-Samenvatting Natuurkunde- -Elektrotechniek Hoofdstuk 3-

Transcriptie

1 1 Lading en Spanning 2 Elektrische strm 3 Weerstand Inhudspgave 4 Weerstand in parallel- en serieschakeling 5 Vermgen 6 Srtelijke weerstand Frmule verzicht 1 Lading en Spanning Lading Een vrwerp kan geladen zijn. Dit is p 2 verschillende manieren p te vatten: 1. Het vrwerp trekt andere vrwerpen aan 2. Er springen vnkjes ver (geknetter). Psitieve f negatieve lading Er bestaan 2 verschillende srten ladingen: 1. Psitief 2. Negatief Als iets psitief geladen is stt het iets wat k psitief geladen is af maar trekt het iets wat negatief geladen is aan. Als iets negatief geladen is stt het iets wat k negatief geladen is af maar trekt het iets wat psitief geladen is aan. Vrbeeld: Perspex staaf, ver gewreven met zijden dek psitief geladen en een pvcbuis, ver gewreven met een wllen dek negatief geladen trekken elkaar aan. Elektrnen Als een vrwerp evenveel psitief als negatieve lading bevat spreek je van een neutraal elektrn/ neutrale lading. Deze lading merk je niet. Nva 3 VWO - Hfdstuk 3 Elektriciteit Wesley Vs - 1

2 De lading kan p 2 verschillende manieren veranderen: 1. De negatieve deeltjes van het dekje springen ver naar de pvc-buis. De pvc-buis wrdt dan negatief mdat er meer negatieve deeltjes zijn dan psitieve deeltjes. Het wllen dekje wrdt dan psitief mdat er negatieve deeltjes zijn vergesprngen naar de pvc-buis en de psitieve deeltjes in de verhand zijn. Wllen dekje Psitief = 20 negatief = 20 (- 5 deeltjes naar PVC-buis) Wllen dekje Psitief = 20 negatief= 15 (20-5 = 15 - deeltjes) Wllen dekje psitief (meer psitief dan negatief) Pvc-buis Psitief = 20 negatief = 20 (+5 - deeltjes van dekje) Pvc-buis Psitief = 20 negatief = 25 (20 + 5= 25 - deeltjes) Pvc-buis negatief (meer negatief dan psitief) 2. De negatieve deeltjes van de pvc-buis springen ver naar het dekje. Het dekje wrdt dan negatief mdat er meer negatieve deeltjes zijn dan psitieve deeltjes. De pvc-buis wrdt dan psitief mdat er negatieve deeltjes zijn versprngen naar het wllen dekje en de psitieve deeltjes in de verhand zijn. Pvc-buis Psitief = 20 negatief = 20 (5 - deeltjes zijn naar het dekje) Pvc-buis Psitief = 20 negatief = 15 (20 5= 15 - deeltjes) Pvc-buis Psitief (meer psitief dan negatief) Wllen dekje Psitief = 20 negatief = 20 (+5 deeltjes van PVC-buis) Wllen dekje Psitief = 20 negatief= 25 ( = 25 - deeltjes) Wllen dekje negatief De getallen zijn vrbeelden en geen reële waardes. De psitieve deeltjes kunnen NOOIT verspringen! Spanning en elektrnen Een spanning ntstaat wanneer de elektrnen via een geleidende draad van + naar kunnen bewegen. Er is een strmkring waar strm (spanning) kan lpen. Nva 3 VWO - Hfdstuk 3 Elektriciteit Wesley Vs - 2

3 2 Elektrische strm Strmkring Een elektrisch apparaat kan alleen maar werken als deze is aangeslten p een geslten strmkring hierin lpt de strm van de + pl via het apparaat naar de pl. Als er ergens een pening in zit (bijv. pen schakelaar) is de strmkring pen en kmt er geen strm dr heen. Strmsterkte De strmsterkte is de verplaatsing van elektrische lading. De strmsterkte heeft de eenheid Ampère (A). Het symbl van de grtheid is I. De heveelheid elektrische lading die per secnde ververd wrdt wrd uitgedrukt in de grtheid lading met het symbl Q. De eenheid van de lading is Culmb (C). 1 Ampère = 1 Culmb per secnde (1A = 1C/s). Strmen in serieschakelingen Bij een serieschakeling is er max. 1 strmkring. In deze strmkring is de strmsterkte veral gelijk It= I1 = I2 = I3 (It = cnstant). De spanning is niet cnstant maar juist alles bij elkaar Ut = U1 + U2 + U3 enz. Als bijv. 1 lampje in een strmkring van 3 lampjes kapt gaat det geen één het meer mdat de strmkring dan nderbrken is. I T = I 1 = I 2 = I 3 U T = U 1 + U 2 + U 3 Strmen in parallelschakelingen Bij een parallelschakeling zijn er 2 f meer strmkringen. In deze strmkringen is de strmsterkte bij elkaar pgeteld It = I1 + I2 + I3. De spanning is daar in tegen wel cnstant. Ut = U1 = U2 = U3 (Spanning is veral gelijk). Als bijv. lampje 1 in een strmkring van 3 lampjes kapt gaat den de andere lampjes het ng wel mdat maar 1 strmkring van de in dit geval 3 strmkringen nderbrken wrdt. I T = I 1 + I 2 + I 3 U T = U 1 = U 2 = U 3 Strmen in huis In elk huis bevindt zich een elektriciteitsleidingen netwerk, dit is de huisinstallatie. Ergens in het huis (vaak de meterkast) kmt de grndkabel binnen. Deze wrdt parallel aangeslten in de grepenkast. De grepenkast bestaat uit een kwh-meter en een aardlekschakelaar. De aardlekschakelaar vergelijkt vrtdurend f de strmsterkte die naar de grepen gaat gelijk is als die er uit kmt. Als dit verschil grter dan 30mA is en er dus strm weglekt gaat deze er binnen 0,2 secnde uit m te vrkmen dat er iets fut kan gaan. Elke grep in de grepenkast vertakt zich parallel naar cntactdzen. Vanuit die cntactdzen (vaak in het plafnd) wrden er parallel kabels getrkken naar de stpcntacten en de lampen. De ttale strmsterkte in een huisinstallatie vindt je dr alle strmen bij elkaar p te tellen. Als de strmsterkte van 16A per grep (gemiddelde zekering, dit ligt aan de grepszekering die geplaatst wrdt) verschrijd wrdt gaat een zekering eruit m te vóórkmen dat de hfdleiding te heet wrdt en er brand ntstaat. Nva 3 VWO - Hfdstuk 3 Elektriciteit Wesley Vs - 3

4 Plus elektriciteitsdraden in de huisinstallatie Vanuit de meterkast en de cntactdzen kan je bij het aansluiten van bijv. een stpcntact f een lamp 4 verschillende draden tegen kmen: 1. Fase-draad (bruin) hierp staat de spanning die uit de meterkast kmt 230 Vlt 2. Nul-draad (blauw) hier staat eigenlijk (als de fase- en nul-draad zijn mgedraaid kan hier wel strm p staan) geen strm p maar is er vr m de strmkring geslten te maken. 3. Schakeldraad (zwart) Deze is ervr m de strm naar vaak een plafnniere te nderbreken zdat je niet iedere keer p een trapje de stekker eruit heft te halen maar dit met een schakelaar kan. 4. Aarde-draad Deze vóórkmt dat apparaten nder spanning kunnen staan dr die strm af te veren naar de aarde. (In de meterkast wrdt een aard-pen in de grnd geslagen waar alle aarde-draden p aangeslten wrden zdat de strm die aarde in kan gaan.) 3 Weerstand De weerstand van elektriciteitsdraden De strmsterkte in een kplamp is feller dan in het achterlicht dit kmt dr het verschil in weerstand. De grtheid weerstand (resistance) heeft het symbl R en de eenheid Ohm (Ώ). He kleiner de weerstand is he makkelijker de elektrnen zich dr de leiding kunnen bewegen dus he grter de strmsterkte. R < I > (Weerstand kleiner Strmsterkte grter) R > I < ( Weerstand grter Strmsterkte kleiner) De weerstand bepalen Je kan de weerstand bepalen dr een bepaalde spanning en strmsterkte p een draad te plaatsen. De spanning deel je dan dr de strmsterkte en dan heb je de weerstand van de draad. R = U I R = R = Weerstand in Ohm (Ώ) U = spanning in Vlt (V) I = strmsterkte in Ampère (A) spanning strmsterkte Als de weerstand van een draad cnstant is spreek je van een Ohmse weerstand. Een vrbeeld hiervan is cnstantaan draad. Als de strmsterkte 2x z grt wrdt, wrdt de spanning k 2x z grt een recht evenredig verband. Als de weerstand cnstant is, is R= U/I de wet van Ohm. Nva 3 VWO - Hfdstuk 3 Elektriciteit Wesley Vs - 4

5 Weerstand en temperatuur Het verband tussen weerstand en temperatuur is dat als de temperatuur van een draad grter wrdt (kan wel 2500 graden Celsius wrden) wrdt de weerstand k grter. Want als de lamp bij een bepaalde temperatuur p stand 1 (vrb.) draait met hij dit bij een veel hgere temperatuur k den dus met de weerstand die ervr zrgt dat de strmsterkte en spanning kleiner wrdt veel hger zijn. Plus strm lichaam Je ttale lichaamsweerstand = lichaamsweerstand (tussen de 100 en 500 Ώ) + de cntactweerstand (bij drge huid 1 kώ en bij een natte huid 100 kώ). In een vchtige ruimte met je veel meer ppassen mdat de weerstand die je lichaam geeft daar veel grter is (cntactweerstand) dus de strmsterkte veel kleiner is en het dus minder gevaarlijk is. 1 ma je velt niks 10 ma prikkeling 15 ma spiersamentrekking ma pijn, bewustels, meite ademen ma hart prblemen > 1 A levensgevaar. 1 ma = 0,001 A -- 1A = 1000 ma 4 Weerstandjes in serie- en parallelschakeling Weerstand en warmtentwikkeling Bijna alle huishudelijke elektrische apparaten wrden aangeslten p een cnstante spanning namelijk de netspanning, deze bedraagt 230V. Je kan d.m.v. een schakelaar de warmteafgifte van een elektrische kkplaat regelen. Want. Als je de weerstand grter maakt wrdt de strmsterkte kleiner en geeft deze minder warmte per secnde af Als je de weerstand kleiner maakt wrdt de strmsterkte grter en geeft deze meer warmte per secnde af. De elektrische kkplaat kan je dus regelen dr de weerstand te veranderen. Bij elke stand hrt een bepaalde weerstand. Bij stand 1 is deze hg en bij stand 4 niks. D.m.v. weerstandjes regel je de strmsterkte = de warmteafgifte. Weerstandjes in serie Als je de weerstanden achter elkaar zet (in serie) wrdt de weerstand steeds grter dus de strmsterkte steeds kleiner. De frmule vr weerstandjes in serie is: R v = R 1 + R 2 + R 3 Je kan de strmsterkte dr een schakeling berekenen met de frmule I = u R v Nva 3 VWO - Hfdstuk 3 Elektriciteit Wesley Vs - 5

6 Weerstandjes parallel Als je weerstandjes in een parallelschakeling aansluit wrdt de vervangingsweerstand (Rv) steeds kleiner (niet grter zals bij een serieschakeling) mdat de strm steeds meer verschillende rutes kan nemen m een geslten strmkring te maken. De frmule vr 1 weerstandjes in een parallelschakeling is: R v = 1 R R R 3 Ok hier kan je de strmsterkte dr een schakeling berekenen met de frmule I = u R v. Vrbeeld Gegevens R 1 = 10 Ώ R 2 = 15 Ώ R 3 = 20 Ώ Frmules * R = U I Opdracht Bereken de vervangingsweerstand bij een serie- en parallelschakeling van de bvenstaande weerstandjes Uitwerking Serieschakeling: Rv = 10 Ώ + 15 Ώ + 20 Ώ= 45 Ώ Parallelschakeling: 1/ Rv= 1/10 Ώ + 1/15 Ώ + 1/20 Ώ = 0,1 + 0,0 2/3 + 0,05= 0,216 1 / 0,216 = 4,6 Ώ Cnclusie Bij een drie weerstandjes van 10, 15 en 20 Ώ is de vervangingsweerstand als je ze parallel schakelt 4,6 Ώ en als je ze serie schakelt 45 Ώ. Plus Kleurcde Alle weerstandjes bevatten een kleurcdering. De kleurcdering is als vlgt (guden f zilveren ring RECHTS: Ring 1: 1 e getal van de weerstand Ring 2: 2 e getal van de weerstand Ring 3: aantal nullen achter de 1 e 2 getallen Ring 4: gud f zilver afwijking. Gud max. 5 % afwijking, zilver max. 10 % afwijking. Kleurenvlgrde vr ring 1 t/m 3 0= Zwart 5= gren 1= Bruin 6= blauw 2= Rd 7= vilet 3= Oranje 8= grijs 4= Geel 9= wit Rd gren grijs zilver Ώ 10% afwijking % grijs wit geel - gud Ezelsbruggetje: Zij Brachten Rzen Op GErits GRaf Bij Vies Grauw Weer Nva 3 VWO - Hfdstuk 3 Elektriciteit Wesley Vs - 6

7 5 Vermgen Het vermgen van een apparaat Elk elektrnisch apparaat heeft een bepaald vermgen. Dit vermgen geeft aan heveel elektrische energie het apparaat per secnde verbruikt. De grtheid is Vermgen (P) met de eenheid Watt (W). Apparaten die van strm warmte meten maken verbruiken het meeste strm. Vermgen berekenen Het vermgen kan je berekenen met de frmule: Vermgen = spanning x strmsterkte P = U x I P= vermgen in Watt U= spanning in Vlt I= strmsterkte in Ampère Strmsterkte berekenen Als je het vermgen van het apparaat weet, die is aangeslten p het lichtnet (230 V) kan je de strmsterkte berekenen. P = U x I I= P / U U= P / I Vrbeeld P= 900 Watt U= 230 Vlt P = U x I I = P U = 900 3,9 Ampère 230 Elektrische energie meten Als je apparaten gebruikt kan je d.m.v. een kilwattuurmeter meten heveel energie ze verbruiken. Elektrische energie wrdt gemeten in de eenheid Kilwattuur, afgekrt kwh. Je kan het aantal kwh berekenen dr het vermgen (!!in kw!!) (P= U x I) x de tijd (die het apparaat gebruikt wrdt) te den je hebt de elektrische energie in kwh. Energie = Vermgen x tijd E = P x T E= Elektrische energie in kwh P= Vermgen in W (mrekenen naar kw, W kw :1000) T= tijd. 1 uur = 1,0 30 uur = 0,5 15 minuten = 0,25 T= 1/60 x aant. Minuten (vrb. 1/60 x 15= 0,25) Nva 3 VWO - Hfdstuk 3 Elektriciteit Wesley Vs - 7

8 6 Srtelijke Weerstand De weerstand van een draad Elektrische energie wrdt via een gede geleider getransprteerd van een spanningsbrn naar een apparaat. Deze geleider ndervindt weerstand. Behalve de temperatuur ( 3) ndervindt de geleider k veel weerstand dr de vlgende factren: Lengte van de draad he langer he grter de weerstand Drsnede draad Het materiaal van de draad de ene geleider heeft een grtere weerstand dan een andere geleider. Weerstand en lengte De weerstand metalen draad is recht evenredig met de lengte van de draad. Dat betekent dat als de lengte 2x z grt wrdt de weerstand k 2x z grt. Weerstand en drsnede Het verband tussen weerstand en drsnede is mgekeerd evenredig verband. He grter de drsnede he kleiner de weerstand. Als de drsnede een x maal z grt wrdt wrdt de weerstand een x maal z klein. A = π d2 4 Weerstand en materiaal Elk materiaal eigen weerstand. Die van ijzer is bijv. 6x z grt als een even dik en lang kper draad. De weerstand die per materiaal verschillend is wrdt de srtelijke weerstand genemd. Deze wrdt aangeduid met de letter ρ (rh). Kper heeft een srtelijke weerstand van 0,017 Ώ x mm²/ m. 1m Kper draad met 1 mm² drsnede 0,017 Ώ weerstand. Ώ x mm²/m mrekenen naar Ώ x m²/m is : (x 10^-6) Vb. IJzer bek 0,017 Ώ x mm²/m binas 17 x 10^-9 (0, ) Ώ x m²/m, 0,017 : = 0, Let ged p welke eenheid gebruikt wrdt. In de binas gebruiken ze ^-9 (tt de macht min negen) Ώ x m²/m en in het bek gebruiken ze Ώ x mm²/m. Weerstand van een draad berekenen De weerstand kan je berekenen met de frmule: R = ρ x l A R= weerstand in Ohm ρ = srtelijke weerstand Ώ x in mm²/m l = lengte in m A= drsnede in mm² Vrbeeld: Materiaal= kper ρ = 0,017 mm²/m l= 2700 cm = 27 m A= 0,00012 m² 0,12 mm ² Bereken R R = ρ xl A Nva 3 VWO - Hfdstuk 3 Elektriciteit Wesley Vs - 8 R = 0,017 x 27 0,12 R= 3,825 Ώ. Een kperdraad met een lengte van 27 m en een drsnede van 0,12 mm² heeft een weerstand van 3,825 Ώ.

9 Serie- & Parallelschakeling Serieschakeling I T = I 1 = I 2 = I 3 = cnstant U T = U 1 + U 2 + U 3 U 1 = U t U 2 U 3 U 2 = U t U 1 U 3 U 3 = U t U 1 U 2 Frmule verzicht Parallelschakeling I T = I 1 + I 2 + I 3 = cnstant I 1 = I t I 2 I 3 I 2 = I t I 1 I 3 I 3 = I t I 1 I 2 U T = U 1 = U 2 = U 3 = cnstant Weerstand Berekenen weerstand R = U I I = U R U = I x R R= Weerstand in Ohm U= Spanning in Vlt I = strmsterkte in Ampère Berekenen weerstand in parallel en serie Serie: R v = R 1 + R 2 + R 3 R 1 = R v R 2 R 3 R 2 = R v R 1 R 3 R 3 = R v R 1 R 2 Parallel: 1 = R V R 1 R 2 R 3 1 Vermgen P = U x I R 1 = 1 R v 1 R 2 1 U = P I R 3 1 R 2 = 1 R v 1 R 1 1 R 3 1 I = P U R 3 = 1 R v 1 R 1 1 R 2 P= vermgen in Watt U= Spanning in Vlt I= strmsterkte in Ampère P = u2 R als je I niet weet P = I² R als je U niet weet Nva 3 VWO - Hfdstuk 3 Elektriciteit Wesley Vs - 9

10 Elektrische energie E = P x T P = E T T = E P E= elektrische energie in kwh P= Vermgen in kw T= tijd 1 uur= 1,0 30 min.= 0,5 (1/60 x aant. Minuten). Weerstand draad berekenen R = ρ x l ρ = RxA A L L = RxA ρ A = ρ x l R R= weerstand in Ohm ρ = rh in mm²/m l = lengte in m A= drsnede in mm² Succes met leren Binas-tabellen Frmules Tabel 35 D1 Strmende elektriciteit Srtelijke weerstand Tabel 8 (9 e klm) Ώ x m²/m Nva 3 VWO - Hfdstuk 3 Elektriciteit Wesley Vs - 10