Grondbeginselen elektrotechniek

Transcriptie

1 Grondbeginselen elektrotechniek de elektrische stroomkring onvertakte stroomkring vertakte stroomkring s niet-s (isolatoren) parallelschakeling werking van elektrische stroom licht-en signaalwerking mechanisch werken licht-donkerschakeling motor met propeller werking van een strook van bimetaal doorgangstester gelijkstroommotor zaklamp elektromagneet 1

2 Elektrische energiebronnen - zonne-energie is de oorsprong van alle energiebronnen. - windenergie, waterkracht, fossiele grondstoffen (gas, kolen, aardolie) voor verbranding in centrales zijn het resultaat van zonne-energie. - deze energie wordt technisch in elektrische energie omgezet en via gigantische leidingen en technische installaties (transformatoren) naar onze stekkerdozen geleid waar wij de stroom kunnen gebruiken. - de elektrische apparaten in ons huishouden zetten de elektrische energie om in een mechanische werking, licht, geluid of warmte. Hoe vloeit elektrische stroom - elektrische stroom vloeit door zogenaamde s die vrije elektronen bevatten. deze elektronen kunnen zich vrij van atoom naar atoom bewegen dwarsdoorsnede van een atoom vrije elektronen geen stroom stroom Elektrische s en isolatoren goede s hebben veel vrije elektronen -metalen als koper en aluminium voldoen aan deze voorwaarde slechte s hebben weinig vrije atomen - glas en rubber zijn goede voorbeelden Elektrische spanning Verschillende energiebronnen leveren een zekere waarde die bepaalt hoe groot de aandrijving voor het vloeien van de stroom is. Batterijen van een bepaalde afmeting of volgens een bepaald ontwerp hebben verschillende waarden voor de grootte van de aandrijving. Deze aandrijving is de elektrische spanning. Het symbool is U. Als eenheid voor spanning wordt internationaal Volt (V) gebruikt. Elektrische stroomsterkte Hoe meer elektronen er in een bepaalde tijd (1 seconde) door een vloeien, des te groter is de sterkte van deze stroom. De elektrische stroomsterkte is het begrip voor de hoeveelheid van de stromende elektrische lading door een dwarsdoorsnede van een in een seconde. Het symbool is I. Als eenheid voor de stroomsterkte wordt Ampère (A) gebruikt Elektrische weerstand Door s en apparaten wordt het vloeien van elektrische stroom beperkt. Zij werpen een weerstand op tegen de stroom. Het symbool voor weerstand is R. Als eenheid voor elektrische weerstand wordt internationaal Ohm (Ω) gebruikt. 2

3 lichtwerking (1) zaklamp (warmtewerking) Elektrische energie kan in lichtenergie worden omgezet. Voor apparaten als een zaklamp is een eenvoudige stroomkring voldoende. De eenvoudige stroomkring bestaat uit een spanningsbron, een, leidingen en een elektrisch apparaat. Het bouwen van een zaklamp. Zet de aan! Foutopsporing: De zaklamp werkt niet? Geen probleem: denk na over de volgende vragen en probeer de fout te vinden. - is de goed in de fitting gedraaid? - is de zo aangezet dat er contact wordt gemaakt? - controleer de draadverbindingen! deurbel drukknop signaalwerking (2) Bij de zaklamp wordt gebruik gemaakt van de lichtwerking van de elektrische stroom. Naast deze zichtbare signalen zijn er ook hoorbare signalen. Apparaten als een of bel zetten elektrische stroom om in hoorbare signalen. Het bouwen van een deurbel. Let op: de bel klinkt alleen als de knop wordt ingedrukt! Druk op de knop! Foutopsporing: De bel werkt niet? - controleer of de klemverbinding juist is aangesloten. - draai de aansluitingen van de in de stroomkring om. 3

4 ventilator Elektrische energie is bij uitstek geschikt voor het verrichten van mechanisch werk. Hiervoor is een apparaat nodig dat de elektrische energie kan omzetten. Een elektromotor is een dergelijk apparaat. mechanische werking (3) Het bouwen van een ventilator. drukknop Let er bij het aanbrengen van de propeller op dat de bladen vrij kunnen bewegen! Zet de aan! Foutopsporing: De ventilator werkt niet? - is de zo aangezet dat er contact wordt gemaakt? - zijn de elektriciteitsdraden goed aangesloten? lichtwerking (4)) lichtsnoer Ook bij lichtsnoeren (kerstverlichting/feestverlichting) wordt gebruik gemaakt van de lichtwerking van een elektrische stroom. Voor een lichtsnoer zijn minstens 2 lampjes benodigd. Als er meer lampjes in het lichtsnoer worden gebruikt, dan moeten de lichtsnoeren tijdens de les groepsgewijs worden gemaakt. (i.v.m. beschikbare onderdelen) Het bouwen van een lichtsnoer met 2 lampjes. Gebruik eerst één. Zet de aan en kijk hoe fel het lampje brandt. Breng het 2e lampje aan. Kijk hoe fel de lampjes nu branden. Door de van meerdere lampjes wordt de beschikbare spanning verdeeld over het aantal aangesloten lampjes. 4

5 veilig aanzetten van machines mechanische werking (5) Elektrische machines die mechanische arbeid verrichten zijn nuttig. Om per ongeluk aanzetten te voorkomen kan een extra of drukknop worden ingebouwd. De s worden zo geplaatst dat ze niet allebei tegelijkertijd per ongeluk met de hand kunnen worden aangeraakt. Het bouwen van een ventilator waarbij 2 s nodig zijn om de ventilator in werking te stellen. om Let er bij het aanbrengen van de propeller op dat de bladen vrij kunnen bewegen! Druk op de s en kijk hoe de s na elkaar uitgezet en weer aangezet worden. motor Foutopsporing: De ventilator werkt niet? - is de zo aangezet dat er contact wordt gemaakt? - zijn de elektriciteitsdraden goed aangesloten? de werking van een zekering (6) beveiliging van machines tegen overbelasting drukknop motor zekering De zekering is een belangrijk onderdeel in de elektrische stroomkring; bij overbelasting zorgt hij ervoor dat de stroomkring wordt onderbroken en dat de verbruiker (motor) wordt beschermd tegen verwoesting. (oververhitting - brandgevaar) Het zo maken van een stroomkring dat de motor niet meer werkt als de zekering wordt verwijderd. Het controleren van s en niet-s: - verwijder voorzichtig de zekering uit de behuizing en breng verschillende andere materialen (hout, kunststof, metaal) aan; zet de aan en kijk naar de geleiding (of niet!) van de verschillende materialen. 5

6 magnetische werking (7) elektromagneet voor het optillen van lasten bij hijskranen spoel met kern De magnetische werking van elektrische stroom is van grote betekenis. Vele alledaagse toepassingen werken op basis van dit principe. Een waar stroom doorheen gaat, wordt door een magneetveld omgeven wanneer er stroom door de vloeit. Door middel van een ijzeren kern wordt de magnetische werking vergroot. Deze werking van elektrische stroom wordt in het dagelijks leven veel gebruikt in apparaten en machines zoals bijvoorbeeld deuropeners, elektromotoren en computers. Het bouwen van een elektromagneet. Zet de aan en probeer bij de ijzeren kern van de spoel of je met behulp van een metalen deel (bout, moer) een magnetische werking kan ontdekken. Aanvullende opdracht: Bekijk de magnetische eigenschappen van diverse andere materialen. werking strook van bimetaal (8) beveiliging van technische apparaten bij warmte-inwerking strook, bimetaal 6 Een strook van bimetaal kan op basis van zijn bijzondere eigenschappen als worden gebruikt. De strook kan een stroomkring openen en sluiten. Twee metalen die verschillend uitzetten door warmte zijn stevig met elkaar verbonden. Door warmte-inwerking zet het metaal met het hoogste warmteinwerkingscoëfficiënt het meeste uit, waardoor de strook zal buigen. Wanneer de strook afkoelt, keert hij weer terug naar zijn oorspronkelijke staat. Hierdoor kan hij als zelfstandige of als temperatuurmeter worden gebruikt. Het bouwen van een stroomkring waarbij het bimetaal als een werkt; bij verhitting zal de gaan werken! Druk het bimetaal voorzichtig op het contact en probeer of de goed werkt. Verwarm onder toezicht het bimetaal. Wat zie je aan de metalen strook? Herhaal de opdracht een paar keer en meet hoe lang de blijft werken.

7 Vertakte stroomkring parallelschakeling lichtwerking (9) schakelingen voor verlichting binnen spanningsbron Omdat een veel beperkingen kent, wordt deze niet zo vaak gebruikt. We willen een ander soort schakeling ontdekken. Dit is de parallelschakeling; deze wordt zeer vaak gebruikt. Hoe kan een lamp in de woonkamer geschakeld zijn als deze meer dan één lamp heeft? Het maken van een parallelschakeling met 2 en. Zet de aan: branden beide lampen? Zo ja; draai dan één van de beide lampjes een beetje los. De lampjes branden onafhankelijk van elkaar omdat lampje 1 net als lampje 2 stroom via de kabel en de (de hoofdleiding) krijgt. Hoe zat het ook al weer met de felheid waarmee de lampjes brandden in de? Vertakte stroomkring parallelschakeling licht-en signaalwerking (10) doorgangstester spanningsbron Met een doorgangstester kan worden vastgesteld of een bepaald gedeelte van een stroomkring geleidt. Wanneer het te controleren stuk van de schakeling correct werkt, dan zal het lampje (wat door een van stroom wordt voorzien) gaan branden. Het is wel belangrijk dat de schakeling niet onder stroom staat! Het bouwen van een doorgangstester die met een zichtbaar en een hoorbaar signaal (zichtmelder/hoormelder) werkt. Beide signalen moeten samenwerken; wanneer een signaalgever uitvalt moet de andere het gewoon blijven doen! Controleer met de uiteinden een andere kabel! Je kunt met dit model ook geleidende en isolerende materialen van elkaar onderscheiden. Teken een schema waarbij de en de lamp samenwerken, maar afhankelijk van elkaar zijn. Wat is dit voor schakeling? 7

8 Vertakte stroomkring gecombineerde serie-en parallelschakeling lichtwerking (11) hoofd in machines In een vertakte stroomkring vloeit de stroom parallel door de beide s. Eén moet als functie hebben dat de totale stroomkring door hem onderbroken kan worden. Zo n hoofd wordt veel in technische apparaten gebruikt. In machines dient hij vaak als nood om de stroom direct te onderbreken. spanningsbron Het bouwen van een schakeling met 2 s en een drukknop. Drukknop en om dienen om de en naar wens te laten branden. De vervult de functie van hoofd. Wanneer deze wordt uitgezet mogen de beide en niet branden! om drukknop is te zien. Zet de hoofd aan en druk op de om en de drukknop. Zet dan de hoofd uit; beide lampjes mogen niet meer branden. Vertakte stroomkring parallelschakeling traploze licht/donkerschakeling van lampen stelweerstand lichtwerking (12) Het is natuurlijk bekend dat onze ogen zich aanpassen aan verschillende lichtsterktes. Dit wordt door de pupillen gedaan. Wanneer het donker is verwijden ze zich en wanneer het licht is vernauwen ze zich. Een lens van een fototoestel werkt precies zo. Zo n lens kan snel op wisselende lichtverhoudingen worden ingesteld. Onze pupillen kunnen niet zo snel reageren. In een bioscoop wordt de hoeveelheid licht door speciale schakelingen gestuurd zodat we niet met een plotselinge overgang van licht naar donker en omgekeerd worden geconfronteerd. We willen graag de schakeling onderzoeken die hetzelfde doet. Het maken van een serie-en parallelschakeling (gecombineerde schakeling) waarbij het licht langzaam lichter of donkerder kan worden ingesteld. is te zien. Beweeg de verstelbare weerstand in beide richtingen! Welke samenhang bestaat er tussen de lengte van de weerstandsdraad en de felheid van de en? Informatie: Lampen worden vandaag de dag met elektronische felheidsregelaars gestuurd; deze worden ook wel dimmers genoemd. 8

9 Vertakte stroomkring parallelschakeling verlichting op een fiets spanningsbron massaverbinding lichtwerking (13) Tot de complete verlichting van een fiets behoren: dynamo of als spanningsbron schijnwerper als voorlicht, achterlicht verbindingskabel en de onbekende X Voorlicht en achterlicht zijn parallel geschakeld; zo kunnen ze onafhankelijk van elkaar werken. Het maken van een fietsverlichting. is te zien. Het schema ziet er niet normaal uit; de retourkabels van de en naar de generator ontbreken! Misschien helpt de contactstrook. (als frame van de fiets) Informatie: Het frame fungeert als massa en dient om de elektrische stroom terug te geleiden van de lampjes naar de dynamo. Zaklampen waarvan de behuizing uit metaal bestaat maken ook gebruik van dit principe. Vertakte stroomkring parallelschakeling signaalwerking (14) signaalinrichting met zicht-en hoormelder Het bouwen van een meldapparaat met onafhankelijk van elkaar werkende zicht-en hoormelders. De zichtmelder () werkt middels een, de hoormelder () middels een drukknop. drukknop Vaak komt het voor dat zichtmelders niet of niet door iedereen worden gezien. Met een toegevoegde hoormelder kan een werkzaam meldapparaat ontstaan; verkeerslichten worden ook wel op deze manier ingezet. is te zien. Druk na elkaar op de en de drukknop. Druk gelijktijdig op en drukknop. Foutopsporing: Maak de schakeling zo dat de zichtmelder en de hoormelder samenwerken; hiervoor moet je de zo aansluiten dat hij licht geeft tijdens het geven van het signaal. Teken het schema! Bouw deze schakeling en controleer of hij werkt! 9

10 Vertakte stroomkring parallelschakeling werking strook van bimetaal (15) beveiliging van technische apparaten bij warmte-inwerking motor met propeller strook, bimetaal Een strook van bimetaal kan op basis van zijn bijzondere eigenschappen als worden gebruikt. De strook kan een stroomkring openen en sluiten. Twee metalen die verschillend uitzetten door warmte zijn stevig met elkaar verbonden. Door warmte-inwerking zet het metaal met het hoogste warmteinwerkingscoëfficiënt het meeste uit, waardoor de strook zal buigen. Wanneer de strook afkoelt keert hij weer terug naar zijn oorspronkelijke staat. Hierdoor kan hij als zelfstandige of als temperatuurmeter worden gebruikt. Het bouwen van een schakeling waarbij het bimetaal als fungeert. Wanneer deze strook wordt verwarmd werkt de als signaalgever en de motor met propeller als koeling. Druk het bimetaal voorzichtig op het contact en probeer of de goed werkt. Verwarm onder toezicht het bimetaal; de motor schakelt zich parallel aan de aan en hij begint zijn koeling. Herhaal de opdracht een paar keer en meet hoe lang de blijft werken. Vergelijk de uitkomsten met opdracht 8! Het maken van een schakeling aan de hand van een tekst (16) Jullie hebben nu geleerd om een schakeling te maken aan de hand van een schema. Het is echter moeilijker om dit te doen met alleen een tekst als richtlijn. Teken schema s en bouw de bijbehorende schakelingen! De volgorde van de opgaven is zo dat ze steeds moeilijker worden. Lees de tekst en probeer uit te vinden welke onderdelen je nodig hebt. In de tekst wordt verwezen naar een bepaald soort schakeling. Niet alleen lampjes, s en weerstanden, maar ook s en drukknoppen kunnen in serie-of parallelschakeling worden gebouwd. De heb je altijd nodig; die wordt dan ook niet apart vernoemd in de tekst. 1. opdracht: Schakel 2 en zo dat de elektrische stroom eerst door de ene lamp en afhankelijk van deze door de andere vloeit wanneer de gesloten is. 2. opdracht: Schakel 2 en zo dat de elektrische stroom door lamp 1 en onafhankelijk van deze lamp ook door lamp 2 vloeit. De beide lampen kunnen met één aan en uit worden gezet! 3. opdracht: Schakel 2 en zo dat de elektrische stroom door lamp 1 en onafhankelijk van deze lamp ook door lamp 2 vloeit. Iedere lamp moet apart aan en uit kunnen worden gezet! 4. opdracht: Een en 2 s moeten zo worden gebouwd dat de beide s gesloten moeten zijn voordat de lamp gaat branden. 5. opdracht: Voor een deurbel zijn 2 drukknoppen nodig omdat er 2 ingangen zijn. De hoormelder () moet zo in de schakeling worden ingebouwd dat hij werkt wanneer één van de drukknoppen of beide drukknoppen ingedrukt worden. 10

11 Opdrachtvel: (17) 1. opdracht: 4. opdracht: 2. opdracht: 5. opdracht: 3. opdracht: 11

12 De eenvoudige elektrische stroomkring -elektrische stroom vloeit alleen in een gesloten stroomkring en wanneer er een kracht inwerkt die de beweging van de elektronen opwekt. De eenvoudige stroomkring bestaat uit een elektrische energiebron (, accumulator), een elektrisch apparaat (bijvoorbeeld: lamp, ) dat de stroom in een benutbare vorm omzet, de verbindingsleidingen en een. Elektrische stroom vloeit alleen binnen een gesloten stroomkring. schema eenvoudige stroomkring schema eenvoudige stroomkring open gesloten Werkingen van elektrische stroom Warmtewerking In veel technische apparaten wordt de warmtewerking van een elektrische stroom gebruikt. Door de stroom warmen draden op totdat ze gaan gloeien. Dit principe gebruikt men bij waterkokers, elektrische kachels en dompelaars. Lichtwerking Het gloeien van draden waar een elektrische stroom doorheen gaat brengt ook licht voort. Dit principe wordt bij en gebruikt. De grootste hoeveelheid energie wordt echter in warmte omgezet. Het rendement in bruikbaar licht is gering. Door elektrische stroom kan er ook voor worden gezorgd dat gas licht gaat geven; dit principe wordt bij tl-buizen gebruikt en men verkrijgt op deze manier een veel grotere hoeveelheid licht. Chemische werking Elektrische stroom vloeit door geleidende vloeistoffen. In de industrie wordt dit gebruikt om voorwerpen van een metalen buitenlaag te voorzien. Men dompelt de voorwerpen onder in de geleidende vloeistof. Magnetische werking Wanneer stroom door een beweegt, dan beïnvloedt deze zijn omgeving. Hij wekt een magnetische werking op. Door een geleidingsdraad om een spoel te wikkelen en deze te voorzien van een ijzeren kern kunnen door elektrische stroom grote magnetische krachten worden opgewekt. Apparaten voor de omzetting van elektrische energie en voor technisch gebruik zijn bijvoorbeeld: en, tl-buizen, elektrische verwarmingselementen, elektromotoren, magneetspoelen, bellen, s. 12

13 Opmerkingen bij het werken met de bouwdoos De opdrachten in de bouwdoos kunnen met een gelijkstroombron (en of oplaadbare accumulatoren) worden gemaakt. Een spanning van 3-4,5 V is genoeg voor de opdrachten en de schakelingen. PROBEER NOOIT MET GROTERE SPANNINGEN TE WERKEN!! Bouw elektrische schakelingen altijd zonder spanning! Voor het maken van de stroomkringen en hun werkingen (optisch, akoestisch, thermisch, chemisch en magnetisch) worden symbolen en schema s gebruikt. vertakking vertakking, los te maken, open, gesloten om drukknop, contact wat zelf teruggaat Deze heren hebben een grote bijdrage geleverd aan de ontdekking van de samenhang in een elektrische stroomkring. (weerstand) ( spanning) (stroomsterkte) Georg Simon Ohm Alessandro Volta Andre Marie Ampere 13