

54

DEEL 1: Elektriciteit en magnetisme

2 Een middel om heel veel elektrische energie te sparen is het gebruik van spaarlampen. Zoek informatie over de spaarlamp. Vergelijk het elektrisch vermogen van een spaarlamp met dat van een gewone gloeilamp die dezelfde hoeveelheid licht geeft.

Fig. 1.80 Spaarlamp

3 In het domein van de elektriciteit werden in de 19e eeuw heel wat belangrijke ontdekkingen gedaan. Op de foto’s zie je enkele belangrijke onderzoekers: Ampère, Faraday, Edison en Tesla.

a In welke periode hebben ze geleefd en welke nationaliteit hadden ze? b Wat was hun belangrijkste bijdrage tot de studie van de elektriciteit?

4 De werking van de motor kan je oefenen met behulp van een applet van Walter Fendt. Een link daarnaar kan je vinden bij het onlinelesmateriaal. Op de website moet je kijken naar het onderdeel ‘gelijkstroommotor’. Start de applet en laat de motor draaien. Zorg ervoor dat de vectoren voor de veldlijnen, de stroomzin en de lorentzkracht zichtbaar zijn. Klik op pauze: verander de draaizin. Wat is er gebeurd?

Wijzig nu de stroomzin door de winding en noteer je waarneming.

5 Een applet die de werking van de stroomgenerator uitlegt, vind je eveneens in de reeks van Walter Fendt.

Ga naar de link bij het onlinelesmateriaal en klik op ‘generator’. Start de generator en kies voor ‘zonder commutator’, met twee volledige sleepringen. a Laat de winding een volledige omwenteling beschrijven en kijk naar de stroomzin in de winding, het resultaat op de voltmeter en de grafiek U(t). Noteer je waarneming.

b Verhoog het toerental van de winding en bekijk de grafiek U(t). Noteer je waarneming.

THEMA 1: Van Volta tot de zonnewagen

55

c Kies voor ‘met commutator’: wat verandert er aan de opstelling? Wat is het gevolg voor de stroomzin in de winding en buiten de winding? Wat is het resultaat op de voltmeter en hoe is het verloop van de grafiek U(t)?

6 Hoeveel elektriciteit produceert een zonnecel met een oppervlakte van 1 m²? Ga naar het onlinelesmateriaal en zoek met de daar beschikbare bronnen naar het antwoord.

Leerlingenpracticum: de wet van Ohm VRAAG Als je de spanning over een lamp verhoogt (oorzaak), dan gaat de lamp harder branden of de stroomsterkte door de lamp verhoogt (gevolg).

Het verband tussen de spanning, stroomsterkte en weerstand van de metalen draad willen we in een experiment onderzoeken.

Onderzoeksvraag Welk verband bestaat er tussen de spanning en de stroomsterkte bij een metalen draad?

PLAN symbolische voorstelling

opmerking

regelbare spanningsbron

Hoe kan de spanning wijzigen?

verbindingsdraad met conventionele stroomzin

Hoeveel draden heb je nodig?

weerstandsdraad

Welke soorten draden?

schakelaar

Welke plaats in de elektrische kring?

ampèremeter voltmeter

Welke plaats in de elektrische kring?

A

Welke plaats in de elektrische kring?

V

Opgelet: Om de weerstand van de draad (constaandraad en nikkelchroomdraad) constant te houden, houden we de spanning altijd lager dan 4,0 V.

56

DEEL 1: Elektriciteit en magnetisme

Elektrisch schema Teken een elektrisch schema met de symbolen zodanig dat je de stroomsterkte en spanning door de weerstanddraad kan bepalen.

UITVOERING • Meet de waarde van de stroomsterkte voor minstens zes verschillende waarden van de spanning.

• Verzamel de meetwaarden in een tabel.

• Bereken het verband tussen de spanning en de stroomsterkte. metaaldraad 1

U (V)

I (A)

Besluit Welk verband tussen de stroomsterkte en spanning ga je nu berekenen in de laatste kolom? Bereken de gemiddelde waarde van deze uitdrukking.

Formuleer je besluit: wat is het verband tussen de stroomsterkte en spanning bij metaaldraad 1?

Symbolische schrijfwijze voor het verband: Wat besluit je over de waarde van de weerstand van metaaldraad 1?

metaaldraad 2

U (V)

THEMA 1: Van Volta tot de zonnewagen

I (A)

57

Besluit Wat is het verband tussen de stroomsterkte en spanning bij metaaldraad 2?

Symbolische schrijfwijze voor het verband: Wat besluit je over de waarde van de weerstand van metaaldraad 2?

Grafische voorstelling

Maak een grafische voorstelling van je metingen.

• Plaats op de verticale as de spanning U (V) en op de horizontale as de stroomsterkte I (A).

• Teken twee schuine rechten door de punten.

• Leid uit de grafische voorstelling de waarden van de weerstanden af.

Besluit Hoe wordt het verband tussen de stroomsterkte en de spanning bij een vaste weerstand grafisch voorgesteld?

Bepaal grafisch de waarde van de weerstand van elke draad bij een spanning gelijk aan 2,5 V.

58

DEEL 1: Elektriciteit en magnetisme