sensor handboek vmbo-kgt deel 1b

Transcriptie

1 21 12 natuur-, scheikunde en techniek voor de onderbouw sensor handboek vmbo-kgt deel 1b AUTEURS : FONS ALKEMADE BORIS BERENTS FRITS KAPPERS ISBN handboek vmbo-kgt deel 1b

2 Inhoudsopgave Werken met Sensor 4 4 De fietsverlichting Startopdracht 8 1 Elektriciteit op je fiets 9 2 Spanning 17 3 Schakelingen 25 4 Veiligheid 30 Samenvatting 35 5 De verwarming Startopdracht 42 1 De verwarmingsinstallatie 43 2 Warmte maken en gebruiken 48 3 Warmtetransport 54 4 Isolatie 59 Samenvatting 63 6 De koelkast Startopdracht 68 1 Temperatuur 69 2 Fasen 73 3 Koeling 78 4 Invloed van temperatuur op materialen 83 Samenvatting 89 7 De geluidsinstallatie Startopdracht 94 1 Wat is geluid? 95 2 De luidspreker Hoge en lage geluiden Harde en zachte geluiden 113 Samenvatting 118 Gereedschappen 122 Practicummaterialen 124 Register 126 3

3 Als je in het donker fietst, is verlichting verplicht. Voor je eigen veiligheid, maar ook voor de veiligheid van anderen. Zonder licht val je in het donker niet op. Zelfs niet op goed verlichte wegen. In de wet staat dat voorlichten altijd wit of geel zijn en achterlichten altijd rood. Dat geldt voor alle voertuigen. Auto s, scooters en fietsen. Je kunt aan het licht zien of een voertuig op je afkomt of juist niet. De verlichting op de fiets werkt op elektriciteit. Fietsen hebben daar een dynamo en batterijen voor. Startopdracht Lampjes laten branden op een batterij 8 Paragraaf 1 Elektriciteit op je fiets 9 Extra De led-lamp 15 2 Spanning 17 Extra De zonnecel 23 3 Schakelingen 25 Extra De wisselschakeling 28 4 Veiligheid 30 Extra Nog meer veiligheidsmaatregelen 33 Samenvatting 35 4 Werkstukken 1 Het elektrospel 2 De autoverlichting Proeven 1 Geleiders en isolatoren 2 De werking van een gloeidraad onderzoeken 3 Een led laten branden 4 De spanning in verschillende batterijen controleren 5 Zelf een spanningsbron maken 6 Het magnetisch veld 7 De werking van een dynamo 8 De spanning meten die een fietsdynamo levert 9 De plaatsing van een zonnepaneel 10 De kenmerken van serieschakelingen en parallelschakelingen 11 Een wisselschakeling maken 12 Kortsluiting en een smeltveiligheid (demonstratieproef) 6

4 De fietsverlichting 7

5 Startopdracht Lampjes laten branden op een batterij Je kunt meerdere lampjes tegelijk op één batterij laten branden. Dat kan zelfs op twee verschillende manieren. In deze startopdracht ga je proberen die manieren te ontdekken. Je krijgt één batterij, twee lampjes, twee lamphouders en stroomdraden. Opdracht 1 Laat twee lampjes tegelijk op de batterij branden. Als je één lampje losdraait tot het uitgaat, moet het andere lampje ook uitgaan. Opdracht 2 Laat twee lampjes tegelijk op de batterij branden. Als je één lampje losdraait tot het uitgaat, moet het andere lampje gewoon blijven branden. Opdracht 3 Bedenk waarom bij opdracht 1 beide lampjes uitgaan als je een lampje losdraait en bij opdracht 2 alleen het lampje dat je losdraait. In de nabespreking moet je kunnen vertellen waardoor het verschil volgens jou wordt veroorzaakt. Je kunt jouw verklaring dan vergelijken met die van je klasgenoten. 8

6 1 Elektriciteit op je fiets Jouw fietsverlichting moet in orde zijn. Het voorlicht moet wit of geel licht geven. Het achterlicht moet rood licht geven. Wanneer is jouw fietsverlichting in orde? Een stroomkring Een lampje geeft licht als er elektrische stroom door gaat. Dat kan door het lampje op een batterij aan te sluiten. Je hebt dan twee stroomdraden nodig. Daar gaat de stroom door. Van de batterij naar het lampje door de ene draad. En weer terug van het lampje naar de batterij door de andere draad. We noemen dat een stroomkring. Een stroomkring bestaat uit verschillende onderdelen en stroomdraden. De stroomdraden verbinden de onderdelen met elkaar (afbeelding 1). Ze moeten zo zijn verbonden dat er elektrische stroom door kan gaan. Een van de onderdelen moet voor de stroom zorgen. Dat kan bijvoorbeeld een batterij zijn of een dynamo. afbeelding 1 Een stroomkring maken. De dynamo Op veel fietsen werkt het voorlicht op een dynamo. Een dynamo is een apparaat dat elektriciteit opwekt. Elektriciteit is energie waar je apparaten mee kunt laten werken. Een lamp geeft licht, een radio geeft geluid, een kolomboor draait. Apparaten die op elektriciteit werken, noemen we elektrische apparaten. De dynamo op je fiets wekt genoeg elektriciteit op om het voorlicht te laten branden. Daarvoor moet je de dynamo met een geribbeld wieltje tegen de voorband of de achterband drukken (afbeelding 2). Als je fietst, gaat het wieltje met de band meedraaien. In de dynamo wordt dan elektriciteit opgewekt. afbeelding 2 Een draaiende dynamo maakt elektriciteit. 9

7 Er bestaan ook fietsen met een dynamo in de naaf van het wiel. Zij wekken altijd elektriciteit op als je fietst. Ook overdag. Je kunt het licht dan met een schakelaar aan en uit zetten. Het achterlicht werkt tegenwoordig meestal op een batterij. Batterijen Verlichting met een batterij brandt ook als je stilstaat. Een batterij levert elektriciteit om apparaten te laten werken (afbeelding 3). afbeelding 3 Enkele typen batterijen. Als een batterij leeg is, kun je er geen energie meer uithalen. Dan geven de fietslampjes geen licht meer. Heel onhandig als jij dan net in het donker naar huis fietst. afbeelding 4 Met een lader kun je batterijen weer opladen. In batterijen zitten stoffen die elektrische energie kunnen opwekken. Die stoffen zijn giftig en mogen niet in het milieu komen. Je moet ze naar een inzamelpunt brengen. Het is daarom beter om oplaadbare batterijen te gebruiken. Dat zijn batterijen die je weer vol met elektrische energie kunt laten lopen. Er is een lader nodig om dat te doen. Een lader stopt de batterij vol met elektriciteit uit het stopcontact (afbeelding 4). Batterijen kunnen erg warm worden tijdens het opladen. Daardoor slijten ze een beetje. Batterijen die al vaak zijn opgeladen, raken daardoor sneller leeg. Uiteindelijk moet je oplaadbare batterijen ook vervangen. Je moet ze dan net als gewone batterijen inleveren bij een inzamelpunt. Stroomdraden Om een lampje op een batterij te laten branden, heb je stroomdraden nodig. Een stroomdraad bestaat uit twee verschillende stoffen. Het binnenste van een stroomdraad is meestal van koper. Daar kan gemakkelijk een elektrische stroom door lopen. Een stof waar elektrische stroom door kan lopen, noem je een geleider. Alle metalen geleiden elektriciteit, maar niet 10

8 allemaal even goed. De buitenkant van de stroomdraad is van een kunststof gemaakt. Daar gaat geen elektrische stroom door. Een stof waar geen elektrische stroom door kan lopen, noem je een isolator. Plastic, rubber en glas zijn isolatoren. Bij de startopdracht gebruikte je twee stroomdraden. De stroom ging door de ene stroomdraad naar het lampje toe en door de andere stroomdraad terug naar de batterij. Aan elektrische apparaten zit meestal één snoer. Knip je zo n snoer door, dan zie je twee koperen draden, elk in hun eigen isolatie (afbeelding 5). afbeelding 5 Een doorgeknipte stroomdraad. De koperen draden zijn afgeschermd door een kunststof omhulsel. Bij fietsdynamo s zie je altijd maar één stroomdraad (afbeelding 6). Daar gaat de stroom naar het voorlicht door. De stroom gaat terug naar de dynamo door het frame van de fiets. Dat kan alleen als het frame van metaal is gemaakt. afbeelding 6 De stroom gaat via een kabeltje naar het lampje. De stroom gaat via het metalen frame terug. Dat spaart een kabeltje uit. 11

9 Schakelaars Op een fiets met een dynamo in de naaf wekt de dynamo altijd stroom op als je fietst. Daardoor brandt het voorlicht altijd. Er is een schakelaar nodig om het voorlicht aan of uit te zetten (afbeelding 7). Een schakelaar is een apparaat waarmee je een stroomkring kunt onderbreken en sluiten. afbeelding 7 Een schakelaar. elektrische stroom schakelaar accu of batterij schakelaar open schakelaar dicht pomp a. Een stroomkring met een schakelaar die het lampje aan en uit kan zetten. lamp b. Symbolen om schematisch een stroomkring te tekenen. c. De schakelaar sluit de stroomkring, het lampje brandt. d. De schakelaar verbreekt de stroomkring, het lampje is uit. Als de schakelaar open staat, kan er geen stroom lopen. Je onderbreekt dan de stroomkring. Als je de schakelaar sluit, kan er weer stroom lopen (afbeelding 7a). De stroomkring is dan gesloten. Met een schakelschema kun je de werking van een schakelaar goed laten zien. In een schakelschema zie je symbolen voor de verschillende onderdelen van de stroomkring (afbeelding 7b). Je kunt een schakelaar met een ophaalbrug vergelijken (afbeelding 7c en 7d). In paragraaf 3 leer je meer over schakelschema s. 12

10 Lampen De eerste bruikbare lamp werd in 1879 gemaakt. De uitvinder was een Amerikaan, Thomas Edison. In zijn lamp loopt de stroom door een gloeidraad. Dat is een dunne metalen draad die erg heet wordt als er stroom door loopt. Daardoor gaat de draad gloeien. Een gloeiende draad straalt warmte en licht uit (afbeelding 8). Dit soort lampen noem je gloeilampen. afbeelding 8 Een gloeilamp. a. Een gloeiende draad geeft licht in een gloeilamp. b. De stroom loopt door de gloeidraad. Gloeilampen hebben een nadeel. Een gloeidraad geeft pas licht als hij erg heet is. Een gloeilamp gebruikt daardoor erg veel elektrische energie. Vanaf 2012 mogen daarom in Europa geen gloeilampen meer verkocht worden. Halogeenlampen zijn ook gloeilampen (afbeelding 9). Ze gaan langer mee en verbruiken minder energie dan een gewone gloeilamp. Daarom mogen halogeenlampen nog wel verkocht worden. afbeelding 9 Halogeenlampen zijn ook gloeilampen. 13

11 In plaats van gloeilampen kun je spaarlampen of led-lampen kopen. Die hebben geen gloeidraad en worden nauwelijks warm. Ze verbruiken daardoor veel minder elektrische energie (afbeelding 10). Dat is goed voor het milieu. afbeelding 10 Een spaarlamp. Werkstuk 1 Het elektrospel Dit werkstuk is een vraag- en antwoordspel, waarbij gebruik wordt gemaakt van een stroomkring. Ga naar bladzijde 6 in het opdrachtenboek voor de instructies. Proef 1 Geleiders en isolatoren Met deze proef onderzoek je welke stoffen goede geleiders zijn en welke goede isolatoren. Ga naar bladzijde 23 in het opdrachtenboek voor de instructies. Proef 2 De werking van een gloeidraad onderzoeken Met deze proef onderzoek je hoe gloeidraad in een apparaat werkt. Ga naar bladzijde 25 in het opdrachtenboek voor de instructies. Theorievragen Paragraaf 1 Ga naar bladzijde 50 in het opdrachtenboek voor de theorievragen die horen bij paragraaf 1. 14

12 Extra De led-lamp Een led-lamp is een heel zuinige lamp (afbeelding 11). Hij gebruikt weinig elektrische energie en hij wordt niet warm. In een led-lamp zit geen gloeidraad maar een diode. Een diode is een geleider. Je moet goed opletten als je een diode aansluit. Sluit je hem verkeerd om aan, dan laat hij geen stroom door. Daarom hebben diodes twee verschillende aansluitpennen: een lange en een korte, zodat je altijd kunt zien hoe je hem aansluit. Diodes die licht geven, worden led s genoemd (afbeelding 12). afbeelding 11 Een led-lamp is erg zuinig in het gebruik en gaat lang mee. afbeelding 12 Led s zijn er in allerlei vormen en kleuren. De naam led is een afkorting voor light emitting diode. Dat is Engels voor lichtgevende diode. Led s zijn in allerlei vormen en kleuren te koop. Soms zijn ze bolvormig, maar ook streepjes, driehoekjes en vierkantjes komen voor. Ze worden al heel lang gebruikt als controlelampje op muziekinstallaties, computers of televisies. Je kunt dan zien of een apparaat aan of uit staat. 15

13 Een led kun je niet direct op een batterij aansluiten, want dan gaat hij kapot. Led s worden tegenwoordig gebruikt in verkeerslichten, platte beeldschermen voor televisies en computers, op fietsen en in auto verlichting (afbeelding 13). afbeelding 13 Led s in het achterlicht van een auto. Led-lampen gaan veel langer mee dan andere lampen. In tabel 1 zie je een vergelijking van de levensduur van verschillende lampen. tabel 1 Levensduur verschillende lampen. soort lamp branduren* halogeenlamp tl-buis spaarlamp led-lamp * Branduren geven aan hoeveel uren een lamp licht moet kunnen geven. Proef 3 Een led laten branden Een led is een diode. Een diode heeft een bijzondere eigenschap, waar je rekening mee moet houden bij het aansluiten. Met deze proef onderzoek je hoe je een led goed moet aansluiten. Ga naar bladzijde 27 in het opdrachtenboek voor de instructies. Theorievragen Extra 1 Ga naar bladzijde 52 in het opdrachtenboek voor de theorievragen die horen bij de extra van paragraaf 1. 16

14 2 Spanning Bekijk de computerles voor meer uitleg. Het achterlicht op je fiets geeft geen licht meer als de batterij leeg is. De batterij lijkt niet veranderd. Toch zorgt hij niet meer voor elektrische stroom. Hoe kan dat? Elektriciteit kun je niet zien stromen. Water wel. Elektrische stroom kun je vergelijken met een waterstroom. In afbeelding 14 zie je twee vijvers. Vijver 1 ligt hoger dan vijver 2. Het water van vijver 1 stroomt dan ook naar vijver 2. De stroom stopt als het water in vijver 1 gelijk staat met de rand van de vijver. Het water stroomt niet vanzelf terug naar de bovenste vijver. Daarvoor is een pomp nodig. Die moet het water vanuit vijver 2 terugpompen naar vijver 1. Zonder werkende pomp geen waterval. afbeelding 14 Water stroomt van hoog naar laag; elektriciteit van plus (+) naar min ( ). vijver 1 vijver 2 pomp Op een batterij zie je altijd een + en een staan. Dat zijn de polen van de batterij. Je kunt ze met de twee vijvers vergelijken. De + pool (pluspool) met vijver 1, de pool (minpool) met vijver 2. Tussen de vijvers is een hoogteverschil dat ervoor zorgt dat het water kan stromen. Hoe meer hoogteverschil, hoe harder het water stroomt. Zonder hoogteverschil geen waterstroom. 17

15 Op de polen van de batterij staat spanning. Spanning zorgt ervoor dat er een elektrische stroom kan gaan lopen. Zonder spanning kan er geen elektrische stroom lopen. Hoe groter de spanning, hoe meer stroom er kan lopen. De batterij moet natuurlijk wel in een gesloten stroomkring zijn opgenomen. De stroom loopt altijd van de + pool naar de pool. Je kunt spanning niet zien, maar wel voelen. Met je tong bijvoorbeeld, als je die tegen de + pool en de pool van een batterij houdt. Je voelt dan een tinteling, omdat er een klein beetje stroom door je tong gaat. Batterijen en dynamo s zijn spanningsbronnen. Een spanningsbron levert de spanning die nodig is om elektrische stroom door apparaten te laten lopen. afbeelding 15 Je maakt een spoel door een stroomdraad een aantal keren ergens omheen te draaien. De werking van een dynamo Op veel fietsen zit een dynamo. Elke auto heeft er ook een. De belangrijkste onderdelen van een dynamo zijn een magneet en een spoel van koperdraad. Een spoel is een draad die een aantal keren ergens omheen is gedraaid (afbeelding 15). In de dynamo zit de koperen spoel om de magneet heen. De magneet en de spoel raken elkaar niet. Als de magneet draait, ontstaat er een elektrische stroom door de koperdraad. Daar kan een fietslampje op branden (afbeelding 16). afbeelding 16 Als de magneet draait, gaat er een stroom door de koperdraad. de ronddraaiende permanente magneet de koperen wikkelingen Ook in auto s zit een dynamo. De dynamo laadt de accu van de auto op. Een accu is een oplaadbare batterij. De accu zorgt voor elektriciteit om de motor te starten. Maar ook voor de lichten, de radio, de ruitenwissers en nog veel meer. De motor van de auto zorgt ervoor dat de dynamo draait. Op de fiets drijft het wiel de dynamo aan. 18

16 Spanning meten Spanning is een grootheid. Je kunt spanning dus ook meten. Het symbool voor spanning is U. De eenheid voor spanning is volt. Dat wordt afgekort tot V. Op de batterij in afbeelding 17 staat 1,5 V. afbeelding 17 Een batterij met een spanning van 1,5 V. afbeelding 18 Alleen zo leveren deze batterijen samen 3,0 V. De batterij levert als hij vol is een spanning van 1,5 volt. Hoe groter die spanning is, des te meer energie de batterij kan leveren. Als een apparaat 3 volt nodig heeft, kun je twee batterijen van 1,5 V gebruiken. Je moet ze dan met de + pool van de ene batterij tegen de pool van de andere batterij leggen (afbeelding 18). Als je wilt controleren of een batterij de spanning levert die erop staat, heb je een spanningsmeter nodig. Een spanningsmeter is een apparaat waarmee je kunt meten hoeveel spanning ergens op staat. Je moet de contacten van de spanningsmeter dan tegen de + en de pool van de batterij houden. De meter geeft aan hoe groot de spanning is die op de polen van de batterij staat (afbeelding 19). afbeelding 19 Met een spanningsmeter controleer je of de batterij de spanning levert die erop staat vermeld. Elektrische energie De meeste apparaten bij jou thuis werken op elektrische energie. Om een elektrisch apparaat te laten werken, moet je een stekker in het stopcontact steken en het apparaat aanzetten. Het stopcontact is onderdeel van een groot kabelnetwerk, dat van de elektriciteitscentrale naar alle huizen loopt. 19

17 Je ziet overal in Nederland grote elektriciteitsmasten waar dikke kabels aan hangen. Door die kabels gaat elektriciteit van een elektriciteitscentrale naar de gebruikers (afbeelding 20). In de elektriciteitscentrale staan enorm grote dynamo s. Die noemen we generatoren (afbeelding 21). afbeelding 20 Deze kabels vervoeren elektriciteit met een spanning van bijna volt! afbeelding 21 Een generator in een elektriciteitscentrale. De grote magneten van de generatoren worden vaak aangedreven met stoomturbines (afbeelding 22). afbeelding 22 Een stoomturbine drijft een generator aan. magneet turbinewiel straalpijp drukvat N Z warmte brandstof In de turbine zit een drukvat met water. Het water kookt en daarbij ontstaat stoom. Die wordt met grote kracht tegen een aandrijfwiel geblazen. Het wiel gaat daardoor draaien. De magneet is verbonden met het aandrijfwiel en gaat ook draaien. Daardoor wordt elektriciteit opgewekt in de koperen spoel die om de magneet zit. 20

18 Het water in het drukvat wordt aan de kook gebracht door brandstoffen te verbranden. Bijvoorbeeld aardolie, aardgas of kolen. In afbeelding 23 zie je de route die elektriciteit volgt van de centrale naar jouw huis. Op de kabels aan de elektriciteitsmasten staat een spanning van bijna volt. Daar kunnen huishoudelijke apparaten niet tegen. Ze gaan meteen kapot door zo n grote spanning. De spanning wordt met een transformator verlaagd. Een transformator is een apparaat dat elektrische spanning kan verlagen of verhogen. Dat gebeurt in twee stappen: Bij elke stad of dorp staat een groot transformatorstation. Daar wordt de spanning verlaagd tot V. Daarna gaat de elektriciteit via ondergrondse kabels naar de woonwijken. In elke woonwijk staat een transformatorhuisje. Daar wordt de spanning verlaagd tot 230 V. afbeelding 23 Zo wordt elektrische energie bij jou thuis gebracht V elektriciteitscentrale V transformatorstation bij stad of dorp transformatorhuisje in wijk woning V 230 V afbeelding 24 In de meterkast komen de elektriciteitskabels jouw huis binnen. Vanaf het transformatorhuisje lopen kabels naar de huizen. Elk huis heeft een meterkast. Daar komen de kabels het huis binnen (afbeelding 24). In de kast zit een meter. Die houdt bij hoeveel elektrische energie er in huis gebruikt wordt. Vanuit de meterkast lopen stroomdraden naar alle stopcontacten in huis. Op die stopcontacten staat dus een spanning van 230 V. 21

19 Proef 4 De spanning in verschillende batterijen controleren Met deze proef onderzoek je bij verschillende batterijen hoeveel spanning tussen de polen staat. Ga naar bladzijde 29 in het opdrachtenboek voor de instructies. Proef 5 Zelf een spanningsbron maken In een batterij zitten verschillende stoffen die elektrische energie kunnen opwekken. Met deze proef onderzoek je hoe je met verschillende stoffen een batterij kunt maken. Ga naar bladzijde 31 in het opdrachtenboek voor de instructies. Proef 6 Het magnetisch veld Met deze proef onderzoek je hoe een magneet invloed op zijn omgeving uitoefent. Ga naar bladzijde 33 in het opdrachtenboek voor de instructies. Proef 7 De werking van een dynamo Met deze proef onderzoek je hoe je met een staafmagneet en een spoel van koperdraad elektrische stroom kunt opwekken. Ga naar bladzijde 35 in het opdrachtenboek voor de instructies. Proef 8 De spanning meten die een fi etsdynamo levert Met deze proef onderzoek je de spanning op een fietsdynamo bij verschillende snelheden. Ga naar bladzijde 37 in het opdrachtenboek voor de instructies. Theorievragen Paragraaf 2 Ga naar bladzijde 53 in het opdrachtenboek voor de theorievragen die horen bij paragraaf 2. 22

20 Extra De zonnecel In Nederland wordt in veel elektriciteitscentrales steenkool, aardolie of aardgas verbrand. Daarbij komt de energie vrij waarmee de generatoren worden aangedreven. We noemen zulke brandstoffen energiebronnen. Met energiebronnen bedoelen we alles waar mensen, dieren en planten op de een of andere manier energie uit halen. Dat kunnen brandstoffen zijn, maar ook voedsel, wind of zonlicht. De brandstoffen op aarde raken een keer op. Bovendien is verbranding slecht voor het milieu. Daarom proberen veel bedrijven duurzame energie bronnen te gebruiken. Duurzame energiebronnen raken nooit op en zijn niet slecht voor het milieu. Je kunt elektriciteit opwekken met een windmolen of met een waterkrachtcentrale. Stromend water en wind zijn duurzame energiebronnen. Elektrische stroom die daarmee wordt opgewekt, wordt ook wel groene stroom genoemd. Misschien heb je thuis wel tuinverlichting die op zonnecellen werkt (afbeelding 25). Zonnecellen zijn spanningsbronnen die zonlicht omzetten in elektrische energie. In de tuinlamp zit een oplaad bare batterij. Die wordt met de zonne-energie opgeladen zodat de lamp in het donker licht kan geven. Zonne-energie is energie die met behulp van zonlicht wordt opgewekt. afbeelding 25 De zonnecel boven op de lamp zet overdag zonlicht om in elektrische energie. Eén zonnecel levert maar een klein beetje energie. Je hebt dus een heleboel cellen nodig om veel energie te krijgen. Daarom zijn er zonnepanelen ontworpen (afbeelding 26). In een zonnepaneel zijn een heleboel zonnecellen aan elkaar gekoppeld. Bij het bouwen van nieuwe woningen worden vaak zonnepanelen op het dak aangebracht. De bewoners kunnen dan een deel van hun eigen elektriciteit zelf opwekken. Daardoor wordt de energierekening lager en het is beter voor het milieu dan het verbranden van brandstoffen in energiecentrales. afbeelding 26 In deze woonwijk wordt veel elektriciteit opgewekt met zonlicht. 23

21 Zonnecellen kunnen ook gebruikt worden om rekenmachines mee op te laden (afbeelding 27). afbeelding 27 De accu van deze rekenmachine wordt opgeladen met zonnecellen. Je ziet ze boven het rekenvenster. Proef 9 De plaatsing van een zonnepaneel Met deze proef onderzoek je hoe je een zonnepaneel het beste kunt opstellen. Ga naar bladzijde 39 in het opdrachtenboek voor de instructies. Theorie Extra 2 Ga naar bladzijde 55 in het opdrachtenboek voor de theorievragen die horen bij de extra van paragraaf 2. 24

22 3 Schakelingen Bekijk de computerles voor meer uitleg. Op veel fietsen werkt het voorlicht op een dynamo en het achterlicht op een batterij. Je kunt ze ook allebei op één en dezelfde dynamo laten werken. Maar hoe moet je de lampjes dan aansluiten? Een stroomkring wordt vaak een schakeling genoemd (afbeelding 28). Een schakeling bestaat altijd uit minstens drie verschillende onderdelen: een spanningsbron die energie levert; draden waar de energie door stroomt; één of meer elektrische apparaten (bijvoorbeeld lampjes). Met een schakelschema kun je snel laten zien hoe een schakeling in elkaar zit (afbeelding 29). Een schakelschema is een schematische tekening van de schakeling. De onderdelen worden met symbolen getekend (afbeelding 30). afbeelding 28 Deze schakeling verbindt drie lampjes en een schakelaar met elkaar en met de spanningsbron. onderdeel snoer symbool + - batterij afbeelding 29 Het schakelschema van de schakeling in afbeelding 28. lampje schakelaar open dicht V spanningsmeter afbeelding 30 Een aantal symbolen voor het tekenen van een schakelschema. stroommeter A 25

23 Serieschakelingen In de schakeling van afbeelding 28 kan de stroom maar één route volgen. De stroom loopt dus door alle lampjes. We noemen zo n schakeling een serieschakeling. Een serieschakeling is een stroomkring waarin alle onderdelen achter elkaar zijn geschakeld. Als één lampje kapotgaat, wordt de stroomkring onderbroken. De andere lampjes gaan dan ook uit. + Parallelschakelingen In de schakeling van afbeelding 31 kan de stroom verschillende routes volgen. We noemen zo n schakeling een parallelschakeling. Parallel betekent: naast elkaar. In een parallelschakeling heeft elk apparaat een eigen stroomkring. Je kunt in deze schakeling ieder lampje apart aan en uit doen. Als één lampje kapotgaat, blijven de andere gewoon branden. Alle lampen en stopcontacten in huis zijn parallel geschakeld. Als ergens in huis een lamp kapotgaat, blijft de overige verlichting gewoon werken. In afbeelding 32 zie je een schakelschema van twee lampen. Beide lampen hebben een schakelaar. + afbeelding 31 Een parallelschakeling van drie lampjes. A 1 2 B afbeelding 32 Twee lampen in een parallelschakeling. Elke lamp is in serie geschakeld met een schakelaar. Lamp 1 is uit en lamp 2 is aan. De elektrische stroom kan bij A twee kanten op gaan: door lampje 1 of door lampje 2. Bij B komen de stromen van lampje 1 en 2 weer samen. Als lampje 1 kapotgaat of uit staat, kan lampje 2 gewoon branden. Stroomsterkte In paragraaf 2 heb je al gezien dat je elektrische stroom goed met het stromen van water kunt vergelijken. Je hebt ook geleerd dat er bij lage spanningen minder stroom loopt dan bij hogere spanningen. Uit een waterkraan die een klein stukje open staat, komt minder water dan uit een kraan die helemaal open is gedraaid. Als je wilt weten hoeveel stroom door een apparaat loopt, moet je de stroomsterkte meten. De stroomsterkte geeft aan hoeveel stroom er per seconde door een apparaat gaat. Stroomsterkte is een grootheid. Het symbool is I. De eenheid die bij stroomsterkte hoort is ampère (A). 26

24 Een stroommeter is een apparaat dat de stroomsterkte meet. Als je wilt weten hoeveel stroom er door een lampje gaat, moet je de meter in serie schakelen met het lampje. De stroom gaat dan door het lampje en door de meter. In afbeelding 33 zie je een schakeling met een lampje en een stroommeter. De meter en het lampje zijn in serie geschakeld. Zo gaat de stroom die door het lampje gaat, ook door de meter. afbeelding 33 Een stroommeter moet altijd in serie geschakeld worden met het apparaat waar de stroom door gaat. A 0 A Werkstuk 2 De autoverlichting De autoverlichting bestaat uit verschillende schakelingen. Je gaat een model van een deel van de autoverlichting maken. Ga naar bladzijde 16 in het opdrachtenboek voor de instructies. Proef 10 De kenmerken van serieschakelingen en parallelschakelingen Met deze proef onderzoek je hoe je verschillende lampjes parallel schakelt. Ga naar bladzijde 42 in het opdrachtenboek voor de instructies. Theorievragen Paragraaf 3 Ga naar bladzijde 56 in het opdrachtenboek voor de theorievragen die horen bij paragraaf 3. 27

25 Extra De wisselschakeling Soms kun je een lamp op twee verschillende plaatsen aan en uit doen. Bijvoorbeeld boven en onder aan een trap. Dat kan niet door twee schakelaars in serie te schakelen. Het licht brandt dan alleen als beide schakelaars gesloten zijn. Er is een speciale schakelaar nodig: de wisselschakelaar. Een wisselschakelaar is een schakelaar waar drie stroomdraden op aangesloten kunnen worden. Daardoor kun je een wisselschakelaar voor verschillende doelen gebruiken. Met wisselschakelaars kun je: twee apparaten afwisselend aan en uit zetten (afbeelding 34). In stand 1 wordt A doorverbonden met B. In stand 2 wordt A doorverbonden met C; een schakeling maken waarmee je één lamp op twee plaatsen aan en uit kunt zetten, bijvoorbeeld boven en onder aan de trap (afbeelding 35). afbeelding 34 Zo werkt een wisselschakelaar: met één schakelaar kun je tussen twee lampen wisselen. A B A B C C a. Stand 1 b. Stand 2 Met twee wisselschakelaars kun je een lamp op verschillende plaatsen aan en uit zetten. De wisselschakelaars moeten dan op een speciale manier met elkaar worden verbonden. De schakelaars hebben drie aansluitpunten, A, B en C. De beide punten B zijn met elkaar verbonden, net als de beide punten C. De schakelaars moeten in dezelfde stand staan (B of C) om de stroomkring te sluiten. 28

26 afbeelding 35 Een wisselschakeling met twee wisselschakelaars. B C A 230 V B A C In afbeelding 35 is de stroomkring gesloten. De lamp brandt. Als de schakelaar beneden in stand C wordt gezet, gaat de lamp uit. De schakelaar boven staat in stand B. Er is dan geen gesloten stroomkring. Proef 11 Een wisselschakeling maken Met deze proef onderzoek je hoe je een wisselschakeling aan moet leggen. Ga naar bladzijde 47 in het opdrachtenboek voor de instructies. Theorievragen Extra 3 Ga naar bladzijde 59 in het opdrachtenboek voor de theorievragen die horen bij de extra van paragraaf 3. 29

27 4 Veiligheid Bijna alle apparaten in huis werken op elektriciteit. Elektriciteit is dus heel belangrijk voor ons. Elektriciteit kan heel gevaarlijk zijn. Hoe zorg je ervoor dat je thuis op een veilige manier elektriciteit gebruikt? plus min Gevaarlijke spanning De batterij in afbeelding 36 heeft een spanning van 9 V. Je kunt de twee polen rustig met je vingers aanraken. De batterij stuurt dan een beetje stroom door je heen. Toch voel je daar niets van. De stroom is daar te klein voor. Als je de polen met je tong aanraakt, voel je een prikkeling. Je tong is erg vochtig. Vochtige lichaamsdelen geleiden de stroom beter dan droge lichaamsdelen. Er gaat dus meer stroom door je tong dan door je vingers. En dan voel je het wel. In vochtige ruimtes, zoals een douche, moet je altijd extra oppassen met elektriciteit. afbeelding 36 Een batterij van 9 V. Op stopcontacten in huis staat een spanning van 230 volt. Ruim 25 zo veel als de spanning van de batterij in afbeelding 36. Dat moet je niet met je handen aanraken. Bij 230 V laten ook droge handen zo veel stroom door dat je er aan dood kunt gaan. Spanningen boven 40 volt kunnen levensgevaarlijk zijn. Bij de proeven op school werk je dan ook altijd met spanningen beneden 40 volt. Overbelasting Elk stopcontact in huis is verbonden met de meterkast. In de keuken heb je verschillende stopcontacten. Er lopen twee draden van de meterkast naar de keuken. In de keuken vertakken die draden zich naar de stopcontacten. Als in de keuken koffie wordt gezet, loopt er stroom door die draden. Die stroom wordt groter als er ook nog een föhn en een stofzuiger worden gebruikt (afbeelding 37). afbeelding 37 Door de stofzuiger stroomt 1 ampère, door de föhn 2 ampère en door het koffiezetapparaat 5 ampère. De draden uit de meterkast brengen dus 8 ampère naar de keuken. 30

28 Alle stroom voor die apparaten wordt door de twee draden vanuit de meterkast aangevoerd. Daardoor kunnen de draden erg heet worden. Je zegt dan: de draden zijn overbelast. Bij overbelasting gaat er te veel stroom door een stroomdraad. Als de draden te heet worden, kan er brand ontstaan. Het brandgevaar wordt kleiner door de elektrische leidingen thuis in groepen te verdelen. Een groep bestaat uit alle stopcontacten in een deel van het huis. Er lopen aparte draden van de meterkast naar elke groep. Daardoor wordt de stroom over meer draden verdeeld. De kans op overbelasting wordt daardoor een stuk kleiner. Er is bijvoorbeeld een groep voor de keuken en de bijkeuken, de woonkamer, de slaapkamers, enzovoort. Het aantal stopcontacten per groep is ook beperkt. Zo wordt de kans dat er overbelasting optreedt nog kleiner. Elke groep wordt extra beveiligd met een zekering (afbeelding 38a). Een zekering is een apparaat dat bij gevaar een stroomkring kan onderbreken. In een zekering zit een dunne draad. Bij overbelasting gaat die draad kapot. De stroomkring wordt dan onderbroken voor er brand ontstaat. afbeelding 38 Beveiliging van elektriciteitsgroepen. Als een zekering doorbrandt, heb je een nieuwe zekering nodig om weer stroom te krijgen. Je moet wel één of meer apparaten uitzetten om de overbelasting te stoppen. Als je dat niet doet, gaat de zekering meteen weer kapot. Als je geen nieuwe zekeringen in huis hebt, zit je dus zonder stroom. Heel onhandig. In nieuwe huizen worden daarom installatie-automaten geplaatst (afbeelding 38b). Een installatie-automaat zet bij overbelasting een schakelaar om en onderbreekt zo de stroomkring. Die schakelaar kun je dan weer terugzetten, als je de overbelasting hebt opgeheven. zand porselein verklikker smeltdraad veertje a. Een zekering. b. Een installatie-automaat met schakelaars. 31

29 Kortsluiting Overbelasting ontstaat ook als er kortsluiting optreedt. Bij kortsluiting raken stroomdraden elkaar met de geleidende delen, terwijl er spanning op staat. De stroom loopt dan niet meer door een apparaat, maar gaat rechtstreeks door de stroomdraden terug naar de meterkast. Daardoor wordt de stroomsterkte zeer groot. Bij kortsluiting springen vaak flinke vonken over (afbeelding 39). Het brandgevaar is dan erg groot. Gelukkig zal de zekering of de installatieautomaat onmiddellijk de stroomkring onderbreken. Dan zijn de vonken ook meteen weg. afbeelding 39 Kortsluiting! a. Kortsluiting! De draden worden warm en de accu loopt snel leeg. b. Twee draden worden tegen elkaar gehouden: kortsluiting. Je ziet duidelijk dat er warmte ontstaat. Proef 12 Kortsluiting en een smeltveiligheid (demonstratieproef) Met deze proef onderzoek je wat voor gevolgen kortsluiting heeft voor de stroomsterkte. Je onderzoekt ook hoe een smeltveiligheid werkt. Ga naar bladzijde 49 in het opdrachtenboek voor de instructies. Theorievragen Paragraaf 4 Ga naar bladzijde 60 in het opdrachtenboek voor de theorievragen die horen bij paragraaf 4. 32

30 Extra Nog meer veiligheidsmaatregelen afbeelding 40 Een aardlekschakelaar. Aardlekschakelaar Een stroomdraad waar spanning op staat moet je niet aanraken. Er kan dan elektriciteit door je lichaam naar de aarde lopen. Dat is levensgevaarlijk, want je kunt er een dodelijke hartstilstand door krijgen. Stroom die naar de aarde lekt, wordt lekstroom genoemd. In de meterkast zit een schakelaar die ongelukken door lekstroom moet voorkomen: de aardlekschakelaar (afbeelding 40). Een aardlekschakelaar onderbreekt alle stroomkringen in huis zo gauw er stroom naar de aarde lekt. Op een aardlekschakelaar zit een testknop. Daarmee kun je testen of de schakelaar nog goed werkt. De schakelaar moet regelmatig getest worden. Zo voorkom je ook dat hij door stof of vette aanslag vastzit als hij zijn werk moet doen. afbeelding 41 De aardlekschakelaar voorkomt dat er elektrische stroom door deze man gaat. afbeelding 42 Met deze inlegplaat kun je een stopcontact kindveilig maken. Inlegplaat voor stopcontacten De aardlekschakelaar beschermt niet als iemand geleidende voorwerpen in beide polen van een stopcontact stopt. Er is dan namelijk geen lekstroom. De stroom gaat via de voorwerpen en het lichaam terug naar het stopcontact. De aardlekschakelaar reageert dan niet. Met een inlegplaat kun je voorkomen dat kleine kinderen iets in het stopcontact stoppen (afbeelding 42). Je moet de pennen van de stekker dan eerst in de plaat zetten en dan de stekker een kwartslag draaien. 33

31 Er bestaan ook speciale kindveilige stopcontacten. Die zijn voorzien van plaatjes die de openingen van het stopcontact afdekken. Alleen als je op beide openingen even hard drukt gaan de plaatjes open. Het is even oefenen, maar kleine kinderen krijgen het nooit voor elkaar. Geaarde stopcontacten De kolomboormachines in het technieklokaal hebben meestal een metalen buitenkant. De buitenkant geleidt dan elektriciteit. Als er in het apparaat iets niet in orde is, kan de buitenkant onder spanning staan. Daardoor kan er stroom door een gebruiker lopen als deze het apparaat aanraakt. Daarom worden in het technieklokaal alleen geaarde stop contacten gebruikt. Die maken via een speciale beschermingsleiding contact met de aarde. Daardoor stroomt de elektriciteit op een veilige manier naar de aarde weg, in plaats van levensgevaar te veroorzaken. Een geaard stopcontact is dieper en heeft aan de zijkant metalen contacten (randaarde) voor de beschermingsleiding. Een geaarde stekker kun je herkennen aan de twee metalen contacten aan de zijkant (afbeelding 43). afbeelding 43 Een geaard stopcontact en een geaarde stekker. Theorievragen Extra 4 Ga naar bladzijde 62 in het opdrachtenboek voor de theorievragen die horen bij de extra van paragraaf 4. 34

32 Samenvatting 1 Elektriciteit op je fiets Om een lamp te laten branden, is een stroomkring nodig. Een stroomkring bestaat uit: een spanningsbron (bijvoorbeeld accu of batterij); stroomdraden; elektrische apparaten (bijvoorbeeld een lamp of een radio). De apparaten worden door stroomdraden met een spanningsbron verbonden. Er moet stroom door de stroomkring kunnen gaan. Dynamo s en batterijen Fietsdynamo s wekken elektriciteit op door te draaien. Daarvoor moeten ze: tegen de band worden gedrukt of in de naaf van het wiel zitten. Elektriciteit is energie waar je apparaten mee kunt laten werken. Apparaten die op elektrische energie werken, noem je elektrische apparaten. Een batterij kan elektrische energie leveren. Een lege batterij kan geen energie meer leveren. Oplaadbare batterijen lopen door een lader weer vol met elektrische energie. Alle batterijen bevatten giftige stoffen. Je moet ze inleveren bij een inzamelpunt. Stroomdraden Elektrische stroom gaat door een stroomdraad. De binnenkant van de stroomdraad is gemaakt van een stof die stroom doorlaat. Een stof die stroom doorlaat, is een geleider. Koper is een heel goede geleider. Het wordt veel in stroomdraden gebruikt. De buitenkant van een stroomdraad is gemaakt van een kunststof die geen stroom doorlaat. Een stof die geen stroom doorlaat, is een isolator. Aan elektrische apparaten zit een snoer met twee stroomdraden. De stroom gaat door de ene draad naar het apparaat en door de andere draad terug. Aan een fietsdynamo zit meestal maar één draad. De stroom gaat door het metalen frame van de fiets terug naar de dynamo. Schakelaars Met een schakelaar kun je een stroomkring onderbreken en sluiten. Schakelaars hebben meestal twee standen: open en gesloten. Als een schakelaar open staat, loopt er geen stroom. Lampen De eerste succesvolle lamp was een gloeilamp. In een gloeilamp zit een gloeidraad. De gloeidraad moet erg heet worden om licht te geven. Een gloeilamp verspilt daardoor erg veel energie. Vanaf 2012 mogen gewone gloeilampen niet meer verkocht worden. Halogeenlampen zijn ook gloeilampen. Ze gaan langer mee en gebruiken minder elektrische energie dan een gewone gloeilamp. Spaarlampen en led-lampen: hebben geen gloeidraad; worden nauwelijks warm; gebruiken veel minder energie dan gloeilampen. Extra De led-lamp Led-lampen zijn heel zuinige lampen. In een led-lamp zit een diode. Een diode is een geleider. Als je een diode verkeerd aansluit, laat hij geen stroom door. Een led is een diode die licht geeft. Led s: worden vrijwel niet warm; gebruiken weinig elektrische energie om licht te geven. 35

33 Led s worden gebruikt: als controlelampjes op apparaten zoals computers en televisies; in autoverlichting; in beeldschermen voor televisies en computers; op fietsen; in verkeerslichten. Led-lampen gaan veel langer mee dan andere lampen. 2 Spanning Een spanningsbron: levert elektriciteit; zorgt dat er stroom door een stroomkring kan lopen. Voorbeelden van spanningsbronnen zijn batterijen en dynamo s. Een batterij heeft een + pool en een pool. Op de polen van een batterij staat spanning. Zonder spanning kan er geen stroom lopen in een stroomkring. Hoe groter de spanning, hoe meer stroom er kan lopen. De stroom loopt van + naar. In een dynamo zit een magneet en een spoel van koperdraad. Een spoel is een draad die een aantal keren ergens omheen is gedraaid. De magneet kan binnen de spoel ronddraaien. Er ontstaat elektrische stroom in de spoel als de magneet ronddraait. Een fietsdynamo: zorgt ervoor dat de fietsverlichting brandt; wordt aangedreven door het draaiende wiel. Een autodynamo: laadt de accu op als de auto rijdt; wordt aangedreven door de motor. Spanning is een grootheid. Het symbool voor spanning is U. Je meet spanning met een spanningsmeter. De eenheid voor spanning is volt, afgekort V. De meeste huishoudelijke apparaten werken op elektrische energie. Elektrische energie wordt opgewekt in een elektriciteitscentrale. Een generator is een grote dynamo. Een generator wordt meestal aangedreven door stoomturbines. In een turbine wordt stoom gemaakt door brandstoffen te verbranden. De stoom blaast hard tegen een aandrijfwiel waar de magneet aan zit. Een groot elektriciteitsnetwerk vervoert elektrische energie van de centrale naar huis. Via dikke kabels gaat de energie met een spanning van bijna V naar steden en dorpen. Een transformatorstation verlaagt de spanning tot V. In elke woonwijk wordt de spanning in transformatorhuisjes verlaagd tot 230 V. Via ondergrondse kabels gaat de energie naar de meterkast in de woningen. In de meterkast wordt gemeten hoeveel elektrische energie in een woning wordt gebruikt. Extra De zonnecel Een energiebron levert energie. Brandstoffen zijn energiebronnen die: op raken; het milieu vervuilen. Duurzame energiebronnen: raken niet op; vervuilen het milieu niet. Voorbeelden van duurzame energiebronnen zijn: windmolens; waterkrachtcentrales; zonnecellen. Zonnecellen zetten overdag (zon)licht om in elektrische energie, om: direct apparaten mee te laten werken; een accu op te laden voor later gebruik. Op woningen worden steeds vaker zonnepanelen aangebracht. Een zonnepaneel bestaat uit een heleboel zonnecellen. 36

34 3 Schakelingen Een schakeling is een stroomkring en bestaat tenminste uit een spanningsbron, stroomdraden en één of meer apparaten. In een schakelschema: zie je snel hoe een schakeling in elkaar zit; teken je de onderdelen met symbolen. In een serieschakeling: zijn alle onderdelen achter elkaar in één stroomkring geschakeld; kan de stroom maar één route volgen; gaat de stroom door elk onderdeel van de schakeling; gaan alle onderdelen uit als er één uit gaat. In een parallelschakeling: kan de stroom verschillende routes volgen; hebben alle onderdelen een eigen stroomkring; blijven de onderdelen gewoon aan als er één uit gaat. Stroomsterkte geeft aan hoeveel stroom per seconde door een apparaat gaat. Het symbool voor stroomsterkte is I. De eenheid voor stroomsterkte is ampère (A). Je meet stroomsterkte met een stroommeter. Een stroommeter moet in serie geschakeld worden met het apparaat waarvan je de stroomsterkte wilt meten. Extra De wisselschakeling Een wisselschakelaar: kan twee lampen afwisselend aan en uit zetten; heeft drie punten om een stroomdraad aan te sluiten; kan gebruikt worden om één lamp op twee plaatsen aan en uit te zetten. In een wisselschakeling brandt een lamp alleen als beide schakelaars in dezelfde stand staan. 4 Veiligheid Elektrische spanning kan levensgevaarlijk zijn, want: een spanningsbron kan elektrische stroom door je lichaam sturen; een grote stroom kan een hartstilstand veroorzaken; bij een spanning boven 40 V kunnen dodelijke stroomsterktes ontstaan. Vochtige lichaamsdelen geleiden stroom beter dan droge lichaamsdelen. Bij overbelasting: loopt er te veel stroom door een draad; kunnen stroomdraden erg heet worden; kan brand ontstaan. Om overbelasting te voorkomen, worden de leidingen in groepen verdeeld. Elke groep: is voor een bepaald deel van het huis; wordt beveiligd door een zekering of een installatieautomaat. Een zekering smelt bij overbelasting door en schakelt de stroom uit. Een installatieautomaat: heeft twee standen: aan en uit; springt bij overbelasting in de uit-stand. Je moet eerst één of meer apparaten uit zetten voor je een zekering vervangt of de installatieautomaat weer aan zet. Bij kortsluiting: raken stroomdraden elkaar met de geleidende delen; gaat de stroom rechtstreeks door de draden terug naar de meterkast; wordt de stroomsterkte erg groot; treedt overbelasting op; kunnen vonken overspringen; smelt een zekering door of springt de installatieautomaat in de uit-stand. Extra Nog meer veiligheidsmaatregelen Als je een draad aanraakt waar spanning op staat, kan er stroom door je lichaam naar de aarde lopen: lekstroom. Een aardlekschakelaar: springt uit als er minder stroom terugkomt dan het huis in is gegaan; moet regelmatig getest worden; biedt geen bescherming als iemand contact maakt met beide polen van een stopcontact. 37

35 Een inlegplaat voor stopcontacten voorkomt dat kleine kinderen iets in het stopcontact kunnen steken. In kindveilige stopcontacten zitten afdekplaatjes, die gaan pas open als op beide even hard gedrukt wordt. Geaarde stopcontacten maken via een speciale beschermingsleiding contact met de aarde. Geaarde stekkers hebben twee metalen contacten aan de zijkant. 38