Kennis
Als je deze wikiwijs hebt doorgewerkt, kun je:
A. Energie en Isoleren.
verklaren wat een energiebron is.
5 energiebronnen benoemen.
aangeven op welke 4 redenen de voor- en nadelen van bepaalde energiebronnen op worden gebaseerd.
verschillende warmtebronnen in huis benoemen.
3 verschillende manieren van warmteverlies benoemen en deze manieren nader verklaren.
verklaren op welke manieren warmte uit een ruimte kan verdwijnen.
enkele manieren benoemen hoe een ruimte geïsoleerd kan worden.
B. Energiebehoefte en Rendement berekenen
verklaren wat het rendement is.
een berekening maken met de formule van het rendement = nuttige energie / totale energie x 100%
een berekening maken met de formuleE = P ∙ t
C. Stroomgeleiding: Geleiders en Isolatoren
verklaren wat een geleider is en waaruit deze is opgebouwd.
verklaren wat een isolator is en waaruit deze is opgebouwd.
D. Vermogen, Stroomsterkte, Spanning en Weerstand
een berekening maken met de formule P = U · I en U = I · R
Grootheden en eenheden kennen.
Verschil weten tussen Overbelasting en Kortsluiting.
Weten wat de functie is van Zekeringen, Randaarde en Aardlekschakelaars.
E. De stroomkring: Serie of Parallel
schematisch tekenen hoe een gesloten stroomkring eruit kan zien.
benoemen uit welke 3 onderdelen een stroomkring altijd bestaat.
schematisch de symbolen voor de stroomkringen tekenen.
het verschil tussen een serie- en een parallelschakeling uitleggen.
het schakelschema van een eenvoudige serie- of parallelschakeling tekenen.
F. Spanning en Stroom meten.
een Volt- en Ampèremeter goed aan kunnen sluiten in een stroomkring.
Spanning en stroomsterkte kunnen meten.
A. Energie en Isoleren
1. Energie en zijn bronnen
Wat is energie?
Energie is "iets" waarmee je dingen kunt laten werken. Jouw lichaam werkt op energie die je haalt uit je voeding, maar een lamp werkt op elektrische energie. Energie komt in verschillende vormen voor en kan ook omgezet worden van de ene vorm naar de andere vorm.
Er zijn verschillende soorten energie die je moet kennen:
- Chemische energie (bijvoorbeeld de energie in een suikermolecuul in je eten)
- Elektrische energie
- Kinetische energie (kinetisch betekent beweging)
- Thermische energie (warmte)
- Stralingsenergie (bijvoorbeeld zonlicht)
Al deze vormen van energie komen voor op aarde en worden door mensen gebruikt of opgewekt. Het is belangrijk dat je onthoudt dat energie nooit verloren gaat. Energie raakt nooit "op", maar wordt omgezet in een andere vorm van energie. Bijvoorbeeld: de batterij van je Ipad gaat leeg, niet omdat de energie verdwijnt, maar omdat het is omgezet in licht (stralingsenergie) en warmte (thermische energie).
Wat is een energiebron?
Alles wat een bruikbare soort energie kan leveren, noem je een energiebron. In een energiebron is een soort energie opgeslagen. Deze energie kan door een energieomzetter omgezet worden in een voor ons bruikbare vorm van energie:
Een cv-ketel kan de chemische energie van aardgas omzetten in warmte (thermische energie).
Een zonnecel kan de stralingsenergie van zonlicht omzetten in elektriciteit (elektrische energie).
Een windmolen kan de bewegingsenergie van stromende lucht omzetten in elektriciteit (elektrische energie).
De vijf energiebronnen
Er zijn veel energiebronnen. Hieronder staan de vijf energiebronnen die in Nederland het meeste gebruikt worden. We hopen dat in de toekomst de ‘alternatieve’ energiebronnen, zoals zon- of windenergie, meer gebruikt gaan worden dan bijvoorbeeld fossiele brandstoffen. Waarom, dat lees je hieronder!
Fossiele brandstoffen Fossiele brandstoffen zijn aardolie, aardgas en steenkool, die jaren geleden zijn ontstaan uit resten van dode planten en dieren. Ze leveren voor ons chemische energie. Aardolie wordt veel gebruikt in de scheepvaart en bij het wegvervoer (denk bijvoorbeeld aan benzine en diesel). Aardgas wordt gebruikt voor het verwarmen van huizen en andere gebouwen. Steenkool wordt in
Nederland gebruikt in een aantal elektriciteitscentrales.
Zie de afbeelding hiernaast.
Je hebt geleerd dat planten bij de fotosynthese de energie uit zonlicht gebruiken om glucose te maken. Hierbij nemen planten koolstofdioxide uit de lucht op. De energie in de dode plantenresten (en dus ook die in fossiele brandstoffen) is dus uiteindelijk afkomstig van de zon. Bij de verbranding van de fossiele brandstoffen komt deze energie weer vrij. Daarnaast komt er ook koolstofdioxide bij de verbranding vrij, wat een van de oorzaken is van de opwarming van de aarde. Een ander nadeel is dat bij de verbranding van steenkool en aardolie stoffen ontstaan die luchtverontreiniging veroorzaken.
Biomassa
Een andere energiebron is biomassa. Dit is materiaal dat van planten en dieren afkomstig is. Je kunt denken aan bijvoorbeeld plantenresten, koeienmest of gewassen zoals maïs. De centrale verbrandt deze producten, waardoor er een gas ontstaat, genaamd biogas. Dit gas lijkt erg op aardgas (zie het stukje over fossiele brandstoffen) en kan voor dezelfde doelen gebruikt worden.
Zonlicht
Zonlicht is een vorm van stralingsenergie. Deze energie kan door bijvoorbeeld een zonnecel omgezet worden in elektrische energie. Steeds meer mensen laten tegenwoordig zonnepanelen op hun dak of schuur aanbrengen. Deze zonnepanelen bevatten veel zonnecellen. Zie de afbeelding hiernaast.
Aardwarmte
Hoe dieper je in de aarde komt, des te hoger is de temperatuur.
Het is mogelijk om warmte die afkomstig is uit de aarde, naar de
oppervlakte te halen. Om deze aardwarmte te verkrijgen, worden
twee putten gebruikt.
Via de eerste put wordt water uit de diepte omhoog gepompt. Dit hete water wordt door een warmtewisselaar geleid, waar het een deel van zijn warmte afgeeft. Daarna wordt het via een tweede pomp weer teruggepompt in de bodem.
Wind
Vroeger stonden in Nederland meer dan 9000 windmolens. Tegenwoordig is wind opnieuw een belangrijke energiebron. Je ziet steeds meer grote windturbines in het landschap verschijnen. Zo’n windturbine drijft een generator aan die in de molen is gebouwd. Op die manier wordt de bewegingsenergie van de wind omgezet in elektrische energie.
De elektrische energie die je thuis gebruikt, wordt opgewekt door onder andere de energiebronnen die we hebben besproken.
Ook kan het worden opgewekt in een elektriciteitscentrale, die werkt als volgt:
Door de branders wordt aardgas, steenkool of een andere brandstof verbrand. Met de vrijkomende warmte wordt het water in de ketel verhit. Hierdoor ontstaat stoom (hete waterdamp) met een hoge temperatuur en druk.
De stoom spuit met grote snelheid tegen de schoepen van een turbine, waardoor de as van de turbine gaat ronddraaien.
Aan de as van de turbine zit een generator (een soort grote dynamo) gekoppeld. Als de as van de turbine draait, wordt er in de generator elektrische energie opgewekt.
De 'afgewerkte' stoom die intussen een veel lagere temperatuur en druk heeft gekregen, wordt naar een condensor geleid. Daar condenseert de stoom weer tot water. Dit water wordt vervolgens naar de ketel teruggepompt.
2. De voor- en nadelen van bepaalde energiebronnen
Elke energiebron heeft zijn voor- en nadelen. Als je energiebronnen met elkaar vergelijkt, let je op de volgende vier punten:
Wat zijn de gevolgen voor het milieu? Bij het verbranden van brandstoffen ontstaan veel afvalstoffen die slecht zijn voor het milieu. Windturbines hebben andere nadelen, zoals 'horizonvervuiling' en geluidsoverlast.
Kan de energiebron op den duur uitgeput raken? De voorraden fossiele brandstoffen zijn wel beperkt. Daar komt ooit een einde aan. Maar bijvoorbeeld de wind waait steeds opnieuw en de zon blijft schijnen.
Is de energiebron altijd of alleen af en toe beschikbaar? Een centrale die op aardgas werkt, kan dag en nacht elektrische energie leveren. Maar bijvoorbeeld een windturbine staat stil als het niet waait en de zonnepanelen leveren geen stroom als het donker is.
Hoeveel moet je voor de energie betalen? Op dit moment is elektriciteit uit wind duurder dan de elektriciteit uit fossiele brandstoffen. Dat kan veranderen als de olie- en gasprijzen sterk stijgen, zoals nu het geval is.
Kernenergie is nog steeds het meest milieu vriendelijke alternatief voor fossiele brandstoffen, alleen is het een zeer complexe en gevaarlijke manier van energie opwekken. Ook het afvalprobleem is erg groot, omdat de gebruikte grondstoffen miljoenen jaren radioactief blijven en dus gevaarlijk zijn voor mens en milieu.
Doordat sommige bronnen niet oneindig zijn, is zuinig zijn met elektrische energie belangrijk, en het heeft veel voordelen. Je kunt er geld mee besparen, je helpt milieuproblemen te verminderen en je draagt eraan bij dat de voorraden aardgas, aardolie en steenkool minder snel opraken.
3. Verwarmen
De eenheid van energie = Joule.
Een groot deel van de energie wordt gebruikt in warmtebronnen, zoals ovens, ketels en kachels. Die leveren warmte die nodig is om gebouwen te verwarmen, water heet te maken en voedsel te bereiden.
Warmtebronnen
Als je in huis rondkijkt, kom je daar verschillende warmtebronnen tegen. De cv-ketel levert de warmte waarmee het huis wordt verwarmd. Andere warmtebronnen zijn de het gasfornuis, de oven, de waterkoker, de föhn en de droger.
In de verwarmingsketel van een cv-installatie wordt aardgas verbrand. Daarbij wordt de chemische energie in de brandstof omgezet in warmte. Natuurkundigen hebben ontdekt dat de hoeveelheid energie bij een energie-omzetting niet verandert. Bepaalde soorten energie verdwijnen, andere soorten energie komen daarvoor in de plaats, maar de totale hoeveelheid energie blijft hetzelfde.
Warmte en temperatuur
De meeste warmtebronnen die je thuis tegenkomt, werken op elektrische energie. Denk aan de waterkoker bijvoorbeeld.
De elektrische energie die zo’n warmtebron verbruikt, wordt helemaal omgezet in warmte. Voor elke joule verbruikte energie krijgt je een joule warmte terug.
4. Warmtetransporten en Isoleren
Als je in een koud huis de verwarming aan zet, zal de temperatuur eerst stijgen. Maar na verloop van tijd verandert de temperatuur niet meer, al slaat de cv-ketel nog steeds regelmatig aan. Dat komt doordat er dan evenveel warmte naar buiten verdwijnt als de ketel produceert. Je kan dit warmteverlies dan beperken, door goed te isoleren.
Warmteverlies
Als de temperatuur in huis hoger is dan de temperatuur buiten, verliest het huis de hele tijd warmte aan de omgeving. Dat gaat het snelst als het waait, doordat de wind de warmere lucht in en rond het huis meeneemt. Maar ook als het windstil is, ‘lekt’ er warmte weg. Dat gebeurt op 3 manieren van warmtetransporten: door geleiding, stroming en straling.
Als je wilt isoleren dan moet je deze warmtetransporten liefst allemaal tegen gaan!
Geleiding
Bij geleiding beweegt de warmte door een stof, zoals baksteen of glas. Hoe warmer een stof is, hoe harder de moleculen in de stof trillen en tegen elkaar aanbotsen. In een opwarmende stof gebeurt dit ook en botsen de moleculen steeds tegen elkaar aan. Daarbij geven ze hun bewegingsenergie aan elkaar door. Hierdoor verspreidt de warmte zich van binnen (waar de temperatuur het hoogst is) naar buiten (waar de temperatuur lager is). Isoleren kan bijvoorbeeld door niet geleidende materialen te gebruiken voor de handvaten van kookpannen,
De stof die warmte doorgeeft veranderd niet van vorm, bv de verwarmingsradiator die de klas opwarmt.
Stroming
In vloeistoffen en gassen kan een stroming ontstaan, als je die op één plaats verwarmt. Dat zie je bijvoorbeeld bij de lucht in huis. De lucht bij de verwarming wordt warm, zet uit en stijgt hierdoor omhoog. De warme lucht stijgt dus omhoog, terwijl de koudere lucht er nog omheen zweeft. Zo verwarmt de warmere lucht die omringende koudere lucht. Isoleren kan bijvoorbeeld door stroming tegen te gaan met glaswol tussen de muren.
De stof die de warmte doorgeeft neemt de warmte met zich mee, bv het water wat uit de douche komt.
Straling
Alles om je heen (ook je eigen lichaam) zendt straling uit: kleine pakketjes stralingsenergie die door de ruimte kunnen reizen. Hoe hoger de temperatuur van een voorwerp, des te meer stralingsenergie er wordt uitgezonden. Isoleren kan bijvoorbeeld door folie achter de verwarming te plaatsen en zo de warmte de kamer in te reflecteren..
Voor straling is geen stof nodig(!), bv de warmte van de zon komt door het luchtledige, buiten de dampkring, naar de aarde en wij voelen deze warmte als wij in de zon liggen.
Geleiding, stroming en straling zijn heel verschillende processen, met dezelfde uitkomst: dat de warmte verspreid zich door een ruimte. Het gevolg is dus dat warme voorwerpen voortdurend warmte verliezen. Isoleren gaat deze warmtetransporten tegen.
Het warmteverlies beperken
De warmte die uit een woonhuis naar buiten verdwijnt, moet meteen weer aangevuld worden. Anders daalt de temperatuur in het huis steeds verder, tot het net zo koud is als buiten. Daarom moet een cv-ketel bij koud weer voortdurend aan staan om de temperatuur in huis op peil te houden.
Als een huis slecht geïsoleerd is, zal er veel warmte naar buiten verdwijnen. De cv-ketel moet dan flink branden om de verloren gegane warmte weer aan te vullen. Je kunt het warmteverlies tegengaan door het huis te isoleren. De cv-ketel hoeft dan niet zoveel warmte te leveren om voor een aangename temperatuur te zorgen.
Het warmtetransport door een muur
De muren van een huis worden vaak van baksteen gemaakt. Dit bouwmateriaal is een vrij goed warmtegeleider. Dat betekent dat er door de muren van een huis vrij veel warmte naar buiten kan verdwijnen.
Hoeveel warmte er in een bepaalde tijd naar buiten verdwijnt, hangt af van:
Het temperatuurverschil tussen binnen en buiten: hoe kleiner het verschil, des te minder warmte verdwijnt er naar buiten.
Het materiaal waarvan de muur is gemaakt: hoe slechter het geleidt, des te minder warmte naar buiten verdwijnt.
De dikte van de muur: hoe dikker de muur is, des te minder warmte naar buiten verdwijnt.
De oppervlakte van de muur: hoe kleiner de oppervlakte, des te minder warmte naar buiten verdwijnt.
Je kunt het warmteverlies tegengaan door tegen de muur een laag isolatiemateriaal aan te brengen. Ook daken en vloeren worden vaak op deze manier geïsoleerd. Isolatiematerialen zitten vol met kleine ruimtes waarin lucht zit. Omdat lucht de warmte zeer slecht geleidt, neemt het warmteverlies sterk af.
Een huis isoleren
Er zijn nog meer manieren om een huis te isoleren, namelijk:
Enkel glas vervangen voor dubbelglas, maar beter nog is drie dubbelglas..
De spouw (ruimte tussen binnenmuur en buitenmuur) vullen met isolatiemateriaal.
Daken en vloeren te isoleren met materialen zoals glas- en steenwol, polystyreen en luchtkussenfolie.
Cv- en warmwater leidingen te isoleren op plaatsen waar ze door koude ruimtes lopen, zoals een garage.
Isoleren = warmtetransporten tegengaan
B. Energiebehoefte en Rendement berekenen
1. Energiebehoefte berekenen
Energiebehoefte berekenen
Je weet nu wat een energiebron is. Uit zo'n energiebron halen we energie om voorwerpen te laten werken of bewegen.
Energie(E) heeft de eenheid Joule(J).
Om er achter te komen hoeveel energie er nodig is om een bepaald apparaat te laten werken of te laten bewegen, ga je berekenen hoe lang een apparaat aanstaat en wat het vermogen van dat apparaat is.
Het vermogen (P) van een apparaat is de hoeveelheid energie per seconde door een apparaat verbruikt wordt.
Vermogen(P) heeft de eenheid Watt (W).
Hieruit volgt dat 1 Watt = 1 Joule per seconde. 1W = 1 J/s
Tijd(t) heeft de eenheid seconden(s).
Omgezet in een formule om de energie te berekenen ziet dit er zo uit:
E = P · t
Hierbij geldt het volgende: E = Energie in joule (J)
P = Vermogen in watt (W)
t = Tijd in seconden (s)
De eerste stap bij het berekenen van de energie, welke een apparaat gebruikt, is de tijd omrekenen naar seconden!
Een wasmachine van 2300 W staat twee uur en 15 minuten aan voor één wasbeurt. Bereken hoeveel energie hij verbruikt heeft bij één wasbeurt.
Gegeven:
- Vermogen(P) = 2300 W
- Tijd = twee uur en 15 minuten. Omrekenen naar seconden = (2 * 3600) + (15 * 60) = 8100 seconden
Gevraagd:
- Hoeveel energie(E) is er verbruikt?
Formule:
- E = P · t
Invullen:
- E = 2300 W * 8100 s
- E = 18.630.000
Antwoord:
- E = 18.630.000 Joule(J) = 18.630 KiloJoule(KJ)
Je ziet nu dat er hel erg grote getallen uitkomen en daar is moeilijk mee te werken. Daarom kan je ook werken met de eenheid van energie in Kilowattuur (KWh).
In plaats van Watt gebruik je kilowatt en in plaats van seconden gebruik je uren.
Ons voorbeeld ziet er dan als volgt uit:
Gegeven:
- Vermogen(P) = 2300 W. Omrekenen naar KiloWatt = 2,3 KW
- Tijd = twee uur en 15 minuten. Omrekenen naar uren = 2,25 uur
Gevraagd:
- Hoeveel energie(E) is er verbruikt?
- Formule:
E = P · t
Invullen:
- E = 2,3 KW * 2,25 uur
- E = 5,175
Antwoord:
- E = 5,2 KWh
Hieruit volgt 5.175 KWh = 18.630.000 (J). Als we dit omrekenen naar 1 KWh = 18.630.000 (J) / 5.175KWH = 3.600.000 J
Dus 1 KWh staat gelijk aan 3.600.000 J energieverbruik.
In de meterkast/zekeringkast zit een KiloWattUur(KWh) meter die alle verbruikte energie registreert. Je betaald dan ook alleen voor de verbruikte energie en die wordt op dit moment alleen maar duurder. Hierdoor zullen veel mensen een andere vorm van energie zoeken die op termijn goedkoper is, zoals zonnepanelen of een windmolen.
2. Het rendement
Kijk naar de onderstaande afbeelding. Hier worden twee apparaten met elkaar vergeleken: een gloeilamp en een spaarlamp. Deze lampen geven evenveel licht. Je ziet wel dat de spaarlamp een kleiner vermogen heeft (aantal W) dan de gloeilamp.
De spaarlamp is beter in gebruik, omdat de gloeilamp een hoger vermogen heeft, maar 95% van zijn energie verliest aan warmte, terwijl je een lamp juist gebruikt voor licht!
Een gloeilamp zet maar 5% van de elektrische energie om in licht; de rest wordt omgezet in warmte. Je zegt dan dat een gloeilamp een rendement heeft van 5%. Een spaarlamp doet het beter: deze zet 25% van de elektrische energie om in licht, deze heeft dus een rendement van 25%.
Het rendement berekenen
Je kunt het rendement van een apparaat berekenen met de volgende formule:
Enut is de hoeveelheid energie die nuttig gebruikt wordt. Bij een lamp is dat de hoeveelheid energie die wordt omgezet in licht. Etot is de hoeveelheid energie die in totaal is toegevoerd. Bij een lamp is dat de opgenomen elektrische energie.
C. Stroomgeleiding: Geleiders en Isolatoren
Geleiding van energie
Wij maken vaak gebruik van warmte en elektrische energie, bijvoorbeeld om apparaten te laten werken. Deze energie moet dan van de bron naar het apparaat worden vervoerd.
Om elektrische energie of warmte te kunnen vervoeren, heb je stoffen nodig die geleiden. Met geleiding bedoelen we de eigenschap om warmte of elektriciteit van de ene plek naar de andere plek te vervoeren. Het geleidingsvermogen is een voorbeeld van een stofeigenschap. Iedere stof heeft een unieke combinatie van stofeigenschappen. Stoffen hebben een bepaalde kleur, een bepaald smeltpunt en lossen goed of slecht op in water. Kleur, smeltpunt en oplosbaarheid zijn net als geleidbaarheid voorbeelden van stofeigenschappen.
Geleidende stoffen
In het periodiek systeem zijn de atoomsoorten ook geordend op bepaalde eigenschappen. Uit welke atoomsoorten een molecuul is opgebouwd, bepaalt de stofeigenschappen van de stof. Stoffen kunnen op basis van stroomgeleiding in 3 groepen worden verdeeld: Metalen, zouten en moleculaire stoffen. De stoffen die goed geleiden zijn metalen. Metalen bestaan alleen metaalatomen (zie het periodiek systeem) en kunnen elektriciteit geleiden in een vaste en vloeibare vorm. Zouten die kunnen alleen stroom geleiden in de vloeibare fase of als ze opgelost zijn in water. Deze moleculen bestaan uit metaal-atomen en niet-metaal atomen. De laatste groep zijn moleculaire stoffen. De stoffen uit deze groep geleiden in geen enkele fase stroom. Ze bestaan uit alleen niet-metaal atomen.
Het periodiek systeem bevat alle bestaande atoomsoorten. Deze worden onderverdeeld in metaalatomen (geel) en niet-metaalatomen (rood). De metaloiden zijn atoomsoorten die zowel eigenschappen van metaalatomen als niet-metaalatomen kunnen hebben. Deze atoomsoorten komen wij nog niet tegen bij het bepalen of een stof een moleculaire stof, zout of metaal is.
Een geleider zal makkelijk elektriciteit doorgeven en is dan ook een geleider voor warmte!
Isolerende stoffen
Je hebt net geleerd dat metalen en zouten wel goed geleiden. Moleculaire stoffen geleiden juist niet. Hoezo moet je die dan leren? We gebruiken moleculaire stoffen om er voor te zorgen dat de energie die we van plek A naar plek B willen vervoeren, niet zomaar ontsnapt. Plastic is bijvoorbeeld een moleculaire stof. Er wordt daarom een plastic hulsje om de metalen draden gedaan van een kabel. De elektriciteit kan dan goed door het metalen draadje en het plastic zorgt ervoor dat de elektriciteit niet opeens over springt naar een ander draadje in de buurt!
Zo'n moleculaire stof die wordt gebruikt om elektriciteit "binnen" te houden, noemen we ook wel een isolator. Isolatoren zijn dus de stoffen die we vaak om elektriciteitsdraden wikkelen. Isoleren ken je misschien ook wel van je huis. In de winter willen we graag isoleren, oftewel de energie (warmte) binnen houden in ons huis. Ook daar gebruiken we dan stoffen voor die niet geleiden. Lucht tussen de 2 glazen van je raam is bijvoorbeeld een goede isolator, maar ook een stel gordijnen of een scherm tegen de wind helpt om de warmte binnen te houden.
Een isolator zal moeilijk of geen elektriciteit doorgeven en is dan ook een isolator voor warmte!
We weten nu dat we via geleidende stoffen energie van punt A naar punt B kunnen brengen. Als je een lampje op een batterij aansluit, gaat er elektrische energie, een stroom, door het lampje lopen. Zo’n elektrische stroom bestaat uit kleine elektrische deeltjes die door de geleidende materialen bewegen. Je zegt dat de stroom van ‘plus naar min loopt’: van de pluspool van de batterij door het lampje naar de minpool.
Met een Stroommeter of Ampèremeter kun je meten hoe ‘sterk’ de elektrische stroom door een stroomkring is. De Stroomsterkte of Ampèremeter geeft aan hoeveel elektrische deeltjes er in één seconde op elke plek in de stroomkring voorbij komen. Hoe meer elektrische deeltjes er per seconde voorbij komen, hoe groter de stroomsterkte.
De grootheid is Stroomsterkte, heeft het symbool I en de eenheid is Ampère (A).
Je zegt bijvoorbeeld, deze schakeling heeft een stroomsterkte van 4 A (I = 4 A).
Het maakt niet uit waar je een stroommeter in de stroomkring opneemt: links of rechts van het lampje. De stroomsterkte is namelijk op elke plaats in de stroomkring even groot.
Een batterij is een spanningsbron. Een spanningsbron zorgt ervoor dat de deeltjes in een stroomkring in beweging komen door ze elektrische energie mee te geven. Dit noem je de spanning. Hoe groter deze spanning, hoe meer energie er per deeltje wordt meegegeven. Een grotere spanning zorgt ervoor dat er meer deeltjes er gaan stromen. Hierdoor wordt de stroomsterkte groter.
De grootheid is spanning, heeft het symbool U en de eenheid is volt (V).
Je zegt bijvoorbeeld, deze batterij heeft een spanning van 1,5 V (U = 1,5 V).
2. Vermogen berekenen met de spanning en stroomsterkte
Bij onderdeel Energie hebben we het al gehad over het vermogen, wat aangeeft hoeveel elektrische energie een apparaat per seconde verbruikt (J/s). De grootheid van vermogen is P, en de eenheid is watt (W).
Het vermogen hangt af van twee factoren:
De spanning waarop het apparaat werkt, dus hoeveel energie er per deeltje wordt meegegeven.
De stroomsterkte die door het apparaat loopt, dus hoe veel deeltjes er per seconde voorbij stromen.
Je kunt het vermogen daarom berekenen met de formule:
P = U · I
Hierbij geldt het volgende: P = Vermogen in watt (W)
U = Spanning in volt (V)
I = Stroomsterkte in ampère (A)
Voorbeeld
Op een website kun je led lampen kopen voor decoratief gebruik. Controleer of het vermogen van de lamp juist is berekend. Gebruik hiervoor de afbeelding hiernaast.
GegevensU = 12 V
I = 220 mA = 0,22 A (Dus altijd milli Ampère omrekenen naar Ampère)
GevraagdP = ?
Uitwerking P = U · I
P = 12 · 0,22
P = 2,64
P = 2,64 W
Dit klopt met de waarde die op de website vermeld staat.
3. Weerstand en Veiligheid
Wanneer je werkt met elektriciteit staat veiligheid voorop. Ook in de installatie van het stroomnet in huis wordt hier goed naar gekeken: de leidingen zijn goed beschermd tegen beschadigingen en zijn goed geïsoleerd.
Gevaren van elektriciteit
Als leidingen teveel stroom moeten verwerken, kunnen ze zo heet worden dat er brand ontstaat. Dit gevaar kan ontstaan door overbelasting of door kortsluiting. De hoeveelheid stroom wordt beperkt door een zekering.
Als je een geleidend voorwerp aanraakt waar een spanning op staat, krijg je een schok. Dat merk je als je het schrikdraad rond een weiland aanraakt. Er loopt dan een korte stroomstoot door je lichaam en dat is geen lekker gevoel.
Overbelasting krijg je wanneer je teveel apparaten op één stroomgroep aansluit. Hierdoor wordt de stroomsterkte groter dan de maximale stroomsterkte van 16 ampère. De schakeling is helemaal goed alleen staan er teveel apparaten aan.
Kortsluiting krijg je wanneer de isolatie van de stroomdraden kapot is en de stroomdraden raken elkaar of een ander geleidend voorwerp. De schakeling is dus kapot en de stroomsterkte kan zeer hoog worden. De groepszekering voorkomt dat de stroomsterkte te hoog wordt en schakelt de stroom uit.
Weerstand en isolatoren.
Om elektriciteit minder gevaarlijk te maken, kun je gebruik maken van de weerstand van materialen. Met weerstand bedoelen we hoe moeilijk het is voor een elektrisch deeltje om door een bepaald materiaal heen te gaan. Als de weerstand hoog is, wordt de elektrische stroom afgeremd. De geleidende stoffen, die we gebruiken om energie te verplaatsen, laten namelijk ook niet alle energie zomaar door!
Een stof die een hele hoge weerstand heeft, en dus eigenlijk geen elektrische deeltjes doorlaat, noemen we een isolator. Het plastic rondom een stroomdraad is dus een voorbeeld van een isolator. (Dit zijn dus over het algemeen moleculaire stoffen, zie onderdeel B)
Zekeringen
In de meterkast vind je veel maatregelen om te zorgen dat de stroomvoorziening van het huis zo veilig mogelijk is. Het huis is opgedeeld in groepen met een eigen stroomvoorziening vanuit de meterkast. Om te beginnen is er voor iedere groep een eigen groepszekering (zie het plaatje hieronder). Wanneer de stroom voor een groep groter is dan 16 A, schakelt de groepszekering de stroom uit. De leidingen en draden kunnen dan weer afkoelen.
Randaarde
Als er een kortsluiting ontstaat kan er stroom komen te staan op de metalen buitenkant van een apparaat. Deze apparaten zijn hiervoor beveiligd met een 'randaarde'. Dit is niks anders dan de buitenkant van het apparaat te verbinden met de twee ijzeren pinnetjes in het stopcontact. Mocht er tijdens een kortsluiting stroom komen te staan op de metalen buitenkant van het apparaat, dan wordt deze direct afgevoerd via de randaarde en gaat deze ook werkelijk de aarde in. Vaak worden hiervoor de waterleidingen of de verwarmingsbuizen gebruikt, omdat deze van metaal zijn en goed geleiden.
Aardlekschakelaar
De aardlekschakelaar vergelijkt continue de stroom die de schakeling ingaat met de stroom die terugkomt. Als daar een verschil in zit dan is er stroom weggelekt en dat kan gevaarlijk zijn. De aardlekschakelaar zal dan direct alle stroom uitschakelen. In een groepenkast kan je verschillende aardlekschakelaars vinden die allemaal een deel van alle groepen 'beschermen'.
Een los snoer heeft ook een weerstand. Hierbij geldt dat je de weerstand weergeeft met de letter R. De eenheid van weerstand is Ω (Ohm). Je kan de weerstand met de Wet van Ohm uitrekenen.
U = I · R
(=de Wet van Ohm)
Hierbij geldt het volgende:
U = Spanning in Volt (V)
I = Stroomsterkte in Ampère (A)
R = Weerstand in Ohm (Ω)
Bijvoorbeeld:
Chantal en Naomi hebben bij een proef de stroomsterkte door een koperdraad onderzocht. De stroommeter gaf 0,6 A aan en de spanningsmeter 6V.
Gegevens I = 0,6 A U = 6 V
Gevraagd R = ?
Uitwerking U = I · R Hieruit volgt R = U / I R = 6 / 0,6 R = 10
Antwoord R = 10 Ω (niet de eenheid vergeten!)
E. De stroomkring: Serie of Parallel
1. Een stroomkring
Als er stroom door een snoer loopt, wordt het snoer warm. Dat komt doordat een deel van de elektrische energie wordt omgezet naar warmte. Hierdoor ontstaat energieverlies, want je gebruikt deze warmte niet. Om energieverlies te beperken, kun je elektrische energie het best vervoeren bij een zo hoog mogelijke spanning.
Je komt in huis allerlei apparaten tegen die op elektriciteit werken. Deze zijn verbonden aan een netwerk van elektriciteitsdraden, de huisinstallatie. Apparaten die veel elektrische energie nodig hebben, zoals een stofzuiger of een wasmachine, sluit je aan op het stopcontact. Andere apparaten halen de elektrische energie die ze nodig hebben uit batterijen of accu’s.
Een gesloten stroomkring
Om een lamp je laten branden, moet je er een elektrische stroom doorheen laten lopen. Dat lukt alleen als je een gesloten stroomkring maakt. Bijvoorbeeld van de ene kant van een batterij naar het lampje, door het lampje, en weer terug naar de andere kant van de batterij.
De batterij
Als het lampje brandt, verbruikt het elektrische energie. Die energie wordt geleidt door de batterij. De elektriciteitssnoeren vervoeren de elektrische energie van de batterij naar het lampje. Op deze manier zit elke stroomkring in elkaar. Je hebt altijd te maken met:
Een spanningsbron die de elektrische energie levert.
De verbindingen die de elektrische energie vervoeren.
Een of meer apparaten die de elektrische energie verbruiken.
Een batterij kan maar een beperkte hoeveelheid elektrische energie leveren. Als die energie op is, zeg je dat de batterij ‘leeg’ is.
Samengevat:
Een stroomkring begint bij de stroombron. Daarna gaat de stroom door de verbruiker(bv lamp) en geeft de energie af. Hierna gaat de stroom verder en weer terug naar de stroombron.
Je kan dit vergelijken met een bad met water die je leegschept met een emmertje om de plantjes water te geven. Het bad is de batterij(stroombron) en heeft maar een beperkte hoeveelheid water(energie). De stroom(stroomsterkte) met emmertjes water(energie) die bij het bad weggaan nemen het water mee naar de plantjes(energieverbruiker). Bij de plantjes(energieverbruiker) wordt het water(energie) afgegeven. Hierna moeten de lege emmertjes weer terug naar het bad om gevuld te worden.
2. Schakelingen tekenen met symbolen
Als je iemand wilt uitleggen hoe een bepaalde stroomkring in elkaar zit, kan je een schematische tekening maken. Er zijn speciale symbolen bedacht om overzichtelijke tekeningen van stroomkringen te maken. Zo’n tekening noem je een schakelschema.
Schakelschema’s zijn onmisbaar bij proeven met elektriciteit. Het schema vertelt je welke onderdelen je nodig hebt en hoe deze met elkaar verbonden zijn. Bij veel proeven staat er een schakelschema in de opdracht. Soms zal je zelf een schakelschema moeten tekenen.
In de onderstaande afbeelding zie je de symbolen staan die we gebruiken om bepaalde onderdelen (componenten) in schakelschema’s weer te geven.
We hebben twee soorten schakelingen: een serieschakeling en een parallelschakeling.
Serieschakelingen
In de afbeelding hieronder zie je een serieschakeling met drie lampjes. Een serieschakeling heeft geen vertakkingen: er is maar één stroomkring. Als er één lampje stuk gaat, is de stroomkring verbroken: alle lampjes gaan dan uit. Het is daarom niet praktisch om lampen in serie te schakelen. Als je de stroomsterkte (I) wilt meten, dan moet je de stroommeter in serie aansluiten.
Je schakelt de schakelaar juist wel in serie met het apparaat dat aan- of uitgezet moet worden. Met een lichtschakelaar doe je een lamp aan of uit. Als je de schakelaar op UIT zet, op en je de stroomkring en gaat de lamp uit. Als je de schakelaar op AAN zet, sluit je de stroomkring en gaat de lamp weer aan.
UITAAN
Parallelschakeling
Elektrische apparaten worden bijna altijd parallel geschakeld. Dat heeft drie voordelen:
Je kunt elk apparaat met een eigen schakelaar aan - en uitdoen.
Als één apparaat kapot gaat, kunnen de andere blijven werken.
Elk apparaat krijgt de volledige spanning van de spanningsbron.
In de onderstaande afbeelding zie je een parallelschakeling van drie lampjes. Elk lampje is rechtstreeks aangesloten op de spanning. De schakeling vertakt zich om elk lampje apart van elektrische energie te voorzien. De parallelschakeling bestaat dus eigenlijk uit 3 aparte stroomkringen. Deze stroomkringen zouden elk apart geopend en gesloten kunnen worden als je in elke vertakking een schakelaar toevoegt.
Als je de spanning wilt meten, dan moet je de spanningsmeter parallel schakelen.
Verdieping (optioneel): wanneer je een spanningsmeter parallel schakelt, meet je de spanning voordat die door het apparaat loopt en nadat die door het apparaat is gegaan. Het verschil daartussen is de spanning die aan het apparaat is afgegeven.
De meeste apparaten in huis zijn verbonden via een parallelschakeling. Dit is juist handig, want dan kan je afzonderlijke apparaten aan en uit schakelen zonder dat dit invloed heeft op de andere apparaten in huis.
De huisinstallatie in een huis bestaat uit een hoofdleiding en een aantal parallele groepen die allemaal apart gezekerd zijn met een zekering.
Een enkele groep bestaat uit een aantal parallel geschakelde vertakkingen die elk naar 1 stopcontact of apparaat leiden. Omdat alle stopcontacten in huis parallel geschakeld zijn betekent dit dat op elk stopcontact een spanning staat van 230 V (netspanning). De spanning (U) is overal in huis, bij elk stopcontact, even groot. Iedere groep heeft een eigen groepsschakelaarof groepszekering waarmee je de stopcontacten 'spanningsloos' kunt maken.
Dit is een speciale manier van lampen schakelen waarbij je de lamp aan en uit kan doen met meerdere schakelaars. Een voorbeeld is dat je de lamp onder aan de trap aan doet en als je boven bent dezelfde lamp met een andere schakelaar uit kan doen.
Het grote verschil in deze manier van lampen aan en uit doen zit in de soorten schakelaars die gebruikt worden. Wij hebben eerder geleerd dat je gebruik maakt van een aan/uit schakelaar, maar bij een hotelschakeling kan je deze niet gebruiken en moet je een schakelaar gebruiken die kiest uit twee aangesloten draden.
Hier zie je schematisch dat de schakelaar contact maakt met draad 1 óf draad 2.
In de getekende situatie is er géén gesloten stroomkring en zal de lamp niet branden! Je kan nu de stroomkring sluiten door één schakelaar om te zetten naar de andere draad.
F. Spanning en stroomsterkte meten
1. Voltmeter en Ampèremeter aansluiten
De Voltmeter of Spanningsmeter en de Ampèremeter of Stroomsterktemeter sluit je op twee verschillende manieren aan.
De Voltmeter meet de hoeveelheid energie die door de schakeling loopt en MOET ALTIJD PARALLEL aangesloten worden. Dit kan je het beste doen door aan de Voltmeter twee draden aan te sluiten en de meter daarna aan de kant zetten! Als je de schakeling gemaakt hebt dan 'prik' je de twee draden van de voltmeter op de plek in de schakeling waar je het aantal volt wilt meten.
De voltmeter heeft een zéér grote weerstand en hier zal dus geen stroom doorheen kunnen, daarom moet deze meter altijd parallel aangesloten worden.
De Ampèremetersluit je ALTIJD IN SERIE aan, omdat deze meet hoeveel lading door de draad gaat en dus moet alle lading ook door de Ampèremeter gaan. Deze ampèremeter bouw je dus in de schakeling. In een serieschakeling maakt het dus niet uit waar je de meter plaatst omdat overal dezelfde stroom langskomt!
De ampèremeter heeft geen weerstand en mag je NOOIT PARALLEL AANSLUITEN! Dan krijg je namelijk kortsluiting, omdat de ampèremeter geen weerstand heeft wordt de stroomsterkte heel erg hoog.
Het arrangement Thema 13 "Energie & Elektriciteit" is gemaakt met
Wikiwijs van
Kennisnet. Wikiwijs is hét onderwijsplatform waar je leermiddelen zoekt,
maakt en deelt.
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.
Leeromgevingen die gebruik maken van LTI kunnen Wikiwijs arrangementen en toetsen afspelen en resultaten
terugkoppelen. Hiervoor moet de leeromgeving wel bij Wikiwijs aangemeld zijn. Wil je gebruik maken van de LTI
koppeling? Meld je aan via info@wikiwijs.nl met het verzoek om een LTI
koppeling aan te gaan.
Maak je al gebruik van LTI? Gebruik dan de onderstaande Launch URL’s.
Arrangement
IMSCC package
Wil je de Launch URL’s niet los kopiëren, maar in één keer downloaden? Download dan de IMSCC package.
Wikiwijs lesmateriaal kan worden gebruikt in een externe leeromgeving. Er kunnen koppelingen worden gemaakt en
het lesmateriaal kan op verschillende manieren worden geëxporteerd. Meer informatie hierover kun je vinden op
onze Developers Wiki.
decoratief gebruik. Controleer of het vermogen van de lamp juist is berekend. Gebruik hiervoor de afbeelding hiernaast. 
(=de Wet van Ohm)
