Elektriciteit 3
3.1 Wat kun je met elektriciteit doen? x
3.2 Spanningsbronnen x
3.3 Elektrische stroom 1
3.4 Schakelingen en veiligheid x Afsluiten 19
Introductie
Een waterkoker, een klok, een tram: dit hoofdstuk gaat over elektrische apparaten die je thuis en op straat overal tegenkomt. Iedereen heeft thuis een meterkast (a). Daar moet je kijken als de stroom uitvalt. Treinen, trams en metro’s rijden op elektriciteit. Dat is gunstiger voor het milieu dan rijden op brandstof. Daarom komen er ook steeds meer elektrische scooters en auto’s (b). De toename van het aantal huizen met zonnepanelen is ook goed voor een duurzame toekomst (c).
In dit hoofdstuk leer je wat spanning is en wat er door stroomdraden stroomt. Daarbij staan praktische vragen centraal: Waar in een schakeling kun je een schakelaar inbouwen? Wat is ervoor nodig om apparaten te laten werken op de energie die een zonnepaneel opvangt?
Hoe wordt ervoor gezorgd dat niemand in huis een elektrische schok kan krijgen?
1 Elektriciteit om je heen
Je gebruikt op een dag veel elektrische apparaten. Die zijn heel verschillend.
a Noem drie apparaten die op batterijen werken.
b Noem drie apparaten die direct op een stopcontact worden aangesloten.
c Noem twee apparaten die via een oplaadbare accu op een stopcontact worden aangesloten.
Er zijn veel vervoermiddelen die op elektriciteit werken.
d Noem een voertuig dat ervoor zorgt dat iemand die niet kan lopen toch zelfstandig op pad kan.
Heel verschillende apparaten werken op stopcontacten. Hoewel de stopcontacten hetzelfde zijn, wordt soms veel energie gebruikt en soms weinig.
e Noem een apparaat dat veel energie uit een stopcontact haalt.
f Noem een apparaat dat weinig energie uit een stopcontact haalt.
3.3 Elektrische stroom
LEERDOELEN
‣ Je kunt uitleggen wat een stroomkring is; wat elektrische stroom is en wat elektronen zijn
‣ Je kunt met de juiste symbolen een schakelschema tekenen;
‣ Je kunt uitleggen wat een parallelschakeling is en waarvoor hij wordt gebruikt;
‣ Je kunt de totale stroomsterkte in een parallelschakeling berekenen.
Werkblad Zenuwspel
Deze paragraaf heeft ook een alternatieve route via het werkblad 'Zenuwspel'.
Na dit werkblad kun je antwoord geven op vragen als:
• Wat is een stroomkring en waarom lopen er twee draden naar een apparaat?
• Wat stroomt er door de elektriciteitsdraden?
• Wat is de oorzaak van die beweging?
ONTDEKKEN
1 Verbindingen in een zenuwspel
In het filmpje ‘Zenuwspel’ zie je dat zo’n spel met eenvoudige middelen is te maken.
Bekijk het filmpje en beantwoord daarna de vragen.
Van de pluspool van de batterij loopt een draadje naar een van de twee aansluitpunten van de gebogen route. Van het andere aansluitpunt van het lampje loopt een draadje naar de handgreep.
a Wanneer kan stroom een lampje laten branden?
1. Als je een batterij en een lampje met één draad verbindt, loopt er geen | wel stroom en brandt het lampje niet | wel
2. Met een tweede draad van de andere pool naar het lampje, loopt er wel | geen stroom en brandt het lampje wel | niet niet.
b Omschrijf in je eigen woorden wat er nodig is om het lampje van een zenuwspel te laten aan- en uitgaan.
2 De grote lijn van het hoofdstuk
Bij de introductie van dit hoofdstuk staat een foto van een elektrische scooter. Zo’n scooter heeft een accu.
a Noem iets wat je uit de paragraaf 'Verschillende spanningsbronnen' al weet over wat de accu van de scooter levert.
b Noem iets wat je nog niet weet over wat de accu levert en waarover je verwacht in deze paragraaf iets te leren.
BEGRIJPEN
Elektrische stroomkring
Een zenuwspel werkt op elektriciteit. Zodra de metalen ring de gebogen draad raakt, gaat de lamp branden. Hoe zit dat bij andere elektrische apparaten die je aan en uit kunt zetten? Om te begrijpen hoe dit gaat, moet je weten wat elektrische stroom is. Als je je daar iets bij wilt kunnen voorstellen, is het handig de vergelijking te maken met water dat door leidingen stroomt. Veel is hetzelfde, alleen stroomt er iets anders dan water.
Het lampje van de zaklamp (figuur 1) kan alleen branden als het goed in de fitting is geschroefd. De pluspool van de rechter batterij is dan met het lampje verbonden. Wat er door de draad loopt, noem je ‘elektrische stroom’. De stroom die aan de andere kant uit het lampje komt, gaat via de buitenkant van de zaklamp verder. Uiteindelijk gaat de stroom terug naar de minpool van de linker batterij.
De spanningsbron is de oorzaak van het ontstaan van een stroom. De polen duwen en trekken de stroom door de schakeling. De pijlen geven de route van de stroom aan. Elektriciteit stroomt in een gesloten kring: de stroomkring.
zaklamp
en weer terug (rechts).
Een stroomkring bestaat minimaal uit een spanningsbron, een elektrisch apparaat en aansluitdraden. Bij apparaten die je op het stopcontact aansluit, zitten de twee aansluitdraden samen in een dik snoer. De stroom loopt van de ene pen van de stekker, door de ene draad, door het apparaat, door de andere draad, en uiteindelijk terug naar de andere pen van de stekker.
De meeste aansluitdraden zijn van koper, meestal met ander materiaal zoals plastic eromheen. Als je de stroomkring onderbreekt, werkt het apparaat niet meer; het is dan uitgeschakeld. Dat kan met een schakelaar die onderdeel is van de stroomkring. Je kunt de stroomkring vóór of ná het apparaat onderbreken, in beide gevallen gaat het apparaat uit.
Practicum 1: Lampje met en zonder fitting
Figuur 1 De zaklamp geeft licht (links), want de stroom loopt van de batterijen naar het lampje
Stroomsterkte
De grootte van de stroom noem je de stroomsterkte. De stroomsterkte is overal in de kring even groot. Een elektrisch apparaat verbruikt geen stroom, dat wil zeggen dat de stroom niet verdwijnt. De stroom geeft energie af in het apparaat en stroomt daarna weer verder. Je kunt dat vergelijken met een waterrad in een snelstromende beek. Die gebruikt wel de stroming van het water, maar verbruikt geen water.
Als de spanningsbron een wisselspanningsbron is, dan is de stoom die ontstaat een wisselstroom. Dat wil zeggen dat in de hele stroomkring de stroom steeds 0,01 s de ene kant opgaat en dan 0,01 s de andere kant op. De apparaten in zo’n stroomkring zijn gebouwd om hierop te werken. Door alle apparaten die direct, zonder adapter, werken op het stopcontact loopt een wisselstroom.
Als de spanningsbron gelijkspanning levert, zoals bij een batterij, accu en de bovenleidingen van reguliere treinen in Nederland, dan is de stroom een gelijkstroom. Die loopt voortdurend dezelfde kant op.
Schakelschema
Een stroomkring teken je in een overzichtelijk schema: het schakelschema. Je gebruikt voor elk onderdeel van de stroomkring een symbool. In figuur 2 staan de belangrijkste symbolen. De symbolen verbind je met rechte lijnen, die de stroomdraden voorstellen. Figuur 3 geeft het schakelschema van een zaklamp met schakelaar. Hierin is de zaklamp weergegeven met het symbool voor een lampje.
M lamp elektromotor wisselspanningsbron
LED-lamp
A Ampèremeter gelijkspanningsbron verbindingsdraad
schakelaar
Figuur 2 Bij schakelschema’s werk je met symbolen. Figuur 3 Getekend met symbolen is een zaklamp erg eenvoudig.
TREINEN
Ook bij treinen is er sprake van een gesloten stroomkring. De stroom komt van de elektriciteitsdraden boven de trein, en loopt via de treinrails terug naar de spanningsbron. Binnen de trein gaat de stroom door de elektromotoren die de trein aandrijven. De spanningsbronnen zijn de ‘onderstations’, die bij het spoornetwerk om de 7 km een gelijkspanning van 1800 V op de bovenleiding zetten. De bovenkant van de rails waar de metalen wielen contact maken, moet goed geleiden, anders is er geen stroomkring. Op de website van Prorail, het bedrijf dat zorgt voor de sporen, vind je de volgende tekst: 'Als er een tijd geen treinen hebben gereden over een spoor, kunnen daar niet direct normale treinen over rijden. Eerst moeten de sporen worden bereden om roest van de rails te verwijderen.'
Wat stroomt er in een elektrische stroom?
Door waterleidingen en kranen stroomt water. In een elektrische stroom bewegen elektrisch geladen deeltjes. Deze deeltjes zijn onvoorstelbaar klein. De bewegende geladen deeltjes in een stroomdraad noem je elektronen. Als op een draad een gelijkspanning staat, stromen de elektronen in één richting door de draad. De minpool en de pluspool duwen en trekken aan de deeltjes. De deeltjes kunnen pas bewegen als ze de hele route van pool naar pool kunnen afleggen, dus als de stroomkring gesloten is.
In figuur 4 is een onvoorstelbaar klein stukje koperdraad voorgesteld. De grote stippen zijn koperatomen, de kleine stipjes stellen elektronen voor. De koperatomen blijven op hun plaats, de elektronen bewegen.
elektronen koperdeeltjes
Figuur 4 Sterk vergrote, schematische tekening van een stukje koperdraad.
Geleiders en isolatoren
Materialen waar de elektrische stroom gemakkelijk doorheen kan, noem je geleiders. Metalen zijn goede geleiders, vooral koper en zilver. Grafiet is een redelijk goede geleider. In die materialen kunnen de elektronen makkelijk bewegen. In bijna alle andere vaste zuivere stoffen kunnen de elektronen niet stromen. Deze stoffen geleiden de stroom dus niet; dat zijn isolatoren. Bekende isolatoren zijn plastic, rubber, glas en hout.
Perfect zuiver water is een isolator. Maar meestal zitten in water zouten opgelost. Dan zijn er geen losse elektronen die door het materiaal kunnen bewegen, maar wel andere, grotere geladen deeltjes, ionen genoemd. Bij gewoon keukenzout, dat als vaste stof niet geleidt en wordt aangeduid met NaCl, zijn de geladen deeltjes die ontstaan nadat het zout is opgelost het positieve ion Na+ en het negatieve ion Cl-
Dat water geleidt is de reden waarom elektrische installaties buiten, zoals voor tuinverlichting of bij een festival, extra veilig moeten zijn aangelegd. Een regenbuitje mag geen ongelukken opleveren. In badkamers moet je voorzichtig zijn met elektriciteit omdat daar water is. Je moet voorkomen dat de stroom via dat water je lichaam bereikt, want een mens zit vol geleidende vloeistoffen zoals bloed. Bovendien werkt het hart via elektrische pulsjes. Stroom door een lichaam is gevaarlijk, onder andere doordat het hart van slag kan raken.
Practicum 2: Geleiders en isolatoren
Geleiding in gassen
Door gassen kan ook een stroom lopen. Daar zijn het weer losse elektronen die bewegen, net als bij metalen. Bijzonder is dat die elektronen het gas kunnen laten oplichten. Bij een plasmabol (figuur 5) zie je daardoor via welke route de stroom loopt. Belangrijke toepassingen van geleiding in gassen zijn natriumlampen, die je vaak langs snelwegen ziet, neonverlichting en TL-buizen.
Figuur 5 In een plasmabol laten elektronen het gas oplichten.
BLIKSEM
De onderkant een onweerswolk heeft een enorme negatieve lading, terwijl de grond onder de wolk een positieve lading heeft. Samen vormen de ladingen een spanningsbron. Pas als de spanning groot genoeg is gaat er een stroom lopen: de bliksem. Door die hoge spanning ontstaan er in de lucht losse elektronen en andere geladen deeltjes. Daardoor kan er een elektrische stroom lopen. De stroomsterkte is dan zo groot dat de lucht warm wordt en licht gaat geven. Door die plotselinge opwarming zet de lucht ook explosief uit: je hoort de donder.
Figuur 6 Bliksem ontstaat door elektrische ontlading.
ONTHOUDEN
‣ Sleutelbegrippen: stroomkring, stroomsterkte, schakelschema, elektronen, geleider, isolator.
‣ Voor een elektrische stroom zijn een spanningsbron en een gesloten stroomkring nodig.
‣ De grootte van de stroom noem je de stroomsterkte. Die geeft aan hoeveel geladen deeltjes per seconde door een apparaat stromen.
‣ Een elektrische stroom in een metaal bestaat uit heel kleine elektrisch geladen deeltjes: de elektronen.
‣ Een geleider laat een elektrische stroom goed door, een isolator niet. Water met daarin opgeloste stoffen is een geleider.
‣ In een schakelschema teken je de onderdelen van een stroomkring met symbolen.
3 Stellingen
Controleer wat je nu weet over stroomkringen.
a Welke beweringen zijn onjuist?
1 De elektrische stroom loopt alleen tussen de spanningsbron en het apparaat.
2 Door een isolator kunnen geen elektronen stromen.
3 Een lampje gaat pas branden als er elektronen doorheen gaan.
4 Een schakelaar werkt niet in een afvoerdraad, want de elektronen zijn al door het apparaat gegaan.
5 In de afvoerdraad is de stroomsterkte kleiner dan in de aanvoerdraad.
6 Zoet water is een betere stroomgeleider dan zout water.
b Noteer van elke onware bewering een verbeterde versie, dus een bewering die wél waar is.
4 Elektrische stroom
Noteer de juiste woorden op de open plekken.
1. Om een elektrisch apparaat te laten werken heb je een spanningsbron en een nodig. Dan loopt er een elektrische stroom door de draden van de ene van de spanningsbron naar de andere. Die stroom bestaat uit die door de draad geduwd worden door de van de spanningsbron.
2. Een metaaldraad zit vol elektronen. Daardoor zijn metalen goede Als die elektronen door een lampje gaan, gaat het lampje
De stroomsterkte geeft aan elektronen door het lampje stromen.
3 De stroomsterkte is in de aanvoerdraad als in de afvoerdraad, omdat de elektronen niet kunnen uit de draad. Een schakelaar kun je in de stroomkring plaatsen.
5 In een snoer
De meeste elektriciteitssnoeren bestaan uit een koperen draad met daaromheen een plastic mantel.
a Leg uit waarom een elektriciteitssnoer op zijn minst uit twee draden bestaat.
b Waarvoor dient de plastic mantel om elke draad?
c Waarom is koper geschikt als binnenkant van de draad en plastic als buitenkant?
6 De route van de stroom door een zaklamp
Kies de juiste woorden.
1. De stroom loopt hier van de minpool | pluspool van de batterij eerst naar de minpool | lampje en daarna via de buitenkant | stroomdraad naar de minpool | pluspool van de batterij.
2 Dat kan alleen als de buitenkant van de zaklamp van metaal | plastic gemaakt is.
7 Eiffeltoren
Op de foto zie je een blikseminslag op de Eiffeltoren. De bliksem slaat gemakkelijker in een hoog gebouw in dan in de grond.
Lees de context Bliksem
Waarom gaat elektrische stroom gemakkelijker door de Eiffeltoren dan door de lucht?
8 Twee lampjes
Je hebt twee lampjes en maar één batterij. De batterij heeft de juiste spanning om een lampje te laten branden, maar je wilt beide lampjes laten branden. Elk lampje moet dan rechtstreeks verbonden zijn met beide polen van de batterij.
Teken het schakelschema.
9 Van schema naar tekening
In de figuur zie je het schakelschema van een lampje dat kan branden.
Leg uit wat elk symbool voorstelt.
10 Stroomkring in het zenuwspel
Je ziet een zenuwspel, maar dit is nog niet compleet. Maak de schakeling af zodat het spel werkt.
11 Treinen en treintjes
Lees eerst de context Treinen. a Teken met de juiste symbolen de schakeling met: onderstation, bovenleiding, treinmotor en rails. Schrijf deze woorden op de juiste plek erbij.
Voor de veiligheid is het nodig dat de trein niet doorrijdt als de machinist bewusteloos raakt. Hij of zij moet daarom voortdurend de ‘dodemansknop’ ingedrukt houden. Als dat niet gebeurt, werkt de motor niet meer.
b Teken het symbool dat in een schakeling de dodemansknop voorstelt en geef met een pijl aan waar in de schakeling deze moet komen.
Een speelgoed-modelspoorbaan heeft geen bovenleiding. De stroom loopt van de ‘derde rail’ in het midden tussen de gewone rails, via een sleepcontact naar het motortje, en via de wielen naar de gewone rails.
c Leg uit waarom bij echte treinen en trams zo’n systeem gevaarlijker is dan een systeem met een bovenleiding.
BEHEERSEN
Stroomsterke
Bij het zenuwspel vindt de stroom zijn weg van batterij, via lampje, snoertjes, ringetje en spiraal terug naar de batterij. De vraag is nu hoe je onderscheid kunt maken tussen een grote en een kleine stroomsterkte.
Hoe werkt dat?
Stel dat je moet bepalen hoe groot de verkeersstroom op een snelweg is. Dat is niet erg ingewikkeld.
batterij
broodrooster
elektronen
Figuur 7 Het rondpompen van elektronen.
Je gaat langs die weg staan en telt het aantal auto’s dat in een bepaalde tijd voorbijkomt. Voor de grootte van de elektrische stroom geldt iets vergelijkbaars. Een stroomkring kun je beschouwen als een kring waarin elektronen worden rondgepompt (figuur 7). Met de spanningsbron als pomp. De stroomsterkte geeft aan hoeveel elektronen er op een bepaalde plaats per seconde door een draad of door een apparaat gaan. Helaas zijn elektronen zo klein dat je ze niet kunt zien, dus echt tellen lukt niet. Bovendien zou je dan moeten werken met onvoorstelbaar grote getallen, die in de triljoenen kunnen lopen. Een triljoen is een één met achttien nullen, dat is hetzelfde als duizend miljoen miljard! Daarom is een handiger eenheid gekozen. Bij de grootheid stroomsterkte gebruik je de eenheid ampère (A). Bij een stroomsterkte van 1 A passeren 6.000.000.000.000.000.000 elektronen. Dat getal hoef je niet te onthouden, belangrijk is dat je weet dat het er heel veel zijn. Voor kleine stroomsterkten gebruik je milliampère (mA). Duizend milliampère is één ampère, zoals duizend millimeter één meter is.
Er geldt:
1 mA = 0,001 A
1A = 1000 mA
VOORBEELDOPGAVE 1
Door een lamp gaat een stroom van 0,500 A. Hoeveel milliampère is dat?
U it WE rki NG
• 1 A = 1000 mA
• Je moet met duizend vermenigvuldigen, dus de gevraagde stroomsterkte is:
1000 × 0,500 A = 500 mA
De stroomsterkte door apparaten
Alle apparaten die je rechtstreeks op het stopcontact aansluit, werken op 230 V spanning. Maar de stroomsterkte door die apparaten kan erg verschillen. In apparaten die veel elektriciteit gebruiken, loopt een grote stroom. De stroomsterkte is daarin vaak groter dan 10 A. Een van de koplopers is de wasmachine. Verwarmingsapparaten zoals een elektrisch fornuis, een strijkijzer of een waterkoker gebruiken veel stroom, maar ook koelapparaten zoals koelkasten, diepvriezers en airco’s. Andere apparaten zitten daar ver onder. In een grote televisie is de stroomsterkte ongeveer 1 A, in een computer ongeveer 250 mA en in een oplader voor je mobiel slechts een paar milliampère.
Grootte van de stroomsterkte
De eigenschappen van het apparaat zelf bepalen hoeveel stroom er gaat lopen als je het aansluit op 230 V spanning. Je kunt dit vergelijken met kranen die zijn aangesloten op de waterleiding. Het waterleidingbedrijf levert altijd dezelfde waterdruk. Maar als een kraan dicht is stroomt er 0 liter water per seconde doorheen. De kraan kan druppelen, half open staan of helemaal open. Het aantal liter dat per seconde door de kraan gaat wordt dan steeds groter, hoewel de waterdruk gelijk blijft. Een elektrisch apparaat dat is aangesloten op een stopcontact maar uit staat, kun je vergelijken met een dichte kraan, een klein lampje met een druppelende kraan, een wasmachine met een kraan die helemaal open staat.
Voor een batterij geldt ook dat de spanning een vaste waarde heeft, maar dat de stroomsterkte afhangt van welk apparaat je er op aansluit. Bij batterijen is de spanning veel lager dan bij het stopcontact. Er werken dan ook heel andere apparaten op, bijvoorbeeld een wekker of een gehoorapparaat. Als een apparaat meer stroom gebruikt, is de batterij eerder leeg.
De stroommeter
In figuur 8 zie je dat je de stroomsterkte kan meten met een stroommeter (ampèremeter). Het symbool daarvoor is A . De stroom moet door de meter gaan. Daarom zet je de meter in de stroomkring.
In een opstelling zoals die in figuur 9 mag je de stroommeter aan beide kanten van het lampje zetten. De stroomsterkte in de kring is namelijk overal even groot.
8 De stroomsterkte in het lampje is 0,37 A.
9 Het maakt niet uit aan welke kant de stroommeter staat.
Figuur
Figuur
Stroomsterkte in een parallelschakeling
Met een stekkerdoos als in figuur 10 sluit je meerdere apparaten tegelijk op één stopcontact aan. Je ziet dat alle stekkerpennen op dezelfde manier met de polen van het stopcontact verbonden zijn. Deze manier van schakelen noem je een parallelschakeling
Figuur 10 Zo ziet een stekkerdoos er van binnen uit.
In figuur 11 zie je hoe drie lampen parallel op één stopcontact zijn aangesloten. Het tekentje ~ geeft aan dat er wisselspanning is. Elke lamp is rechtstreeks verbonden met de spanningsbron, en elke lamp heeft zijn eigen stroomkring. De stroom verdeelt zich vanaf punt P over de lampen. In punt Q komen de stromen weer bij elkaar.
Figuur 11 De lampen in de figuur zijn parallel aangesloten.
In huis zijn alle apparaten parallel aangesloten. Zo werkt elk apparaat op de goede spanning van 230 V en krijgt elk apparaat zijn eigen correcte stroomsterkte. Ook is het handig dat elk apparaat zijn eigen stroomkring heeft, zodat je elk apparaat zijn eigen schakelaar kunt geven. Dat zou niet mogelijk zijn als de appraten achter elkaar in één stroomkring zouden staan, dan zou je ze alleen allemaal tegelijk kunnen inschakelen of uitschakelen. Je berekent de stroomsterkte die uit het stopcontact naar de stekkerdoor loopt door de afzonderlijke stroomsterkten bij elkaar op te tellen. In figuur 11 is de totale stroomsterkte: 11 mA + 15 mA + 20 mA = 46 mA = 0,046 A. De totale stroom is altijd groter dan de afzonderlijke stromen. Uiteindelijk komen alle stromen weer bij elkaar en loopt de totale stroom terug van de stekkerdoos naar het stopcontact.
ONTHOUDEN
‣ Begrippen: ampère, stroommeter (ampèremeter), parallelschakeling.
‣ Stroomsterkte druk je uit in ampère (A).
‣ 1 A = 1000 mA; 1 mA = 0,001 A.
‣ Stroomsterkte meet je met een stroommeter A .
‣ Een stroommeter moet in de stroomkring staan.
‣ In huis zijn alle elektrische apparaten parallel geschakeld.
‣ Bij een parallelschakeling mag je de stroomsterkten door de apparaten bij elkaar optellen om de totale stroomsterkte te berekenen.
12 Beweringen over stroomkringen
Controleer wat je nu nog meer weet over stroomkringen.
a Welke van de volgende beweringen zijn onjuist?
1 Alle apparaten in huis zijn parallel geschakeld.
2 Als je meer apparaten op een stekkerdoos aansluit, wordt de stroomsterkte in het snoer van de stekkerdoos groter.
3 Een lamp waar een grotere stroom doorheen gaat, geeft meer licht.
4 Eén milliampère is gelijk aan duizend ampère.
5 Elektrische stroomsterkte wordt gemeten in volt.
6 In een parallelschakeling is elk apparaat aangesloten op dezelfde plus- en minpool van de spanningsbron.
7 Bij de grootheid ampère hoort de eenheid stroomsterkte.
b Corrigeer de onjuiste beweringen.
13 Milli
Reken om.
1. 0,032 A = mA
2. 620 mA = A
3. 0,08 mA = A
4. 2 A = mA
14
Apparaten thuis
In de tabel zie je de stroomsterkte door verschillende apparaten.
Apparaat
Stroomsterkte
Wekker 1 mA
Scheerapparaat 25 – 65 mA
Koelkast
Boormachine
Magnetron
Friteuse
0,65 – 1,35 A
1,0 – 2,5 A
2,7 – 6,5 A
6,5 – 9 A
Wasdroger 11 – 13,5 A
Elektrisch fornuis tot circa 45 A
a Leg uit dat uit deze tabel volgt dat er meer dan één stoomkring is in dit huis.
b Vergelijk de stroomsterktes en kies: De stroomsterkte door een scheerapparaat is groter | kleiner dan door een boormachine.
c Geef per apparaat aan of de elektriciteit wordt gebruikt in een elektromotor en/of in een verwarmingselement.
Elektromotor
Verwarmingselement Beide
1 Wekker
2 Scheerapparaat
3 Koelkast
5 Magnetron
6 Friteuse
7 Wasdroger
8 Elektrisch fornuis
d Wordt de stroomsterkte bij een wasdroger vooral gebruikt om warmte te maken of om de trommel te laten draaien?
15
In een auto
Ook in een auto zitten veel elektrische apparaten. Die apparaten werken allemaal op een spanning van 12 V. In de tabel zie je de stroomsterkte in een aantal apparaten. Als de motor niet draait, levert de accu de elektrische stroom.
Apparaat
Achterlicht
a Hoe groot is de stroomsterkte die de accu moet leveren als er alleen twee koplampen en twee achterlichten branden?
b Leg uit dat je met een bijna lege accu nog wel naar de radio kunt luisteren, maar niet meer de motor kunt starten.
Als de motor draait, levert de dynamo van de auto voldoende elektriciteit om alle apparaten te laten werken en bovendien de accu op te laden. De airco en de achterruitverwarming worden automatisch uitgeschakeld als de motor niet draait.
c Waarom worden juist die apparaten uitgeschakeld?
Een aansluitdraad kan kapotgaan. Soms is dat alleen maar lastig, soms kan het gevaarlijk zijn.
d Bij welke apparaten kan het gevaarlijk kan zijn als de aansluitdraad kapotgaat?
e Leg uit of het stukgaan van zo'n aansluitdraad gevolgen heeft voor de overige apparaten.
16 Meten
Jos heeft drie manieren bedacht om de stroomsterkte door een lampje te meten. Hij heeft van de drie mogelijkheden een schakelschema getekend.
a Leg uit met welke twee schakelingen hij de stroomsterkte op de juiste manier meet.
Bij de foute schakeling kan de stroomsterkte uit de spanningsbron heel groot worden.
b Leg uit waarom dat zo is.
17
Parallel
Judith heeft drie lampjes aangesloten op een spanningsbron. Ze wil de stroomsterkte door het middelste lampje meten.
230 V
P 11 mA
15 mA 20 mA Q
Hoe moet ze dat doen?
◯ Dat kan met deze schakeling niet.
◯ Ze kan de stroommeter overal in de stroomkring plaatsen.
◯ Ze moet de stroommeter naast de spanningsbron plaatsen.
◯ Ze moet de stroommeter naast het middelste lampje in de vertakking plaatsen.
18 Vertakkingen
Op een gelijkspanningsbron zijn vier identieke lampen parallel aangesloten. Door elke lamp stroomt 20 mA.
Bereken met de volgende stappen de stroomsterktes in de schakeling.
• Teken de schakeling.
• Geef met twee pijlen de twee draden aan waar de stroomsterkte gelijk is aan 80 mA.
• Schrijf bij elk stukje draad de grootte van de stroomsterkte.
19 Stekkerdoos
In een stekkerdoos zitten de stekkers van drie lampen. Op de stekkerdoos zit een schakelaar waarmee je alles kunt uitzetten. Ook heeft elke lamp nog een eigen schakelaar. Bepaal met de volgende stappen hoe je de totale stroomsterkte kan berekenen.
• Teken de schakeling met alle schakelaars erin.
• Geef met pijlen twee plekken aan waar je de totale stroomsterkte kunt meten, als alle apparaten zijn aangesloten.
20 Meerdere apparaten
Stekkerdozen kunnen een bepaalde stroomsterkte aan.
Op een stekkerdoos zijn drie apparaten aangesloten. De totale stroomsterkte is 11 A, door het ene apparaat is de stroomsterkte 3 A, door het andere 2 A.
a Bereken de stroomsterkte door het derde apparaat.
Door een bepaald type friteuse loopt een stroomsterkte van 6 A als hij aanstaat. Bij een feestje wil je meerdere friteuses tegelijk aansluiten op een stekkerdoos. Die wordt te heet als de totale stroom groter is dan 16 A.
b Leg uit hoeveel friteuses je kunt aansluiten.
21 Leerdoelen
In de tabel zie je bij elk leerdoel één of twee opgaven waarmee je kan checken of je het leerdoel beheerst. Ook zie je welke opgave(n) van Verder oefenen (online) bij dat leerdoel hoort.
Leerdoelen
1. Je kunt uitleggen wat een stroomkring is; wat elektrische stroom is en wat elektronen zijn. (4, 10)
2. Je kunt met de juiste symbolen een schakelschema tekenen. (9, 16)
3. Je kunt uitleggen wat een parallelschakeling is en waarvoor hij wordt gebruikt. (13, 15)
4. Je kunt de totale stroomsterkte in een parallelschakeling berekenen. (16, 18)
Score checkopgave(n) Verder oefenen
24, 25
a Hoe heb je de opgave(n) per leerdoel gemaakt?
Noteer 0, --, -, + of ++
0 betekent: niet gemaakt, ++ betekent: alles goed. b Kies minstens één opgave die je (opnieuw) gaat maken om jezelf te verbeteren of om te oefenen voor de toets.
3.3 Afsluiten
22 Terugblik Elektriciteit
Met de afbeeldingen hieronder begon dit hoofdstuk.
Noteer bij elk plaatje wat je hierover in de paragrafen hebt geleerd.
Test je kennis
Maak online de kennistest en controleer of je weet wat je moet weten.
Uitlegvideo’s
Scan de QR-code voor de uitlegvideo van meneer Wietsma over rekenen met stroomsterkte.
EINDOPGAVEN
Met een eindopgave oefen je de stof uit het hoofdstuk door elkaar heen. Vraag a gaat bijvoorbeeld over iets uit de eerste paragraaf, terwijl vraag b over paragraaf 3 gaat en vraag c over paragraaf 2.
23 In het ziekenhuis
Een onderstation zet spanning op de bovenleidingen van een stuk spoor waar twee treinen rijden.
In het ziekenhuis werken veel apparaten met elektriciteit.
Een ziekenhuisbed kan hoger of lager worden gezet. Dit werkt met elektriciteit.
a Hoe noem je het type motor dat in een ziekenhuisbed zit?
Een autoclaaf is een apparaat waarin medische instrumenten zoals scalpels worden ontsmet. Bacteriën worden gedood. Een ander apparaat dat je tegenkomt in een ziekenhuis is een couveuse. Hierin worden kwetsbare pasgeboren baby’s verzorgd. Beide apparaten werken op 230 V.
b Wat is de overeenkomst tussen beide apparaten, wat doen ze allebei?
Bij elk bed op de Intensive Care staat een monitor die onder andere het hartritme registreert. Als een monitor aanstaat, loopt er een stroom van 200 mA door.
c Hoeveel van deze monitoren zouden kunnen werken op een groep die is beveiligd met een zekering van 16 A, als er op de IC verder helemaal geen licht of ander elektrisch apparaat zou zijn?
Als er een stroomstoring is, schakelt een ziekhuis over op noodstroom. In eerste instantie is dat de ‘UPS’, een grote accu.
d Wat moet er gebeuren met de spanning die een UPS levert, voordat deze gebruikt kan worden voor bijvoorbeeld verlichting?
Even later neemt een aggregaat het over van de UPS. Een aggregaat werkt op diesel, de verbrandingsmotor laat een dynamo draaien.
e Hoe werkt een aggregaat?
1. Het aggregaat zet spanning | stroom op het netwerk van het ziekenhuis en er gaat een spanning | stroom lopen als er apparatuur is ingeschakeld.
2. De spanning | stroom is vast, de spanning | stroom is afhankelijk van hoeveel apparaten in het ziekenhuis zijn ingeschakeld.
24 Voertuigen
Fietsen, auto's maken steeds vaker gebruikt van elektriciteit. Ook treinen hebben elektriciteit nodig.
Een accu van een fatbike heeft een capaciteit van 18 Ah. Op een AAA batterij staat ‘1200 mAh’.
a Hoeveel keer zo groot is de capaciteit van de accu, vergeleken met de batterij?
De fietsaccu heeft een zekering.
b Leg uit dat bij een fietsaccu de zekering niet hoeft te beveiligen tegen overbelasting.
c Waartegen beveiligt de zekering van een fietsaccu dan wel?
Een elektrische auto moet worden opgeladen. De gegevens van een bepaalde laadpaal die je bij je huis kunt hebben, zijn: 11 kW, 230 V, 48 A.
d Hoe groot is de maximale laadstroom?
Een onderstation zet spanning op de bovenleidingen van een stuk spoor waar twee treinen rijden.
e Leg uit of de twee treinen in de stroomkring achter elkaar zijn geschakeld, of parallel aan elkaar.
Geef twee redenen waarom dat dit zo moet zijn.
Op een bepaald moment levert het onderstation 3212 A stroom. De twee treinen trekken allebei op. Door de motor van de ene trein loopt een stroom van 1,7 kA. De treinen zijn even zwaar.
f Laat met een berekening zien dat de andere trein iets langzamer op gang komt.
g Hoeveel stroom loopt er door de rails op een punt vlakbij het onderstation?
25 Thuis
In een woonkamer is een stekkerdoos aangesloten op het stopcontact.
De stekkerdoos heeft een schakelaar waarmee het geheel kan worden uitgeschakeld. Op de stekkerdoos zijn drie lampen aangesloten, die elk een eigen schakelaar hebben.
a Teken het schakelschema.
Als alle lampen aanstaan, is de grootte van de totale stroom 0,10 A.
Door twee van de lampen loopt een stroom van 0,04 A.
b Bereken de stroomsterkte door de derde lamp.
c Geef in je tekening van het schakelschema met pijlen twee plekken aan waar de stroomsterkte gelijk is aan 0,10 A.
d Leg uit waarom het geen goed idee is op één stekkerdoos een wasmachine, een droger en een elektrisch fornuis aan te sluiten.
e In het trappenhuis vind je vaak een bijzondere schakeling: een ‘hotelschakeling’. Zowel bovenaan als onderaan de trap is een lichtknop waarmee je de lamp boven de trap kunt bedienen.
Het schakelschema staat hier getekend.
f Leg uit dat je met beide knoppen de lamp kunt aanzetten.
Begin je uitleg met: 'Als je de bovenste schakelaar omzet, loopt de stroomkring via… .'
Een klein kind begrijpt niet dat je niets in het stopcontact moet steken.
g Leg uit dat als een kind een paperclip in een gaatje van een stopcontact steekt, de zekering helemaal geen beveiliging biedt en een goed werkende aardlekschakelaar wel.
h Je ziet op de foto een kinderbeveiliging voor een stopcontact.
i Leg uit hoe zo’n kinderbeveiliging werkt.
j Leg uit dat het een erg slecht idee is een verlengsnoer naar een badkamer te laten lopen en daar een apparaat of een lamp op aan te sluiten.
Gebruik in je uitleg de begrippen geleider en isolator.
Toepassen, ontwerpen, verdiepen
LEERDOELEN
‣ Je kunt een overzicht geven van toepassingen van natuurkunde in de maatschappij. ‣ Je kunt vertellen of theorie jou goed ligt, of toepassingen, of dat je graag zelf iets ontwerpt.
Je hebt in de eerste drie hoofdstukken geleerd over verlichting, stroomkringen en verwarming. Nu is het tijd om je te specialiseren. Zoek jij met je groepje alles uit over elektriciteit bij medische behandelingen? Ontwerp en bouw je een periscoop waarmee je om een hoekje kunt kijken? Of ga je dieper in op geleiders, halfgeleiders en supergeleiders?
Een EEG (links), een medische toepassing van elektriciteit, en een fl essenwarmer (rechts), een ontwerp met doelgroep baby.
Kies met je groepje een opdracht. Bij elke opdracht vind je online meer gedetailleerde vragen die je bij het maken van de opdracht kan gebruiken. Je docent geeft aan wat je met de uitkomst moet doen: maak je enkele presentatieslides, een poster of een artikel? Als elke groepje aan het eind zijn bevindingen presenteert, krijg je een overzicht van wat er met natuurkunde mogelijk is.
Er zijn veel mogelijkheden om resultaten aan elkaar te laten zien.
• Een mondelinge presentatie met een powerpoint. Maak per groepje maximaal drie slides en zet op elke slide maximaal 20 woorden. Uiteraard kan je ook afbeeldingen toevoegen.
• Een posterpresentatie.
Ieder groepje geeft klassikaal een pitch van 30 seconden met uitleg waarom het de moeite waard is te komen kijken naar jullie poster! Daarna blijft één persoon bij de poster voor toelichting, de anderen gaan alles bekijken. Na een tijdje wissel je van rol.
Op een echte wetenschappelijke conferentie draait het bij zo’n poster om de kwaliteit en originaliteit van de tekst, het beeldmateriaal en de lay-out.
• Een artikel voor een klassikaal populair-wetenschappelijk tijdschrift. Elk groepje schrijft maximaal één A4 en zorgt voor minimaal één afbeelding bij de tekst.
Toepassingsopdrachten
Bij Toepassingsopdrachten kijk je hoe de natuurkunde terugkomt in de wereld om je heen.
1 Medisch
Zowel bij diagnoses (bijvoorbeeld het vaststellen van hartproblemen met een ECG) als bij een behandeling (bijvoorbeeld het toedienen van een schok met een AED bij iemand die een hartstilstand heeft) wordt elektriciteit gebruikt.
Zoek uit hoe de methodes werken, hoe groot de spanningen en stromen zijn.
Zoek beeldmateriaal en zet alles op een rijtje.
2 Verwarmen in het verleden
De Romeinen hadden al een geavanceerd verwarmingssysteem voor villa’s. Ook hun badhuizen, de thermen, zijn beroemd.
Beschrijf de verwarmingssystemen van de Romeinen en vergelijk ze met moderne verwarmingssystemen die er het meest op lijken.
Zoek ook schema’s en tekeningen waarin je ziet hoe alles functioneert.
3 Goede verlichting
In een tekenlokaal moet meer licht zijn dan in een gymzaal. De officiële eisen, ook voor labruimtes, gewone lokalen en kleedkamers vind je online. Behalve dat er genoeg licht moet zijn, moet het aangenaam van kleur zijn en moeten er op je tafel niet te scherpe schaduwen vallen.
Onderzoek de verlichting binnen je school.
Maak foto’s van situaties waar de verlichting niet goed is of juist van plekken waar het handig is geregeld.
Ontwerpopdrachten
Bij Ontwerpopdrachten ga je aan de slag met ontwerpen, bouwen en testen.
1 Product en bedrijfsplan
Aan het begin van paragraaf 1 van hoofdstuk 3 staat een stukje over de uitdaging een nieuw product te bedenken met een gloeidraad of een elektromotor.
Werk je idee voor dit product verder uit.
Leg uit hoe jullie tot iets echt nieuws zijn gekomen, geef aan op welke manier het product nuttig is voor de gebruiker, maak een ontwerptekening, een bedrijfsplan én ontwerp reclamemateriaal.
2 Periscoop
Paragraaf 3 van hoofdstuk 1 begint met een verhaal over een periscoop: een apparaat waarmee de bemanning van een onderzeeër boven water kan kijken.
Bouw met behulp van melkpakken en spiegeltjes een periscoop.
Laat met tekeningen of foto’s zien hoe je met jullie periscoop naar voren, opzij en naar achteren kunt kijken. Tekeningen waarin je ziet hoe de lichtstralen lopen zijn handig.
3 Thermosbeker
In een thermosfles blijft thee lekker lang heet. In de zomer kun je zo’n fles juist gebruiken om water koel te houden. Met eenvoudige materialen kun je een best goed werkende thermosbeker maken.
Ontwerp een eigen thermosbeker.
Gebruik kartonnen koffiebekertjes, watten, aluminiumfolie, plastic, papier… alle goedkope materialen die je bij de hand hebt.
Je bewijst pas echt dat het een goede beker is door metingen te doen!
Verdiepingsopdrachten
Bij Verdiepingsopdrachten ga je zelf op zoek naar verdiepende informatie bij onderwerpen uit de behandelde hoofdstukken.
1 Halfgeleiders en supergeleiders
Met de indeling van stoffen in geleiders en isolatoren is niet alles gezegd. Er bestaan ook ‘supergeleiders’. En ‘halfgeleiders’, dat zijn stoffen die je kunt beïnvloeden. Met meer licht of bij hogere temperatuur geleiden ze beter. Veel mensen hebben een buitenlamp met een LDR erin, waarvoor halfgeleidend materiaal essentieel is.
Zoek op internet uitleg over welke stoffen supergeleidend zijn of over welke stoffen halfgeleidend zijn en kies daarna een toepassing. Denk aan een buitenlamp voor halfgeleiders of supersterke magneten voor supergeleiders. In je presentatie leg je uit waarom bij die toepassing precies dat materiaal nodig is.
2 Absoluut nulpunt
Er is een laagst mogelijke temperatuur: -273 °C. Bij die temperatuur staan moleculen stil. Het is heel moeilijk om dicht in de buurt van die temperatuur te komen.
Zoek informatie over manieren om iets af te koelen en de geschiedenis van onderzoek naar het absolute nulpunt.
Met welke proef werd aangetoond dat dit bij -273 °C ligt, lang voordat zulke koude plekken echt konden worden gemaakt? En welke rol speelde een plek in Leiden?
3
Google Sky
Veel mensen kennen Google Maps, waarmee je elke plek op aarde kunt bekijken. Er bestaat ook Google Sky Maps (Android) en Star Chart (iOS), waar je door foto’s van de sterrenhemel kunt navigeren. Sterren en sterrenstelsels zijn mooi om te zien. Extra interessant is dat je ook alles kunt bekijken zoals het er uitziet in infraroodstraling, of ultraviolet. Veel objecten aan de hemel zenden zelfs röntgenstraling uit.
Maak een presentatie met mooie afbeeldingen van hemellichamen en straling.
Geef daarbij uitleg over de hemellichamen en over de soorten straling die ze uitzenden.
Begrippen
Ampère (A)
Ampèremeter
Elektronen
Geleider
Gelijkstroom
Ionen
Isolator
Parallelschakeling
Schakelschema
Stroomkring
Stroommeter
Stroomsterkte
Wisselstroom
De eenheid die je gebruikt bij stroomsterkte.
Meter waarmee je de stroomsterkte meet.
De bewegende geladen deeltjes in een stroomdraad.
Materiaal waar elektrische stroom gemakkelijk doorheen kan. Denk aan metalen, vooral koper en zilver.
Als de spanningsbron gelijkspanning levert, zoals bij een batterij, accu en de bovenleidingen van reguliere treinen in Nederland.
Geladen deeltjes.
Een stof die de stroom niet geleidt.
Bijvoorbeeld: plastic, rubber, glas en hout.
Als alle stekkerpennen op dezelfde manier met de polen van het stopcontact verbonden zijn.
De stroomkring getekend in een overzichtelijk schema.
De elektriciteit die in een gesloten kring stroomt.
Meter waarmee je de stroomsterkte meet.
De grootte van de stroom.
De stoom die ontstaat als de spanningsbron een wisselspanningsbron is.