Thema 3: Elektriciteit (deel 1)

Thema 3: Elektriciteit (deel 1)

Intermezzo: Atoommodel van Rutherford

In thema 1 (Materie van dichtbij) en thema 6 (Chemische reacties) heb je al geleerd dat alle materie, dus eigenlijk alles, is opgebouwd uit moleculen en dat deze deeljes op hun beurt bestonden uit atomen. Dit intermezzo gaat over waar deze atomen weer uit bestaan.

Er bestaan verschillende atoommodellen zoals die van Dalton, Rutherford en Bohr. Geen van deze modellen zijn 100% waar, maar het zijn versimpelde versies van de werkelijkheid, die we in de wetenschap gebruiken om iets uit te leggen. In dit thema gaan we dieper in op het atoommodel van Ruterford.

Volgens het atoommodel van Rutherford bestaat het atoom dus uit een atoomkern en daaromheen de elektronen. De kern is ongeveer 20.000 keer kleiner dan het gehele atoom. In deze kern bevinden zich twee soorten subatomaire deeltjes. De neutronen worden afgekort met een n en hebben een lading van 0. Zij zijn dus ongeladen, of neutraal. De neutronen zijn belangrijk voor de stabiliteit van het atoom. Te veel of te weinig neutronen maakt een atoom radioaktief. De massa van een neutron is afgerond 1 atomaire massa eenheid, of kortweg u. De protonen bevinden zich ook in de atoomkern en hebben ook een massa van 1u. Maar in tegenstelling tot de neutronen, hebben de protonen een positieve lading. Vanwege dit alles, wordt het proton afgekort met p+.

Buiten de atoomkern bevinden zich dan de elektronen. Dit zijn veel kleinere deeltjes dan de neutronen en protonen. Zij hebben dan ook een verwaarlosbare massa. Elektronen bewegen zich, volgens Rutherford in banen om de kern heen, vergelijkbaar met de maan of een planeer rond de zon. De lading van het elektron is tegengesteld aan die van het proton, negatief dus. Vanwege dit alles, wordt het electron afgekort met e-.

Samenvatting

In onderstaande tabel staat het atoommodel van Rutherford samengevat.

Elektrostatica

Wat is statische elektriciteit

Wanneer je een ballon over (lang) haar wrijft, of tegen een zachte doek of trui, dan wordt de ballon statisch. Dit komt omdat een hoeveelheid van de elektronen uit je haar, of uit de stof, in de elektronenwolken van de atomen in de ballon gaan zitten. De ballon krijgt dus een hoeveelheid negatieve lading er bij en wordt hierdoor zelf in zijn geheel negatief. De stof, of je haar, die de elektronen afgeeft blijft met minder negatieve lading over en wordt dus positief. Echter, omgekeerd kan het ook gebeuren. Maar in elk geval ontstaat er altijd een verschil in lading. In de natuurkunde noemen we lading ook wel potentiaal genoemd en de officiele term voor verschil in lading is dan ook het potentiaalverschil.

Wat ladingen nu precies zijjn hoef je op dit moment helemaal niet echt te snappen, maar je moet weten dat objecten die dezelfde lading hebben, elkaar afstoten. Dus een negarief geladen ballon zal bij een andere negatief geladen ballon uit de buurd blijven. Maar twee objecten met tegengestelde lading, trekken elkaar aan. Dus een positief geladen ballon zal negatief geladen haren aantrekken.

Onderzoek naar statischheid

In dit onderzoek gaan jullie op zoek naar de relatie tussen de tijd dat het duurt voor een ballon los komt van het plafond of de muur en een eigen gekozen variabele. Een variabele is een 'iets' dat kan veranderen en dus niet constant is. Weten welke variabele wat is in een onderzoek, is van groot belang.

Variabelen bij een onderzoek

Een wetenschappelijk onderzoek bestaat altijd uit verschillende experimenten. Bij elk experiment wordt er 'iets' aan de opstelling veranderd en vervolgens wordt het effect op deze verandering gemeten. Het 'iets' in de opstelling is dus niet constant, maar kan veranderd worden - maar het gene wat gemeten wordt is dat ook! Beide zijn dus variabel. Maar de ene hebben de wetenschappers in de hand, en de andere moet juist worden bepaald in het experiment:

  • De onafhankelijke variabele: Dit is de variabele die de onderzoeker in de hand heeft. Hij of zij bepaald de massa van een object aan een veer, of het materiaal van het wegdek. In de regel wordt de waarde (want hij moet natuurlijk wel objectief bepaald kunnen worden) op de x-as van een grafiek (indien van toepassing gezet).
  • De afhankelijke variabele: Dit is de variabele die niet van te voren vast staat, maar juist gemeten moet worden door de onderzoeker. Deze waarde wordt, indien van toepassing, eigenlijk altijd op de y-as van een grafiek gezet.

In één set van experimenten mag er maar één onafhankelijke variabele per meting worden veranderd. Je kunt bij het uitrekken van een veer bijvoorbeeld moeilijk zowel de veer én de massa van het gewichtje tegelijk veranderen. Je weet dan nooit waarom de afhankelijke variabele veranderd is.

Soms wordt er in een onderzoek best gekeken naar meer dan één onafhankelijke variabele - maar dan wel in twee keer. Eerst een set experimenten met variabele A en dan pas een variabele B. Het opstellen van een gezamelijke onderzoeksvraag is dan taaltechnisch vaak wel lastig.

Het onderzoek

Jullie zullen in je groepje dus zelf een onafhankelijke variabele moeten kiezen. De afhankelijke is gegeven: De tijd die het duurt voordat de ballon weer loskomt van het plafond. Eventueel zou je ook de muur kunnen doen - maar bedenk dat dit een afhankelijke variabele is. Dus eentje kiezen, en daar aan vast houden!

De onderdelen in de inleiding

In jullie document moeten in elk geval de volgende onderdelen terug te vinden zijn. Soms als kopje maar misschien ook gewoon als belangrijke term in een stukje uitleg. De onderdelen staat hier in een willekeurige volgorde en misschien missen er ook wel kopjes. Houdt rekening met hoe een goede inleiding geschreven moet worden. Het trechter-model: Breed en algemeen beginnen en je lezer meenemen naar steeds smallere/kleinere onderwerpen.

  • Statische elektriciteit
  • Uitleg (on)afhankelijke variabele
  • Potentiaalverschil
  • Elektrostatica
  • Toelichting keuze van onafhankelijke variabele
  • Doel van het onderzoek (niet de onderzoeksvraag, maar het doel)
  • Atoombouw

Elektrodynamica

Bij statische elektriciteit komt het ladingsverschil tussen twee objecten niet van hun plaats. Er wordt geen lading bewegen en daarom wordt dit in de natuurkunde ook elektrostatica genoemd. Wanneer ladingen gaan bewegen wordt dit elektrodynamica genoemd en hier gaat de rest van het thema over.

Wat gebeurd er bijvoorbeeld als warmte lucht, die natuurlijk opstijgt, tegen een wolk aan komt? Er treedt dan ook statische elektriciteit op omdat de lucht elektronen af geeft aan de wolk. Onder de juiste omstandigheden kan dit tot het extreme gebeuren en wordt de lading eenorm groot. De aarde blijft neutraal en zo onstaat er een heel groot potentiaalverschil tussen wolk en aarde. Op een gegeven moment wordt dit zo groot dat er een ontlading optreed in de vorm van bliksem. Bliksem is dus de natuurlijke vorm van elektrodynamica.

Een kunstmatige manier om bliksem en ontladingen op te wekken is een Van der Graafgenerator. Hierbij wordt door een lopende band in het apparaat, de metalen bol extreem geladen. Ontladingen kunnen dan op afstand optreden zoals in onderstaande Engelse film laten zien.

Elektrische stroom

Elektriciteit zoals bij bliksem en de Van der Graafgenerator zijn voorbeelden van toch wel best extreme hoeveelheid potentiaalverschil. Gelukkig kunnen we ook gewoon een batterij, accu of een spanningskastje gebruiken. Deze zogenaamde spanningsbronnen hebben altijd een plus-pool en een min-pool. Omdat elektronen negatief geladen zijn, worden zij aangetrokken door de plus-pool en als beide polen zijn verbonden met bijvoorbeeld een metalen draad, dan bewergen de elektronen van de min- naar de plus-pool. Het bewegen van ladingen zoals elektronen wordt (elektrische) stroom genoemd.

Toen elektriciteit uitgevonden werd echter, wist men nog niet precies wat er bewoog en daarom heeft men toen gezegd dat stroom van de plus- naar de min-pool loopt, omdat water ook altijd van een hoog naar een laag punt stroomt. Dit is erg werwarrend en dus moet je goed onthouden:

  • Stroom loopt altijd van de plus- naar de min-pool
  • De elektronen bewegen altijd van de min- naar de plus-pool.

In de afbeelding hiernaast zie je hoe een lampje is aangesloten op een batterij (een spanningsbron) met stroomdraden. Dit is een voorbeeld van een elektrische schakeling. Ook zie je dat een elekron die begint bij de min-pool, door een draad, door het lampje door een draad bij de plus-pool kan aankomen. Dit heet een stroomkring en het is heel belangrijk dat je beseft dat een stroomkring altijd heel moet zijn. Alleen bij een gesloten stroomkring loopt er stoom door alle componenten van de schakeling.

Bouw je schakeling

Via de link hieronder kan je een applet downloaden waarin je rustig kan experimenteren met stroom, schakelingen en de beweging van elektronen. Het is wel een java applet dus je zal dit op je computer moeten hebben staan. Als dat zo is, kan je snoeren, lampjes, batterijen en nog veel meer (incluseif een hond!) opnemen in je stroom kring.

  1. Bouw de stroomkring zoals in de afbeelding hiernaast. Kijk hoe alles loopt.
  2. Experimenteer met schakelingen. Maar blijf goed kijken hoe het werkt en probeer zo alvast dingen te ontdekken.

Componenten in een stroomkring

Het tekenen van stroomkringen zoals ze echt er uit zien is veel werk. Er zijn wel duizend verschillende soorten lampjes, honderden verschillende batterijen, draadjes hebben verschillende kleuren en ga zo maar door. Ook wordt het vaak heel ingewikkeld als er veel losse draden lopen. Daarom maken wij gebruik van diagrammen in plaats van levensechte tekeningen. In een diagram gebruiken wij symbolen voor de verschillende componenten in de schakeling. De componenten die in het diagram hierboven getekend zijn moet je kennen.

Om een diagram overzichtelijk te houden, maken wij gebruik van een aantal afspraken:

  • Draden teken we alleen horizontaal of vertikaal, maar dus niet gebogen of schuin
  • Afstanden in een diagram zegt niets over de werkelijke afstanden.
  • Volgorde van geschakelde componenten zijn wel hoe het in het echt is

Regelmatig wordt er extra informatie in tekst bij de componenten geschreven. Zo zou bijvoorbeeld "4.5 V" bij de spanningsbron geschreven kunnen worden, om aan te geven dat de bron 4.5 Volt is.

Kortsluiting

Een bijzondere schakeling is een kortsluiting. Dit gebeurt wanneer er tussen de polen van de spanningsbron geen andere componenten dan draden zijn opgenomen. Elektronen kunnen dan direct van de min- naar de plus-pool bewegen zonder hindernissen en dit zullen ze dan ook in grote getalen doen. De elektrische energie wordt dan echter zo snel vrijgegeven dat de spanningsbron in de fik kan vliegen, of draden doorbranden.

Wanneer je in het echt een schakeling maakt, moet je altijd controleren of je niet perongeluk een kortsluiting hebt, voordat je de spanningsbron aan zet.

 

En let op: Stoom neemt altijd de weg van de minste weerstand. Dat betkend dus dat de stroom in de schakeling hiernaast écht niet door het lampje zal gaan, omdat de weg via de draden veel gemakkelijker is. Het lampje zal dus geen stroom krijgen, en de schakeling is kortgesloten.

Opdracht schakelingen

In deze opdracht ga je onderstaande schakelingen ontwerpen en testen. In alle opdrachten mag je slechts één spanningsbron gebruiken en moet je screenshots maken van je oplossingen. Deze plaats je vervolgens in de opdracht welke je in Magister inleverd.

De opdracht staat hieronder:

De opdracht

Leerdoelen

Aan het einde van dit thema moet de volgende dingen weten of kunnen:

  1. Ik ken het atoommodel van Rutherford en weet wat de verschillende subatomaire deeltjes hierin zijn, ik ken de symbolen, positie, lading en massa van deze deeltjes.
  2. Ik ken het verschil én de overeenkomst tussen elektrostatica en elektrodynamica.
  3. Ik weet hoe statische elektriciteit tot stand kan komen en welke interacties statisch geladen objecten met elkaar kunnen hebben.
  4. Ik kan in eigen woorden beschrijven wat elektrische stroom is en waarom een stroomkring altijd gesloten moet zijn.
  5. Ik weet precies hoe een simpele stroomkring werkt en kan hierin de volgende onderdelen in omschrijven en uitleggen: Spanningsbron, plus- en min-pool, stroomrichting en elektronenbeweging.
  6. Ik ken de volgende componenten uit een stroomkring en ik kan de functie er van beschrijven: Stroomdraad, spanningsbron, druk en wip schakelaar en lampje.
  7. Ik kan eigen elektrische schakelingen ontwerpen en bouwen.
  8. Ik kan gevraagde functionaliteiten vertalen in elektrische schakelingen.