Serie- en parallelschakelingen
Als het goed is, ben je in de vorige opdracht twee verschillende soorten manieren van schakelen tegen gekomen. Eén manier van schakelen waarbij je alle componenen achter elkaar zet en de snoeren doorlust naar het volgende component. Dit is een serieschakeling. De ander is een schakeling waarbij je vanuit de spanningsbron 'vertakkingen' maakt. Dit is een parallelschakeling. Beide worden veel gebruik en van beide moet je weten hoe ze werken en wat de eigenschappen zijn.
De serieschakeling
In de serieschakeling hebben de elektronen die van de spanningsbron komen, nooit een keuze welke kant ze moeten opgaan. Zij zullen dus altijd door alle componenten in de schakeling bewegen. Elk van de componenten krijgt dus ook precies evenveel elektronnen door zich heen. Elk van de lampjes zullen daarom ook altijd óf wel, óf niet branden. Wanneer er één lampje kapot gaat, of een schakelaar wordt open gezet, is direct de gehele stroomkring open en kan er dus geen stroom meer lopen. Kerstmislampjes waarvan er maar één kapot hoeft te gaan zodat de hele streng het niet meer doet zijn altijd in serie geschakeld.
Maar alles wat direct uit moet gaan bij het omhalen van een schakelaar is juist goed om in serie te schakelen. Denk aan een stofzuiger, een lamp of een gevaarlijke machine met een noodknop. Dan is het juist goed om de stroomkring te verbreken.
De parallelschakeling
In de parallelschakeling hebben de elektronen die van de spanningsbron komen altijd een keuze. Er wordt immers een aftakking gemaakt. Het potentiaalverschil van elk van de aftakkingen is gelijk aan die van de spanningsbron, maar het aantal elektronen dat door elk van de vertakkingen gaat is afhankelijk van de weerstand in die aftakking. Of te wel: Door een "moeilijkere" route zullen minder elektronen gaan dan door een gemakkelijke. Vandaar ook dat een kortsluiting kan plaatsvinden wanneer alleen een draad parallel geschakeld wordt met een lamp.
Omdat bij het openzetten van een parallel geschakelde schakelaar slechts één van de vertakkingen open gaat en de rest gewoon gesloten blijft, blijft stroom gewoon lopen. Moderne kerstverlichting zijn dan ook in parallelschakeling gemaakt. Eén kapot lampje en de rest van de lampjes blijven gewoon branden.
Gemengde schakeling
Ingewikkeldere schakelingen hebben regelmatig een combinatie van componenten in serie en parallel. Zo kunnen bijvoorbeeld alle parallel geschakelde lampjes van een kerstboomverlichting door één enkele schakelaar aan en uit gezet worden.
Onderzoek geleiders en isolatoren
In het volgende onderzoek gaan jullie in tweetallen onderzoek doen naar de stofeigenschap elektrische stroomgeleiding. Doel van het onderzoek is om uiteindelijk te weten welke soort stoffen geleiders zijn en welke isolatoren.
Onderzoeksbeschrijving
Spanning en stroomsterkte
Binnen de elektrodynamica zijn er een aantal grootheiden erg belangrijk en de eerste twee die je gaat leren zijn spanning (uitgedrukt in de eenheid Volt) en stroomsterkte (eenheid Ampére):
Spanning
De spanning is het verschil tussen hoe erg positief de ene kant van een component is, ten opzichte van hoe erg negatief de andere kant is. In het geval van de spanningsbron is dit dus het potentiaalverschil tussen de plus-pool en de min-pool. Een andere manier van kijken naar spanning is 'hoe graag de elektronen van de ene kant, naar de andere kant willen'. Elektronen willen natuurlijk niets - maar zo kan je voorlopig spanning best onthouden.
Ook kan je spanning zien als de hoeveelheid energie één enkel elektron meeneemt van zijn reis van min naar plus.
De eenheid van spanning is de Volt (V), vernoemd naar de natuurkundige Alessandro Volta (1745-1827) en het grootheidsymbool is de hoofdletter U (van het Duitse Unterschied). Er kan dus geschreven worden:
U = 1.5 V
U = 9 V
De spanningsmeter
De spanning wordt gemeten met een nieuw component: De spanningsmeter. Deze wordt vaker wel de Voltmeter genoemd. Met deze Voltmeter kan je het potentiaalverschil over een component meten, maar ook de spannig over een hele schakeling. Dit laatste wordt gedaan in de tekening en het diagram hiernaast. Omdat een spanningsmeter dus altijd een verschil meet, moet de meter ook altijd aangesloten worden aan de twee punten die hij moet vergelijken. Dit is dus een parallelschakeling.
De interne weerstand van een spanningsmeter is gigantisch hoog en dus zullen elektronen nooit door een Voltmeter gaan. Als je dus ooit deze meter in serie in een schakeling zet, is de stroomkring niet gesloten en loopt er dus geen stroom.
In de afbeelding hierboven zie je behalve een verkeerd geschakelde Voltmeter, ook twee diagrammen waarbij de meter eerst het potentiaalverschil van de spanningsbron meet. Deze is 4 V. In het meest rechter diagram zie je dezelfde schakeling, maar nu meet de Volmeter de spanning over het lampje. Maar kijk eens goed? Eigenlijk meet de meter óók de spanning over de bron - immers hij is gewoon parallel over de spanningbron geschakeld. Dus op beide manier kan je de spanning van de schakeling meten.
Spanning bij serie en parallel
In de diagrammen hieronder zie je twee keer twee lampjes geschakeld aan een spanningsbron. Maar bij het linker diagram zijn de lampjes paralllel geschakeld. Hier zie je op de spanningsmeters dat beide lampjes even veel Volt te verduren krijgen.De elektronen 'willen' dus eigenlijk even graag van ene kant naar de andere kant. Links en rechts van beide lampjes zit immers ook dezelfde spanningsbron geschakeld. Of te wel:
- Bij een parallelschakeling is de spanning over alle (gelijke) aftakkingen gelijk.
Het rechter diagram laat de lampjes in serieschakeling zien. De totale spanning over beide lampjes is 4 V, maar de elektronen moeten dus wel door beide lampjes heen. Dit kost energie en daarom verdelen zij hun spanning over beide (gelijke) lampjes. Hierdoor wordt de spanning over een inividueel lampje de helft van de totale spanning. Of te wel:
- Bij een serieschakeling verdeeld de spanning zich over de verschillende componenten om samen weer gelijk te zijn aan de totale spanning.
Stroomsterkte
De stroomsterkte is de hoeveelheid lading die per seconde door een component of draad bewegen. Omdat de elektriciteit die wij in Science behandelen bestaan uit elektronen die negatief geladen zijn, kan je stroomsterkte dus direct vertalen als een maat van hoeveel elektronen er per seconden door een component bewegen.
De grootheid heeft als symbool de hoofdletter I (van intensiteit) en de eenheid er van is de Ampère (A), vernoemd naar de natuurkundige André-Marie Ampère (1775 - 1838). Er kan dus geschreven worden:
I = 2 A
I = 0.05 A
De stroommeter
Ook de stroomsterkte heeft zijn eigen meter: De stroommeter. Ook deze wordt vaker een Ampèremeter genoem, naar de eenheid die hij meet in plaats van de grootheid. Omdat de meter dus het aantal elektronen dóór het component heen meet, moet deze altijd in de stroomkring zijn geplaatst. Een serieschakeling dus.
Om te zorgen dat de elektronen zonder moeite door de meter heen kunnen, is de interne weerstand nagenoeg nul. Daarom zal je een schakeling ook altijd kortsluiten wanneer je deze parallel zou aansluiten.
Stroomsterkte bij serie en parallel
Hieronder zijn een serie- en een parallelsschakeling getekend, beide met een Ampèremeter voor het lampje zodat je kam meten wat de stroomsterkte is die door het lampje gaat. Bij een serieschakeling beginnen de elektronen van de min-pool van de spanningsbron te bewegen, en moeten dus door alle componenten heen. De hoevheid elektronen veranderd niet en daarom:
- De stroomsterkte bij een serieschakeling overal gelijk.
Bij een parallelschakeling is dit aanders. Dan moeten de elektronen kiezen welke route te gaan nemen. Als beide route's even moeilijk zijn dan zullen er altijd evenveel elektronen over beide route's bewegen. Dit betekend dus dat in het geval van een dubbele schakeling zoals die is getekend, de stroomsterkte zal halveren. Of te wel:
- Bij een parallelschakeling zal de stroomsterkte zich verdelen over de verschillende aftakkingen om samen weer gelijk te zijn aan de totale stroomsterkte.
Onderzoek I en U
Nu jullie weten wat stroomsterkte en spanning is, gaan jullie onderzoek doen naar de relatie tussen deze twee grootheden.Het onderzoek bestaat uit twee erg op elkaar lijkende sets van experimenten die je uitvoert in een gelijke meetopstelling. In deze opstelling heb je een regelbare spanningsbron, een Ampère- en spanningsmeter, én een component naar keuze. Dit kan een lampje zijn (beetje saai) maar ook een andere min of meer geleidend materiaal. Wees creatief!
De twee onderzoeken die je gaat doen zijn:
- De onhankankelijke variable is de stroomsterkte en de afhankelijke is de spanning Je wisseld dus het aantal Ampère door je component (wel meten, niet afgaan wat de spanningsbron zegt) en je meet de spanning over het component.
- De onhankankelijke variable is de spanning en de afhankelijke is de stroomsterkte. Je wisseld dus het aantal Volt door je component (wel meten, niet afgaan wat de spanningsbron zegt) en je meet de stroomsterkte over het component.
Je zult zelf dus moeten bedenken wat jullie component is en welke opstelling jullie willen gebruiken. Per set experimenten zal je toch wel minimaal drie verschillende metingen moeten doen en van beide sets maak je vervolgens een duidelijke tabel en grafiek. Zo bepaal je voor beide experimenten de evenredigheid tusssen deze twee grootheden.
Vermogen en elektrische energie
Weerstand
Leerdoelen en oefentoets
Aan het einde van dit thema moet de volgende dingen weten of kunnen:
