Hoofdstuk 7
Elektriciteit
§1 Lading §2 Schakelingen §3 De stroomsterkte §4 De spanning §5 Elektriciteit in huis
§1 Lading
In dit hoofdstuk gaan we elektriciteit bestuderen. Omdat elektriciteit bestaat uit bewegende ladingen, gaan we in de eerste paragraaf lading bestuderen.
Alle materie in het universum bestaat uit bolvormige deeltjes die we atomen noemen. Atomen bestaan op hun beurt uit nog kleinere deeltjes. In de atoomkern bevinden zich deeltjes met een positieve lading. Deze deeltjes zijn relatief zwaar en zitten stevig vast in de atoomkern. Om de atoomkern heen bewegen een aantal deeltjes met een negatieve lading. Deze deeltjes zijn relatief licht en bewegen met enorme snelheid om de atoomkern. Het zijn deze negatieve ladingen die zorgen voor elektriciteit.
De positieve en de negatieve ladingen hebben de bijzondere eigenschap dat ze elkaar aantrekken met behulp van de elektrische kracht. Daarnaast is het zo dat ladingen van dezelfde soort elkaar afstoten met dezelfde elektrische kracht (zie de onderstaande afbeelding en het onderstaande filmpje).
Normaal merken we weinig van deze ladingen, omdat de meeste voorwerpen in het dagelijks leven neutraal zijn. Dit betekent dat er evenveel positieve als negatieve ladingen in deze voorwerpen zitten. Als er echter een overschot aan positieve of negatieve ladingen op een voorwerp zit, dan gaan we allerlei effecten merken.
EXPERIMENT
| ||
|
Deze effecten zien we bijvoorbeeld als we een ballon tegen een trui wrijven. Door de wrijvingskracht komen negatieve ladingen uit de trui op de ballon te zitten. Als we deze ballon daarna tegen het plafond houden, dan blijft deze “plakken” (zie de linker onderstaande afbeelding). Dit komt doordat de negatieve ladingen in de ballon, de negatieve ladingen in het plafond wegduwen (zie de middelste afbeelding). Als gevolg blijft er een positieve lading achter in het plafond. De ballon wordt op zijn plek gehouden door de aantrekkingskracht tussen deze positieve ladingen en de negatieve ladingen op de ballon.
(Afbeelding: Danny Nicholson; CC BY-ND 2.0)
|
EXPERIMENT
| ||
|
Als de aantrekkingskracht tussen ladingen groot genoeg is, dan kunnen de negatieve ladingen overspringen naar de positieve ladingen. We zien dan een "vonk" overspringen (zie de onderstaande afbeelding). Het zijn hier de negatieve ladingen die de sprong maken en niet de veel zwaardere positieve ladingen.
(Afbeelding: Moses Nachman Newman; CC BY 4.0)
|
EXPERIMENT
| ||
|
In de natuur komen we deze effecten op grotere schaal tegen. Door bepaalde processen in wolken kan de onderkant van een wolk negatief worden en de bovenkant positief. De negatieve ladingen aan de onderkant van de wolk duwen de negatieve ladingen in de aarde weg, zodat de aarde aan het oppervlak positief geladen wordt. Als het ladingsverschil groot genoeg wordt, dan ontstaat bliksem (zie de onderstaande afbeelding).
(Afbeelding: Gerlos; CC BY-SA 2.0)
INSTRUCTIEVIDEO:
Ladingen
|
Leerdoelen:
|
|
|
Opdrachten
|
|
§2 Schakelingen
Met kennis over ladingen kunnen we nu elektrische schakelingen begrijpen.
Als we elektriciteit willen opwekken, dan hebben we in ieder geval een spanningsbron nodig. Een spanningsbron bevat twee polen met een verschillende hoeveelheid lading. In het geval van een batterij is de ene pool negatief geladen (de zogenaamde minpool), en is de andere pool positief geladen (de zogenaamde pluspool).
Als de twee polen niet verbonden zijn, dan spreken we van een open stroomkring en gaat er geen elektriciteit stromen. Als we de twee polen wel verbinden, dan spreken we van een gesloten stroomkring (zie de volgende afbeelding). Als gevolg gaan de negatieve ladingen naar de pluspool stromen. Het bewegen van deze ladingen noemen we elektriciteit.
In de onderstaande afbeelding is aan de stroomkring ook een gloeilamp en een schakelaar toegevoegd. Een schakelaar is niet meer dan een klepje, waarmee de stroomkring geopend en gesloten kan worden. Alleen als de schakelaar gesloten is gaan de ladingen van de min- naar de pluspool stromen. Aan de rechterkant zien we ook een schematische weergave van deze schakeling. Zoals je ziet gebruiken we voor de lamp een cirkel met een kruis erin en voor de spanningsbron een korte en een lange streep (de lange streep is de pluspool). Deze en vele andere symbolen voor elektrische onderdelen kan je in BINAS vinden.
Als de ladingen door de schakeling stromen, dan botsen ze voortdurend tegen de atomen waaruit de schakeling bestaat. In de gloeidraad van een gloeilamp leveren deze botsingen genoeg energie om de draad zo warm te maken dat deze gaat gloeien.
Als we meerdere lampjes op een spanningsbron aansluiten, dan kunnen we dat op verschillende manieren doen. Linksonder zien we de zogenaamde serieschakeling. In een serieschakeling zijn alle lampjes in dezelfde stroomkring opgenomen. Als we in deze schakeling één lampje losdraaien, dan wordt deze stroomkring verbroken en gaan alle lampjes uit. Rechts zien we de zogenaamde parallelschakeling. In een parallelschakeling heeft elk lampje zijn eigen stroomkring. Als we in deze schakeling één lampje losdraaien, dan wordt slechts één van de stroomkringen verbroken. De andere lampjes blijven in dat geval gewoon branden.
Linksonder zien we wederom een serieschakeling met twee lampjes. Rechts is dezelfde schakeling weergegeven, maar nu is één draadje uit de spanningsbron losgemaakt. Zoals je ziet is er nu geen gesloten stroomkring meer en als gevolg gaan beide lampjes uit.
Hieronder halen we één draad uit de spanningsbron van een parallelschakeling. Als gevolg worden beide stroomkringen verbroken en gaan ook hier beide lampjes uit.
Nu halen we bij de parallelschakeling de draden uit één kant van het onderste lampje. Nu is de stroomkring door het onderste lampje verbroken, maar de stroomkring door het bovenste lampje is nog in tact. Als gevolg blijft het bovenste lampje branden.
We eindigen deze paragraaf met het begrip weerstand. De weerstand vertelt ons hoe moeilijk het is voor ladingen om door een materiaal te stromen. Materialen met een kleine weerstand noemen we geleiders. De bekendste groep geleiders zijn de metalen. We gebruiken geleiders bijvoorbeeld voor de bedrading in schakelingen, zodat ladingen hier gemakkelijk doorheen stromen. Meestal wordt hier koper gebruikt. Materialen met een grote weerstand noemen we isolatoren. Een veelvoorkomende isolator is kunststof. Elektriciteitsdraden zijn meestal omhult met een laagje kunststof. Dit zorgt er o.a. voor dat er geen kortsluiting kan ontstaan tussen verschillende draden (of dat er een stroom door je lichaam gaat lopen als je de draden vastpakt).
Naast het begrip "weerstand" is er ook een elektrisch component met de naam weerstand. Het rechthoekige symbool in de eerste onderstaande afbeelding wordt een (vaste) weerstand genoemd. Een weerstand wordt o.a. gebruikt om de stroom door een draad te beperken. Als je een zwak lampje bijvoorbeeld direct op een stopcontact aansluit, dan brandt het meteen door. Dit is te verhelpen door een weerstand in serie te zetten met de lamp. Dit is hieronder afgebeeld.
INSTRUCTIEVIDEO:
Schakelingen
INSTRUCTIEVIDEO:
De weerstand
|
Leerdoelen:
|
|
|
Opdrachten
|
|
§3 De stroomsterkte
In deze paragraaf gaan we de beweging van lading nader bestuderen. Dit doen we aan de hand van het begrip stroomsterkte.
De hoeveelheid lading die per seconde door een punt in de schakeling stroomt noemen we de stroomsterkte. De bekendste eenheid van de stroomsterkte is de ampère (A).
De stroomsterkte kunnen we meten met een zogenaamde ampèremeter (ook wel stroommeter genoemd). De ampèremeter sluit je in serie aan naast het onderdeel waarvan je de stroomsterkte wilt meten. Hieronder zie je in stappen hoe je de stroomsterkte meet door bijvoorbeeld een lamp. Haal één van de draden los uit de lamp en sluit de ampèremeter dan hiertussen aan. Zorg dat de pluskant van de stroommeter aangesloten wordt aan de pluskant van de stroomkring. Als je dit verkeerd om doet, dan werken de meeste stroommeters niet. Rechts zien we ook een schematische versie van de schakeling. Zoals je ziet tekenen we een ampèremeter als een rondje met de letter "A" erin.
We kunnen dit ook doen in een serieschakeling. Hier wordt de stroomsterkte gemeten door het linker lampje:
Hieronder doen we hetzelfde voor de spanningsbron. Haal één van de draden los uit de spanningsbron en sluit de ampèremeter dan hiertussen aan.
Hieronder meten we de stroomsterkte door de onderste lamp in een parallelschakeling. In dit geval zitten er aan weerszijden van de onderste lamp twee draden. Haal aan één kant beide draden los en sluit de ampèremeter dan hiertussen aan.
Hieronder zien we een stroommeter van dichtbij. Zoals je ziet zijn er in dit geval twee schaalverdelingen weergegeven. Welke je moet aflezen hangt af van hoe je de draden aansluit. Eén van de draden die je op de stroommeter aansluit gaat in de zwarte ingang en de ander gaat in één van de rode ingangen. In dit geval is de ingang genaamd "0,6 A" gebruikt. Dit betekent dat we de schaal moeten aflezen die eindigt op 0,6 A. Laten we nu de stroommeter aflezen. De wijzer zit in dit geval tussen de 0,3 A en de 0,4 A in. Tussen de 0,3 A en 0,4 A zitten nog vijf stapjes. Elk stapje komt dus overeen met 0,1 / 5 = 0,02 A. De wijzer geeft in dit geval dus 0,32 A aan (ga dit zelf na!).
INSTRUCTIEVIDEO:
Stroomsterkte
|
Leerdoelen:
|
|
|
Opdrachten
|
|
§4 De spanning
In deze paragraaf voegen we het begrip spanning toe. De spanning vertelt ons hoeveel energie ladingen ontvangen of uitgeven als ze door een onderdeel in de stroomkring stromen.
De negatieve ladingen in de spanningsbron worden naar de pluspool getrokken. Deze aantrekkingskracht geeft ladingen de energie om door de schakeling te stromen. De spanning die over een spanningsbron staat vertelt ons hoeveel energie elke lading meekrijgt. Deze energie wordt daarna weer uitgegeven in de andere onderdelen in de schakeling. We meten de spanning in volt (V).
De meeste spanningsbronnen hebben een vaste spanning. Over een stopcontact staat bijvoorbeeld in Nederland altijd 230 V. We noemen dit ook wel de netspanning. Een normale AA-batterij heeft een spanning van 1,5 V. We kunnen ook spanningsbronnen aan elkaar koppelen. Hieronder zien we bijvoorbeeld twee AA-batterijen die in serie gekoppeld zijn. De totale spanning van beide batterijen samen is dan gelijk aan een optelling van de twee spanningen. In dit geval wordt dit 1,5 + 1,5 = 3,0 V.
De spanning meten we met een zogenaamde voltmeter (ook wel spanningsmeter genoemd). De voltmeter sluit je parallel aan over het onderdeel waarvan je de spanning wilt meten. Dit doe je door de voltmeter aan beide kanten van een onderdeel aan te sluiten. In de onderstaande afbeelding doen we dit voor een lampje.
Hier doen we hetzelfde voor een lampje in een serieschakeling en een parallelschakeling:
In de onderstaande afbeelding is zowel een spanningsmeter als een stroommeter aangesloten. Links zien we een realistische weergave van de schakeling en rechts een schematische versie.
|
EXPERIMENT
| ||
|
INSTRUCTIEVIDEO:
Spanning
|
Leerdoelen:
|
|
|
Opdrachten
|
|
§5 Elektriciteit in huis
In deze paragraaf gaan we het elektriciteitsnetwerk in huis bestuderen.
Als we de pluspool en de minpool van een spanningsbron direct verbinden met een materiaal met een erg kleine weerstand, dan ontstaat er kortsluiting. Door de kleine weerstand gaat er dan een grote stroom door het materiaal lopen (zie de linker onderstaande afbeelding). Deze grote hoeveelheid stroom kan gevaarlijk zijn voor de mens en kan ook gemakkelijk brand veroorzaken doordat er warmte en vonken vrijkomen (zie de rechter afbeelding).
(Afbeelding: ... / MdE; CC BY-SA 3.0)
|
Demonstratievideo
| ||
|
|
Demonstratievideo
| ||
|
Om kortsluiting in huis te begrijpen, is het van belang het elektriciteitsnetwerk in huis te begrijpen. Als je een stopcontact van de muur schroeft (doe dit niet zonder begeleiding en zet eerst de groep uit waartoe het stopcontact behoort!), dan zijn drie draden zichtbaar (zie de onderstaande foto). De bruine draad is de zogenaamde fasedraad. Hierover staat een spanning. De blauwe draad is de nuldraad. Hierover staat geen spanning. Als deze twee draden verbonden worden, dan ontstaat kortsluiting. Als deze draden worden aangesloten op een elektrisch apparaat met een redelijke weerstand, dan hebben we een functionele gesloten stroomkring en gaat het apparaat werken. De geel-groene draad in de afbeelding bespreken we in een later jaar.
Om ons tegen kortsluiting te beschermen bevat de meterkast in huis een aantal zekeringen. Een ouderwetse zekering bestaat uit een draadje dat doorbrandt als de stroomsterkte boven een bepaalde waarde uitkomt. In de onderstaande afbeelding zien we bijvoorbeeld een zekering die bij 20 A doorbrandt.
In de onderstaande afbeelding zien we een voorbeeld van een meterkast. Onder in deze kast zie je de voedingskabel waardoor elektriciteit het huis binnenkomt. Daarboven zien we een grote hoofdschakelaar. Hiermee kan de spanning in het hele huis uit- en aangezet worden.
Boven de hoofdschakelaar zien we de groepenkast met daarin een hele rij zekeringen. In dit geval zien we moderne zekeringen die niet meer werken met het doorbranden van een draadje, maar met een schakelaar. Het voordeel hiervan is dat deze zekeringen niet elke keer vervangen hoeven te worden nadat ze doorbranden.
Vanaf elke zekering in de meterkast loopt een draad naar boven. Deze draden splitsen op en zijn verbonden met de vele stopcontacten in huis. Voor de veiligheid zijn de stopcontacten in huis opgedeeld in een aantal groepen, elk met een eigen zekering (zie de rechter afbeelding).
Apparaten die een grote stroom vragen, zoals de wasmachine of een elektrische kookplaat, wil je niet allemaal op dezelfde groep zetten, want dan kunnen de draden te warm worden en kan brand ontstaan. In dat geval spreken we van overbelasting. De zekeringen zorgen ervoor dat de stroom dan wordt uitgeschakeld.
INSTRUCTIEVIDEO:
Elektriciteit in huis
|
Leerdoelen:
|
|
|
Opdrachten
|
|
