4 WEERSTAND VAN MATERIALEN

4 WEERSTAND VAN MATERIALEN Oefening 3: GELEIDERS EN ISOLATOREN We leerden dat de ene stof, beter de elektrische stroom geleidt dan de andere. Met behulp van de volgende meetopstelling onderzoekje welke de invloed van verschillende materialen op de geleiding van de stroom in een elektrische kring. Benodigdheden: Multimeter Batterij van 9V of regelbare bron Enkele meetsnoeren en de labotafel. Verschillende materialen (zie tabel) Meetopstelling Meetbereik multimeter: 100 ma DC, of een lager meetbereik afhankelijk van het materiaal dat men in kring gebruikt. Meet de stroom in de kring voor verschillende materialen. Observeer de lichtsterkte die het lampje uitstraalt. Besluit hieruit of het gebruikte materiaal de stroom goed, niet of slecht geleidt. Noteer de resultaten de tabel. Meettechniek Hoofdstuk 4 1

Te testen materiaal koperdraad ijzerdraad aluminiumfolie Papier plastiek Hout grafiet Gemeten stroom (ma) Besluit: Het materiaal geleidt de stoom 4.1 Geleiders 4.1.1 DRADEN Dit is een draad met aderisolatie uit PVC en een kern uit koper, die tot 750 V mag gebruikt worden. Hij is getest op 2500V. De draaddoorsnede of sectie wordt altijd uitgedrukt in mm². Dit is de oppervlakte van het koper. Het is een draad voor huishoudelijk en industriële installaties. Hij moet in een PVC-buis getrokken worden (verplicht door het AREI). Tegenwoordig gebruikt men veel voor gekabeleerde buizen welke soepel plooibaar zijn (meestal worden ze gebruikt bij inbouw installaties). Samenstelling: 1. Kern bestaande uit één of meerdere draden van zacht koper. 2. Isolatie van PVC 4.1.2 SNOEREN De kern is meeraderig en soepel uitgevoerd. Hij wordt het meest toegepast op plaatsen waar trillingen en schokken voorkomen; in de bordenbouw en industriële installaties, werktuigmachines voor metaal- en houtbewerking Op de figuur zien we een typisch snoer verplaatsbare toestellen; boormachine, wafelijzer, frituurketel, verlengsnoeren en dergelijke. Het toegelaten tot 300V. De kern is meeraderig blank koper en de aderisolatie uit PVC of rubber en de buitenmantel uit verschillende kleuren PVC of natuurlijk rubber. Samenstelling: 1. Twee, drie,vier of vijf soepele kernen. 2. Aderisolatie uit PVC. 3. De aders zijn samengeslagen en door een PVCbeschermingsmantel. 4.1.3 KABELS Ze worden gebruikt voor vaste leidingen in vochtige lokalen en buitenshuis. Meestal maakt men ze vast aan de muur met beugel of in buizen (zie de draden). Kabels hebben een ronde vorm, dit om een Meettechniek Hoofdstuk 4 2

waterdichte afsluiting te kunnen maken in een wartel. Er bestaan ook uitvoeringen die plat zijn en werden vroeger op de muur bevestigd met kabelklemmen. Er zijn verschillende types naar aanleiding voor wat het moet gebruikt worden. De eerste kabel met waterdichte buitenmantel en zachte binnenmantel maken deze kabel tot een goed bruikbare en betrouwbare leiding. Deze worden zeer veel toegepast in huizen, valse plafonds en op alle plaatsen waar geen beschadiging te verzen valt. Het tweede soort kabel is gemakkelijk te herkennen aan zijn stalen omvlechting. Hij wordt veel gebruikt in industriële installaties en op plaatsen waar men ruw werk doet, meestal op plaatsen waar men beschadiging vreest. 4.2. Benamingen van leidingen 4.2.1. Het Belgische-coderingssysteem: leder Belgisch genormaliseerd leidingtype wordt aangeduid door een lettergroep bestaande uit initialen. De eerste letter wijst op de aard van de isolatie van de kern of van de kernen: C voor rubber (C van canalisation - cardon) en V voor vinyl. De eindletter B duidt dat het een in België genormaliseerd type betreft (B van België). Een tweede V beduidt: beschermingsmantel in vinyl (eindigend op VB of VMB). o voor gewoon vb. VOB (0 van Ordinaire); R voor versterkt vb. CRVB (R van Renforcé); As voor lift vb. CAsFB (As van Ascenceur); T voor verplaatsbaar vb. VTLB (T van Transportable); L voor licht vb. VTLB (L van Leger); M voor middelmatig vb; CTMB (M van Moyen); F voor sterk vb. CTFB (F van Fort); I voor isolatie vb. VIFB (I van isolant); G voor mantel vb. VGVB (G vangame); H voor vochtigheid vb. VHVB (H van Humididité); D voor huls vb. VDB (D van Douille); Meettechniek Hoofdstuk 4 3

S voor soepel vb. VSB (S van Souple); Su voor ophanging vb. CSuB (Su van Suspension); a voor gewapend vb; VHaVB (a van Arm~); m voor halfvlak vb. VTLmB (m van Méplate); of p voor halfvlak vb. VTLBp (p van Plate). 4.2.2 Het CENELEC-CODERINGSSYSTEEM: In het kader van de harmonisatie van CENELEC heeft de kabelcommissie een universeel coderingssysteem voor leidingen uitgewerkt dat wordt toegepast voor alle CENELEC geharmoniseerde typen. In het volgende overzicht wordt een beknopte samenvatting gegeven van het CENELECcoderingssysteem. Bij dit systeem is de codering gesplitst in drie delen: 1.Basiselement van de codering Type van de leiding Nominale spanning 2. Constructie van de leiding in radiale volgorde, te beginnen bij de isolatie en vervolgens met die onderdelen welke van binnen naar buiten in de leiding aanwezig zijn. Na een streep volgen de vorm en het materiaal van de geleider. 3. Het aantal aders en de doorsnede van de geleiders, aangevuld met eventuele aanduidingen van de aders. Hoewel niet volledig, kan dit coderingssysteem als volgt worden beschreven 1 2 3 4 5 6-7 8 9 1. AANDUIDING VAN HET TYPE H = geharmoniseerd leidingtype A = door CELENEC erkend nationaal leidingtype NL-N = leiding volgens nationale norm 2. NOMINALE SPANNING 00 =U 0 /U = < 100/100V 01 =U 0 /U= > 1OOV/100V- <300/300 V 03 = U 0 /U = 300/300 V 05 = U 0 /U = 300/500 V 07 = U 0 /U = 450/750 V 3. ISOLATIEMATERIAAL V = PVC (Polyvinylchloride) V2 = PVC 90 0 C (Polyvinylchloride) V5 = speciaal oliebestendig PVC R = Rubber B = EPR (Etheen Propeen Rubber) 90 0 C Meettechniek Hoofdstuk 4 4

S = Silicoon-rubber G = EVA (Etheenvinylacetaat) E = Polyetheen 4. MANTEL-BEKLEDING V = PVC (Polyvinylchloride) V2 = PVC 90 0 C (Polyvinylchloride) R = Rubber B = EPR 90 0 C (Etheen Propeen Rubber) N = Polychloropreen J = Omvlechting van glasgaren T = Omvlechting van textiel Q = Polyurethaan (PUR) 5. BIJZONDERHEDEN VAN DE CONSTRUCTIE D3 = Uitvoering met een element dat trekkrachten kan opnemen, ondergebracht in de as van een ronde leiding of verdeeld in een platte leiding D5 = Met opvulhart; dus niet bedoeld als element om de trekkracht op te vangen H = Platte leiding; aders zijn verbonden aan elkaar maar gemakkelijk te scheiden (bijvoorbeeld tweelingsnoer) H2 = Platte leiding; aders niet verbonden maar te samen omgeven door een mantel C4 = Koperen gevlochten afscherming om de samengeslagen aders of binnenmantel 6. SOORT GELEIDER U = ronde massieve geleider R = ronde geleider opgebouwd uit meer draden (niet buigzaam) F = geleider van een buigzame leiding (IEC publicatie 60228, klasse 5) K = buigzame geleider van een leiding bestemd voor vaste aanleg (IEC publicatie 60228, klasse 5) H = geleider van een bijzonder buigzame leiding (IEC publicatie 60228, klasse 6) Opmerking voor koper als geleidermateriaal wordt geen apart symbool gegeven 7. Aantal aders 8. Aanduiding aanwezigheid van beschermingsleiding X = zonder groen/gele ader (beschermingsleiding) G = met groen/gele ader (beschermingsleiding) 9. Doorsnede van de geleiders 4.3 Weerstand (R) Je zal bij dit experiment gemerkt hebben dat bij sommige materialen het lampje fel, bij sommige niet en bij andere een beetje brandt. Dit komt omdat sommige materialen de stroom beter geleiden dan anderen. Meettechniek Hoofdstuk 4 5

Materialen met een goede geleiding hebben een lage weerstand (koper), anderen hebben een zeer hoge weerstand (plastiek) en worden gebruikt als isolator omdat ze de stroom niet geleiden. Voor de grootte van de elektrische weerstand (R) gebruiken we de eenheid ohm (Ω). 4.4 Soortelijke weerstand of resistiviteit We leerden dat er geen ideale geleiders zijn d.w.z. geleiders zonder enige weerstand. Toch heeft het ene materiaal veel meer weerstand dan het andere. 0m die weerstanden te vergelijken en om te berekenen hoe groot de weerstand van bijvoorbeeld een draad met een bepaalde lengte (l) en met een bepaalde doorsnede (A) is, heeft men van de verschillende soorten materialen de resistiviteit gemeten. Dat is de weerstandswaarde van een blok van 1 x 1 x 1 (m³ )van dat materiaal (zie figuur 11). Je kan het zien als een geleider met een doorsnede van 1 m 2 en met een lengte van 1 m. De weerstand van dergelijke geleider is erg laag (voor koper bijvoorbeeld 0.017 µω) ofwel 0,000 000 017Ω). De onderstaande tabel geeft een overzicht van de resistiviteit van enkele materialen bij een lengte (l) van 1 m en met een doorsnede (A) van 1 m 2 en bij een temperatuur van 20 0 C. Materiaal Soortelijke Weerstand (ρ) Aluminium 0,03.10-6 Ωm Constantaan 0,48.10-6 Ωm Staal (zacht), ijzerdraad 0,13.10 6 Ωm Koolstof (booglampen) 60.10-6 Ωm Koolstof (voor andere 100... 1000..10-6 Ωm doeleinden, bv. grafiet) Koper 0,017.10-6 Ωm Lood 0,20.10-6 Ωm Messing 0,071.10-6 Ωm Nikkel 0,12.10-6 Ωm Tin 0,13.10-6 Ωm Meettechniek Hoofdstuk 4 6

Zilver 0,0167.10-6 Ωm Zink 0,0588.10-6 Ωm Je hoeft deze getallen echt niet uitje hoofd te leren. Als je ze ooit nodig hebt kan je ze opzoeken in de tabel. Hoe lager het getal voor de soortelijke weerstand is, des te lager is de weerstand en des te beter geleidt het materiaal de elektrische stroom. Je ziet dat de beste geleider zilver is, op de voet gevolgd door koper. Ook aluminium is een goede geleider. De hoogste resistiviteit heeft koolstof. Je gebruikt het dan ook niet als je een goede geleider nodig hebt. In tegendeel, koolstof wordt gebruikt voor het fabriceren van weerstanden. 4.5 Weerstand van leidingen Een (vierkante) koperdraad van 1 m met een doorsnede (A) van 1 m 2 heeft een weerstand van 0,017.10-6 Ω, zoals je in de tabel ziet. Dezelfde draad met een lengte van 2 m heeft een weerstand van 2 x 0,017.10-6 Ω. Hieruit blijkt dus: _Hoe langer de draad, des te hoger de weerstandswaarde. Als we de doorsnede van de draad verdubbelen zal de weerstand worden gehalveerd nl. 0,017.106 :2 = 0,0085. Ω Hieruit volgt dat: _Hoe groter de doorsnede van de draad, des te lager de weerstandswaarde Uit deze twee regels kan een algemene regel worden afgeleid: weerstand van een draad = lengte in meter x resistiviteit doorsnede in m 2 Om deze algemene regel wat korter te kunnen schrijven, gebruiken we symbolen. De regel luidt dan: R= 1 (m) x ρ (Ωm²/m) _ (Ω) A (m²) ρ is hierin de Griekse letter rho. In het voorgaande hebben we steeds met vierkante geleiders gerekend. In de praktijk zijn geleiders (draden) echter meestal rond, maar dat maakt voor de berekeningen niets uit. We rekenen immers met doorsnede (die doorgaans opgegeven wordt in mm 2 ) en dan maakt het niet uit of zo n draad vierkant of rond is. Voorbeeld: Een koperdraad heeft een doorsnede van 1,5 mm 2 en een lengte van 2 m. hoe groot is de weerstand? Meettechniek Hoofdstuk 4 7

De doorsnede A van 1,5 mm 2 moetje eerst omrekenen naar m 2 (de basisgrootheid lengte heeft als eenheid in). Om van mm 2 over te gaan naar m 2 moetje delen door 1000000 of vermenigvuldigen met 10-6 : A=1,5 mm 2 = 1,5.10-6 m 2 De resistiviteit ρ van koper 0,017 x 10-6 Ben je niet thuis in het rekenen met 10-6 dan kan Je 0,017 x 10-6 schrijven als 0,017. 1000000 De lengte l van de draad is 2 m. R= 1 (m) x ρ = 2. x 0,017 x 10-6 = 2. x 0,017 = 0.023 Ω A (m²) 1,5.10-6 1,5 Uit de berekeningen blijkt wel dat de weerstand van normale koperdraden, met een doorsnede van één of enkele mm 2 en een lengte van enkele meters niet erg hoog is. Bij zeer lange draden met een geringe diameter is die weerstand echter niet te verwaarlozen. 4.6 Meten van weerstand Met een multimeter in stand ohm (Ω) kan je weerstand meten. Hoe je de multimeter moet instellen en aflezen vind je in bijlage A of in de documentatie bij jouw meettoestel. Oefening 4: Meten van weerstand met een multimeter Benodigdheden: Multimeter Grafiet staafje van een vulpotlood. Meettechniek Hoofdstuk 4 8

Meetopstelling Meet de weerstandwaarde voor 3 verschillende lengtes van het grafiet. Lengte Weerstand (Ω) 1 2 3 Besluit Hoe langer het staafje grafiek, des te is de weerstand. 4.7 Weerstanden In dit hoofdstuk las je dat weerstand een onaangenaam bijverschijnsel van geleiders is. Het ideaal, een geleider zonder weerstand, blijkt niet te bestaan. We kunnen die weerstand echter ook nuttig gebruiken. 4.7.1 WEERSTAND ALS ONDERDEEL (FIG. 13) Het komt je misschien onwaarschijnlijk voor dat er onderdelen bestaan die men bewust zo maakt, dat ze een bepaalde weerstandswaarde hebben. Die onderdelen, die men kortweg weerstanden noemt, worden veel gebruikt in de elektrotechniek en in de elektronica. We denken aan elektronische apparaten, zoals versterkers en radio- en televisietoestellen. in de energietechniek gebruiken we ze bijvoorbeeld als verwarmingselement. Meettechniek Hoofdstuk 4 9

Het materiaal waaruit de meeste weerstanden bestaat is hetzelfde als het grafietstaafje uit oefening 4. Grafiet bestaat hoofdzakelijk uit koolstof. met noemt componenten dan soms ook koolstofweerstanden. De toepassingsmogelijkheden van weerstanden komen in de volgende lespakketten aan bod (Zie Wet van Ohm). 4.7.2 SCHEMASYMBOOL In elektrische schema s worden weerstanden als volgt symbolisch voorgesteld. 4.7.3 WEERSTANDSWAARDEN Fig. 14 Weerstanden bestaan met zeer uiteenlopende weerstandswaarden, van 0,01 Ω tot meer dan 60 000 000 Ω. Op de weerstanden worden kleurringen opgedrukt om de weerstandswaarde en de tolerantie aan te geven. De tolerantie geeft de maximale afwijking die de weerstand kan hebben t.o.v. zijn aangeven waarde. Meettechniek Hoofdstuk 4 10

De kleurringen hebben de volgende betekenis (kleurcode): Meettechniek Hoofdstuk 4 11

De eerste 3 kleurringen geven de weerstandswaarde aan, de vierde geeft de tolerantie weer. Voorbeelden: rood - rood - zwart - zilver 2 2 x 1 =22 Ω ±10% groen - blauw - geel - geen 5 6 x 10.000 = 560.000 Ω ±20% Meettechniek Hoofdstuk 4 12

Meettechniek Hoofdstuk 4 13