Elektriciteit. B 11 a I = Q / t of Q = I t Na 10 s is Q = = 0,65 C b 2 zo veel: 1,30 C c I = Q / t I = 1,2/30 = 0,040 A

Transcriptie

1 01 Elektriciteit 1.1 Inleiding 1 a Spanning in volt; stroomsterkte in ampère; weerstand in ohm b Spanningsmeter en stroommeter c Generator (van noodcentrale), stopcontact (lichtnet), dynamo, batterij, accu d Een spanningsbron heeft twee functies: het meegeven van elektrische energie aan een stroom en het rondpompen van die stroom. 2 a Warmte b Magnetische energie c ewegingsenergie en warmte d Stralingsenergie (licht) en warmte e Stralingsenergie 3 4 Misschien moet je een verschil maken tussen overmacht (bij een natuurramp) en onzorgvuldigheid (bij technisch mankement). In het eerste geval hoeft de schade niet door de elektriciteitsmaatschappij vergoed te worden; in het tweede geval wel. 1.2 Elektrische lading 5 a Honderdduizenden b Evenveel als er stoffen zijn, dus ook honderdduizenden c Ongeveer honderd (zie tabel 99) d u e Dat iemand geen partij wil of kan kiezen. Vaak omdat hij evenveel voor de ene als voor de andere partij voelt. f Een voorwerp is elektrisch neutraal als het evenveel positieve als negatieve lading heeft. 6 a Een voorwerp of materiaal dat nauwelijks stroom doorlaat, dus nauwelijks lading doorgeeft. b Een atoom dat een of meer elektronen heeft afgestaan of opgenomen c De kleinste (positieve) lading die bestaat: 1, a 9, kg (zie tabel 7) b 29 1, = 4, (afgerond) c Even groot, maar tegengesteld aan de lading van alle elektronen, dus +4, d 2 1, = 3, (afgerond) 8 a Het papier beweegt naar de gewreven kam toe. b Een gewreven kam is elektrisch geladen. Of: een gewreven kam oefent een (elektrische) kracht uit op een snippertje papier. c liksem 9 a Definitie II is goed want anders zou de isolator de lading direct aan jouw lichaam afgeven als je hem vasthoudt. of: Definitie I is niet goed, want uit de opdracht aan het begin van de paragraaf volgt dat de plastic kam wel elektrisch geladen wordt. Dus definitie II is goed. b Een geleider is een stof die makkelijk lading door kan geven. 10 a Elke seconde (of: in precies 1 seconde) passeert 0,80 lading. b In een gloeilamp verplaatsen de buitenste elektronen in de gloeidraad zich. c In een tl-lamp zit geen gloeidraad, maar een gas. In dat gas verplaatsen zich ionen en elektronen. 11 a I = Q / t of Q = I t Na 10 s is Q = = 0,65 b 2 zo veel: 1,30 c I = Q / t I = 1,2/30 = 0, a I = Q / t I = / = 0,60 b I = Q / t of Q = I t Q = 1,7 120 = 2, hoofdstuk 1 SPOT1_WKE_ _W.indd :52:08

2 13 a nders zou de lading via je lichaam weggestroomd zijn. b Het voorwerp geeft een klein deel van zijn lading af aan de elektroscoop en houdt dus zelf minder lading over. c Nee, want de elektroscoop is gebaseerd op het afstoten van gelijknamige ladingen. Deze kunnen zowel positief als negatief zijn. 1.3 Vermogen en spanning 14 an elke coulomb lading wordt 230 J energie meegegeven. 15 Tijdsduur; eigenlijk zou t dus beter zijn. 16 a ij de joule gaat het om tijd in s en vermogen in W. In huis en in fabrieken staan elektrische apparaten geen seconden, maar uren aan en zijn de vermogens veel groter dan enkele watts. b De totale productie bedraagt (31,7 + 16,1 + 70,4) 10 9 = 118, kwh. an het huishouden wordt 23,6/118,2-ste deel = 0,1997 besteed. Dat is afgerond 20%. c 17 a P = U I = 230 0,26 = 60 W b E = P t = = 1800 J = 1,8 kj 18 a 17 W b Het vermogen van het lichtnet is even groot als het elektrisch vermogen van het apparaat, dus ook 17 W. c E = P t = 17 2, = W = 1, W of E = P t = 0,017 (kw) 2,0 (h) = 0,034 kwh 19 Het percentage van de toegevoerde elektrische energie dat omgezet wordt in de gewenste energiesoort. 20 a De elektrische energie die in de deken per s wordt omzet. b Dat betekent dat 85% van de elektrische energie (elektrisch vermogen) wordt omgezet in warmte (warmtevermogen). c P nut = P in = 0, = 1, W 21 P = U I U I = P I = P / U = 25 / 230 = 0,11 22 a Per dag = 240 min = 4,0 h aan; dus per week 7 4,0 = 28 h E = P t P = 1,5 kw E = 1,5 28 = 42 kwh b tabel 5: 1 kwh = 3, J E = 42 3, = 1, J = 1, MJ (M betekent 10 6 ) of P = 1500 W E = = 1, J = 1, MJ 23 a Er loopt wel stroom, maar niet genoeg om de draad te laten gloeien. Dat komt omdat de spanning van de batterij (1,5 V of 3,0 V) te klein is voor de spanning van 230 V bij het normale gebruik. b Jawel, heel fel omdat er even een grote stroom loopt. Dat komt omdat 230 V (stopcontact) veel groter is dan 6 V (dynamo). Dan smelt de gloeidraad. Waarschijnlijk slaat de stop door. LET OP: dit proefje niet uitvoeren! 24 a Elektrische tandenborstel, oplaadapparaat (telefoon), computer (ook in ruststand), wekkerradio, videorecorder, magnetron, telefoon(huis)centrale, enzovoort. b 320 / 3000 = 0,11 dat wil zeggen 11% c 320 0,16 = 51,20 25 a E = 9,8 2,7 = 26,46 J 26 J b Gegeven is het opvallende vermogen per m 2 vermogen hele paneel = intensiteit oppervlakte = 800 0,21 = 168 W ls alle vermogen van de straling wordt omgezet in elektrisch vermogen levert het paneel 168 W. c E = P t t = E / P = 26,46 / 168 = 0,16 s d De nuttige energie is 4,8% van 168 W E = P t t = E / P = 26,46 / (0, ) = 3,3 s e Op afgelegen plaatsen is tegen weinig kosten elektrische energie aanwezig. Het is een milieuvriendelijke spanningsbron. 1.4 Stroomsterkte en spanning meten 26 a Oppervlakte in de eenheid m 2 (ook: radioactiviteit in q) b mpère voor de grootheid stroomsterkte c Spanning in de eenheid volt d Volume in de eenheid m 3 e Volt voor de grootheid spanning 27 a Sluit de stroommeter aan in serie met het lampje en de minaansluiting zo dicht mogelijk bij de minpool van de batterij. Vergelijk je schema met figuur 1.19a in het leerboek. b Er is één extra snoer nodig. c Sluit de spanningsmeter aan parallel aan het lampje en de minaansluiting zo dicht mogelijk bij de minpool van de batterij. Vergelijk je schema met figuur 1.19b in het leerboek. d Twee 28 Er loopt inderdaad geen stroom, maar over de schakelaar staat wel 230 V. Het is dus niet veilig. Je kunt bij het openschroeven van de schakelaar draden aanraken die met het stopcontact in verbinding staan. Inge heeft dus gelijk. Elektriciteit 5 SPOT1_WKE_ _W.indd :52:08

3 29 1, 3, V3 zijn fout geschakeld. V2 (of V1) is niet fout geschakeld, maar overbodig. 30 Zie figuur 1.1. V 35 a De gloeidraden hebben een verschillende weerstand zodat er bij dezelfde spanning een andere stroomsterkte doorheen gaat. Dat geeft een verschillend vermogen en dus verschillende lichtsterkte. b De gloeilampen hebben dan een verschillend vermogen. Dat staat op de lamp vermeld. Hoe groter het vermogen dat ze opnemen uit het stopcontact, des te meer licht. 36 a I = U / R = 12,0 / 0,20= 60 b P = U I = 12,0 60 = 7, W b E = P t = 7, = 7, J 37 a Zie figuur 1.2. V V b R = U / I = 4,4 / = omponenten in een schakeling 31 a R = U / I = 3,5 / 0,28 = 13 b Het is een ohmse weerstand U en I zijn recht evenredig I = 2 0,28 = 0,56 32 a De wet van Ohm zegt dat spanning en stroomsterkte recht evenredig zijn oftewel dat de weerstand van bepaalde materialen constant is. De formule van Ohm definieert de weerstand van een elektrisch onderdeel als het quotiënt van spanning en stroomsterkte (in elke situatie). b Voor de constantaandraad en de koolstofweerstand c Voor alle componenten 33 a U = I R dus R = U / I = 230 / 0,52 = 4, b U = I R = 0,500 12,6 = 6,30 V c U = I R dus I = U / R = 12 / 2,4 = 5,0 34 a U = I R = 0, = 4,8 V b P = U I = 4,8 0,400 = 1,92 W 1,9 W 39 a,b F z / m = constant; eenheid constante: N/kg F v / u = constant; eenheid constante: N/m m / V = constant; eenheid constante: kg/m 3 U / I = constant; eenheid constante: V/ = 1.6 Significante cijfers 40 a Vier b Drie c Twee d Vier e Eén f Oneindig veel dus! 41 a b ls voorbeeld: = 21,0 29,7 = 6, cm 2 42 a De meetonzekerheid heeft een eenheid, dus is het een grootheid. b 0,5 m c SIO fx 9700: ctiveer de Display-toets Shift 2. Kies uit de menuregel onderaan met de functietoets F2 de SI-optie. Je krijgt een 6 hoofdstuk 1 SPOT1_WKE_ _W.indd :52:08

4 getal tussen 1 en 10 met een 10-macht. Tik direct het aantal gewenste significante cijfers in, bijvoorbeeld 2. Met Shift 2 en F3 krijg je de normale toestand weer terug. TI 83: ctiveer de MODE-toets. Kies uit de bovenste menuregel de Sci-notatie. evestig met Enter. Je krijgt een getal tussen 1 en 10 met een 10-macht. Het aantal decimalen (NIET het aantal significante cijfers!) stel je in met de tweede menuregel door op het gewenste aantal te staan en de Enter-toets in te drukken. 43 De meter is aangesloten op een bereik van 50 m. a 44 m b De stroomsterkte c I = 0, a 1, kg m 3 b 5, N c 1, = 14 m 2 d 1, V e 2, W f 1 m/s 45 a Twee b Twee c epalen: dus figuur gebruiken. flezen: I = 0,080 en U = 4,0 V R = U / I = 4,0 / 0,080 = 50 (twee significante cijfers) 1.7 Grootheden die de weerstand bepalen 46 a Wolfraam (W) is nummer 74 in het periodiek systeem. 74 elektronen met een totale lading van 74 1, = 1, en een kern met een lading van +1, b tabel 9, 60% Ni; 18% r; 22% Fe 49 Positieve Temperatuur oëfficiënt: de weerstand neemt toe bij stijgende temperatuur. 50 a R = l / = ,2 / 0, = 2,8 b R = l / en = r 2 l = R / = 3,2 (0, ) 2 / 1, = 3, m c R = l / = l / R = ,80/ = 6, m 2 r 2 = / = 6, / = 2, r = 4, m d = 2 r = 2 4, = 9, m 51 a De straal = r = 0,090 mm; = r 2 = 0,0254 mm 2 = 2, m 2 2, m 2 b R = l / = ,60 / 2, = 0,40 c 2 0,40 = 0,80. Dit is in dezelfde orde van grootte als 4,2 (circa 20%): niet te verwaarlozen. 52 a ls de spanning over een geleider toeneemt, zal ook de stroomsterkte toenemen; er wordt dan meer vermogen ontwikkeld en daardoor zal de temperatuur stijgen. Dit geldt voor elke geleidende component in een schakeling. b De gloeidraad is van het metaal wolfraam gemaakt. Een hogere spanning betekent een hogere temperatuur en dus een grotere soortelijke weerstand. ls de spanning groter wordt, neemt de weerstand van de gloeidraad dus toe. c Voor een ohmse weerstand is de grafiek in het diagram een horizontale rechte lijn; een gloeilampje geeft een stijgende lijn te zien. 53 De waarde van de ohmse weerstand hangt niet af van de temperatuur. De waarde van de NT-weerstand wordt kleiner bij hogere temperatuur, dus grotere stroomsterkte, ook door het lampje. Dus lampje zal feller gaan branden. (N.. Voor de doorbijters: De weerstand van het lampje zal in beide schakelingen ook toenemen doordat de temperatuur van het lampje hoger wordt. Wat heeft dat voor invloed op het antwoord?) 47 a = r 2 b De straal is de helft van de diameter: = 1,00 2 = 3,14 cm 2 48 a tabel 8: m b 1, c / 1, = 1, d ( ) / 10 4 = 1, e Lengte wordt 10 zo groot als in vraag d. Oppervlakte wordt 100 zo klein als in vraag d. De weerstand wordt = 1000 zo groot als in vraag d, dus 17. Je kunt ook de formule invullen. Elektriciteit 7 SPOT1_WKE_ _W.indd :52:09

5 Serie- en parallelschakeling 55 Parallel Oplosschema 3 Gegevens ordenen l = 70 cm = 0,70 m; d = 0,50 mm = 0, m U = 3,0 V; I = 8,0 3 nalyseren en formule(s) opschrijven De soortelijke weerstand is een materiaaleigenschap. R = l / = (R ) / l en R = U / I 3 enodigde gegevens bepalen r = ½ d = 0, m = r 2 = (0, ) 2 = 1, m 2 3 Gegevens invullen in de formule en de onbekende uitrekenen R = U / I = 3,0/8,0 = 0,375 = (R ) / l = (0,375 1, ) / 0,70 = 1, m 3 Vraag beantwoorden Kijk in tabel 8: platina en ijzer hebben een overeenkomstige ; platina is onwaarschijnlijk (erg kostbaar); het zal wel ijzer zijn. 3 Uitkomst controleren orde van grootte klopt grootheid = getal eenheid kleinste aantal significante cijfers: twee a R v = = 940 (N.. Wat valt je op aan deze uitkomst als je die vergelijkt met één van de weerstanden?) b R v = 4,7 + 5,6 + 8,2 = 18,5 c R v = = 4 30 = b Rv = 4,7 + 5,6 + 8,2 = 0,513 1 R = 0,513 R = 1,9 v v c Rv = 4 = R v = 7,5 30 7,5 59 a Je kunt de weerstanden in serie, parallel of apart gebruiken. In serie: = 136 (Of kortweg: 2 68 = 136 ) Parallel: = Rv = 34 R v = 34 (of kortweg: R v = de helft van 68 = 34 ) part: 68 b Enkele combinaties: Zes in serie (408 ) Vijf in serie met één daarmee parallel (56,7 ) Vier in serie met twee daarmee parallel (30,2 ) Drie in serie met drie parallel (20,4 ) Twee in serie met vier parallel (17 ) Zes parallel (11,3 ) 60 a R v = 7 18 ; I = U tot / R v = 230 / (7 18) = 1,83 (door elke lamp) b U = 230 / 7 = 32,9 V c P = U I = 32,9 1,83 = 60 W d Het kapotte lampje laat geen stroom door. lles gaat uit. e De totale weerstand neemt af, de spanning blijft 230 V dus de stroomsterkte neemt volgens I = U / R toe. Elk lampje heeft een spanning van 230 / 6 = 38,3 V. De overgebleven zes lampjes branden feller dan vóórdat het zevende lampje kapotging. 61 a Zie figuur V a a Rv = b 1 = 4, R v = 235 R v of R = v = 470 = 235 R v = 235 b Je moet één lampje kortsluiten met een extra snoertje (zie stippellijn in figuur 1.3). Let op: een lampje van 3,0 V brandt dan wel door! 8 hoofdstuk 1 SPOT1_WKE_ _W.indd :52:09

6 62 a 0 en 30 b ij minimale weerstand (0 ) treedt kortsluiting op. c Zie figuur d De spanning over het lampje is even groot als de spanning van de bron. Het is een serieschakeling met de spanning over = 0 V, want de weerstand van is 0. e Een deel van de spanning van de bron staat over de serieweerstand. De spanning over het lampje neemt af. f Lichtdimmer 63 a R = U / I = 12 / 4,2 = 2,86 2,9 b Er is sprake van een parallelschakeling: de draden lopen evenwijdig aan elkaar en zijn aan de uiteinden met elkaar verbonden. c Door één draad gaat 4,2 / 9 = 0,467 R = U / I = 12 / (0,467) = 26 of R is negen maal zo groot als R v dus 26 d E = U I t = 12 0,467 1 = 5,6 J e Nee, over elke draad blijft 12 V staan, dus door elke draad blijft dezelfde stroom van 0,47 lopen. De kleiner geworden hoofdstroom hoeft zich over minder draden te verdelen. 70 a I = U / R = 230 / = 7, b Pijnlijk prikkelend gevoel 71 a De elektrische lading stroomt alleen als er een gesloten kring bestaat. Deze is er niet. b Juist is te zeggen dat het apparaat onder spanning staat. 72 ij kortsluiting kan een grote stroomsterkte optreden, zonder dat het draadje in de stop doorbrandt. De daarbij ontwikkelde warmte kan ervoor zorgen dat de isolerende plastic draden smelten. Er kan brand ontstaan. 73 De buitenkant van een televisietoestel is van isolerend materiaal gemaakt, de kast van een tostiapparaat is van metaal. 74 a Zie figuur FSE RDE NUL De aardedraad vanuit, de kast van de computer, is verbonden met de randaarde van het stopcontact en de draden en ieder met een pool van het stopcontact. b Zie figuur Veiligheid R 64 FSE RDE NUL In je samenvatting moeten in elk geval de kernwoorden uit de paragraaf voorkomen. 65 Wisselspanningsbron 66 Van kortsluiting is sprake als er een verbinding zonder noemenswaardige weerstand is tussen de polen van een spanningsbron of tussen één pool van de spanningsbron en de aarde. 67 I = U / R = 230 / ( ) = 1, ewering is juist. 1.6 FSE RDE NUL De aardedraad kan met de linkerpool of met de rechterpool van het stopcontact verbonden zijn. c ls de aardedraad met de nulleiding verbonden is. d ls de aardedraad met de faseleiding verbonden is, staat de kast van de pc onder spanning. e Ook dan bestaat hetzelfde gevaar: de kast staat onder spanning. 69 Om de koperdraden die in de stekker vastgezet zijn, zit een plastic laagje. Over alle drie draden is bovendien nog een keer een plastic bescherming aangebracht: het netsnoer. Elektriciteit 9 SPOT1_WKE_ _W.indd :52:10

7 75 a De nieuwe (tweede, eind-)waarde van die grootheid min de oude (eerste, begin-)waarde van die grootheid. b T = = 6 c U = 8 6 = 2 V d U = 4 6 = 2 V 76 a Gemeten wordt de spanning over de spanningsbron: 4,5 V b Ook hier weer de spanning van de bron: 4,5 V. U c R = I voor serieweerstand I = 4,1 / ( ) = 4, LDR: U = 4,5-4,1 = 0,4 V R = 0,4 / (4, ) = 1, (= 1,0 k ) d In het donker R = , = 10 M. De totale spanning staat dus over de LDR: 4,5 V Vragen in de natuurwetenschappen 77 Ze dachten dat wat iemand waarnam slechts een afspiegeling van de werkelijkheid was. Ze hadden geen goede meetapparatuur. Handwerk had een lage status a Heinrich Göbel (1854) en Joseph Swan (1878) b In de avonduren kon je ook werken en studeren. c Op veel plaatsen was al een net van gasverlichting aanwezig. Voor elektrische lampen was er elektriciteitsnet nodig. 85 R 86 a Wat stroomt er door de draden van een stroomkring? Wat is kortsluiting? Wat doet een spanningsbron? b Hoe groot is de spanning over de verschillende onderdelen in een stroomkring? Wat is het verband tussen de spanning over en de stroom door een component in een schakeling? Wat is het verband tussen de weerstand en de lengte van een draad? R 87 R Modellen kun je maken met formules, tekeningen en computerberekeningen. 79 a 1000: Democritus ideeën met puntmutsen en blokken b 1600: Zie 1000, niets veranderd c 1900: atomen: kleinste bestanddelen van basisstoffen (= elementen) d 1950: atomen met protonen, neutronen en elektronen e 2000: standaardmodel met quarks 80 a fsluiting van de Zuiderzee (huidige IJsselmeer) b Vriend van Einstein, bekend van internationaal overleg, heeft veel betekend voor onderwijs, voorzitter commissie Zuiderzeewerken Wetenschappelijk bekend van de lorentzkracht en de lorentzcontractie (heeft met relativiteitstheorie te maken) c Met elektrische stromen d Met schaalmodellen (onder andere in de Noordoostpolder) van minidijken, enzovoort hoofdstuk 1 SPOT1_WKE_ _W.indd :52:10