Lessen in Elektriciteit Door: Gaby Sondagh en Isabel Duin Eckartcollege
Tegenwoordig kunnen we niet zonder elektriciteit. Het licht in de klas, de computers waar je op werkt en allerlei andere apparaten hebben elektriciteit nodig om te kunnen functioneren. We gaan hier in het bijzonder kijken naar stroomkringen, die ervoor zorgen dat lichten kunnen branden. In de natuurkunde noemen we een stroomkring een schakeling. Ten eerste kijken we wat elektriciteit nou is. Dit is een vorm van energie. Door deze vorm kun jij niet bewegen, maar het zorgt er wel voor dat een lamp kan branden. Een schakeling moet altijd gesloten zijn. Dat wil zeggen dat er geen openingen in de kring mogen zitten. De stroom moet een volledig rondje kunnen maken. De meest simpele schakeling bevat iets dat stroom levert en iets waar de stroom doorheen gaat. Minstens 2 elementen moeten dus in de schakeling zitten. Welke zijn dit? Symbolen Nu we weten wat een schakeling is en wat hier minimaal voor nodig is, kunnen we een schakeling gaan ontwerpen. Dit kun je doen door met echte lampjes, draden en schakelingen te gaan werken, maar zeker in grote ingewikkelde projecten is het handiger om de schakeling eerste te tekenen. Voor je het weet ontstaat er kortsluiting bij wat je hebt ontworpen! Bovendien is een tekening veel overzichtelijker, dat alle draden die door elkaar lopen. Hieronder zien we de eerste drie symbolen voor de tekening van een schakelking. Spanningsbron Lampje Schakelaar Ziet er niet moeilijk uit toch? Hiermee zijn vrij simpele tekeningen mee te maken. Probeer op de volgende bladzijde maar eens wat uit.
Verschillende soorten schakelingen Misschien dat je net bij het tekenen al verschillende soorten schaklingen hebt gemaakt! De drie bekenste zijn de serieschakeling, de parallelschakeling en de hotelschakeling. Serieschakeling Bij een serieschakeling staan alle elementen achter elkaar in de schakeling, ze staan in serie. Hieronder zien we een voorbeeld van een serieschakeling. Als beide schakelaars zijn ingeschakeld, welke lampjes zullen dan branden? En als de linker is uitgeschakeld? Parallelschakeling Bij een parallelschakeling zijn er vertakkingen. De stroom kan meerdere wegen kiezen. Hieronder zien we een voorbeeld van een parallelschakeling.
Welke lampjes branden er als schakelaar 1 en 2 zijn ingeschakeld? Welke lampjes branden er als alleen schakelaar 3 is ingeschakeld? Welke schakelaar(s) moet(en) ingeschakeld worden om alleen lampje 1 te laten branden? Op dit moment is het niet mogelijk om de lampjes 1 en 3 te laten branden, maar lampje 2 niet. Teken in de afbeelding een schakelaar, waardoor dit wel mogelijk is. Dit is schakelaar 4. Geef ook aan welke schakelaars ingeschakeld moeten zijn om de lampjes 1 en 3 te laten branden. Hotelschakeling Deze schakeling is wat moeilijker. Deze schakeling is bedoeld om een lamp op 2 plaatsen te kunnen bedienen. Het is niet erg als je deze schakeling niet meteen snapt. Je ziet 2 schakelaars. Maar deze schakelaars kunnen niet open of dicht, ze kunnen alleen wisselen van verbinding. Probeer eerst zelf maar eens uit te vinden hoe de schakeling werkt, maar vraag het ook vooral aan ons als je er niet uitkomt! Deze schakeling is over het algemeen wat lastiger.
Opdracht In een huis hangen boven de tafel 3 lampen, die tegelijkertijd aan en uitgaan. Daarnaast hangt er in de keuken een lamp, en in de woonkamer branden nog 2 lampen, die tegelijkertijd aan en uit gaan. Ook zit er in de meterkast een noodschakelaar, waarmee alle lampen uitgeschakeld kunnen worden. Teken de schakeling van dit huis. Rekenen aan schakelingen Behalve tekenen kun je ook gaan rekenen! Dit is erg belangrijk. De ene spanningsborn is de andere niet en niet elk lampje kan dezelfde hoeveelheid stroom aan. Om dit goed te laten verlopen, zijn drie begrippen erg belangrijk: De spanning, de stroomsterkte en de weerstand Spanning De spanning is de ongelijkheid in elektrische energie tussen twee punten. Dit klinkt moeilijk, daarom leggen we dit even uit. Elektriciteit is een vorm van energie, zoals we al eerder hebben geleerd. In het ene punt zit meer elektrische energie dan in een ander punt. Dit verschil heet spanning. Spanning geven we aan met de letter U en de eenheid is Volt (V). Spanning kun je meten met een spanningsmeter. Het symbool is in de tekeningen is: Stroomsterkte De stroomsterkte is de hoeveelheid elektriciteit die per tijdseenheid door een leiding gaat. Het drukt dus uit hoeveel elektrische energie er binnen een bepaalde tijd door een stroomdraad of andere leiding gaat. Stroomsterkte geven we aan met de letter I en de eenheid is Ampère (A). Ampere is hetzelfde als de stroomsterkte per seconde. Stroomsterkte kun je meten met een stroommeter. Het symbool is:
Weerstand Weerstand is de mate waarin de elektriciteit wordt gehinderd onderweg van punt A naar punt B. Dit geven we aan met de letter R en de eenheid is Ohm (Ω). Het verband tussen spanning, stroomsterkte en weerstand. Je kunt nu gaan rekenen met deze drie begrippen. Als je twee dingen weet, kun je de derde uitrekenen. Dit gaat volgens de formule R = U. Je kan deze formule ook I omschrijven naar U = R x I of naar I = U. Je hoeft niet te weten hoe dit omschrijven R in zijn werk gaat. Dat mag je gewoon aannemen. Wil je het echt heel graag weten, dan mag je het vragen. Je hebt een spanningsbron van 50 V. De stroomsterkte is 2 A. Bereken de weerstand. Je sluit een schakeling aan op een spanningsbron van 4,5 V. Je meet een weerstand van 150 Ω. Bereken de stroomsterkte. Een lampje kan maximaal 5V verdragen, anders gaat deze kapot. Een spanningsbron levert een stroomsterkte van 0,098A en heeft een weerstand van 50Ω. Bereken of het lampje kapotgaat als je de spanningsbron aanzet.
Spanning en stroomsterkte bij schakelingen. Deze opdracht is een practicum, dit wil zeggen, dat je ook echt met lampjes in de weer gaat. Een practicum doe je in groepjes. Hiervoor zijn een aantal dingen belangrijk: - Voordat je een schakeling in elkaar zit, teken je deze eerst. Dit zorgt voor overzicht en je ziet makkelijk wat je moet aansluiten op elkaar. - Zorg er altijd voor dat je de spanningsbron zo aanzet zoals aangegeven! Als je dit niet doet kunnen er onderdelen kapot gaan! - Als je een schakeling hebt ontworpen vraag je eerst aan een van ons de schakeling te controleren, voordat je de stroom inschakelt! Opdracht 1 Sluit 2 lampjes in serie aan op een spanningsbron. Sluit vervolgens de spanningsmeter parallel aan op het eerste lampje. Sluit daarna de stroommeter in serie aan achter hetzelfde lampje, dus tussen de lampjes in. Wat is de spanning van het lampje? En de stroomsterkte? Bereken nu de weerstand Opdracht 2 Sluit nu de spanningsmeter parallel aan op het andere lampje. Sluit de stroommeter aan achter beide lampjes. Wat is de spanning van het lampje? En de stroomsterkte? Opdracht 3 Sluit de spanningsmeter parallel aan op de spanningsbron. De stroommeter sluit je nu aan voor alle lampjes Meet opnieuw de spanning en de stroomsterkte.
Welk verband zie je tussen de verschillende spanningen die je hebt gemeten?... Welke verband zie je tussen de verschillende stroomsterktes die je hebt gemeten? Opdracht 4 Sluit 2 lampjes parallel aan op een spanningsbron. Sluit de spanningsmeter parallel aan het eerste lampje en sluit de stroommeter in serie aan achter datzelfde lampje. Welke spanning en stroomsterkte meet je? Opdracht 5 Sluit nu de spanningsmeter en de stroommeter aan op het andere lampje. Welke spanning en stroomsterkte meet je? Opdracht 6 Sluit de spanningsmeter parallel aan op de spanningsbron, en sluit de stroommeter in serie aan achter de spanningsbron. Welke spanning en stroomsterkte meet je? Bereken de weerstand. Welk verband zie je nu tussen de verschillende spanningen en stroomsterktes?
Uit het practicum zijn nu twee belangrijke regels af te leiden voor een serieschakeling. Schrijf deze hieronder op. Ook voor de prallelschakeling zijn twee belangrijke regels af te leiden. Noteer deze hieronder Oefening met de nieuwe regels. Drie lampjes zijn parallel aangesloten aan een spanningsbron. Lampje 1 heeft een spanning van 4,5 V. Lampje 2 heeft een spanning van 0,2 A. Bereken de weerstand van lampje 2. (tip: teken de schakeling, dan zie je sneller het verband.).. Er zijn 2 lampjes in serie aangesloten. De spanningsbron heeft een spanning van 9V. De weerstand is 40Ω. Bereken de stroomsterkte van lampje 1... Er zijn 2 lampjes in serie aangesloten op een spanningsbron van 16V. Lampje 1 heeft een spanning van 9V. Lampje 2 heeft een stroomsterkte van 0,3A. Bereken de weerstand van lampje 2.
Eindopdracht Ga na welke lichtbronnen jullie in het klaslokaal hebben. Kijk welke lampen tegelijkertijd aan- en uitgaan en welke apart. Kijk ook welke schakelaars je daarvoor hebt. De spanningsbron is het energienet van de school. Probeer de lichten en schakelaars in jullie klaslokaal in een schakeling te tekenen. Kijk ook eens naar stopcontacten. Het symbool is een aftakking tekenen.. Als er een in de schakeling zit mag je het als Mag je dit ook onderzoeken in andere ruimtes van de school? Wel eerst even vragen natuurlijk. Welke lampen hebben dezelfde spanning? En welke dezelfde stroomsterkte?