Newton 4 havo - proefkatern

NATUURKUNDE

Newton wordt vernieuwd

• Meer mogelijkheden in boek en digitaal voor formatief handelen

• Keuzehulp voor docent en leerling: niveaumarkering bij opgaven

• Overzichtelijke en gestructureerde vormgeving

Naam Klas HAVO

Newton 4 havo

Natuurkunde voor de bovenbouw

Newton heeft één boek voor 4 havo en één boek voor 5 havo. Daardoor zit alles voor een leerjaar bij elkaar. Nooit het verkeerde boek mee en altijd de vaardigheden bij de hand.

Je kunt ook kiezen voor maatwerk. Je stelt dan je eigen boek samen. Bepaal zelf de volgorde van de hoofdstukken en voeg eventueel eigen materiaal toe.

Beste leerling,

Je gaat aan de slag met Newton. Met Newton leer je natuurkundige verschijnselen begrijpen en toepassen. Je zult ontdekken dat natuurkunde overal om je heen aan het werk is.

We wensen je veel succes en plezier met het vak natuurkunde!

Team Newton

COLOFON

Redactie

Lineke Pijnappels

Technische illustraties

Edwin Verbaal

Vormgeving

Studio Michelangela

Opmaak

Crius Group

Over ThiemeMeulenhoff

ThiemeMeulenhoff is een educatieve uitgeverij die zich inzet voor het voortgezet onderwijs en beroepsonderwijs. De mensen van ThiemeMeulenhoff zijn er voor onderwijsprofessionals – met ervaring, expertise en doeltreffende leermiddelen. Ontwikkeld in doorlopende samenwerking met de mensen in het onderwijs om samen het onderwijs nog beter te maken.

We ontwikkelen lesmethodes die goed te combineren zijn met andere leermiddelen, naar eigen inzicht aan te passen en bewezen effectief zijn. En natuurlijk worden al onze lesmethodes zo duurzaam mogelijk geproduceerd.

Zo bouwen we samen met de mensen in het onderwijs aan een mooie toekomst voor de volgende generatie.

Samen leren vernieuwen. www.thiememeulenhoff.nl

ISBN 978 90 06 00000 0

Editie 7

© ThiemeMeulenhoff, Amersfoort

Alle rechten voorbehouden. Tekst­ en datamining niet toegestaan.

Niets uit deze uitgave mag worden verveelvoudigd, opgeslagen in een geautomatiseerd gegevensbestand, of openbaar gemaakt, in enige vorm of op enige wijze, hetzij elektronisch, mechanisch, door fotokopieën, opnamen, of enig andere manier, zonder voorafgaande schriftelijke toestemming van de uitgever.

Voor zover het maken van kopieën uit deze uitgave is toegestaan op grond van artikel 16B Auteurswet 1912 j° het Besluit van 23 augustus 1985, Stbl. 471 en artikel 17 Auteurswet 1912, dient men de daarvoor wettelijk verschuldigde vergoedingen te voldoen aan Stichting Publicatie­ en Reproductierechten Organisatie (PRO), Postbus 3060, 2130 KB Hoofddorp (www.stichting­pro.nl). Voor het overnemen van gedeelte(n) uit deze uitgave in bloemlezingen, readers en andere compilatiewerken (artikel 16 Auteurswet) dient men zich tot de uitgever te wenden. Voor meer informatie over het gebruik van muziek, film en het maken van kopieën in het onderwijs zie www.auteursrechtenonderwijs.nl.

Deze uitgave is volledig CO2­neutraal geproduceerd.

Het voor deze uitgave gebruikte papier is voorzien van het FSC®­keurmerk.

Dit betekent dat de bosbouw op een verantwoorde wijze heeft plaatsgevonden.

Newton maakt duurzame keuzes. De boeken worden CO2-neutraal in Nederland geproduceerd, op papier met FSC-keurmerk.

4 havo

Newton

De boeken van Newton worden gemaakt door ervaren bovenbouwdocenten natuurkunde.

Auteurs

Niels Bosboom

Ronit Coops

Roel Hogervorst

Kees Hooyman

Carolien Kootwijk

Marilyn Monster

Michel Philippens

Pier Siersma

Eindredactie

Carolien Kootwijk

Ton van der Valk

Eindredactie digitaal

Evert­Jan Nijhof

Inhoud

Elektrische schakelingen en energiegebruik

Introductie 10

1.1 Elektrische energie en vermogen 11

1.2 Spanning en stroomsterkte 24

1.3 Weerstand 36

1.4 Schakelingen in huis 47

1.5 Verdiepen 63

1.6 Afsluiten 66

2 Sport en verkeer

Bewegingen

Introductie

2.1 Kracht verandert snelheid

2.2 Versnellen en vertragen

2.3 Afstand en beweging

2.4 Vallen

2.5 Verdiepen

2.6 Afsluiten

3 Materialen

Verwarmen en isoleren

Introductie

3.1 Faseovergangen en dichtheid

3.2 Opwarmen

3.3 Isoleren

3.4 Functionele materialen

3.5 Verdiepen

3.6 Afsluiten

Je leerlingen natuurkunde laten begrijpen en beleven, dat is waar Newton voor staat.

Leerlingen worden actief aan de slag gezet via een vaste didactische opbouw per paragraaf: Ontdekken

Begrijpen

Beheersen

Bij Ontdekken wordt het onderwerp geïntroduceerd in een herkenbare context. Leerlingen ontdekken via experimenten, werkbladen en onderwerpvragen de natuurkundige verschijnselen waar ze over gaan leren.

Bij Begrijpen wordt de theorie uitgelegd in begrijpelijke woorden, met voorbeelden die leerlingen herkennen.

Bij Beheersen gaan leerlingen vervolgens aan de slag met formules, berekeningen en redeneringen. Ze passen toe, krijgen inzicht en lossen vraagstukken op.

4 Sport en verkeer

Krachten

Introductie

4.1 Eigenschappen van krachten

4.2 Krachten samenstellen

4.3 Krachten ontbinden

4.4 Hefbomen

4.5 Verdiepen

4.6 Afsluiten

5 Straling en gezondheid

Ioniserende straling

Introductie

5.1 Röntgenstraling

5.2 Kernstraling

5.3 Activiteit en halveringstijd

5.4 Stralingsbelasting

5.5 Beeldvorming

5.6 Verdiepen

5.7 Afsluiten

6 Vaardigheden

Rekenen, onderzoeken en ontwerpen

Introductie

6.1 Rekenvaardigheden

6.2 Grafieken, formules en verbanden

6.3 Onderzoeksvaardigheden

6.4 Videometen en rekenmodellen

6.5 Technisch ontwerpen

Antwoorden op rekenvragen

Register

Verantwoording

Illustraties

Examenopgaven

In het hoofdstuk Vaardigheden oefenen leerlingen met natuurkundige en wiskundige vaardigheden die in meerdere hoofdstukken aan bod komen. Het hoofdstuk kan apart worden behandeld of je zet een bepaalde paragraaf in als aanvulling op een ander hoofdstuk.

Werken met Newton

1.2 Spanning en stroomsterkte

In Werken met Newton zie je hoe Newton is opgebouwd en welke extra’s de leerling online kan vinden.

Starten met het hoofdstuk

• Je start met een Introductie op de onderwerpen in het hoofdstuk.

• Maak online de Startvragen. Met deze vragen verken je de onderwerpen die in het hoofdstuk aan bod komen. Ook fris je op wat je al weet over het onderwerp.

Werken met de paragrafen

• Alle paragrafen zijn opgebouwd volgens het principe: Ontdekken, Begrijpen en Beheersen

• Bij Begrijpen en Beheersen horen opgaven. Deze opgaven zijn ingedeeld op drie niveaus: Basis ( ), Kern en Pittig ( ). Basis­opgaven helpen je als je het lastig vindt, Kern­opgaven moet je kunnen maken voor een voldoende, Pittig­opgaven vragen van je dat je de stof echt goed begrijpt.

BEGRIJPEN

ONTDEKKEN

• Met behulp van de introductietekst, onderwerpvragen en soms een experiment of werkblad ontdek je waar de paragraaf over gaat.

• De leerdoelen geven aan wat je gaat leren.

BEGRIJPEN

• Alle leerstof wordt in begrijpelijke taal aan je uitgelegd. Belangrijke begrippen herken je aan de blauwe kleur

• Extra contexten herken je aan de grijze achtergrond. Deze contexten hoef je niet te kennen voor het examen, maar je kunt er wel mee oefenen om meer inzicht te krijgen.

• De opgaven helpen je om de leerstof goed te begrijpen voordat je aan de slag gaat met formules en berekeningen. Je kunt deze opgaven ook online maken, zodat je snel kunt nakijken en waar nodig feedback kunt krijgen.

BEHEERSEN

• De leerstof van Begrijpen wordt verder uitgebreid, zodat je ermee kunt redeneren en rekenen.

• De formules herken je aan de lichtpaarse achtergrond.

• In de voorbeeldopgaven leer je hoe je een opgave op een gestructureerde manier aanpakt.

• De opgaven zijn gericht op redeneren en rekenen. De eindantwoorden van rekenopgaven vind je achter in je boek.

• Met de eerste opgave van Beheersen, de Korte check, controleer je of je de leerstof tot dan toe begrijpt. Met de laatste opgave van Beheersen, de Leerdoelenopgave, kun je bepalen of je de leerdoelen al voldoende beheerst.

• Als je nog meer wilt oefenen, dan kan dat online met Verder oefenen.

Verdiepen

• Verdiepen biedt extra uitdaging aan het einde van het hoofdstuk.

• In je boek vind je theorie met opdrachten die dieper op de stof ingaan. Online vind je aanvullende onderzoeks­ of ontwerpopdrachten.

• Je kunt kiezen uit meerdere onderwerpen. Kies wat je leuk vindt of wat past bij je toekomstige studierichting.

• De stof van Verdiepen is geen verplichte examenstof.

Afsluiten

in dezelfde figuur hoe de drie lampjes op de punten P en Q van de spanningsbron zijn aangesloten. Drie volle batterijen kunnen in totaal 50 kJ elektrische energie leveren.

• Maak een samenvatting van het hoofdstuk om te zorgen dat je de geleerde stof goed onthoudt. Er zijn verschillende manieren om de leerstof voor jezelf samen te vatten. Probeer uit wat het best bij jou past.

• Maak de online zelftoets om je kennis te testen van dit hoofdstuk.

• Vul de online zelfevaluatie in om te reflecteren op hoe het werken met het hoofdstuk ging.

• Maak de eindopgaven om jezelf te testen op (weg naar het) examenniveau.

Wat vind je online?

Alle leerstof die je nodig hebt vind je in dit boek. De leerstof uit het boek is ook online beschikbaar, net zoals de opgaven van Begrijpen. Je krijgt dan direct feedback bij je antwoorden. Online zijn er nog extra onderdelen. In het boek staat dan een verwijzing.

‣ Introductie (met Startvragen)

‣ Per paragraaf:

• Leerdoelen

• Opdrachten (Begrijpen en Verder oefenen)

• Theorie

‣ Zelftoets en evaluatie

‣ Downloads:

• Onderzoeks­ en ontwerpopdrachten

• Extra samenvatopdrachten

Verwijzingen in het boek

In het boek tref je verwijzingen aan:

Verwijst naar een onderdeel dat online beschikbaar is.

Verwijst naar een experiment dat op de docentensite beschikbaar is. Je docent bepaalt wanneer en op welke manier je een experiment aangeboden krijgt.

Verwijst naar een werkblad. Dit is een extra opdracht of een activiteit die goed past bij de betreffende leerstof.

Elektriciteit

Elektrische schakelingen en energiegebruik

Introductie 10

1.1 Elektrische energie en vermogen 11

1.2 Spanning en stroomsterkte 24

1.3 Weerstand 36

1.4 Schakelingen in huis 47

1.5 Verdiepen 63

1.6 Afsluiten 66

Maak zelf een selectie uit het rijke aanbod van opgaven in Newton!

In de opgavenplanner staan de belangrijkste opgaven per leerdoel aangegeven. De opgavenplanner is in Word, zodat je de planner naar wens kunt aanpassen.

Bij dit hoofdstuk hoort ook een opgavenplanner. Vraag je docent of jullie deze gebruiken.

Elk hoofdstuk start met passende beelden om de interesse van je leerlingen te wekken.

De begeleidende tekst sluit aan bij de leefwereld en blikt vooruit op het hoofdstuk.

Introductie

Elektriciteit​speelt​een​grote​rol​in​ons​leven.​We​rijden​op​een​elektrische​fi​ets​of​scooter,​ veel nieuwe auto’s zijn elektrisch en we gebruiken allerlei soorten elektrische apparatuur. In de toekomst gaan we misschien zelfs elektrisch vliegen. Elektriciteit is een vorm van energie: elektrische energie. Windmolens en zonnepanelen wekken elektriciteit op (a). Soms is er een overaanbod en moet de opgewekte energie worden opgeslagen.

Elektrische energie kun je gebruiken om uit water waterstofgas te maken. Het waterstofgas​kan​dan​de​energie​leveren​om​auto’s,​vrachtauto’s​en​bussen​te​laten​rijden​of​zelfs​ vliegtuigen te laten vliegen (b).

In dit hoofdstuk leer je hoe je het energieverbruik van elektrische apparaten kunt berekenen en wat elektrische energie te maken heeft met spanning en stroomsterkte in een stroomkring.​Ook​gaat​het​hoofdstuk​over​wat​elektrische​spanning​is,​wat​er​stroomt​bij​ elektriciteit en wat dit te maken heeft met elektrische lading (c).

Online kunnen leerlingen enkele startvragen maken bij het hoofdstuk. Ze zijn opgedeeld in twee blokken: Voorkennis en Introductie. Zo weten leerlingen wat ze echt al moeten weten en wat ter verkenning is.

Bij dit hoofdstuk gaat de voorkennis onder andere over geleiders en isolatoren en het combineren van relevante grootheden en eenheden. De introductievragen sluiten aan bij de afbeeldingen a,b en c in het boek.

STARTVRAGEN

In de online Startvragen verken je de onderwerpen die in dit hoofdstuk aan bod komen. Ook herhaal je wat je in de onderbouw al hebt geleerd over elektriciteit. De online feedback en theorie helpen je om die kennis weer snel bij te spijkeren.

1.1 Elektrische energie en vermogen

ONTDEKKEN

In Nederland worden steeds meer windmolens voor de opwekking van elektriciteit gebouwd.

Toch wordt nog steeds een groot deel van de elektrische energie opgewekt met warmte afkomstig uit centrales waarin fossiele brandstoff​en,​zoals​kolen​en​gas,​worden​ verbrand. Door uitstoot van verbrandingsgassen treedt luchtverontreiniging op en stijgt het CO 2-gehalte van de atmosfeer. Redenen genoeg dus om het verbruik van elektrische energie in huis in de gaten te houden. Maar dan moet je wel weten hoeveel elektrische energie een apparaat verbruikt.

Ontdekken is vernieuwd! Leerlingen worden in Ontdekken via een introtekst over hun leefwereld, optionele experimenten/werkbladen en onderwerpvragen naar de leerdoelen geleid.

De onderwerpvragen maken de leerdoelen voor je leerlingen zo relevant mogelijk. Ook kun je de onderwerpvragen gebruiken om te kijken wat je leerlingen al weten over het onderwerp.

Werkblad 1 Sluipverbruik van elektrische apparaten

Deze paragraaf gaat over het opwekken en transporteren van elektriciteit en over het verbruik van elektriciteit door apparaten in huis. Je leert hoe je het elektrisch energieverbruik van een apparaat kunt bepalen en hoe je weet of een apparaat zuinig is met energie of niet.

Na deze paragraaf kun je antwoord geven op vragen als:

‣ Hoe weet je hoeveel geld je kwijt zult zijn aan elektrische energie voor een nieuw apparaat?

‣ Wat zijn de voordelen van autorijden op waterstof?

‣ Hoe komt het dat telefoons zo vaak opgeladen moeten worden?

LEERDOELEN

De volgende leerdoelen staan hierbij centraal:

‣ Je kunt beschrijven op welke (duurzame en niet­duurzame) manieren elektrische energie wordt opgewekt en hoe elektrische energie wordt getransporteerd.

‣ Je kunt beschrijven welke energieomzettingen plaatsvinden bij het opwekken en verbruiken van elektrische energie.

‣ Je kunt rekenen en redeneren met de capaciteit van een accu en met de energiedichtheid van accu’s en brandstoffen.

‣ Je kunt het elektrisch energieverbruik berekenen in de eenheden joule en kilowattuur en je kunt hiermee de energiekosten berekenen.

‣ Je kunt rekenen en redeneren met het rendement van een apparaat dat elektrische energie verbruikt of opwekt en daarbij energiebehoud toepassen.

Figuur 1

Blauwgedrukte woorden zijn de belangrijkste begrippen. In digitale leeromgeving eDition vind je alle begrippen terug in een begrippenlijst.

BEgRIjpEN

Energie en vermogen

Met behulp van docenten en leerlingen is de opmaak van Newton overzichtelijker en gestructureerder opgezet.

De informatie staat in één kolom, zodat leerlingen goed door de onderdelen van de theorie heen worden geleid, en direct helder voor ze is wat waarbij hoort.

Sommige elektrische apparaten zijn ‘energieslurpers’, zoals een wasdroger, een waterkoker en een elektrisch fornuis. Dat zijn apparaten met een groot elektrisch vermogen

Ze verbruiken elke seconde dat ze aan staan veel elektrische energie.

De eenheid van vermogen is watt (W) en de eenheid van energie is joule ( J). Een vermogen van 60 W betekent dat het apparaat elke seconde 60 J energie gebruikt: 60 W = 60 J / s.

Voor apparaten met een groot vermogen wordt het vermogen in kilowatt gegeven. Een koffiezetapparaat met een vermogen van 2,4 kW gebruikt dan elke seconde 2,4 kJ.

66 kWh/annum

QR-code met extra informatie

Energieklasse A t/m G

Jaarverbruik (kWh)

Volume (L)

Geluidsniveau (dB)

Figuur 2 Energielabel van een koelkast

Hoeveel elektrische energie een apparaat verbruikt, hangt af van het vermogen en de tijd dat het apparaat gebruikt wordt. Op een energielabel, zoals in figuur 2, staat hoeveel kWh het apparaat per jaar verbruikt. Dat is een gemiddelde, want het werkelijke energiegebruik hangt af van de tijd dat het apparaat wordt gebruikt. Het energielabel geeft ook aan hoe zuinig een elektrisch apparaat is ten opzichte van vergelijkbare apparaten (energieklasse A t/m G). De afkorting kWh staat voor kilowattuur. Dat is de eenheid die het energiebedrijf gebruikt voor elektrische energie.

Omzetting van energie en rendement

Bij elk apparaat wordt maar een deel van de energie nuttig gebruikt. Een elektrisch apparaat zet elektrische energie om in andere energiesoorten. Een gloeilamp zet elektrische energie om in licht (= stralingsenergie) en in warmte. Een stofzuiger zet elektrische energie om in bewegingsenergie van lucht en in warmte. Zie figuur 3. Bij deze energieomzettingen wordt dus slechts een deel van de elektrische energie omgezet in de gewenste energiesoort. De rest wordt omgezet in een energiesoort die je niet nodig hebt, meestal warmte. Het rendement geeft aan hoeveel procent van de toegevoerde energie nuttig gebruikt wordt. In de energiestroomdiagrammen van figuur 3 zie je dat het rendement van een gloeilamp laag is. Apparaten met een elektromotor, zoals een elektrische auto, hebben juist een hoog rendement. Die gebruiken het grootste deel van de ingaande energie voor nuttige beweging.

stralingsenergie

warmte

bewegingsenergie van lucht

warmte (motor)

warmte (snoer)

Al het tekenwerk is vernieuwd!

warmte (kookplaat)

warmte (snoer)

Figuur 3 Energiestroomdiagrammen

Experimenten en Werkbladen staan in de docentenomgeving. In het boek staan verwijzingen die duidelijk aangeven bij welke stof het experiment of werkblad goed aansluit.

Energieverbruik of energiebehoud ‘Het energieverbruik van de huishoudens moet omlaag.’ Deze zin klinkt prima. Toch is het onmogelijk om energie echt te verbruiken. Energie kan nooit verdwijnen. Je vindt het altijd ergens terug. Je kunt energie wel omzetten van de ene soort naar de andere, bijvoorbeeld van elektrische energie naar bewegingsenergie, chemische energie of warmte. Dat noem je energiegebruik. Elektrische energie kun je wel verbruiken. Als elektrische energie wordt verbruikt, verdwijnt die energiesoort. Er komen andere energiesoorten voor in de plaats, bijvoorbeeld licht en warmte bij een lamp. Er komt dus evenveel energie uit een elektrisch apparaat als je er aan elektrische energie in stopt. Dat noem je energiebehoud

Experiment 1 Het rendement van een ledlamp en een gloeilamp

Elektriciteitsopwekking

In Nederland wordt elektriciteit voor een groot deel opgewekt in conventionele centrales. Conventionele centrales zijn centrales waarin fossiele brandstoffen (aardgas, aardolie of steenkool) en biomassa (bijvoorbeeld hout, snoeiafval) worden verbrand. Met de warmte die dan vrijkomt wordt water verwarmd tot hete stoom waarmee een stoomturbine aan het draaien wordt gebracht (zie figuur 4). Deze drijft een generator (een grote dynamo) aan, die de elektriciteit opwekt.

Werkblad 2 Energie in de toekomst

4 Werking van een conventionele elektriciteitscentrale

Het rendement van een conventionele centrale is 40% tot 60%. Dit deel van de chemische energie van de brandstof wordt omgezet in elektrische energie. De rest wordt omgezet in warmte, die met koelwater wordt afgevoerd. Koeling is noodzakelijk: zonder koeling kan een stoomturbine niet werken. De koelwarmte kan ’s winters worden gebruikt om huizen te verwarmen.

In kerncentrales wordt kernenergie omgezet in warmte. Net als in conventionele centrales wordt met de warmte een stoomturbine aangedreven, die op zijn beurt een generator laat draaien. Kerncentrales halen hun energie uit het splitsen van uraniumkernen. Ze hebben als voordeel dat ze geen CO 2 uitstoten en ook geen fijnstof. Maar het radioactieve afval van een kerncentrale moet wel duizenden jaren veilig worden opgeslagen. Bovendien bestaat het risico dat bij een ongeval met de centrale radioactief materiaal vrijkomt. Windturbines en waterkrachtcentrales wekken elektriciteit op met een generator, net als conventionele centrales en kerncentrales. De draaibeweging wordt veroorzaakt door de wind of door stromend water. Bij zonnecellen wordt stralingsenergie van het zonlicht direct omgezet in elektrische energie. De wind, het stromende water of het zonlicht zijn hier de energiebronnen. Deze energiebronnen kunnen niet opraken; ze zijn hernieuwbaar, wat niet geldt voor fossiele brandstoffen en uranium. Waterkracht, windenergie en zonne­energie zijn daarom duurzame energiebronnen

ketel stoom

generator koeltoren turbine pomp water

Figuur

Opslag en transport van energie

Het elektriciteitsnetwerk werkt alleen goed als er niet meer energie wordt opgewekt dan er wordt verbruikt. Als er veel wind en veel zon is, dan leveren de windmolens en zonnepanelen veel elektrische energie, en hoeven de conventionele centrales minder te leveren. Op een windstille avond is dat precies omgekeerd. Om opwekking en verbruik op elkaar af te stemmen wordt elektrische energie via hoogspanningsleidingen over grote afstanden getransporteerd. Als er te veel elektriciteit wordt opgewekt, moet de energie opgeslagen worden. Dit kan op twee manieren: opslaan in enorme accu’s of door waterstof te maken. Waterstof kun je opslaan en met tankauto’s of via buizen transporteren. In een waterstoffabriek wordt met behulp van elektrolyse water gesplitst in waterstof en zuurstof (figuur 5). Waterstof die wordt gemaakt met duurzame energie heet groene waterstof

5 Elektrolyse van water

De in waterstof opgeslagen chemische energie kan met een brandstofcel weer omgezet worden in elektrische energie (figuur 6). In een brandstofcel reageert waterstof met zuurstof uit de lucht tot waterdamp, waarbij elektriciteit opgewekt wordt. De uitlaatgassen van een stadsbus die op waterstof rijdt, bestaan dus uitsluitend uit waterdamp (figuur 7). De bus rijdt dan op een elektromotor.

Figuur 6 Werking van een brandstofcel

Figuur 7 Elektrische bus op waterstof

Er wordt onderzoek gedaan naar andere brandstoffen dan waterstof als energiedrager, zoals methanol of ammonia. Deze kunnen ook met elektriciteit worden geproduceerd.

zuurstof

batterij

Figuur

Newton ondersteunt bij formatief handelen. Laat leerlingen de opgaven van Begrijpen online maken voor een snelle check van hun kennis en begrip. Liever oefenen met formuleren? Laat ze dan de opgaven in hun boek maken.

ONTHOUDEN

Aan het einde van Begrijpen en Beheersen wordt de stof kort samengevat. Zo krijgen leerlingen hulp bij het bepalen van hoofden bijzaken.

‣ Begrippen: elektrisch vermogen, watt, energie, joule, elektrische energie, kilowattuur (kWh), energieomzetting, energiestroomdiagram, energiebehoud, conventionele centrale, fossiele brandstof, chemische energie, generator, rendement, kerncentrale, windturbine, waterkrachtcentrale, zonnecel, duurzame energiebronnen, waterstof, elektrolyse, groene waterstof, brandstofcel.

‣ Het elektrisch vermogen van een apparaat (in W) geeft aan hoeveel joule elektrische energie het apparaat per seconde verbruikt (W = J / s).

‣ Het energieverbruik van een elektrisch apparaat hangt af van het vermogen van dat apparaat en van de tijd die het apparaat aan staat.

‣ Het energiebedrijf gebruikt de eenheid kilowattuur voor energie.

‣ Elektrische apparaten zetten elektrische energie om in andere energiesoorten, zoals warmte, licht en beweging. Daarbij is sprake van energiebehoud.

‣ Het rendement van een apparaat geeft aan hoeveel procent van de ingaande elektrische energie wordt omgezet in de gewenste energiesoort.

‣ In conventionele centrales en kerncentrales wordt elektrische energie opgewekt met behulp van stoomturbines en generatoren.

‣ Waterkracht, windenergie en zonne­energie zijn duurzame energiebronnen. Fossiele brandstoffen (steenkool, olie en aardgas) en kernenergie zijn niet duurzaam.

‣ Bij elektrolyse wordt water omgezet in waterstof en zuurstof. In een brandstofcel vindt het omgekeerde proces plaats. Zo wordt waterstof gebruikt als energiedrager.

OpgAVEN

Maak deze opgaven online of in je boek. Online zijn de opgaven meer gesloten. Je kunt daardoor direct nakijken en je krijgt feedback.

1 Stellingen

Waar of niet waar? Verbeter de onjuiste uitspraken.

1 Het elektrisch vermogen is de hoeveelheid elektrische energie die per seconde wordt omgezet.

2 Apparaten met een hoog vermogen hebben ook een hoog elektrisch energieverbruik per jaar.

3 Een windmolen zet de bewegingsenergie van lucht om in elektrische energie.

4 Een apparaat dat veel elektrische energie per seconde verbruikt, heeft een hoog rendement.

5 Bij een apparaat met een rendement van 60% verdwijnt 40% van de ingaande energie.

6 Centrales die op brandstof werken produceren elektriciteit met een soort stoommachine.

7 Windenergie, kernenergie en waterkracht zijn duurzame energiebronnen.

8 Bij elektrolyse wordt elektrische energie omgezet in chemische energie.

9 De uitlaatgassen van een brandstofcel bestaan alleen uit water(damp).

2 Energiegebruik van een televisie

Een televisie heeft een vermogen van 150 W.

a Hoeveel joule elektrische energie verbruikt de televisie in een seconde?

b Hoeveel joule gebruikt de televisie in een minuut?

3

Eenheden voor energie en vermogen

Bij elektrische apparaten zijn energie, vermogen en rendement belangrijk.

a Wat is de standaardeenheid van energie?

b Wat is de standaardeenheid van vermogen?

c Welke eenheid gebruiken energiebedrijven voor de levering van elektrische energie?

4 Kilowattuur, watt en joule

Wat betekenen de eenheden?

1 watt = joule keer | per seconde

2 kWh = kilowatt keer | per uur

3 joule = watt keer | per seconde

5 Ledlamp en gloeilamp

Bij een ledlamp van 6 W staat dat hij evenveel licht geeft als een gloeilamp van 40 W.

a Welke lamp gebruikt per seconde meer elektrische energie: de ledlamp van 6 W of een gloeilamp van 40 W?

b Leg in je eigen woorden uit wat het verschil is tussen energie en vermogen.

c De ledlamp geeft evenveel lichtenergie als de gloeilamp. Leg uit hoe dat kan.

6 Airfryer

De buren hebben hun frituurpan weggedaan en een airfryer gekocht. Dat is volgens hen gezonder en een airfryer gebruikt minder energie. Je vindt op internet dat hun airfryer een vermogen heeft van 2000 W. Jullie frituurpan heeft ook een vermogen van 2000 W

a Leg uit waarom het toch waar is dat een airfryer minder energie gebruikt dan een frituurpan voor het bereiden van een portie patat.

b Geef twee redenen waarom het belangrijk is om apparaten te gebruiken die zuinig zijn met elektrische energie.

c Leg uit waarom aan het begin van deze opgave staat: ‘gebruikt minder energie’ in plaats van ‘verbruikt minder energie’.

7 Rendement elektromotor

Een elektromotor heeft een rendement van 85%.

a Hoeveel procent van de elektrische energie wordt niet nuttig gebruikt?

b Teken een energiestroomdiagram voor deze elektromotor.

c Hoe blijkt uit het energiestroomdiagram dat energie behouden is?

8 Overstappen op duurzame energie

De wereld moet overstappen op zo veel mogelijk duurzame energie. In figuur 8 zie je bijvoorbeeld een elektriciteitscentrale die biomassa gebruikt.

a Noem twee duurzame manieren om elektriciteit op te wekken.

b Leg uit of kernenergie een duurzame energiebron is.

c Leg uit of biobrandstoffen duurzaam zijn.

Figuur 8

9

Waterstof bij windpark

Bij een groot windmolenpark op zee kan ervoor worden gekozen om de elektriciteit meteen te gebruiken voor de productie van waterstofgas.

a Hoe wordt deze waterstof dan gemaakt?

b Leg uit of de waterstof die zo ontstaat ‘groene’ waterstof is.

Als het hard waait, kan het voorkomen dat alle windmolens samen meer vermogen opwekken dan er in het hele land wordt gebruikt.

c Leg uit hoe groene waterstof een oplossing voor dit probleem kan zijn.

Bij de productie van waterstof met elektriciteit wordt de elektrische energie omgezet in een andere energiesoort.

d Welke gewenste en welke niet­gewenste energiesoort ontstaan dan?

BEHEERSEN

Elektrisch energieverbruik berekenen

Het energieverbruik van een elektrisch apparaat hangt af van het vermogen van het apparaat en de tijd die het aanstaat. Het verband tussen energie en vermogen is:

E = P t

• E is de energie (in J)

• P is het vermogen (in W = J / s)

• t is de tijd (in s)

Handig! Bij Beheersen herken je de formules en voorbeeldopgaven door de opvallende kleurvlakken. Zo zien je leerlingen snel wat belangrijk is.

Het energiebedrijf meet het verbruik van elektrische energie in kilowattuur. Voor het berekenen van het aantal kilowattuur gebruik je dezelfde formule: E = P · t. Je noteert het vermogen dan in kilowatt en de tijd in uur. Voor de eenheden van energie en vermogen geldt: joule = watt × seconde ( J = W × s) kilowattuur = kilowatt × uur (kWh = kW × h)

1 kWh = 1000 watt × 3600 s = 3 600 000 J = 3,6 MJ want 1 MJ = 1 000 000 J = 10 6 J

Eén megajoule is dus gelijk aan een miljoen joule.

VOORBEELDOPGAVE 1

Een stofzuiger met een vermogen van 2200 W staat 10,0 min aan. Bereken het energiegebruik van de stofzuiger in J en in kWh.

GEGEVEN P = 2200 W ; t = 10,0 min

GEV r AAGD E = ? J en E = ? kWh

U it WE rki NG

• De gebruikte energie bereken je met E = P · t.

Elke voorbeeldopgave en alle uitwerkingen zijn opgebouwd volgens het stappenplan Gegeven, Gevraagd, Uitwerking. Zo worden leerlingen ondersteund in het zorgvuldig leren lezen van de opgave en het ordenen van de informatie, voordat ze aan de slag gaan met de uitwerking.

• Reken de tijd om van minuten naar seconden voor de energie in J:

10,0 min  = 10,0 × 60 = 600 s

Vul in: E = P t = 2200 × 600 = 1,32 10 6 J

• Reken de tijd om naar uur en reken het vermogen om naar kW voor de energie in kWh: 10,0 min  = 10,0 60 = 0,167 uur en P = 2200 W = 2,200 kW

Vul in: E = P t = 2,200 × 0,167 = 0,367 kWh

Experiment 2 De energiekosten van een kop thee

Rekenen met rendement

Het rendement geeft aan welk deel van de ingaande energie wordt omgezet in de gewenste energiesoort. Bij apparaten die elektriciteit gebruiken is de elektrische energie de ingaande energie Ein. Bij apparaten die elektriciteit produceren, zoals een generator of een brandstofcel, is de elektrische energie de (gewenste) nuttige energie Enuttig.

Bij berekeningen met procenten kun je een verhoudingstabel gebruiken of een formule.

Bij een verhoudingstabel stel je de ingaande energie gelijk aan 100% (zie voorbeeldopgave 2).

Als je een formule gebruikt, kun je het rendement noteren als een vermenigvuldigingsfactor. Bij een rendement van 25% is die factor 0,25. Het symbool voor rendement is η, de Griekse letter èta. Omdat energie behouden is, kun je ook het niet­nuttig gebruikte deel van de energie berekenen als je het rendement weet: 1 η

η = Enuttig Ein = Pnuttig Pin

• η is het rendement

• Ein is de ingaande energie (in J of kWh)

• Enuttig is de nuttige energie (in J of kWh)

• Pin is het ingaande vermogen (in W)

• Pnuttig is het nuttige vermogen (in W)

VOORBEELDOPGAVE 2

Een lamp produceert in een uur tijd 2,4 kJ aan licht. De lamp verbruikt in deze tijd 7,2 kJ

elektrische energie.

a Bereken het rendement van de lamp.

b Hoeveel warmte produceert de lamp in een uur?

Antwoord a

GEGEVEN Enuttig = 2,4 kJ ; Ein = 7,2 kJ

GEV r AAGD η = ?

U it WE rki NG

Met een verhoudingstabel:

• De elektrische energie is gelijk aan 100%. Het licht is de nuttige energie. Noteer de getallen in een verhoudingstabel:

Ein Enuttig

100%

7,2 kJ 2,4 kJ

Figuur 9

• Bereken Enuttig met 1 kJ als tussenstap: 100% 7,2 × 2,4 = 33%

• Met de formule voor rendement: η = Enuttig Ein Vul in: η = 2,4 7,2 = 0,33 (= 33%)

Antwoord b

GEGEVEN Enuttig = 2,4 kJ ; Ein = 7,2 kJ

GEVrAAGD Ewarmte

UitWErkiNG

• Energie is behouden, dus Ein = Enuttig + Ewarmte

• Schrijf om en vul in: Ewarmte = 7,2 − 2,4 = 4,8 kJ

Experiment 3 Energiegebruik van een föhn

Energiedichtheid en capaciteit

Voor elektrisch rijden is veel energie nodig. Elektrische auto’s hebben daarom accu’s met een grote capaciteit. De capaciteit is de maximale hoeveelheid energie die de accu kan bevatten. Om een auto zo licht mogelijk te maken, worden accu’s gebruikt met een hoge energiedichtheid. Dat is hoeveel energie de accu per kilogram kan bevatten. Het begrip energiedichtheid wordt ook gebruikt bij brandstoffen. De energiedichtheid van een accu is veel kleiner dan die van een brandstof als benzine.

Figuur 10 De lage energiedichtheid maakt de accu​groot,​zwaar​en​duur.

De meeste elektrische auto’s gebruiken lithium­ion­accu’s. De massa van een accu kan wel 600 kg zijn (figuur 10), met een energiedichtheid van 0,45 MJ / kg. De capaciteit is dan 270 MJ. Auto’s kunnen ook op waterstof rijden. Waterstof heeft als voordeel dat de energiedichtheid hoog is: 120 MJ / kg. Dat is veel hoger dan die van een accu, zelfs hoger dan die van benzine (36 MJ / kg). Het nadeel van waterstof is dat voor de opslag in een vervoermiddel een hoge druk nodig is. Bovendien is het rendement van de dubbele omzetting (eerst met elektriciteit van water naar waterstof en zuurstof en dan weer terug naar elektriciteit en water) vrij laag, want bij beide omzettingen ontstaat ook warmte.

De energiebron met de grootste energiedichtheid is het uranium dat wordt gebruikt in een kerncentrale, met een energiedichtheid van 80 ·10 6 MJ / kg.

ONTHOUDEN

‣ Begrippen: megajoule (MJ), energiedichtheid, capaciteit, rendement.

‣ Omdat energie behouden is kun je met het rendement zowel het nuttig gebruikte als het niet­nuttig gebruikte deel van de energie berekenen.

‣ De energiedichtheid geeft aan hoeveel energie een energiebron per kilogram of per liter bevat.

‣ De capaciteit van een accu (in MJ of kWh) geeft aan hoeveel energie maximaal in de accu opgeslagen kan worden.

Newton biedt leerlingen ondersteuning bij het maken van geschikte opgaven.

Gebruik bij vragen in dit hoofdstuk waar nodig: de prijs van 1 kWh elektrische energie is € 0,46.

Newton kent drie soorten opgaven: – Basis-opgaven, gemarkeerd met een blauwe bol – Kern-opgaven

De eerste opgave van Beheersen is een korte check over de theorie van Begrijpen en Beheersen. Ideaal voor formatief handelen!

10 Korte check

– Pittig-opgaven, gemarkeerd met een roze ruit (zie blz. 22).

Beantwoord de volgende vragen als herhaling van Begrijpen en start van Beheersen.

a Welke twee manieren zijn er om de energie te transporteren van een windmolenpark op zee naar de gebruikers in het land?

b Noem twee duurzame en twee niet duurzame methodes om elektrische energie op te wekken.

De hoeveelheid elektrische energie die een apparaat verbruikt hangt af van twee dingen.

c Welke twee dingen zijn dat?

d Wat is de eenheid van vermogen?

e In welke eenheid druk je de hoeveelheid elektrische energie uit, als je de energiekosten wilt berekenen?

f Wat is energiedichtheid?

g Wat wordt bedoeld met ‘energiebehoud’ bij de omzetting van energie?

h Hoe bereken je het rendement van een energieomzetting?

i Hoe noem je de energiesoort van de energie die in een accu is opgeslagen?

11 Energie en kosten

Vindt een leerling de stof (nog) lastig? Laat deze leerling dan starten met een lichtblauwe Basisopgave.

a Welke twee gegevens heb je nodig om te berekenen hoeveel elektrische energie een apparaat per jaar verbruikt?

b Hoe bereken je dan de kosten van het elektrische energieverbruik van dat apparaat per jaar?

12 Gameconsole

Een gameconsole gebruikt tijdens het gamen 102 W. De console wordt 2,0 uur per dag gebruikt.

a Bereken hoeveel joule de gameconsole per dag gebruikt.

b Hoeveel kWh gebruikt het apparaat per dag?

c Bereken de kosten van het jaarverbruik van de gameconsole.

13 Televisie

De Kern-opgaven (zonder markering) helpen leerlingen de stof voldoende te begrijpen en beheersen

Een televisie verbruikt 270 kJ elektrische energie in 1,0 uur.

a Bereken het vermogen van de tv.

b Bereken de kosten voor de elektriciteit als je in een jaar tweehonderd keer 2,0 uur tv­kijkt.

Je kunt ook tv­kijken op je laptop. Je laptop heeft een accu met een capaciteit van 180 kJ. Het vermogen van je laptop is 11 W

c Bereken na hoeveel uur de accu van je laptop leeg zal zijn.

14 Waterpomp

Een waterpomp verbruikt in 24 uur 1,3 kWh elektrische energie.

a Bereken het vermogen van de waterpomp.

b Bereken hoeveel elektrische energie de waterpomp in een week verbruikt.

c Bereken in hoeveel tijd de pomp 130 kWh verbruikt. Het rendement van de pomp is 90%.

d Bereken hoeveel warmte de pomp in 24 uur produceert.

15

Twee lampen

In een advertentie worden twee lampen met elkaar vergeleken. Lamp A kan 20 uur branden op 1,0 kWh, lamp B kan 50 uur branden op 1,0 kWh

a Geef aan bij welke lamp het vermogen het grootst is en hoeveel keer groter dat is.

b Kun je nu ook zeggen welke lamp het hoogste rendement heeft?

Leg je antwoord uit.

16 Opladen laptop

De oplader van een laptop heeft een vermogen van 40 W. Het rendement is 83%. De lader kan in een kwartier de laptop opladen.

a Bereken hoeveel joule elektrische energie de lader in een kwartier verbruikt.

b Bereken hoeveel joule chemische energie de accu van de laptop in dit kwartier erbij krijgt.

c Hoeveel warmte komt er in een kwartier vrij in de laptop?

17 Vermogen van een ledlamp

Een ledlamp verbruikt in een minuut 180 J elektrische energie, waarvan 100 J wordt omgezet in licht.

a Bereken het rendement van de ledlamp in procent.

b Bereken het elektrische vermogen van de lamp.

c Bereken het lichtvermogen en het warmtevermogen van de lamp.

18 Sluipverbruik thuisnetwerk

Bij een thuisnetwerk zijn er vaak onderdelen die continu aan staan (stand­by), ook als er geen gebruik van wordt gemaakt. Dat heet sluipverbruik. Bij een bepaald netwerk is er het volgende sluipverbruik: een router (7,5 W), modem (6,8 W), printer (3,3 W) en computer met beeldscherm (2,9 W).

Bereken hoeveel dit sluipverbruik per dag kost. Geef het antwoord in kWh en in euro.

19 Wasmachine

Een wasmachine heeft een maximaal elektrisch vermogen van 3,0 kW. Tijdens een wasprogramma op 60 °C is het gemiddelde vermogen 2,1 kW. Het programma duurt 100 minuten.

a Leg uit waardoor de wasmachine niet steeds het maximale vermogen hoeft te gebruiken.

b Bereken de elektriciteitskosten van het wasprogramma van 60 °C

20 Verlichtingskosten

Figuur 11

In 2012 kwam er een Europees verbod op de productie van gloeilampen voor huishoudelijk gebruik. Gloeilampen hadden een rendement van 5%, ledlampen hebben een rendement van 50%.

a Hoe kon je voelen dat een gloeilamp een laag rendement had?

In het verleden werd in een huishouden jaarlijks gemiddeld 2100 MJ elektrische energie verbruikt voor verlichting.

b Leg uit dat het energiegebruik voor verlichting tien keer zo klein wordt als je alle gloeilampen vervangt door ledlampen.

c Laat zien dat de besparing voor een huishouden per jaar gemiddeld 1,9 GJ is.

21 Rijden op waterstof

Een personenauto met een brandstofcel voor waterstof rijdt een afstand van 600 km op een volle tank met 6,0 kg waterstof. De energiedichtheid van waterstof is 120 MJ / kg

a Leg uit welke chemische reactie plaatsvindt in een brandstofcel.

b Hoeveel energie gebruikt deze auto per 100 km?

Een elektrische auto heeft een accu met een capaciteit van 75 kWh. Met een volle accu kan de auto 560 km rijden.

c Bereken hoeveel elektrische energie deze elektrische auto per 100 km verbruikt.

d Leg aan de hand van je antwoorden op vraag b en c uit wat energiezuiniger is: rijden op elektriciteit of rijden op waterstof.

22 Vaste-stofaccu

Er wordt een vaste­stofaccu ontwikkeld die een twee keer zo hoge energiedichtheid heeft als een li­ion­accu. Een automodel heeft een massa van 1400 kg, waarvan de accu 400 kg uitmaakt. Deze accu wordt vervangen door een vaste­stofaccu die dezelfde capaciteit heeft. Hoe groot is de massa van de auto met de nieuwe accu?

23 Zonnecentrale

De Pittig-opgaven zijn voor leerlingen die willen controleren of ze de stof echt goed doorgronden. We adviseren om leerlingen eerst Kernopgaven te laten maken. Zie hiervoor ook de Opgavenplanner bij het hoofdstuk. Voor de sterke havo-leerling is starten met Pittigopgaven een mooie uitdaging.

In zonnige landen worden zonnecentrales gebouwd, zoals de Ouarzatate­centrale in Marokko (figuur 12). Duizenden spiegels weerkaatsen de zonnestraling naar een toren waar een vloeistof wordt verhit tot ver boven de 100 °C. Deze vloeistof zet water om in stoom, net als in een conventionele centrale. De hete vloeistof kan een paar uur worden opgeslagen zodat de centrale ook in de avond werkt.

Figuur 12

a Leg uit of de elektriciteit die een zonnecentrale opwekt duurzaam is.

b Noem een voordeel van een zonnecentrale ten opzichte van zonnepanelen.

De Ouarzatate­centrale in Marokko heeft een vermogen van 150 MW. De centrale produceert jaarlijks 500 GWh elektrische energie.

c Voer de volgende opdrachten uit:

• Reken het vermogen van de centrale om naar kW en de energieopbrengst naar kWh.

• Bereken daarmee hoeveel uur per dag deze centrale gemiddeld elektrische energie opwekt.

24

De laatste opgave van Beheersen is altijd een terugblik op de leerdoelen.

Aan de hand van de opgave(n) tussen haakjes kunnen leerlingen hun eigen prestaties beoordelen. Dit is een mix van Kernen Pittig-opgaven. Met deze mix van opgaven zijn leerlingen goed voorbereid op de toets.

Leerdoelen

Beheers je de leerdoelen al?

Gebruik de opgave(n) tussen haakjes om jezelf te beoordelen. Oefen extra met deze opgave(n), indien nodig.

Leerdoelen

Elektrische energie opwekken, transporteren en opslaan

1 Je kunt beschrijven op welke (duurzame en nietduurzame) manieren elektrische energie wordt opgewekt en hoe elektrische energie wordt getransporteerd. (8, 23)

2 Je kunt beschrijven welke energieomzettingen plaatsvinden bij het opwekken en verbruiken van elektrische energie. (7, 9)

3 Je kunt rekenen en redeneren met de capaciteit van een accu en met de energiedichtheid van accu’s en brandstoffen. (13, 21)

Elektrische energie verbruiken

4 Je kunt het elektrisch energieverbruik berekenen met E = P · t in de eenheden joule en kilowattuur en je kunt hiermee de energiekosten bereken. (12, 18)

5 Je kunt rekenen en redeneren met het rendement van een apparaat dat elektrische energie verbruikt of opwekt: η = Enuttig Ein of η = Pnuttig Pin , en daarbij energiebehoud toepassen. (15, 16)

Bij de leerdoelenopgave worden relevante formules aan de leerdoelen toegevoegd.

Verder oefenen Online kun je verder oefenen met de leerstof van deze paragraaf.

1.2 Spanning en stroomsterkte

ONTDEKKEN

De​lampjes​van​een​fi​ets​met​dynamo​werken​ op​6​volt.​Als​je​zo’n​lampje​aansluit​op​4​volt,​ gaat het minder fel branden. Het vermogen neemt af als de spanning minder wordt. Maar ook​bij​een​spanning​van​6​volt​brandt​het​ene​ lampje feller dan het andere. Ze verschillen in vermogen en dat heeft te maken met de stroomsterkte.

Bij​een​bliksemontlading​(fi​guur​13)​wordt​ gedurende een korte tijd een enorm vermogen ontwikkeld. Dan loopt er een hele grote stroom bij een spanning van duizenden volt.

Werkblad 3 Spanningsbronnen

Experiment 4 Stroomsterkte voor en na een lamp

In deze paragraaf leer je over elektrische schakelingen en hoe vermogen, spanning en stroom met elkaar samenhangen.

Na deze paragraaf kun je antwoord geven op vragen als:

‣ Staat op een stopcontact ook spanning als er geen apparaat is aangesloten en loopt er dan een stroom?

‣ Waarom moet je apparaten die veel elektrische energie gebruiken meestal direct aansluiten op het stopcontact en hebben apparaten die weinig energie gebruiken vaak een adapter?

Heldere leerdoelen geven houvast bij het begrijpen en leren van de stof. Aan het eind van de paragraaf beoordelen leerlingen hoe goed ze de leerdoelen beheersen.

LEERDOELEN

De volgende leerdoelen staan hierbij centraal:

‣ Je kunt aangeven welke deeltjes zorgen voor de elektrische stroom en wat de oorzaak van deze stroom is.

‣ Je kunt rekenen en redeneren met het begrip lading.

‣ Je kunt rekenen en redeneren met het begrip maximale lading van de accu in C en Ah.

‣ Je kunt rekenen en redeneren met stroomsterkte, spanning en vermogen.

‣ Je kunt schakelschema’s tekenen met de stroommeter en de spanningsmeter op een juiste plek.

Figuur 13

Extra contexten staan in een duidelijk herkenbaar kader. Leerlingen hoeven de context niet te kennen voor het examen, maar kunnen er wel mee oefenen. Bij elke context hoort een opgave (zie opgave 29 op blz. 30).

BEgRIjpEN

Elektrische lading

Een stroomkring moet ‘gesloten’ zijn om een elektrisch apparaat te laten werken. Je kunt weliswaar niets zien stromen, maar uit de eigenschappen van een stroomkring kun je beredeneren dat er wel iets stroomt: elektrische lading.

Elektrische stroom heeft te maken met bewegende elektrisch geladen deeltjes. Er bestaan twee soorten elektrische lading: positieve lading en negatieve lading. Twee voorwerpen die dezelfde soort lading hebben, stoten elkaar af. Twee voorwerpen met verschillende soorten lading trekken elkaar aan. Als iets ‘statisch’ is, bijvoorbeeld je haar, bevat het elektrische lading. Je haren hebben dan dezelfde soort lading en stoten elkaar af (figuur 14). Als je haren ontladen worden, is er heel even een elektrische stroom.

BLIKSEM

Bij bliksem zie je het effect van elektrische lading die door de lucht beweegt. Bliksem ontstaat doordat in onweerswolken scheiding van elektrische lading optreedt (figuur 15). Ook de aarde onder de wolken wordt dan geladen doordat de negatieve lading van de onderkant van de wolken positieve lading aantrekt. Als die ladingscheiding groot genoeg is, ontstaat er in de lucht een geleidende baan. Daar gaat even een zeer sterke stroom doorheen, van de ene wolk naar de andere of naar de grond. In die baan wordt de lucht plotseling heel sterk verhit waardoor hij licht gaat uitzenden, de bliksem. De snelle verhitting van de lucht geeft een snelle uitzetting en dat veroorzaakt de donder.

Experiment 5 Statische elektriciteit

Figuur 15 Ladingscheiding in wolken

Figuur 14 Statisch geladen haar

Figuur 16 Kunstmatige bliksem

Elektrische stroom

Materialen die elektrische stroom doorlaten, worden geleiders genoemd. Isolatoren laten geen stroom door. In een gesloten stroomkring loopt de elektrische stroom van de pluspool van de spanningsbron door de geleidende draden en het aangesloten apparaat naar de minpool van de spanningsbron. De stroom wordt in beweging gehouden door de spanning van de spanningsbron. De spanningsbron is bijvoorbeeld een batterij, een dynamo of het elektriciteitsnet.

Symbolen en schakelschema’s

Figuur 17a is een foto van een schakeling. In figuur 17b is dezelfde schakeling afgebeeld in een schakelschema. Dit soort schema’s wordt vanwege de overzichtelijkheid veel gebruikt. Ze bevatten een aantal internationaal afgesproken symbolen. Enkele veelgebruikte symbolen staan in figuur 18.

Figuur 17 Een gesloten stroomkring met bijbehorend schakelschema

Symbolen

spanningsbron (gelijkspanning) spanningsmeter

spanningsbron (wisselspanning)

verbindingsdraad schakelaar lamp regelbare spanningsbron

stroommeter

weerstand regelbare weerstand led aarde

Figuur 18 Symbolen van elektrische componenten

Stroom en spanning Elektrische stroom bestaat uit bewegende geladen deeltjes. In een metaal zijn dat vrije elektronen. Dat zijn elektronen die niet gebonden zijn aan een atoom en daardoor vrij door het metaal kunnen bewegen. De atoomkernen kunnen niet door de vaste stof heen bewegen. Ook sommige vloeistoffen, zoals zout water, geleiden stroom. In zo’n geleidende vloeistof zijn er positief en negatief geladen ionen, geladen atomen of moleculen (plus en min) die in de vloeistof zijn opgelost. In een vloeistof bestaat de elektrische stroom dus uit bewegende ionen en niet uit elektronen.

baan van een vrij elektron

Figuur 19 Beweging van een vrij elektron

elektrische stroom elektronen

Figuur 20​Afspraak:​de​elektrische​stroom​loopt​van​ door een metaal de pluspool naar de minpool.

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

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

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

Stroom en spanning meten

De grootte van de elektrische stroom meet je met een stroommeter (ampèremeter). Daarvoor moet de elektrische stroom door de meter heen. Je plaatst de meter dus voor of na het apparaat waardoor je de stroomsterkte wilt meten (‘in serie’, zie figuur 22). Voor of na maakt niet uit, want de stroomsterkte is daar gelijk.

Figuur 21 Een digitale multimeter en een analoge Figuur 22​Stroommeter​in​serie,​spannings-​ stroommeter meter parallel

De spanning over een elektrisch apparaat meet je met een spanningsmeter (voltmeter). Een spanningsmeter moet je verbinden voor en na het apparaat waarover je de spanning wilt meten (‘parallel’, zie figuur 22). De eenheid van spanning is volt (V).

Vermogen, stroomsterkte en spanning

De elektrische stroom transporteert elektrische energie van de bron naar een aangesloten apparaat. In het apparaat wordt deze energie omgezet in nuttige energie en/of warmte. Bij een grotere stroomsterkte gaat er elke seconde meer lading door het apparaat, en wordt er meer energie omgezet. Het vermogen is evenredig met de stroomsterkte.

De elektrische stroom draagt niet altijd evenveel energie met zich mee. De hoeveelheid hangt af van de spanning. Bij een twee keer zo grote spanning transporteert dezelfde stroom twee keer zo veel elektrische energie. Het vermogen van een apparaat is dus ook evenredig met de spanning.

GELIJKSPANNING EN WISSELSPANNING

Een batterij, een accu en een zonnepaneel leveren gelijkspanning. De ene pool is altijd positief, de andere negatief. De stroom gaat dus steeds dezelfde kant op. Het is gelijkstroom.

Een dynamo levert wisselspanning. De twee polen van een dynamo wisselen voortdurend van teken. Bij vrijwel alle elektriciteitscentrales wordt elektriciteit opgewekt met een dynamo, en de centrales leveren dus ook wisselspanning. Ook op het stopcontact staat wisselspanning.

Bij apparaten in huis die op een accu werken, zoals een laptop, wordt een adapter gebruikt om de spanning aan te passen. De wisselspanning van het stopcontact wordt door de adapter omgezet in een gelijkspanning om de accu op te laden. Bovendien wordt de spanning verlaagd, omdat zulke apparaten op een lagere spanning werken.

ONTHOUDEN

‣ Begrippen: elektrische lading (positief en negatief), coulomb, vrije elektronen, ionen, spanningsbron, gesloten stroomkring, schakelschema, geleider, isolator, stroomsterkte, stroommeter, ampère, spanning, spanningsmeter, volt.

‣ Elektrische stroom bestaat uit bewegende elektrische lading: in een metaal bewegen vrije elektronen; in een vloeistof bewegen ionen.

‣ Er loopt alleen een elektrische stroom als de stroomkring gesloten is.

‣ De elektrische stroomsterkte is de hoeveelheid lading die per seconde door een apparaat gaat.

‣ De eenheid van lading is coulomb.

‣ De eenheid van stroomsterkte is ampère.

‣ De spanning van de spanningsbron is de oorzaak van de beweging van de geladen deeltjes.

‣ De eenheid van elektrische spanning is volt.

‣ Het vermogen van een elektrisch apparaat is evenredig met de stroomsterkte door én evenredig met de spanning over het apparaat.

Figuur 23​Adapter​voor​laptop

Maak deze opgaven online of in je boek.

25 Stellingen

Waar of niet waar? Verbeter de onjuiste uitspraken.

1 Elektronen zijn negatief geladen.

2 Als je de stroomsterkte door een apparaat wilt meten, moet je een stroommeter in serie schakelen met dat apparaat.

3 De eenheid van stroomsterkte is volt.

4 Door een apparaat loopt alleen stroom als het apparaat is opgenomen in een gesloten stroomkring.

5 Vrije elektronen bewegen in een gesloten stroomkring van de minpool naar de pluspool.

6 Als de stroomsterkte twee keer zo groot is, gaat er elke seconde twee keer zoveel lading door het apparaat.

7 Hoe groter de spanning, hoe groter het vermogen (bij dezelfde stroomsterkte).

8 Hoe groter de stroomsterkte, hoe groter het vermogen (bij dezelfde spanning).

9 Wordt de spanning twee keer zo groot, dan wordt de energie die dezelfde elektrische stroom afgeeft in het apparaat twee keer zo groot.

10 Een apparaat dat werkt op een lage spanning, bijvoorbeeld 12 V, heeft een laag vermogen.

26 Stroomkringen

In figuur 24 zijn vier situaties getekend met een batterij en/of een lamp. a b c d

Figuur 24

a In welke situaties geeft het lampje licht?

b In welke situaties loopt er een elektrische stroom?

c In welke situaties is er een spanning?

27 Stroom door een lamp

In figuur 25 zie je de symbolen van een spanningsbron, een lamp en een stroommeter.

a Verbind de aansluitpunten in figuur 25 zo, dat de lamp brandt en je de stroom door de lamp kunt meten.

b Leg uit of de lamp ook brandt als je de spanningsbron andersom aansluit.

Figuur 25

Als een opgave bij een extra context hoort, wordt daar altijd naar verwezen in de opgave.

28

Geladen deeltjes die stromen

Een elektrische stroomkring bestaat uit een spanningsbron, een apparaat en aansluitdraden.

a Welke deeltjes bewegen door de aansluitdraden?

b Hebben deze deeltjes een positieve of een negatieve lading?

c Geef aan in welke richting deze deeltjes bewegen.

d Geef aan in welke richting de elektrische stroom loopt.

e Verklaar waardoor er alleen een stroom loopt als de stroomkring gesloten is.

29 Water en lucht

Zuiver water geleidt geen elektrische stroom.

a Leg uit waardoor zuiver water geen elektrische stroom geleidt.

b Leg uit hoe je ervoor kunt zorgen dat water wel elektrische stroom geleidt.

Lees de context Bliksem

Lucht geleidt geen stroom, behalve als de elektrische spanning heel hoog is, zoals bij bliksem. Elektrische stroom kun je niet zien.

c Wat zorgt bij onweer dan voor de lichtflits van de bliksem?

30 Stroomsterkte meten

In de schakeling van figuur 26 is een lamp aangesloten op een spanningsbron. De stroomsterkte door de schakeling wordt op twee punten gemeten met een stroommeter.

Welke uitspraak is waar?

◯ De stroom door A 2 is groter dan die door A 1.

◯ De stroom door A 2 is even groot als die door A 1

◯ De stroom door A 2 is kleiner dan die door A 1.

◯ Door A 2 loopt geen stroom.

31 Spanning meten

Je leerlingen mogen schrijven in de boeken. Handig bij het maken van meerkeuze-opgaven!

In de schakeling van figuur 27 is een lamp aangesloten op een spanningsbron. Er zijn twee spanningsmeters in de schakeling opgenomen.

Welke uitspraak is waar?

◯ V 2 meet een grotere spanning dan V 1.

◯ V 1 en V 2 meten een even grote spanning.

◯ V 2 meet een kleinere spanning dan V 1

32 Apparaten met een adapter

Lees de context Gelijkspanning en wisselspanning Elektrische apparaten met een accu hebben vaak een adapter.

a Levert een accu gelijkspanning of wisselspanning?

27

26

b Leg uit waarom de meeste adapters niet alleen de spanning verlagen, maar ook de wisselspanning omzetten in gelijkspanning.

Figuur

Figuur

33

Stroom en spanning bepalen

Figuur 28

Leg uit met welke van de vier schakelingen in figuur 28 je de stroom door en de spanning over een lampje kunt bepalen.

34 Achterlicht met verklikkerlampje

Een automobilist moet kunnen zien of de achterlichten werken. Daarom is er een verklikkerlampje in de schakeling opgenomen.

schakelaar

achterlicht

verklikkerlampje

Figuur 29

a Teken in figuur 29 de verbindingsdraden. Doe dit zo dat het achterlicht werkt en dat het verklikkerlampje alleen brandt als het achterlicht ook echt stroom doorlaat.

b Teken in de schakeling een voltmeter die alleen de spanning over het achterlicht meet.

BEHEERSEN

Rekenen met vermogen

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

P = U I

• P is het vermogen (in W)

• U is de spanning (in V)

• I is de stroomsterkte (in A)

VOORBEELDOPGAVE 3

Een lamp van 12 W is aangesloten op het elektriciteitsnet. Bereken de stroomsterkte door de lamp.

GEGEVEN P = 12 W ; U = 230 V

GEV r AAGD I = ? A

U it WE rki NG

• Bereken de stroomsterkte met: P = U · I

• Schrijf de formule om en vul in: I = P U = 12 230 = 0,052 A

Stroom en lading

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

I = Q t

• I is de stroomsterkte (in A)

• Q is de lading (in C)

• t is de tijd (in s)

De lading van één elektron is heel erg klein: 1,60 ·10 19 C. Een lading van één coulomb komt overeen met de lading van 1 1,60 ⋅ 10 19 = 6,25 ·10 18 elektronen.

Lading uit een batterij

Een batterij kan gedurende een bepaalde tijd stroom leveren. Hoe groter de stroomsterkte, hoe eerder de batterij leeg is. De totale lading die een batterij kan leveren bereken je door de formule om te schrijven naar Q = I · t

De lading van een volle batterij wordt uitgedrukt in Ah of in mAh. Een maximale lading van 20 Ah betekent dat de batterij gedurende twee uur een stroom van 10 A kan leveren, of gedurende vijf uur een stroom van 4 A. Soms wordt de maximale lading van een batterij de capaciteit genoemd, maar dat is verwarrend omdat capaciteit al voor de maximale energie­inhoud van de batterij wordt gebruikt.

VOORBEELDOPGAVE 4

Op een batterij van 1,5 V staat dat de lading van de volle batterij 1200 mAh is.

a Bereken de maximale lading van de batterij in coulomb.

b Bereken de maximale energie die deze batterij kan leveren (de capaciteit).

Antwoord a

GEGEVEN U = 1,5 V ; maximale lading = 1200 mAh

GEV r AAGD Q = ? C

U it WE rki NG

• 1200 mAh betekent dat de batterij één uur lang een stroomsterkte van 1200 mA kan leveren.

• Bereken de lading Q in coulomb met: I = Q t

Neem de tijd t in seconde: 1 h = 3600 s

Neem de stroomsterkte I in ampère: 1200 mA = 1,2 A

• Schrijf om en vul in: Q = I · t = 1,2 × 3600 = 4320 C = 4,3 ·10 3 C (afgerond)

Antwoord b

GEGEVEN U = 1,5 V ; I = 1,2 A (zie antwoord a) ; maximale lading = 1200 mAh

GEVrAAGD E = ? J

UitWErkiNG

• Bereken het vermogen met: P = U I

Vul in: P = 1,5 × 1,2 = 1,8 W

• Bereken de energie met: E = P · t

Vul in: E = 1,8 × 3600 = 6,5 ·10 3 J = 6,5 kJ

Experiment 6 Lading van een batterij

ONTHOUDEN

‣ Begrip: maximale lading.

OpgAVEN

35 Korte check

Beantwoord de volgende vragen als herhaling van Begrijpen en start van Beheersen.

a Beschrijf welke ladingen elkaar aantrekken en welke elkaar afstoten.

b Welke deeltjes stromen door een stroomdraad?

c Wat is stroomsterkte? De stroomsterkte is hoeveel per door een draad gaat.

d Wat is de oorzaak van de beweging van de lading in een stroomdraad?

e Welke grootheid is evenredig met de spanning én evenredig met de stroomsterkte?

f Welke meter moet in de stroomkring geschakeld worden?

g Herschrijf de zin zodat deze correct is: De volt door het apparaat is 6,0 V.

h Van welke grootheid is mAh de eenheid?

i Met welke formule bereken je het vermogen als je de stroomsterkte en de spanning weet?

j Met welke formule bereken je hoeveel lading door een apparaat is gestroomd in bijvoorbeeld een minuut?

36 Autolamp

Je hebt een autolamp met een elektrisch vermogen van 55 W en een 55W­lamp op het elektriciteitsnet (230 V). De stroomsterkte door de autolamp is 4,6 A.

a Bereken de spanning van de auto­accu.

b Bereken de stroomsterkte door de lamp die op het elektriciteitsnet is aangesloten.

37 Sluipverbruik in stand-by

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

Bereken de totale stroomsterkte bij dit sluipverbruik.

38 Energie en lading van een accu

Een accu van 12 V levert 4,5 uur lang een stroomsterkte van 3,0 A.

a Bereken de hoeveelheid lading die de accu in 4,5 uur levert.

b Bereken het vermogen dat de accu levert.

c Laat zien dat de accu in 4,5 uur tijd 162 Wh aan energie levert.

39 Vermogen van een wasmachine

Een wasmachine heeft een maximaal elektrisch vermogen van 3,0 kW. Tijdens een wasprogramma op 60 °C is de gemiddelde stroomsterkte 9,1 A

a Bereken het gemiddelde elektrische vermogen voor het wasprogramma van 60 °C.

b Leg uit of de stroomsterkte bij het maximale vermogen groter dan, kleiner dan of even groot is als 9,1 A

40 Stroomsterkte bij bliksem

Bij een bliksemontlading verplaatst zich  6,4 C lading in 10 ms van een wolk naar de aarde.

Bereken de gemiddelde stroomsterkte van deze bliksemschicht.

41 Draden A en B

Door draad A stroomt elke seconde 0,15 C lading. Door draad B stroomt in de helft van de tijd driemaal zoveel lading.

Bereken de stroomsterkte door draad B.

42 Oplaadbare batterij

Op een oplaadbare batterij van 1,2 V staat: 2,5 Wh.

a Staat 2,5 Wh voor de capaciteit of voor het vermogen van de batterij?

b Bereken hoeveel uur deze batterij een vermogen van 0,18 W kan leveren.

43 Batterij van een klok

In een klok is een nieuwe batterij geplaatst. De lading van deze volle batterij is 2700 mAh.

De stroomsterkte door de klok is 0,300 mA

a Bereken na hoeveel dagen deze batterij leeg is.

b Bereken hoeveel coulomb lading deze batterij kan leveren.

44 Schakelschema twee lampjes

Je hebt een schakeling met een spanningsbron van 6 V en twee lampjes van 6 V, die elk onafhankelijk van elkaar door een schakelaar aan­ en uitgezet kunnen worden.

a Teken het schakelschema van deze schakeling.

b Teken in je schema een voltmeter die de spanning over de bron meet en een ampèremeter die de stroomsterkte door de bron meet.

45 Drie stroomkringen

Teken de schakelschema’s van de volgende drie stroomkringen.

1 Een stroomkring met een spanningsbron, een schakelaar en een lamp.

2 Een stroomkring met een spanningsbron, een motor, een lamp en een spanningsmeter. De motor en de lamp zijn in serie geschakeld. De spanningsmeter meet de spanning over de motor.

3 Fietsverlichting met een batterij, een koplamp, een achterlicht en een stroommeter. De lampen zijn parallel geschakeld. De stroommeter meet de stroomsterkte door de koplamp.

46 Telefoon opladen

Het opladen van je telefoon gaat via een adapter. De adapter is aangesloten op 230 V en gebruikt 0,150 A. De gemiddelde oplaadtijd is 90 minuten per dag. 1 kWh kost € 0,46.

a Bereken het vermogen waarmee de telefoon wordt opgeladen.

b Bereken hoeveel geld het opladen van je telefoon per jaar kost.

De adapter levert een veel lagere spanning (5,0 V), maar een veel grotere stroomsterkte aan de telefoon.

c Leg uit dat de stroomsterkte die de adapter levert veel groter is dan de stroomsterkte uit het stopcontact (0,150 A).

47 Accu van een telefoon

Een accu levert een spanning van 5,0 V. Daarop kan een telefoon 24 uur werken. Het gemiddelde vermogen van de telefoon is 0,58 W

a Bereken de gemiddelde stroomsterkte door de accu.

b Bereken de maximale lading van de accu in Ah

48 Leerdoelen

Beheers je de leerdoelen al?

Gebruik de opgave(n) tussen haakjes om jezelf te beoordelen. Oefen extra met deze opgave(n), indien nodig.

Leerdoelen

Lading

1 Je kunt aangeven welke deeltjes zorgen voor de elektrische stroom en wat de oorzaak van deze stroom is. (28, 29)

2 Je kunt rekenen en redeneren met het begrip lading: I = Q t (40, 47)

3 Je kunt rekenen en redeneren met het begrip maximale lading van de accu in C en Ah. (38, 43)

Stroom, spanning en vermogen

4 Je kunt rekenen en redeneren met stroomsterkte, spanning en vermogen: P = U I (37, 46)

5 Je kunt schakelschema’s tekenen met de stroommeter en de spanningsmeter op een juiste plek. (34, 44)

Verder oefenen Online kun je verder oefenen met de leerstof van deze en eerdere paragrafen.

1.5 Verdiepen

El E ktricit E it 1.5 Verdiepen

Verdiepen is uitgebreid met extra onderzoeks- en ontwerpopdrachten! Hiervoor zijn de keuze-onderwerpen uit de vorige editie aangepast.

Kies een of meer onderwerpen van Verdiepen. Lees de theorie en maak de bijbehorende opgaven. Bij sommige onderwerpen is er een aparte onderzoeks­ of ontwerpopdracht die je online kunt vinden bij Downloads.

Spieren of vet

Je gaat regelmatig naar de sportschool en je wordt al snel breder en zwaarder, maar kweek je vooral spieren of komt er ook lichaamsvet bij? Als je dit wilt weten, is er een speciale weegschaal die niet alleen je gewicht bepaalt maar ook je spier­ en vetpercentage.

62 Met opdrukken kweek je spieren

63 Deze weegschaal meet ook spier- en vetmassa.

De weegschaal heeft twee elektrische contacten onder je voeten. Tussen die twee contacten legt het apparaat kort een kleine gelijkspanning aan, waarbij het de stroomsterkte meet. Zo meet de weegschaal de weerstand van je lichaam.

De weegschaal meet ook je weerstand bij een kleine wisselspanning. Waterige vloeistoffen die zich niet in de lichaamscellen bevinden, zoals bloed, geleiden de elektrische stroom het best. Dit wordt hier ‘vrij water` genoemd. De weerstand van spieren is heel hoog bij gelijkspanning, maar veel lager bij wisselspanning. Zo kan de weegschaal berekenen hoeveel ‘vrij water’ er in je lichaam is, en hoeveel spiermassa.

De hoeveelheid vet kan de weegschaal niet rechtstreeks meten, maar het apparaat meet natuurlijk je totale massa. Je lengte, leeftijd en geslacht moet je invoeren. Hiermee maakt het apparaat een schatting van de massa van je botten. Nu kan de weegschaal de massa van je lichaamsvet berekenen.

93 Spier- en vetweegschaal

a Welke stof heeft volgens de tekst de laagste soortelijke weerstand?

◯ lichaamsvet

◯ ‘vrij water’

◯ water in spieren

De weegschaal berekent de massa van je lichaamsvet met behulp van de massa van het vrije water, je botten en je spieren, en je totale massa.

b Welke berekening maakt de weegschaal? mlichaamsvet =

Figuur

Figuur

De elektrische stroom gaat van voet naar voet vooral door je benen.

c Leg uit dat deze meting voor iemand met dunne gespierde benen en een dikke buik niet eerlijk zal verlopen.

Je spier­ en vetpercentage kunnen ook worden gemeten in een speciale kliniek. Daar heeft het apparaat vier elektroden: twee aan je enkels en twee aan je polsen. Alle vier de elektroden worden met een goed geleidende gel op je huid bevestigd.

d Geef twee redenen waarom deze methode beter is dan de weegschaal voor gebruik thuis.

Duurzaam vliegen

Vliegtuigen gebruiken kerosine, een brandstof die wordt gemaakt uit aardolie. Bij de verbranding van kerosine komt CO 2 vrij, en behoorlijk wat.

Energiebron

Energiedichtheid in MJ / kg

kerosine 43

li­ion­accu 0,45

waterstof 120

Figuur 64

Figuur 65 Vliegen op waterstof is in de toekomst waarschijnlijk mogelijk.

Elektrisch vliegen zou ideaal zijn, maar accu’s zijn te zwaar voor vliegtuigen die grote afstanden afleggen. Zonnepanelen op de vleugels zijn ook een goed idee, maar leveren te weinig vermogen voor het vliegtuig. Daarom wordt geëxperimenteerd met vliegen op waterstof.

Waterstof heeft een grotere energiedichtheid dan kerosine. Een vliegtuig met propellers is de schoonste oplossing. De waterstof kan dan via een brandstofcel een elektromotor aandrijven. Een straalvliegtuig op waterstof is ook mogelijk.

94 Lange-afstandsvlucht

Een vliegtuig voor de lange afstand heeft bij het opstarten 1,30 ·10 5 kg kerosine aan boord. De maximale massa van het vliegtuig (met brandstof) bij het opstijgen is 2,80 10 5 kg

a Laat met een berekening zien dat het vliegtuig bij het opstijgen over 5,6 ·10 12 J chemische energie beschikt.

b Bereken de massa van een accu die evenveel energie bevat als de kerosine.

c Leg uit of je het eens bent met de opmerking dat elektrisch vliegen voor de lange afstand niet kan.

Waterstof heeft als nadeel dat het veel ruimte inneemt. Het moet in cilinders worden samengeperst.

d Bereken de massa die deze cilinders mogen hebben als de massa van de waterstof en de cilinders samen 1,30 ·10 5 kg is.

Leerlingen kunnen deze opdrachten zelf downloaden in digitale leeromgeving eDition.

Elektriciteit uit zonnecellen

Een zonnecel in het zonlicht levert elektrische energie. Om deze energie te gebruiken moet je de zonnecel op een apparaat aansluiten. De weerstand van dit apparaat heeft invloed op het vermogen dat de zonnecel levert. Is de weerstand heel hoog, dan levert de zonnecel maar een kleine stroomsterkte. Is de weerstand heel laag, dan is de spanning van de zonnecel heel laag. Het vermogen van de zonnecel is in beide gevallen niet optimaal. Bij één weerstandswaarde van het apparaat zijn de stroomsterkte en de spanning zo dat het vermogen optimaal is.

Onderzoeksopdracht Bij dit onderwerp hoort de onderzoeksopdracht Elektriciteit uit zonnecellen. Voor deze onderzoeksopdracht gebruik je een zonnecel. Je gaat uitzoeken hoe groot het maximale elektrische vermogen is dat die zonnecel kan leveren.

Eigenschappen van een led

Leds zijn diodes die licht geven als er een stroom doorheen gaat. Net als bij een diode is er een minimale spanning nodig, anders laat de led geen stroom door. Deze minimale spanning noem je de drempelspanning. Deze is afhankelijk van de kleur van de led.

Onderzoeksopdracht Bij dit onderwerp hoort de onderzoeksopdracht Drempelspanning van verschillende leds. In deze onderzoeksopdracht ga je de drempelspanning van leds van verschillende kleuren bepalen.

1.6 Afsluiten

je bent aan het einde gekomen van dit hoofdstuk. In deze afsluitende paragraaf ga je voor jezelf na of je de theorie beheerst door een samenvatting, de zelftoets en de eindopgaven te maken. Ook kun je de zelfevaluatie invullen om terug te kijken op dit hoofdstuk.

95 Samenvatten met vragen

Maak een samenvatting om te zien of je alle stof al kent.

Niet elke leerling leert op dezelfde manier.

Naast het samenvatten met vragen is er nu ook samenvatten met tabellen en samenvatten met een begrippenweb. Deze bestanden kunnen leerlingen downloaden in digitale leeromgeving eDition.

Gebruik hiervoor de volgende vragen.

a Wat is het verband tussen elektrische energie en vermogen?

b Hoe reken je energie in kWh om naar J?

c Wat wordt bedoeld met het rendement van een elektrisch apparaat?

d Beschrijf de functie van een turbine en een generator bij de productie van elektriciteit.

e Welke eenheid hoort bij de energiedichtheid van benzine?

f Welke deeltjes bewegen in een stroomdraad als er stroom loopt?

g Hoe verandert het vermogen als de spanning en de stroomsterkte beide twee keer zo groot worden?

h Wat heeft lading te maken met stroomsterkte? Gebruik in je uitleg de eenheden voor lading en stroomsterkte.

i Teken de symbolen voor: gelijkspanningsbron, lamp, weerstand, diode, stroommeter en spanningsmeter.

j Hoe sluit je een stroommeter en een spanningsmeter aan?

k Hoe noem je een weerstand waarbij de stroomsterkte door de weerstand evenredig is met de spanning over de weerstand?

l Hoe verandert de weerstand van een PTC en van een NTC als de temperatuur stijgt?

m Hoe verandert de weerstand van een LDR als er meer licht op valt?

n Wordt de stroomsterkte groter of kleiner als de weerstand toeneemt?

o Wordt het vermogen groter of kleiner als de weerstand toeneemt?

p Welke drie eigenschappen (grootheden) bepalen de weerstand van een stroomdraad?

q Wat is de eenheid van weerstand? En van soortelijke weerstand?

r Bij welke schakeling heeft elk apparaat een eigen stroomkring: in serie of parallel?

s Bij welke schakeling mag je de weerstanden optellen: in serie of parallel?

t Bij welke schakeling mag je de stroomsterktes optellen: in serie of parallel?

u Bij welke schakeling mag je de spanningen optellen: in serie of parallel?

v Bij welke schakeling is sprake van spanningsdeling: in serie of parallel?

w Bij welke schakeling is sprake van stroomdeling: in serie of parallel?

x Welk apparaat beschermt tegen stroom door je lichaam? En tegen brand?

y Leg uit wat er gebeurt bij kortsluiting.

z Beschrijf hoe elektrische energie opgeslagen kan worden met behulp van elektrolyse en een brandstofcel.

96 Samenvatten met tabellen

Maak een samenvatting door te noteren wat je weet over de begrippen en formules die je hebt geleerd.

Gebruik hiervoor de Begrippentabel en de Formuletabel van dit hoofdstuk. Deze vind je online onder Downloads.

97

Samenvatten met een begrippenweb

In de Eindopgaven kunnen leerlingen de stof nogmaals oefenen, maar dan op toetsniveau.

El E ktricit E it 1.6 Afsluiten Naast de zelftoets is er ook een zelfevaluatie!

Een vaste set vragen waarmee je leerling kort terugblikt op het werken leerproces tijdens dit hoofdstuk.

Maak een samenvatting door begrippen op de juiste plaats in een web te zetten. Vul waar mogelijk aan met de formules. Gebruik hiervoor het Begrippenweb van dit hoofdstuk. Dit vind je online onder Downloads.

Zelftoets en zelfevaluatie Test je kennis van het hele hoofdstuk met de online zelftoets. Reflecteer op hoe het werken aan dit hoofdstuk ging met de online zelfevaluatie.

EINDO pg AVEN

98 Fietsverlichting

Hier komen ook regelmatig (aangepaste) eindexamenopgaven in terug.

In het examenjaar is er een speciaal hoofdstuk waarin alle stof wordt herhaald en geoefend.

Dat hoofdstuk gaat uitgebreid worden met behulp van de examenbundel Natuurkunde.

In de koplamp van een fiets zitten drie parallel geschakelde lampjes, die ieder op een spanning van 4,5 V branden. Deze spanning wordt geleverd door een spanningsbron bestaande uit drie batterijen die ieder een spanning leveren van 1,5 V. In figuur 66 zijn de batterijen en de lampjes schematisch getekend.

De drie batterijen moeten zó met elkaar verbonden worden dat de spanning tussen de pluspool en de minpool van de spanningsbron (de punten P en Q) 4,5 V is.

a Teken in figuur 66 de verbindingsdraden tussen de batterijen.

b Teken in dezelfde figuur hoe de drie lampjes op de punten P en Q van de spanningsbron zijn aangesloten.

Figuur 66

Drie volle batterijen kunnen in totaal 50 kJ elektrische energie leveren. Als de drie lampjes branden, levert de spanningsbron een stroom van 0,028 A

c Bereken hoeveel uur de koplamp kan branden.

Een van de lampjes gaat kapot.

d Leg uit of de stroom door de spanningsbron dan kleiner of groter wordt of gelijk blijft.

99 Rijnmondcentrale

De elektriciteitscentrale van EPNL bij Rotterdam heeft een gemiddeld vermogen van 410 MW. Een huishouden verbruikt gemiddeld 2600 kWh elektrische energie per jaar.

a Bereken voor hoeveel huishoudens deze centrale de elektrische energie kan leveren.

De centrale wordt gestookt met aardgas (energiedichtheid 33 MJ / m 3) en heeft een rendement van 61%.

b Bereken hoeveel MJ elektrische energie kan worden geproduceerd met 1,0 m 3 aardgas.

c Bereken hoeveel m 3 aardgas de centrale per seconde verstookt als deze op gemiddeld vermogen werkt.

100

Rekenen aan een gemengde schakeling

In figuur 67 zie je twee parallel geschakelde weerstanden R1 en R2 die samen in serie geschakeld zijn met een derde weerstand R3

a Laat met een berekening zien dat de totale weerstand 62 Ω is.

b Bereken de stroomsterkte die de spanningsbron levert.

c Leg uit dat de stroomsterkte door R1 groter is dan die door R2 en dat de stroomsterkte door R3 groter is dan die door R1.

d Laat met een berekening zien dat over R3 een spanning staat van 7,3 V.

e Bereken de stroomsterkte door R2

101 Kapot kerstboomlampje

Figuur 67

Een kerstboomverlichting bestaat uit vijftig lampjes in serie en wordt aangesloten op het elektriciteitsnet. De stroomsterkte door één lampje is dan 200 mA. Zodra een lampje stuk gaat, wordt het met een vonkje als het ware gesoldeerd en kortgesloten. Het kapotte lampje brandt dan niet meer maar geleidt wel. De andere lampjes branden dan iets feller. Neem aan dat de lampjes ohmse weerstanden zijn.

a Leg uit waardoor de andere lampjes dan feller branden.

b Bereken de stroomsterkte als er 49 lampjes branden.

c Bereken hoeveel lampjes er kapot zijn gegaan als de stroomsterkte is opgelopen tot 250 mA

d Leg uit dat het volgende lampje nog sneller stuk zal gaan.

102 Smart grid

Nederland gebruikt gemiddeld 300 miljoen kWh elektrische energie per dag. Maar elk moment van de dag is het benodigde vermogen anders. Bij het elektriciteitsnet moet het elektrisch vermogen dat wordt geleverd precies gelijk zijn aan het vermogen dat de gebruikers afnemen. Voldoen aan die eis is moeilijker geworden doordat er veel zonnepanelen, windmolens en elektrische apparaten bij zijn gekomen. Een oplossing is het slimme elektriciteitsnet: smart grid in het Engels. Hierbij kan de energiemaatschappij bij mensen thuis apparaten korte tijd uitschakelen. Het gaat om apparaten die echt wel even zonder stroom kunnen. Het smart grid bestaat nog niet echt. Er wordt nog mee geëxperimenteerd. Deelname is natuurlijk vrijwillig.

a Bereken het gemiddelde elektrische vermogen in kilowatt dat in Nederland wordt gebruikt.

b Welke dag van de week zal het benodigde vermogen aanzienlijk minder zijn?

Leg uit waarom je dat denkt.

c Leg uit op welke momenten windmolens en zonnepanelen de stabiliteit van het elektriciteitsnet kunnen verstoren.

d Noem drie huishoudelijke apparaten die geschikt zijn voor plaatsing in het smart grid. Een andere manier om ervoor te zorgen dat de vraag naar elektriciteit zich aanpast aan het aanbod is een supervariabel tarief. Hierbij krijgt de consument elk uur een andere elektriciteitsprijs. Er zijn zelfs uren met een negatieve prijs.

e Leg uit hoe een supervariabele elektriciteitsprijs kan zorgen voor een betere afstemming tussen vraag naar en aanbod van elektriciteit.

Verantwoording

Illustraties

Technische tekeningen: © Verbaal Visuele Communicatie BV

Elektriciteit

Opening hoofdstuk: Getty Images / iStock / suraviki

Intro a: Shutterstock / Robinotof

Intro b: Shutterstock / Scharfsinn

Intro c: Valeriya_Chistyakova

A. Groenewold: 23

ANP / Science Photo Library: 15

ANP / Xinhua Xinhua / eyevine: 12

Edwin Verbaal: 3, 4, 16, 18, 19, 20, 22, 24, 25, 26, 27, 28, 29, 32, 33, 34, 37, 38, 39, 42, 43, 44, 46, 49, 50, 51, 52, 53, 54, 55, 56, 57, 58, 59, 60, 61, 66, 67

Gert van de Kamp: 21

Gert van de Kamp, Edwin Verbaal: 17

Shutterstock / antoniodiaz: 41, Awe Inspiring Images, Take Photo: 35, Boudewijn Zwaal: 13, DinkeyDoodle: 45, frantic00: 14, Gecko Studio: 63, Hsyn20: 36, Maleo: 40, Nandalal Sarkar: 5, nostal6ie: 8, Octavian Lazar: 30, offstocker: 11, Olena Tselykh: 1, PeopleImages.com Yuri A: 62, Peter Varga: 10, Petr Malyshev, fotografos: 31, ra3rn, kocetoiliev: 47, Scharfsinn: 7, Wirestock Creators: 65

Examenopgaven

Elektriciteit

Opgave 98 naar examen havo 2009­1

Meer weten over de vernieuwingen? Of heb je vragen over de methode? Neem contact op met onze methodespecialisten.