Het is zondagmorgen. Je staat op en je maakt voor jezelf een lekkere toast met jam. Je pakt hiervoor het broodrooster erbij. Eerst stop je de stekker in het stopcontact, vervolgens stop je de boterham in het broodrooster en schuif je de hendel naar beneden. Twee minuten later wordt de boterham terug omhoog geschoten en heb je toast, maar...
Een broodrooster heeft energie nodig om aan te gaan en om zichzelf en hiermee ook de toast te verwarmen. Wij mensen hebben ook energie nodig, om deze energie te verkijgen eten we bijvoorbeeld een toast met jam, maar wat gebruikt een broodrooster? En hoeveel energie heeft een broodrooster nodig om van een boterham een knapperige toast te maken?
Een broodrooster haalt zijn energie uit het stopcontact. In de video hieronder is onderzocht hoeveel moeite het zou kosten als wij zelf de energie (door middel van beweging) zouden moeten leveren om een toast te maken:
[The Toaster Challenge]. (2015, 3 juni). Olympic Cyclist Vs. Toaster: Can He Power It? [YouTube]. Geraadpleegd van https://www.youtube.com/watch?v=S4O5voOCqAQ
De fietser in bovenstaande video moet een hoeveelheid energie leveren per seconde om het broodrooster aan te krijgen en aan te houden. Dit noemen we ookwel het vermogen (EN: Power). Gelukkig hoeven we dit in het dagelijks leven niet zelf te doen en is de steker in het stopcontact steken genoeg. Het stopcontact levert dan een bepaald elektrisch vermogen, waardoor het broodrooster kan werken. Hoe dit nu precies gaat en wat hierbij allemaal komt kijken ga je op deze site leren.
Hoofddoelen
Hoe te werk?
Deze site is opgebouwd om bovenstaande drie hoofddoelen te bereiken. Echter om deze hoofddoelen te bereiken is elk hoofddoel (HD) opgedeeld in subdoelen. Je zal eerst de focus moeten gaan leggen op deze subdoelen om vervolgens het grotere hoofddoel te bereiken. Volg onderstaande stappen en zorg dat je de hoofddoelen bereikt!
Maak de instaptoets om te testen welke kennis je al in huis hebt en waar je nog aandacht aan moet besteden;
De instaptoets zal aangegeven waar je nog aandacht aan moet besteden en waar je in het menu moet zijn om te werken aan deze kennis;
Bij de start van een bepaald onderdeel staat weergegeven wat de leerdoelen zijn, je leest de tekst aandachtig en klikt door op begrippen (blauwgekleurd betekent een link) die je in de tekst niet begrijpt en op aangeboden video's;
Aan het einde van elk onderdeel staat een oefening klaar waarmee je kan kijken of de leerdoelen behaald zijn. Vervolgens ga je verder met een nieuw onderdeel tot je bij de eindtest komt.
Om goed te kunnen begrijpen wat elektrisch vermogen precies is (hoofdoel 2) zullen we eerst moeten kijken naar de twee onderdelen waar het elektrisch vermogen van afhangt: 1) de elektrische stroom en 2) de spanning. Deze twee begrippen worden bij dit onderdeel uitgebreid besproken op verschillende gebieden.
Begrippenkennis
Aan het einde van dit hoofddoel heb je kennis over de volgende begrippen:
Chemische reactie;
Chemische spanningsbron;
Eenheid;
Elektrische stroom;
Elektronen;
Geleider;
Grootheid;
Isolator;
Netspanning;
Open stroomkring;
Parallelschakeling;
Schakelaar;
Schakeling;
Schakelschema;
Serieschakeling;
Spanning;
Spanningsbron;
Spanningsmeter;
Stroomkring;
Stroommeter;
Transformator;
Weerstand;
Leerdoelen
Aan het einde van dit hoofddoel dien je beheersing te hebben over onderstaande subdoelen:
Je kan berekeningen uitvoeren met het metriek stelsel;
Je kan omschrijven waarom een lamp gaat branden als je een lichtschakelaar om zet;
Je kan een schakelschema aflezen en zelf tekenen;
Je kan uitleggen waarom het belangrijk is dat draden goed geïsoleerd zijn;
Je weet hoe je de stroomsterkte in een schakeling moet meten;
Je kunt kenmerken noemen van een serieschakeling en een parallelschakeling;
Je kunt beschrijven wat weerstand is en welk effect dit heeft op de stroomsterkte;
Je weet wat het begrip spanning inhoudt;
Je weet wat er bedoeld wordt met het begrip netspanning;
Je kunt de functie van een transformator benoemen;
Je kan uitleggen wat een chemische reactie is;
Je kan voorbeelden van spanningsbronnen noemen;
Je kunt uitleggen hoe een batterij werkt (de basis) en waarom je sommige batterijen kunt opladen;
Je weet hoe je het spanningsverschil in een schakeling kunt meten;
Je kunt met het begrip weerstand omschrijven waarom er geen stroom richting een spanningsmeter zal lopen;
Je kunt voordelen noemen van een parallelschakeling.
1.1 Elektrische stroom (basis)
Subdoelen
In dit tussenlesje gaan we het hebben over de elektrische stroom (de basis). Hierbij horen onderstaande leerdoelen:
Niets bijzonders?
Op het moment dat je de lichtschakelaar in je kamer omzet gaat de lamp in je kamer branden. Dat lijkt heel gewoon, maar als je er over nadenkt is het eigenlijk best wel bijzonder. Wat gebeurt er nu eigenlijk? Op het moment dat je de lichtschakelaar omzet gaan er hele kleine deeltjes, elektronengenaamd, via een draad (zie Figuur 1) naar en door de lamp heen stromen. Om dit wat te verduidelijken gebruiken we het 'vrachtwagen-model'.
Figuur 1: een elektrische draad. In de figuur wordt gekeken naar een elektrische (zwarte) draad. Deze draad bestaat uit een zwart omhulsel dat dient als isolator. Binnenin het omhulsel zit een draad gemaakt van geleidend materiaal (een geleider), zie plaatje 3 in de figuur.
Vrachtwagenmodel
Het principe van hierboven brengen we wat beter in beeld met behulp van het vrachtwagenmodel, dit is een versimpelde weergave zodat we beter kunnen voorstellen wat er gebeurt (zie Figuur 2).
In Figuur 2 zie je het volgende gebeuren: Vrachtwagens vertrekken vanaf het hoofdkantoor (punt 1), hier krijgen ze pakketjes mee en worden ze volgetankt. Vervolgens gaan de vrachtwagens over de brug (punt 3) om vervolgens aan te komen bij punt 4: de ontvanger. Hier worden de pakketjes afgegeven. Tot slot rijden de vrachtwagens over de weg (5) weer terug naar het hoofdkantoor. Hier worden de vrachtwagens weer volgetankt en krijgen ze nieuwe pakketjes met zich mee.
Figuur 2: het vrachtwagenmodel
Het principe wat hierboven wordt uitgelegd gebeurd ook bij het laten branden van een lamp. In Figuur 3 zie je hoe het in werkelijkheid eruit ziet. In de Figuur hebben we te maken met een gesloten stroomkring, als de spanningsbron aan staat gebeurt er het volgende:
De elektronen starten bij punt 1: de spanningsbron. Hier krijgen ze als pakketje elektrische energie mee;
Vervolgens bewegen de elektronen door de geleidende draad naar de schakelaar(punt 3). De schakelaar is dicht dus de elektronen kunnen door naar de lamp (punt 4);
De lamp is in dit verhaal de ontvanger. De elektronen geven al hun elektrische energie af die ze bij zich hebben aan de lamp. De lamp zet deze elektrische energie om naar licht (en warmte).
De elektronen gaan vervolgens zonder elektrische energie terug naar de spanningsbron om weer 'volgetankt' te worden en ontvangen weer nieuwe pakketjes elektrische energie.
Figuur 3: Gesloten stroomkring (Werkelijke weergave Figuur 2)
De definitie van stroomsterkte
Kijkend naar voorgaande uitleg kunnen we de elektrische stroom als volgt omschrijven: De elektrische stroom is de hoeveelheid elektronen dat per seconde voorbijkomt of volgens het vrachtwagenmodel: de hoeveelheid vrachtwagens dat per seconde voorbijkomt. In het hele proces dienen de elektronen enkel als vervoerders van elektrische energie.
Deze elektrische stroom kunnen we meten, dat maakt het een grootheid. Een grootheid druk je altijd uit in een bijbehorende eenheid. De eenheid voor elektrische stroom is Ampère. Hoe we deze elektrische stroom meten leer je in 1.2 stroomsterkte meten.
In dit tussenlesje gaan we het hebben over hoe je de elektrische stroom kunt meten. Hierbij horen onderstaande leerdoelen:
De stroomsterke meten
In de voorgaande uitleg: 1.1 elektrische stroomsterkte (de basis) hebben we de elektrische stroom omschreven als: de hoeveelheid elektronen dat per seconde voorbijkomt of volgens het vrachtwagenmodel: de hoeveelheid vrachtwagens dat per seconde voorbijkomt. De elektrische stroom meten we hierbij in de eenheid: Ampère. Hoe we de stroomsterkte (de sterkte van de elektrische stroom) meten kan je zien in onderstaande video (bekijk vanaf 1:25 t/m 1:56).
[Alles Is Natuurkunde [EDU]]. (2013, 17 februari). Elektriciteit: Grootheden & Eenheden [YouTube]. Geraadpleegd van https://www.youtube.com/watch?v=1Ddrrm8Tg18&list=PLlhvxWJL9N-AOpR3uhqH49mcX7m4B8fZ0&index=2
In bovenstaande video wordt uitgelegd dat je de stroomsterkte kunt meten door een stroommeter (ampèremeter) in de stroomkring aan te sluiten. ''We maken een poortje waar alle vrachtwagens doorheen moeten'' (van Bakel, 2013). De stroommeter telt de hoeveelheid vrachtwagens (in werkelijkheid elektronen) die per seconde voorbijkomen. Let hierbij op dat de vrachtwagens geen pakketjes (elektrische energie) afgeven aan de stroommeter!
Stroomsterkte meten bij verschillende schakelingen
De manier van meten van de stroomsterkte verandert niet. Je sluit de ampèrmeter steeds in de stroomkring aan. Als je echter in de praktijk metingen gaat verrichten bij verschillende schakelingen dan kan je een bepaald verband ontdekken. Je kan kijkend naar dit verband onderscheid maken tussen twee soorten schakelingen met elk hun eigen eigenschappen:
Klik op de link en ontdek wat het begrip inhoudt en welk verband te ontdekken valt met betrekking tot de stroomsterkte (het verband voor de spanning staat hier ook vermeldt, maar wordt pas uitgelegd bij 1.3 Spanning (de basis)).
In dit tussenlesje gaan we het hebben over de spanning (de basis). Hierbij horen onderstaande leerdoelen:
De spanningsbron: ''het grote hoofdkantoor''
Bij onderdeel 1 over elektrische stroom hebben we de term spanningsbron al een enkele keer laten vallen. Volgens het vrachtwagenmodel kan je de spanningsbron zien als het grote hoofdkantoor met twee belangrijke taken:
Bij de spanningsbron worden de vrachtwagens volgetankt zodat ze hun route kunnen rijden;
Bij de spanningsbron krijgen de vrachtwagens pakketjes mee (die de vrachtwagens vervolgens bij de ontvanger moeten gaan brengen).
Het begrip spanningsbron betekent letterlijk dat de bron spanning levert, maar wat is spanning nu precies?
Spanning:
Spanning verwijst naar de tweede taak van de spanningsbron: het meegeven van pakketjes aan de vrachtwagens of in werkelijkheid het meegeven van elektrische energie aan elektronen. Het begrip spanning is hierin wat specifieker: spanning (U) is de hoeveelheid elektrische energie (uitgedrukt in joule) die wordt meegegeven aan 1 Ampère stroom, per seconde. De spanning drukken we hierbij uit in de eenheid: Volt (V) . Hieronder nog een video die dit principe nog een keer toelicht (bekijk vanaf 1:59 t/m 2:20).
[Alles Is Natuurkunde [EDU]]. (2013, 17 februari). Elektriciteit: Grootheden & Eenheden [YouTube]. Geraadpleegd van https://www.youtube.com/watch?v=1Ddrrm8Tg18&list=PLlhvxWJL9N-AOpR3uhqH49mcX7m4B8fZ0&index=2
Spanning bruikbaar maken: een transformator
Een stopcontact levert netspanning, dit betekent dat op het stopcontact 230 Volt staat. 1 Ampère stroom krijgt dus 230 Joule aan energie mee, per seconde. Echter kan je niet direct je telefoon hierop aansluiten, want dit wordt teveel voor je telefoon. Een telefoon moet namelijk worden opgeladen op een spanning van zo'n 5 Volt (1 Ampère stroom krijgt 5 joule aan energie mee, per seconde).
De oplossing hiervoor is een transformator. In je oplader van je telefoon zit een transformator. Deze zet de netspanning (230 Volt) om naar 5 volt, waardoor je telefoon kan worden opgeladen zonder dat deze kapot gaat.
Oefeningen
Verwerk de leerstof met onderstaande oefeningen:
Test
Test of je de leerdoelen behaald hebt met onderstaande diagnostische toets:
1.4 Soorten spanningsbronnen
Subdoelen
In dit tussenlesje gaan we het hebben over verschillende soorten spanningsbronnen. Hierbij horen onderstaande leerdoelen:
De definitie van een spanningsbron
Het begrip spanningsbron bestaat uit twee delen: 1) spanning en 2) bron. Een bron is het punt waar ''iets'' begint/ vandaan komt. In dit geval is dat ''iets'': spanning. Spanning hadden we omschreven als de hoeveelheid elektrische energie (uitgedrukt in joule) die wordt meegegeven aan 1 Ampère stroom, per seconde. Deze twee definities samengenomen is een spanningsbron dus het punt waar 1 Ampère stroom, per seconde een bepaalde hoeveelheid elektrische energie meekrijgt.
Soorten spanningsbronnen
Er zijn verschillende soorten spanningsbronnen. Allemaal zijn ze in staat om spanning te leveren, echter de wijze waarop verschilt:
Door middel van een chemische reactie (een batterij of een accu, ookwel chemische spanningsbronnen genoemd);
Door omzetting van bewegingsenergie (dynamo, windmolen, waterkrachtcentrale);
Door omzetting van lichtenergie (zonnecel van een zonnepaneel).
Oefeningen
Verwerk de leerstof met onderstaande oefeningen:
Test
Test of je de leerdoelen behaald hebt met onderstaande diagnostische toets:
1.5 Het spanningsverschil meten
Subdoelen
In dit tussenlesje gaan we het hebben over hoe je het spanningsverschil kunt meten. Hierbij horen onderstaande leerdoelen:
Het spanningsverschil meten
In de voorgaande uitleg: 2.1 spanning (de basis) hebben we het begrip spanning omschreven als de hoeveelheid elektrische energie (uitgedrukt in joule) die wordt meegegeven aan 1 Ampère stroom, per seconde of volgens het vrachtwagenmodel: de hoeveelheid pakketjes dat een vrachtwagen per seconde meekrijgt. Stel dat een spanningsbron een spanning levert van 6 Volt dan zal 1 ampère stroom dus 6 joule aan energie meekrijgen, per seconde. Bij een lampje zal deze energie vervolgens worden afgegeven.
Bij het meten van de spanning, meten we eigenlijk het spanningsverschil: Voor het lampje had 1 ampère stroom nog 6 joule aan energie mee, per seconde en na het lampje niets meer. Het spanningsverschil is dan dus 6 Volt. Dit wordt in de video hieronder toegelicht (bekijk vanaf 3:11-3:30):
[Alles Is Natuurkunde [EDU]]. (2013, 17 februari). Elektriciteit: Grootheden & Eenheden [YouTube]. Geraadpleegd van https://www.youtube.com/watch?v=1Ddrrm8Tg18&list=PLlhvxWJL9N-AOpR3uhqH49mcX7m4B8fZ0&index=2
In bovenstaande video wordt uitgelegd dat je de spanning kunt meten door een spanningsmeter (voltmeter) parallel aan te sluiten. Hierdoor wordt het spanningsverschil gemeten (het verschil in spanning voor het lampje en na het lampje). Bij het aansluiten van de spanningsbron lijkt het erop dat er nog een weg bijkomt voor de stroom om naar toe te gaan. Als je kijkt naar de video zie je echter dat dit niet gebeurd. De stroom volgt gewoon de weg die deze al aan het volgen was. Dit komt doordat de spanningsmeter een hele grote weerstand heeft. De stroom wordt hierbij heel erg tegengehouden, zelfs zo erg dat er geen stroom naartoe gaat.
Spanning meten bij verschillende schakelingen
De manier van meten van de spanning verandert niet. Je sluit de spanningsmeter steeds parallel aan in de stroomkring. Als je echter in de praktijk metingen gaat verrichten bij verschillende schakelingen dan kan je een bepaald verband ontdekken. Je kan kijkend naar dit verband onderscheid maken tussen twee soorten schakelingen met elk hun eigen eigenschappen:
Klik op de link en ontdek wat het begrip inhoudt en welk verband te ontdekken valt met betrekking tot de spanning.
Oefeningen
Verwerk de leerstof met onderstaande oefeningen:
Test
Test of je de leerdoelen behaald hebt met onderstaande diagnostische toets:
HD 2: Wat is elektrisch vermogen?
2.1 De definitie van vermogen
2.2 Zuinig omgaan met energie
HD 3: Hoe bereken je het elektrisch vermogen?
EINDTEST
Begrippenlijst
Bronspanning
De bronspanning is de spanning die een spanningsbron levert. Als je bijvoorbeeld een batterij met een spanning van 1,5 Volt gebruikt als spanningsbron, dan is je bronspanning dus 1,5 Volt.
Capaciteit
Chemische reactie
Bij een chemische reactie worden stoffen omgezet in andere stoffen.
Chemische spanningsbronnen
Chemische spanningsbronnen leveren spanning door middel van een chemische reactie. Bij een chemische reactie worden stoffen omgezet in andere stoffen.
Een batterij
Een batterij is een voorbeeld van een chemische spanningsbron. De basis van hoe een batterij werkt zal ik uitleggen met gebruik van een aantal figuren. In Figuur 1 zie je een tekening van een batterij met een - kant en een + kant. Aan de - kant zit een stof A (zwart). Aan de + kant bevinden zich stoffen C (blauw) en D (rood). Wat deze stoffen precies zijn laat ik hier even achterwegen.
Aan de - kant vind een chemische reactie plaats: Stof A zet zichzelf om in stof B en elektronen. Het probleem is alleen dat de elektronen nergens naartoe kunnen.
Figuur 1: Batterij 100% opgeladen
Maar als je geleidende draden bevestigd vanaf de - pool naar een lamp en terug naar de + pool, dan kunnen de elektronen wel een route afleggen en hun elektrische energie kwijt, zie Figuur 2. Aan de kant van de + pool wordt ook om deze elektronen 'gevraagd'. Aan deze kant vind namelijk ook een chemische reactie plaats waarbij stof C (blauw) en D (rood) samen met de ontvangen elektronen worden omgezet in stof E (bruin) en F(groen): de batterij zal langzaam opraken....
Figuur 2: batterij raakt langzaam op...
De batterij is leeg als de stoffen die nodig zijn voor de reacties (stof A aan de - kant en stoffen C & D aan de + kant) volledig op zijn. Vergeet de batterij niet in te leveren bij het klein chemisch afval, de stoffen die in batterijen zitten zijn namelijk erg schadelijk voor het milieu.
Figuur 3: batterij leeg
Oplaadbare batterijen
Sommige batterijen kan je echter opladen als deze leeg zijn. De chemische reacties die plaats vonden waardoor de batterij leeg raakte kunnen dan worden omgekeerd waardoor de batterij juist weer 'vol' raakt. Om dit te doen dien je een externe spanningsbron aan te sluiten. Hierdoor zal de + kant veranderen in een - Kant. De reactie die hier dan zal plaatsvinden is als volgt: stof E (bruin) + stof F (groen) worden omgezet in stof C (blauw), stof D (rood) en elektronen. Deze elektronen zullen naar de andere kant van de batterij gaan (wat eerst de - kant was, is nu de + kant).
Figuur 4: het opladen van een batterij (reactie die rechts van de batterij zal plaatsvinden)
Aan de andere kant van de batterij worden nu juist de elektronen in ontvangst genomen en wordt samen met stof B weer stof A gemaakt, dit proces blijft doorlopen totdat de externe spanningsbron verwijderd wordt.
Figuur 5: het opladen van een batterij (reactie die links van de batterij zal plaatsvinden)
Let op! (verijkingsstof)
In bovenstaande figuren is de richting van de elektronen weergegeven, de elektronen bewegen van de - kant naar de + kant. Echter zeggen we dat de stroom van de + naar de - kant beweegt, maar stroom is toch de hoeveelheid elektronen dat voorbij komt per seconde? Dus dan zou de richting toch hetzelfde moeten zijn? Dat klopt, dit is letterlijk een fout in de geschiedenis van de natuurkunde die we nooit aangepast hebben.
Een eenheid is de maat waarin je een grootheid kunt meten. Zo drukken we de grootheid afstand uit in de eenheid meter, en de grootheid temperatuur in de eenheid graden Celsius. Met betrekking tot het onderwerp elektrisch vermogen waar deze site over gaat komen onderstaande grootheden en eenheden naar voren (Tabel 1):
De hoeveelheid elektronen dat per seconde voorbijkomt of volgens het vrachtwagenmodel: de hoeveelheid vrachtwagens dat per seconde voorbijkomt. In het hele proces dienen de elektronen enkel als vervoerders van elektrische energie.
Deze elektrische stroom kunnen we meten, dat maakt het een grootheid. Een grootheid druk je altijd uit in een bijbehorende eenheid. De eenheid voor elektrische stroom is Ampère.
Elektronen
Elektronen zijn hele kleine deeltjes (die we niet kunnen zien) die elektrische energie meekrijgen vanaf een spanningsbron en deze elektrische energie vervolgens afleveren bij een ontvanger (bijvoorbeeld een lamp).
De elektronen zijn dus de vervoerders van elektrische energie. Vergelijkbaar met een vrachtwagen die pakketjes bezorgd (het vrachtwagenmodel).
Verijkingsstof
Wil je meer weten over wat elektronen nu precies zijn? Klik dan op de link.
Geleider
Een geleider is een stof die gemakkelijk de stroom doorlaat. Volgens het vrachtwagenmodel kan je het als een weg beschouwen waar de vrachtwagens overheen kunnen (en mogen) rijden (zie Figuur 1). Wel is het belangrijk om te onthouden dat de vrachtwagens niet vanaf twee kanten kunnen inrijden: er geldt een eenrichtingsweg.
Figuur 1: een geleider is als een goed lopende eenrichtingsweg
Een draad waar de elektrische stroom doorheen gaat wordt gemaakt van een geleidend materiaal, omhuld door een isolerend materiaal (zie Figuur 2). Dit om ervoor te zorgen dat de elektronen in de draad blijven en hun bestemming, bijvoorbeeld een lamp, bereiken. In de onderstaande Figuur is de zien dat de elektronen allemaal dezelfde richting op bewegen en enkel door de geleidende stof (plaatje 3).
Figuur 2: Een elektrische draad.
Voorbeelden van geleidende stoffen
Vrijwel alle metalen zoals: goud, ijzer, aluminium, koper zijn goed geleidende stoffen. Om te checken of een stof geleidend is zal je jezelf dus de vraag moeten stellen of het een metaal is. Als het antwoord hierop ja is dan is er een grote kans dat het een geleider is.
Gemengde schakeling
Grootheid
Een grootheid is ''iets'' dat je kunt meten. Bekende voorbeelden van een grootheden zijn bijvoorbeeld lengte en temperatuur. Hierbij wordt een bepaalde grootheid altijd gemeten in een bijbehorende eenheid. De lengte drukken we uit in de eenheid meter, de temperatuur drukken we uit in de eenheid graden Celsius.
Met betrekking tot het onderwerp elektrisch vermogen waar deze site overgaat komen onderstaande grootheden en bijbehorende eenheden naar voren (zie Tabel 1):
Tabel 1: Grootheden & eenheden (huidig onderwerp)
Een factor...
In het verhaal van hierboven geef ik aan dat je lengte uitdrukt in de eenheid meter. Nu kan je misschien denken: ja, maar een afstand kan je toch ook uitdrukken in de eenheid kilometer of in milimeter? Dat klopt inderdaad, maar woorden zoals kilo en mili geven een bepaalde factor aan. Kilo bijvoorbeeld geeft een factor duizend aan, dus 1 Kilometer betekent letterlijk duizend meter (1000). Mili staat voor een duizendste, dus 1 milimeter betekent letterlijk een duizendste van een meter (0,001). Over het algemeen kan je de offciële eenheid vinden door de factor weg te laten, met als uitzondering bij de grootheid massa. Massa drukken we namelijk uit in de eenheid kilogram en niet in gram, dit is wereldwijd zo bepaald.
Hieronder een rekenvideo over hoe je werkt met deze factoren, bekijk deze video goed want dit is een belangrijke vaardigheid in de natuurkunde.
[MeneerMegens]. (2016, 2 augustus). Meneer Megens: Omrekenen van maten en eenheden : Metriek Stelsel [YouTube]. Geraadpleegd van https://www.youtube.com/watch?v=6YWy8j37Hmk
Isolator
Een isolator is een stof die geen of nauwelijks stroom doorlaat. Volgens het vrachtwagenmodel kan je het als een weg beschouwen waar bord C1 staat: Niet inrijden vanaf beide richtingen. Zie onderstaande Figuur 1.
Figuur 1: Een isolator is als een weg waar een niet inrijden verbod geldt.
Een draad waar de elektrische stroom doorheen gaat wordt vaak omhuld door een isolerend materiaal (zie Figuur 2). Dit om ervoor te zorgen dat de elektronen in de draad blijven en hun bestemming, bijvoorbeeld een lamp, bereiken.
Figuur 2: een elektrische draad. In de figuur wordt gekeken naar een elektrische (zwarte) draad. Deze draad bestaat uit een zwart omhulsel dat dient als isolator. Binnenin het omhulsel zit een draad gemaakt van geleidend materiaal (een geleider), zie plaatje 3 in de figuur.
Netspanning
Op het stopcontact in je huis staat de netspanning. Dit betekent dat op het stopcontact een spanning van 230 Volt staat, oftewel het stopcontact levert 230 joule aan elektrische energie per ampère, per seconde.
Parallelschakeling
Bij een parallelschakeing heb heb je meer dan één stroomkring, er zijn meerdere routes voor de stroom om te volgen. Een parallelschakeling heeft de volgende kenmerken:
De stroom splitst bij een vertakking;
De spanning is hetzelfde in elke vertakking;
Als één lampje in de parallelschakeling kapot gaat, dan zullen andere lampjes blijven branden.
De stroom splitst bij een vertakking
In Figuur 1 zie je een parallelschakeling op drie manieren weergegeven. In plaatje 1 kan je zien hoe een parallelschakeling bestaande uit een spanningsbron, twee lampjes, twee schakelaars en draden er in de praktijk uit ziet. In plaatje 2 zie je het bijbehorende schakelschema. Plaatje 3 is ter verduidelijking dat de stroom zich verdeeld bij een parallelschakeling.
De stroom in plaatje 3 is weergeven als auto's. In de figuur is te zien dat er twee opties zijn voor de auto's om te rijden (er zijn twee stroomkringen):
Vanaf het hoofdkantoor (de spanningsbron) naar lamp 1 en terug;
Vanaf het hoofdkantoor (de spanningsbron) naar lamp 2 en terug.
Bij twee identieke lampjes zal de helft van de stroom route 1 nemen en de andere helft route 2. Zijn het niet twee identieke lampjes dan zal de stroom zich niet eerlijk verdelen over de lampjes. Dit hangt af van de weerstand van de lampjes (bekijk in de link de alinea: Weerstand bij een parallelschakeling (meerdere wegen)).
Figuur 1: een parallelschakeling 1) in de praktijk, 2) schematisch, 3) volgens het vrachtwagenmodel
De spanning is hetzelfde in elke vertakking;
In Figuur 2 zie je de parallelschakeling volgens het vrachtwagenmodel. Zoals we eerdere hebben beschreven heeft de stroom twee opties:
Vanaf het hoofdkantoor (de spanningsbron) naar lamp 1 en terug;
Vanaf het hoofdkantoor (de spanningsbron) naar lamp 2 en terug.
In beide gevallen hebben de vrachtwagens nog al hun pakketjes bij zich die ze bij het hoofdkantoor hadden gekregen, op het moment dat ze aankomen bij een lampje. Over elk lampje staat dus dezelfde hoeveelheid spanning als dat de spanningsbron levert.
Figuur 2: parallelschakeling, de spanning is bij elke vertakking hetzelfde.
Voordelen van een parallelschakeling
Vergeleken met een serieschakeling biedt een parallelschakeling een aantal voordelen:
Je kunt elk apparaat met een eigen schakelaar aan en uitzetten.
Als één apparaat kapot gaat, kunnen de andere apparaten blijven werken.
Elk apparaat krijgt de volledige spanning van de spanningsbron.
Schakelaar
Een schakelaar is een component (een onderdeel) die gebruikt wordt om van een gesloten stroomkring een open stroomkring te maken en andersom. Op deze manier kan je bijvoorbeeld regelen of een lamp aan staat of juist uit staat.
Volgens het vrachtwagenmodel
Volgens het vrachtwagenmodel kan je een schakelaar als een brug beschouwen. Als de schakelaar open staat dan staat als het ware de brug open. Er kan dan geen stroom lopen (de vrachtwagens kunnen niet over de brug), zie Figuur 1. Als de schakelaar dicht staat dan is de brug dus gesloten en kan er wel een stroom lopen (de vrachtwagens kunnen wel over de brug), zie Figuur 2.
Figuur 1: een open stroomrking. De brug/ schakelaar staat open en er kan geen stroom lopen.
Figuur 2: een gesloten stroomkring. De brug/ schakelaar staat dicht en er kan een stroom lopen.
Specifieker
Als een schakelaar AAN-staat dan zorgt de schakelaar voor een verbinding tussen twee geleidende stoffen.
Als een schakelaar UIT-staat dan verbreekt de schakelaar deze verbinding.
Schakeling
Het geheel van elektrische componenten (onderdelen) waarmee je een circuit bouwt noem je een schakeling, zie Figuur 1 (links). Een schematische weergave van een schakeling noem je een schakelschema, zie Figuur 1 (rechts).
Een schakelschema kan bestaan uit meerdere stroomkringen in de Figuur hieronder is dit ter verduidelijking de twee stroomkringen weergegeven.
Figuur 1: links een schakeling, rechts een schakelschema. Hierin is ter verduidelijking ook de twee stroomkringen: de routes die de stroom kunnen afleggen 1) via lamp 1 (rood) of 2) via lamp 2 (groen).
Een schakeling bouwen
Een schakeling bouwen kan soms best wel lastig zijn, je zult hier vooral mee moeten gaan oefenen. In onderstaand bestand wordt stap voor stap een serieschakeling gemaakt en een parallelschakeling. Hierbij wordt eerst het schakelschema getoond.
Schakelschema
Een schematische weergave van een schakeling noem je een schakelschema
Een schakelschema aflezen
Om een schakelschema af te kunnen lezen (maar ook om een schakelschema te kunnen tekenen) moet je eerst een aantal symbolen kennen van een aantal belangrijke componenten, zie onderstaande figuren:
Als je bovenstaande symbolen kent dan ben je al goed op weg. Hoe je zo'n schakelschema afleest wordt uitgelegd met een aantal voorbeelden:
Schakelschema 1
Stap 1: Welke symbolen zie je terug in het schakelschema? Voor welke componenten staan deze symbolen?
Je ziet het symbool van een batterij/ voedingskastje, een lamp en draden.
Stap 2: Wat voor soort schakeling geeft het schakelschema weer? Een serieschakeling (één weg/ route/ één stroomkring) of een parallelschakeling (meerdere wegen/ routes/ meerdere stroomkringen).
Er is maar één weg om vanaf de batterij naar de lamp te gaan en weer terug te komen bij de spanningsbron. Het gaat hier dus om een serieschakeling.
Conclusie: Het schakelschema geeft een serieschakeling weer gemaakt van een batterij/ voedingskastje, een lampje en draden.
Schakelschema 2
Stap 1: Welke symbolen zie je terug in het schakelschema? Voor welke componenten staan deze symbolen?
Een batterij/ voedingskastje, twee lampjes, en twee schakelaars (dicht).
Stap 2: Wat voor soort schakeling geeft het schakelschema weer? Een serieschakeling (één weg/ route/ één stroomkring) of een parallelschakeling (meerdere wegen/ routes/ meerdere stroomkringen).
Er zijn twee routes: 1) Vanaf de batterij/ voedingskastje naar het eerstje lampje en terug, 2) vanaf de batterij/voedingskastje naar het tweede lampje en terug. De schakelaars zijn gesloten dus de routes zijn beschikbaar (gesloten stroomkring). Het gaat hier om een parallelschakeling.
Conclusie: Het schakelschema geeft een parallelschakeling aan gemaakt van een batterij/ voedingskastje, twee lampjes, twee schakelaars en draden.
Schakelschema 3
Stap 1: Welke symbolen zie je terug in het schakelschema? Voor welke componenten staan deze symbolen?
Een batterij/ voedingskastje en twee lampjes.
Stap 2: Wat voor soort schakeling geeft het schakelschema weer? Een serieschakeling (één weg/ route/ één stroomkring) of een parallelschakeling (meerdere wegen/ routes/ meerdere stroomkringen).
Er zijn twee routes: 1) Vanaf de batterij/ voedingskastje naar het bovenste lampje en terug, 2) vanaf de batterij/voedingskastje naar het onderste lampje en terug. Het gaat hier dus om een parallelschakeling.
Conclusie: Het schakelschema geeft een parallelschakeling aan gemaakt van een batterij/ voedingskastje en twee lampjes.
Een schakelschema tekenen
Om zelf een schakelschema te kunnen tekenen dien je te houden aan vier belangrijke regels:
Als je een schakelschema kunt aflezen en vervolgens de vier bovenstaande regels kunt toepassen dan kan je een schakelschema tekenen. Hieronder een aantal uitgewerkte voorbeelden:
Opdracht 1
Opdracht 2
Opdracht 3
Serieschakeling
Bij een serieschakeling heb je maar één stroomkring, er is maar één route voor de stroom om te volgen. Een serieschakeling heeft de volgende kenmerken:
De stroomsterkte is overal even groot;
De spanning wordt verdeeld.
Als één lampje in de serieschakeling kapot gaat, dan zullen andere lampjes ook stoppen met branden.
De stroomsterkte is overal even groot
In Figuur 1 zie je een serieschakeling op drie manieren weergegeven. In plaatje 1 kan je zien hoe een serieschakeling bestaande uit een spanningsbron, één lampje, een schakelaar en draden er in de praktijk uit ziet. In plaatje 2 zie je het bijbehorende schakelschema. Plaatje 3 is ter verduidelijking dat de stroom bij een serieschakeling overal even groot is. De stroom in plaatje 3 is weergeven als auto's. Er is maar één weg, de auto's kunnen verder nergens afslaan. De stroom zal dus op elk punt in de serieschakeling gelijk zijn.
Figuur 1: een serieschakeling 1) schakeling, 2) het schakelschema, 3) volgens het vrachtwagenmodel
De spanning wordt verdeeld
Bij een serieschakeling zal de spanning zich verdelen. In Figuur 2 is een serieschakeling te zien. In plaatje 1 zoals deze in de praktijk eruit ziet, in plaatje 2 het bijbehorende schakelschema en plaatje 3 volgens het vrachtwagenmodel.
In plaatje 3 is goed te zien wat er gebeurt met de spanning in een serieschakeling. De vrachtwagens starten bij de spanningsbron (het hoofdkantoor), hier worden ze volgetankt en krijgen ze pakketjes mee (elektrische energie). Op het moment dat de vrachtwagens bij het eerste lampje aankomen geven ze een deel van hun pakketjes af, vervolgens komen ze bij het tweede en het laatste lampje aan en geven de rest van hun pakketjes af. Als het gaat om twee identieke lampjes (dezelfde lampjes) dan zal de spanning zich eerlijk verdelen over de (in dit geval) twee lampjes. Als de spanningsbron een spanning levert van 6 Volt dan zal dus over elk van de twee lampjes 3 Volt staan.
Figuur 2: een serieschakeling 1) de schakeling, 2) het schakelschema 3) volgens het vrachtwagenmodel)
Stel dat we een serieschakeling hebben met drie (identieke lampjes in plaats van twee, dan zal de spanning zich eerlijk verdelen over drie lampjes. Als de spanningsbron 12 Volt levert dan zal de spanning over elk lampje dus 4 Volt bedragen, zie Figuur 3.
Figuur 3: serieschakeling, spanning eerlijk verdeeld over drie (identieke) lampjes
Spanning
Spanning verwijst naar de tweede taak van de spanningsbron: het meegeven van pakketjes aan de vrachtwagens of in werkelijkheid het meegeven van elektrische energie aan elektronen. Het begrip spanning is hierin wat specifieker: spanning (U) is de hoeveelheid elektrische energie (uitgedrukt in joule) die wordt meegegeven aan 1 Ampère stroom, per seconde. De spanning drukken we hierbij uit in de eenheid: Volt (V) . Hieronder nog een video die dit principe nog een keer toelicht (bekijk vanaf 1:59 t/m 2:20).
[Alles Is Natuurkunde [EDU]]. (2013, 17 februari). Elektriciteit: Grootheden & Eenheden [YouTube]. Geraadpleegd van https://www.youtube.com/watch?v=1Ddrrm8Tg18&list=PLlhvxWJL9N-AOpR3uhqH49mcX7m4B8fZ0&index=2
Spanningsbron
Het begrip spanningsbron bestaat uit twee delen: 1) spanning en 2) bron. Een bron is het punt waar ''iets'' begint/ vandaan komt. In dit geval is dat ''iets'': spanning. Spanning hadden we omschreven als de hoeveelheid elektrische energie (uitgedrukt in joule) die wordt meegegeven aan 1 Ampère stroom, per seconde. Deze twee definities samengenomen is een spanningsbron dus het punt waar 1 Ampère stroom, per seconde een bepaalde hoeveelheid elektrische energie meekrijgt.
Volgens het vrachtwagenmodel kan je de spanningsbron zien als het grote hoofdkantoor met twee belangrijke taken:
Bij de spanningsbron worden de vrachtwagens volgetankt zodat ze hun route kunnen rijden;
Bij de spanningsbron krijgen de vrachtwagens pakketjes mee (die de vrachtwagens vervolgens bij de ontvanger moeten gaan brengen).
Spanningsmeter
Een spanningsmeter is een apparaat waarmee je het spanningsverschil over een component (onderdeel) kunt meten. Zo'n spanningsmeter dien je parallel aan te sluiten in de schakeling.
Een stroomkring is een route die elektronen afleggen vanaf de spanningsbron (het hoofdkantoor), naar een ontvanger of ontvangers en weer teruggekomen bij de spanningsbron. Bij een stroomkring is het dus belangrijk dat de stroom rond kan stromen.
Kijkend naar het vrachtwagenmodel is een stroomkring de beschikbare route die de vrachtwagens kunnen afleggen om vanaf het hoofdkantoor bij de ontvanger terecht te komen en weer terug te komen. Je hebt twee soorten stroomkringen:
1. Een gesloten stroomkring
Bij een gesloten stroomkring zijn er geen onderbrekingen langs de route. De vrachtwagens (in werkelijkheid: de elektronen) kunnen hun route rijden en hun taak vervullen.
Figuur 1: een gesloten stroomkring. Links in werkelijkheid: de elektronen kunnen hun route afleggen vanaf de spanningsbron naar de lamp en terug. Rechts volgens het vrachtwagenmodel: de vrachtwagens kunnen hun weg afleggen vanaf het hoofdkantoor naar de ontvanger en terug.
2. Een open stroomkring
Bij een open stroomkring zijn er wel onderbrekingen langs de route. De vrachtwagens (in werkelijkheid de elektronen) kunnen hun route niet rijden en hun taak niet vervullen.
Figuur 2: een open stroomkring. Links in werkelijkheid: de schakelaar staat open, de elektronen kunnen dus niet naar de lamp toe om de elektrische energie af te geven met als gevolg dat de lamp niet gaat branden. Rechts volgens het vrachtwagenmodel: de brug staat open, de vrachtwagens kunnen dus niet naar de ontvanger met als gevolg dat de ontvanger niet tevreden zal zijn.
Een stroomkring vs. een schakeling
Het begrip stroomkring en schakeling lijkt erg op elkaar, echter is het niet hetzelfde:
Het geheel van elektrische componenten (onderdelen) waarmee je een circuit bouwt noem je een schakeling. Zo'n schakeling kan meerdere routes (stroomkringen) bevatten.
Een schematische weergave van een schakeling noem je een schakelschema. Klik op de link om te leren hoe je zo'n schakelschema schakeling afleest en hoe je zelf zo'n schakeling tekent.
Het arrangement Elektrisch vermogen is gemaakt met
Wikiwijs van
Kennisnet. Wikiwijs is hét onderwijsplatform waar je leermiddelen zoekt,
maakt en deelt.
Auteur
Nick van Grinsven
Je moet eerst inloggen om feedback aan de auteur te kunnen geven.
Laatst gewijzigd
2019-03-19 19:21:40
Licentie
Dit lesmateriaal is gepubliceerd onder de Creative Commons Naamsvermelding 4.0 Internationale licentie. Dit houdt in dat je onder de voorwaarde van naamsvermelding vrij bent om:
het werk te delen - te kopiëren, te verspreiden en door te geven via elk medium of bestandsformaat
het werk te bewerken - te remixen, te veranderen en afgeleide werken te maken
voor alle doeleinden, inclusief commerciële doeleinden.
Van dit lesmateriaal is de volgende aanvullende informatie beschikbaar:
Eindgebruiker
leerling/student
Moeilijkheidsgraad
gemiddeld
Bronnen
Bron
Type
[The Toaster Challenge]. (2015, 3 juni). Olympic Cyclist Vs. Toaster: Can He Power It? [YouTube]. Geraadpleegd van https://www.youtube.com/watch?v=S4O5voOCqAQ
https://www.youtube.com/watch?v=S4O5voOCqAQ
Geleiders en isolatoren spel
