Demonstratie: 5 Lampjes - Weerstand en Temperatuur

Auteur(s): Wouter Spaan naar een idee van Ruud Brouwer[1], voor Modeldidactiek bewerkt door Ed van den Berg

Onderwerp: Elektrische schakelingen

Niveau: 5 of 6 vwo en lerarenopleiding, eventueel havo 5

Vereiste tijd: 60 minuten, bv deel van einddiscussie in volgende les met huiswerkopdracht om de details in de stroomgrafiek te verklaren.

Algemene beschrijving

Omschrijving

Vijf lampjes worden in serie geschakeld. Vervolgens wordt de spanningsbron eerst aangesloten zodat er maar één lampje brandt, daarna twee, enzovoort.  Leerlingen doen waarnemingen en passen hun model van elektrische stroom en PTC materialen toe om de waarnemingen te verklaren.  In de huidige vorm kan de demo-les meer dan 45 minuten duren. Eventueel in de volgende les nog terugkomen op enkele details.

Voorkennis

• Verdeling van spanning bij serieschakeling
• Wet van Ohm
• Denken in grafieken

Leerdoel

• Toe kunnen passen van het verband tussen de weerstand van een gloeidraad en de temperatuur bij het verklaren van experimenten.
• Denken met grafieken

Benodigdheden

• 5 gloeilampjes 12 Volt in fitting met contactpunten voor bananenstekkers.
• Stroomsensor
• Spanningsbron, bv 17 Volt, dus minimaal 2 lampjes aansluiten
• Whiteboards of Magic Chart vellen
• Markers/viltstiften
• (optie: FLIR camera voor een extra effect, zie eind lesbeschrijving, maar dit kan ook met een reeds beschikbaar filmpje en foto)

Figure 1 Schakeling met zwevend contact.

Figure 2 Schakeling van de lampjes. Let op, bij lampje 2 zijn er wat onhandig kruisende kabels.

Klassikale introductie: Wat zien we?

• Docent tekent schakeling op het bord met een zwevend contactpunt dat bij elk lampje contact kan maken. In ons voorbeeld gebruiken we een vaste spanning van 17 Volt en gloeilampjes geschikt voor 12V. In de schakeling staan dus altijd minimaal 2 lampjes in serie. Een demo opstelling met 230V gloeilampen werkt ook uitstekend.
• Laat leerlingen voorspellen wat er met de helderheid van de lampjes gebeurt wanneer er een wordt bijgeschakeld. De leerlingen zullen terecht opmerken dat de helderheid minder wordt. Zowel de spanning per lampje als stroomsterkte nemen af wanneer er meer lampjes in serie staan op een constante spanning. Dus het vermogen per lampje wordt minder.
• De docent demonstreert dat één-voor-één bijschakelen nogmaals en vraagt wat leerlingen nog meer opvalt. Er is een onverwacht effect, dat elke keer dat een lampje wordt toegevoegd (het 3^de, het 4^de, het 5^de) dat toegevoegde lampje langzamer op gang komt dus trager gaat gloeien.

Opdracht

• Leerlingen worden random in groepjes ingedeeld en krijgen de opdracht om in een grafiek op het whiteboard de stroomsterkte versus tijd te tekenen van een lampje in de eerste demo (met 1 lampje), dan even geen contact, dan de tweede, weer even geen contact, dan de derde, etc. t/m de 5de.
• Tijdens het werken kun je de volgende tip geven: let op de onderlinge verhoudingen in stroomsterktes van de grafiek met 1 lampje, met 2 lampjes, etc. Bedenk ook hoe elk van die grafiekjes in de tijd zal lopen. Constant in de tijd? Verschillend? Hoe, en waarom?
• NB: De docent geeft de uiteindelijke stroomsterkte van een schakeling met 2 lampjes, dat helpt de groepjes in het nadenken over de onderlinge verhoudingen.

Organisatie (optioneel)

• Dus eerst klassikale demonstratie en vervolgens werken in random samengestelde groepjes, tenslotte een kringgesprek.

Inhoud kringgesprek

• Eerst een kringgesprek over de voorspellingen van de stroomsterkte versus tijdgrafieken. Een eerste groep kan de door hen voorspelde grafiek toelichten, vervolgens zoomt de docent in op de verschillen met de andere grafieken. De docent moet met name bespreken:
  • De onderlinge verhoudingen tussen de hoogtes van de stroompieken.
  • Blijft de stroomsterkte wel/niet constant? Zo niet, hoe ziet de vorm van de grafiek er dan uit tijdens het branden?
  • Kun je onderbouwen hoe hoog de stroompieken in absolute zin worden? Zo ja, hoe?
• Tenslotte volgt een demonstratie met een stroomsensor en grafiek op het scherm, of in noodgevallen of tijd te besparen een afbeelding van een eerder opgenomen grafiek.
• Bij onvoldoende tijd krijgen leerlingen de huiswerkopdracht de details in de stroom-tijdgrafiek (zie onder) te verklaren en wordt dit aan het begin van de volgende les besproken.

Inhoud logboek (optionele samenvatting)

• Een gloeilamp brandt doordat een filament verhit wordt en dan licht uitzendt.
• Bij elk bijgeschakeld lampje wordt de weerstand van de schakeling groter en dus de stroomsterkte in de schakeling kleiner. De spanning van de bron is constant.
• Door die kleinere stroomsterkte en de kleinere spanning per lampje, branden alle lampjes minder fel.
• Die kleinere stroomsterkte zorgt er ook voor dat het filament van het bijgeschakelde lampje langzamer opwarmt en dus trager licht gaat uitzenden. Die vertraging van licht uitzenden is groter naarmate er al meer lampjes zijn en dus kleinere stroomsterkte.
• Als een lampje net wordt ingeschakeld is het lampje nog relatief koud. Doordat het materiaal van het gloeidraadje een PTC is, is de weerstand nog laag en dus de stroomsterkte groot. Het lampje warmt snel op, waardoor zijn weerstand toeneemt en de stroomsterkte dus afneemt.

Voorbeeld resultaten

Afbeelding van de grafiek van de stroomsensor. Er is steeds een smalle, hoge piek. Veel hoger dan gedacht. Het koude filament heeft blijkbaar een zeer lage weerstand. Maar de eindtemperatuur is ook heel snel bereikt. Dat de afname in de stroomsterkte kleiner wordt met elk toegevoegd lampje, is gemakkelijk te verklaren. Bv van 1 naar 2 lampjes verdubbelt de weerstand, maar bij het derde lampje neemt de weerstand met de helft toe, enz. Eigenlijk zijn de pieken van de eerste lampjes nog hoger, maar de stroomsensor raakt verzadigd bij 600 mA.

Bronnen

ShowdeFysica 3 (p172-173)

Natuurkundige achtergrond

Afnemen van intensiteit na bijschakelen van meer lampjes in serie: de spanning per lampje wordt kleiner dus U²/R (of UI, of I²R), het vermogen per lampje, neemt af. (Hier wordt nog geen rekening gehouden met weerstandverandering.)

Het verloop van stroomsterkte na inschakelen: het koude filament heeft een kleinere weerstand dan het hete filament. Direct na inschakelen is er een stroompiek. De stroomsterkte neemt snel af naarmate het filament op temperatuur komt en zijn maximale weerstand bereikt.

Het trager licht gaan uitzenden van het laatste lampje: naarmate meer lampjes worden ingeschakeld, neemt de stroomsterkte af. Het duurt dan langer voordat het filament van een bijgeschakeld lampje heet genoeg wordt en dus voldoende weerstand heeft en spanning daarover, om licht uit te stralen (P=UI=I²R=V²/R). De stroom zakt daardoor steeds langzamer. De I,t-grafiek zakt bij ieder volgend lampje minder snel.

Verschillen in stroomsterkte tussen 2 lampjes, 3 lampjes, 4 lampjes, etc.: Bij een vaste waarde van de weerstand per lampje verwacht je I=U/2R, U/3R, U/4R etc. Maar vanwege de lagere temperatuur bij kleinere stroomsterkte, zal de uiteindelijke stroomsterkte bij 2 lampjes ietsje hoger liggen dan de helft van die bij 1 lampje. Alle stroomsterktes liggen dus wat hoger dan bovenstaande reeks (I=U/2R, U/3R, U/4R) wanneer de vaste R van een schakeling met 1 lampje wordt genomen.

Een spectaculaire toevoeging vormen resultaten van FLIR infrarood foto’s. De eerste twee lampjes blijven op de FLIR zeer helder en alle toegevoegde lampjes hebben heel lage intensiteit. De filamenten van die eerste twee lampjes krijgen een lagere temperatuur na bijschakeling van andere lampjes, maar het glas van de lampjes blijft nog lang warm!

Toepassingsvraag

Bij het inschakelen van een lange rij lampen in serie kan een stop doorslaan. Leg uit hoe dit komt.