1 ENERGIE... 2 1.1. Inleiding... 2 1.2. Het omzetten van energie... 3 1.3. Fossiele brandstoffen... 12 1.4. Duurzame energiebronnen... 20 1.5. Kernenergie... 24 1.6. Energie besparen... 26 1.7. Energieverbruik berekenen... 29 2 ELEKTRICITEITSLEER... 36 2.1. Inleiding... 36 2.2. Atomen... 36 2.3. Moleculen... 41 2.4. Lading en elektriciteit... 44 2.5. Geleiders en islolatoren... 49 2.6. Stroomkringen... 54 3 GELUID... 58 3.1. Inleiding... 58 3.2. Geluidsbronnen... 59 3.3. Geluidsgolven... 62 3.4. Volume... 64 3.5. Toonhoogte... 66 3.6. Geluidssnelheid... 70 4. LICHT... 72 4.1. Inleiding... 72 4.2. Lichtbronnen... 73 4.3. Lichtgolven... 74 4.4. Zichtbaar licht en kleuren... 76 4.5. Spiegelen... 76 4.6. Lenzen... 76 4.7. Lichtsnelheid... 76 Bronvermelding...77
1 ENERGIE 1.1. Inleiding Bijna alles wat je doet kost energie. Als je gaat fietsen of als je iets zwaars op moet tillen wordt je moe omdat je energie gebruikt. Je werkt en daarna moet je de verbruikte energie weer aanvullen door te eten. Ook apparaten gebruiken energie als ze aan het werk moeten. Deze energie moet je steeds weer aanvullen, anders stopt het apparaat met werken. Als je een scooter hebt moet je af en toe tanken. In een kachel moet je brandstof stoppen want anders doet de kachel het niet. Je moet je mobieltje opladen anders doet ie het niet meer omdat de accu leeg raakt. In een zaklamp doe je batterijen die elektriciteit leveren. En bij een koffiezetapparaat, een strijkijzer of een gameconsole moet je een stekker in het stopcontact doen. Figuur 1 (Westerschool, 2014) Energie is dus heel belangrijk want zonder energie kunnen we bijna niets meer gebruiken. In dit hoofdstuk gaan we het vooral hebben over elektrische energie. Hoe wordt elektrische energie gemaakt? Hoe komt het in jouw huis terecht? En kan elektrische energie eigenlijk opraken? Figuur 2 (Illustratie uit Microsoft Word) 2
1.2. Het omzetten van energie Water komt uit een waterbron, olie komt uit een oliebron en energie komt uit een energiebron, zonder energiebron is er geen energie. En ook geen elektriciteit. Elektrische energie halen we meestal uit een stopcontact, een (oplaadbare) batterij of een dynamo. Figuur 3 (Illustratie uit Microsoft Word) Maar hoe komt die elektriciteit daar terecht? We hebben een energiebron nodig om de elektrische energie te kunnen maken die we nodig hebben en willen gebruiken. En de energie uit die bron moet we omzetten naar elektrische energie voordat we het kunnen gebruiken. Voorbeeld: Zonne-energie kun je niet zomaar gebruiken als bron voor elektriciteit. De zon geeft namelijk geen elektriciteit maar licht. En dat licht moeten we eerst ombouwen naar elektriciteit voor we er iets mee kunnen. Dit noemen we het omzetten van energie. 3
Zonne-energie Je kunt dus elektriciteit maken met zonne-energie. Het licht van de zon valt op een zonnepaneel en het zonnepaneel maakt er elektrische energie van. Vaak wordt gedacht dat een zonnepaneel de warmte van de zon gebruikt maar dat is niet zo. De zon geeft namelijk niet alleen warmte maar ook licht. In dat licht zitten fotonen en deze fotonen geven elk een klein beetje elektriciteit af. In een zonnepaneel wordt de elektriciteit van de fotonen opgevangen met een zonnecel. De zonnecel zet de energie uit zonlicht om in elektriciteit. Wij kunnen die elektrische energie dan gebruiken of verkopen. Figuur 4 (Illustratie uit Microsoft Word) Blokschema van het omzettingsproces: 4
Bewegingsenergie Om elektriciteit te maken kun je bewegingsenergie omzetten in elektrische energie. Dit kun je op verschillende manieren doen. Voorbeeld: Als je een fiets met een dynamo hebt moet je gaan fietsen om het lampje te laten branden. Je gaat fietsen, je voorwiel gaan draaien en de fietsband draait het wieltje van de dynamo rond. Door het draaien wekt de dynamo elektriciteit op. De elektriciteit stroomt door draadjes naar de lamp en het fietslampje gaat branden. Figuur 5 (Techna, 2014) Dus omdat de fietsband beweegt zet de dynamo bewegingsenergie om in elektrische energie. De dynamo maakt elektrische energie en het lampje gaat branden. Voorbeeld: In een windmolen zit een hele grote dynamo. Een grote dynamo noemen we een generator. De wind duwt tegen de wieken van de molen en de wieken gaan draaien. De wieken laten de as van de generator draaien en de dynamo gaat elektriciteit opwekken. De elektriciteit stroomt door dikke kabels naar een stad of fabriek en men kan de elektriciteit gaan gebruiken. De generator zet de bewegingsenergie van wind om in elektrische energie. In een waterkrachtcentrale zit ook een generator maar daar wordt de generator door stromend water aangedreven en niet door de wind. 5
Bij de vorige twee voorbeelden wordt energie opgewekt met hulp van milieuvriendelijke energiebronnen die niet opraken. We noemen deze energie dit duurzame energie. Blokschema van het omzettingsproces: 6
Verbrandingsenergie Hieronder staat nog een voorbeeld hoe je elektriciteit kunt opwekken. Voorbeeld: In een elektriciteitscentrale zit ook een grote dynamo met een soort propeller. Er wordt aardgas verbrand onder een grote waterketel. Door het koken van het water ontstaat stoom dat wil wegstromen, net zoals bij een waterketel. Het stoom laten ze wegstromen langs de propeller. Door de stromende lucht gaat de propeller draaien en de generator gaat elektriciteit leveren. Figuur 6 (Techna, 2014) Wat is nu eigenlijk het verschil met een windmolen? In deze elektriciteitscentrale is een extra stap nodig. Ze verbranden eerst fossiele brandstoffen om het water te verwarmen zodat er stoom ontstaat. De stoom laat de generator bewegen en de generator maakt elektriciteit. Er wordt dus eerst verbrandingsenergie gebruikt om de bewegingsenergie te maken die nodig is voor het maken van elektrische energie. Het aardgas wordt gebruikt als brandstof en aardgas is een fossiele brandstof. Verbrandingsenergie is niet milieuvriendelijk en fossiele brandstoffen raken op. De opgewekte energie is geen duurzame energie. Blokschema van het omzettingsproces in een elektriciteitscentrale: 7
Chemische energie We hebben gezien dat je elektriciteit kunt maken met zonne-energie en bewegingsenergie. Maar er is nog een manier om elektrische energie te maken. Er zijn chemische stoffen die elektrische energie maken als je ze samen gebruikt. Deze manier wordt niet gebruikt om elektriciteit op te wekken voor een hele stad of voor een fabriek. Je hebt dan ontzettend veel chemische stoffen nodig voor een klein beetje elektriciteit. Figuur 7 (Illustratie uit Microsoft Word) Toch is chemische energie wel erg handig. Chemische energie wordt namelijk vaak gebruikt om elektrische energie mee te nemen en bewaren als je ergens heen gaat waar geen stopcontact is. Het wordt gebruikt in een accu of in een batterij. Figuur 8 (Illustratie uit Microsoft Word) Voordeel: Er is geen stopcontact of dynamo nodig Nadelen: De chemische stoffen zijn slecht voor het milieu De (oplaadbare) batterijen raken leeg De elektriciteit kost veel meer geld dan die uit een stopcontact 8
Blokschema van het omzettingsproces: 9
Opdracht 1: R Welke soort energie gebruiken elektrische apparaten? Opdracht 2:R Welke nadelen zijn er bij het gebruik van chemische energie? Opdracht 3:R Hoe noemt men een grote dynamo meestal? Opdracht 4:T1 Noem vier soorten energie die je kunt omzetten in elektrische energie. Opdracht 5:T1 Welke drie soorten energie kom tegen je in een elektriciteitscentrale? Opdracht 6:T1 Een smartphone werkt ook als hij niet is aangesloten op het stopcontact. Welke energie wordt er omgezet in de accu om de smartphone te laten werken? 10
Opdracht 7:T2 Een elektriciteitscentrale zet warmte-energie om in bewegingsenergie. Leg uit hoe je dat ook in een gewone keuken zou kunnen doen. Opdracht 8:T2 Een dynamo zet bewegingsenergie om in elektrische energie. Hoe kun je er voor zorgen dat een dynamo meer elektriciteit gaat leveren? Opdracht 9:T2 Hoe kun je energie opwekken in een auto? En waar bewaar je de elektrische energie? Opdracht 10:I Met een dynamo kun je elektrische energie maken van bewegingsenergie. Maar andersom kan ook, je kunt van elektrische energie bewegingsenergie maken. Waarmee kun je dat doen? 11
1.3. Fossiele brandstoffen Fossiele brandstoffen worden uit de grond gehaald en zijn in miljoenen jaren ontstaan. De drie bekendste fossiele brandstoffen zijn: 1. Steenkool 2. Aardolie 3. Aardgas Steenkool is ontstaan uit plantenresten van bomen en planten die doodgingen. De plantenresten vielen op de grond en langzamerhand verdwenen ze onder een laag zand en klei. Door het gewicht werden de plantenresten samengedrukt. Figuur 9 (Schooltv-Fossiele brandstoffen, 2014) Als je plantenresten miljoenen jaren samenperst krijg je steenkool. Aardolie is ontstaan uit de resten van plankton. Plankton leeft in de zee en is ontzettend klein maar er is heel veel van. Als plankton doodgaat zakt het naar de bodem en als hier dan weer lagen zand of klei op komen te liggen verandert het langzamerhand in aardolie. Waar men aardolie vindt was dus miljoenen jaren geleden een zee met plankton er in. Aardgas is bij het ontstaan van steenkool of aardolie uit de resten van de planten of het plankton gedrukt. Aardgas wil opstijgen maar soms raakt het opgesloten onder de grond. Als dat gebeurt kunnen wij het met een boortoren weer boven de grond halen en gebruiken. Figuur 10 (Youngenergyproject-Ontstaan olie en gas, 2014) 12
Fossiele brandstoffen raken op Rond 1750 werd de stoommachine uitgevonden en dat was het begin van de Industriële Revolutie. Mensen gingen veel meer maken met machines in fabrieken in plaats van met hun handen. Die machines hadden brandstof nodig, eerst gebruikte men gewoon hout als brandstof maar later ging men fossiele brandstoffen gebruiken. Figuur 11 (Schooltv-Fabrieken, 2014) Elektriciteit heeft in de natuur altijd al bestaan maar rond 1850 begonnen mensen te ontdekken hoe ze zelf elektriciteit konden maken en gebruiken. Mensen maakten steeds meer apparaten die op elektriciteit werkten en dat zorgde natuurlijk voor een grote stijging van het energieverbruik. De uitvinding van de auto in 1885 zorgde ervoor dat er veel benzine nodig was en benzine wordt gemaakt van aardolie. Figuur 12 (Illustratie uit Microsoft Word) Aardolie wordt niet alleen gebruikt als brandstof maar er wordt ook kunststof van gemaakt. Kunststof is een ontzettend belangrijk materiaal, kijk maar eens wat voor spullen van kunststof je zelf allemaal gebruikt. Figuur 13 (Illustratie uit Microsoft Word) 13
De aarde heeft er miljoenen jaren over gedaan om fossiele brandstoffen te maken. De mensen hebben in 250 jaar bijna alles heel snel opgemaakt. Er is nog een voorraad steenkool voor enkele honderden jaren en het aardgas en de aardolie zullen binnen 60 jaar waarschijnlijk al op zijn. Figuur 14 (Illustratie uit Microsoft Word) Wij maken fossiele brandstoffen veel sneller op dan de aarde ze kan maken. Dit betekent dat we aan het einde van deze eeuw geen fossiele brandstoffen meer hebben en ook geen aardolie meer voor kunststof. 14
Fossiele brandstoffen zijn slecht voor het milieu De verbranding van fossiele brand stoffen is slecht voor het milieu omdat er schadelijke gassen vrijkomen. Een van die gassen is kooldioxide (CO2), maar bij verbranding ontstaan ook rook, roet en fijnstof. Deze stoffen zijn slecht voor het milieu en dus ook voor mensen, dieren en planten. Figuur 15 (Energyfuture, 2014) Niet alleen de verbranding van fossiele brandstof is schadelijk voor het milieu. Ook de winning en het transport van fossiele brandstoffen zijn schadelijk voor het milieu. Voor de winning van steenkolen zijn kolenmijnen nodig en soms wordt steenkolen aan de oppervlakte afgegraven. Hierdoor ontstaan enorme gaten in het landschap. Voor de winning van aardolie en aardgas worden boortorens neergezet om de fossiele brandstoffen boven de Figuur 16 (Sargasso, 2014)Strand Californië in 1918 grond te halen. Het milieu wordt dan vaak beschadigd en er kan van alles fout gaan zoals lekkage of brand. Het transport van olie en gas gaat vaak met hele lange leidingen die duizenden kilometers lang zijn of met een enorm schip. Bij het transport gaat wel eens iets fout. Soms breekt een olietanker of de olieleiding breekt in tweeën en dan loopt de zwarte olie zo de natuur in. Figuur 17 (NRC, 2014) 15
Fossiele brandstoffen maken afhankelijk Er zijn veel fossiele brandstoffen nodig maar het wordt steeds moeilijker om ze te vinden. En als ze gevonden zijn wordt het steeds moeilijker en duurder om ze boven de grond te krijgen. Als iets moeilijk te vinden is wordt het zeldzaam. De landen en bedrijven die veel aardolie en aardgas hebben willen daar veel geld en macht voor terug. Soms is niet degene die olie levert het probleem maar wordt het transport van brandstoffen onderweg door anderen tegengehouden. Brandstoffen worden vaak over grote afstanden vervoert voor het bij de gebruiker is. Onderweg kan iemand de Figuur 18 (Illustratie uit Microsoft Word) olieleiding dichtdraaien of olietankers tegenhouden om iets met dwang voor elkaar te krijgen. Wanneer een land zelf weinig fossiele brandstoffen heeft is het dus belangrijk om alternatieven te vinden zodat het niet afhankelijk van anderen wordt. Men kan bijvoorbeeld alternatieve energie gebruiken in plaats van fossiele brandstof. Ook kan men het energieverbruik verlagen zodat er minder energie nodig is. 16
We gebruiken met zijn allen ontzettend veel van deze fossiele brandstoffen. Uit het gasfornuis komt aardgas, de auto rijdt op benzine en ook de verwarming in het huis werkt vaak op aardgas of aardolie. Bijna alle elektriciteit wordt opgewekt met de verbranding van fossiele brandstoffen. En we gebruiken heel veel kunststof dat van aardolie wordt gemaakt. Het gebruik van fossiele brandstoffen zorgt er voor dat we in een fijn huis kunnen wonen, met de auto op reis kunnen en dat het licht brandt. Maar dit zijn de nadelen: 1. Fossiele brandstoffen raken op 2. Fossiele brandstoffen zijn slecht voor het milieu 3. Fossiele brandstoffen maken afhankelijk 17
Opdracht 11:R Wat zijn de bekendste fossiele brandstoffen? Opdracht 12:R Welke nadelen zijn er bij het gebruik van fossiele brandstoffen? Opdracht 13:R Fossiele brandstoffen worden niet alleen gebruikt als energiebron. Waar wordt aardolie nog meer voor gebruikt? Opdracht 14:T1 Is elektriciteit een uitvinding van de mens? Opdracht 15:T1 Stel dat iemand op één plaats aardolie en aardgas heeft gevonden. Welke van deze twee brandstoffen zit het diepste onder de grond? Waarom is dat zo? 18
Opdracht 16:T1 Noem 5 dingen die je bij je hebt waar kunststof in zit. Opdracht 17:T2 Een bos is 1000 jaar geleden afgestorven en onder de grond verdwenen. Is het hout van de bomen al in steenkolen veranderd? Leg je antwoord uit. Opdracht 18:T2 Waarom geeft het gebruik van windenergie ons meer vrijheid dan het gebruik van aardolie? Opdracht 19:I Als je een elektrische auto koopt gebruik je geen fossiele brandstoffen meer. Klopt dit? Verklaar je antwoord. 19
1.4. Duurzame energiebronnen Het woord duurzaam heeft niets te maken met duur als in geld. Duurzame energiebronnen worden zo genoemd omdat deze bronnen niet opraken. Je kunt ze eeuwigdurend gebruiken. En duurzame energie is ook milieuvriendelijk. Duurzame Figuur 19 (Illustratie uit Microsoft Word) energiebronnen worden ook wel alternatieve energiebronnen genoemd. Het woord alternatief betekent hier: een tweede mogelijkheid is om iets voor elkaar te krijgen. Vroeger wekte men elektrische energie op met fossiele brandstoffen. Tegenwoordig is een tweede mogelijkheid ( een alternatief ) het gebruik van duurzame energie. Enkele duurzame energiebronnen zijn: 1. Windenergie 2. Waterkracht 3. Zonne-energie 4. Bio-energie 5. Getijdenenergie 6. Aardwarmte Figuur 20 (Illustratie uit Microsoft Word) Voordelen 1. Duurzame energie raakt niet op. 2. Duurzame energie is minder schadelijk voor het milieu dan fossiele brandstoffen. Nadelen 1. Duurzame energie is moeilijker te maken en dus duurder dan energie die is opgewekt met fossiele brandstoffen. 2. Duurzame energie kan ook schadelijk zijn. 20
Sommige mensen denken dat het gebruik van duurzame energiebronnen niet schadelijk is voor het milieu. Dat klopt niet helemaal. Duurzame energie is minder schadelijk dan fossiele brandstoffen maar niet onschadelijk. Want duurzame energie kan schadelijk zijn door de apparaten die we erbij nodig hebben. En duurzame energie kan ook schadelijk zijn door de plek waar het wordt gemaakt. Figuur 21 (Schooltv-Energiebronnen, 2014) Voorbeeld 1: Windmolens worden in fabrieken gemaakt van metaal, kunststof en allerlei andere materialen. Deze materialen en de energie voor de fabrieken die windmolens maken worden uit de natuur gehaald. Dit is ook slecht voor het milieu. Bovendien vinden veel mensen al die windmolens erg lelijk en staan ze soms op Voorbeeld 2: Waterkracht wordt vaak opgewekt met een stuwdam en een stuwmeer. Onderin de dam zit een gat waardoor het water stroomt en de kracht van dat stromende water wordt gebruikt om elektriciteit op te wekken. Om een stuwmeer te maken wordt vaak in het dal van een rivier een stuwdam gebouwd. De dam houdt het water van de rivier tegen. Hierdoor ontstaat achter de dam een meer van honderden meters diep. In het overstroomde dal woonden vaak mensen en dieren die door het water worden verjaagd en hun woonplek kwijtraken. 21
Opdracht 20:R Noem drie duurzame energiebronnen. Opdracht 21:R Noem twee voordelen van duurzame energie. Opdracht 22:R Hoe noemt men een grote dynamo? Opdracht 23:T1 Welk nadeel is er aan het gebruik van waterkrachtcentrales? Opdracht 24:T1 Welke duurzame energiebron maakt geen gebruik van bewegingsenergie? Opdracht 25:T2 Getijdenenergie wordt opgewekt door gebruik te maken van eb en vloed. Hoe zou je met eb en vloed elektrische energie kunnen opwekken? 22
Opdracht 26:T2 Welke duurzame energiebron kun je gebruiken om je mobiele telefoon op te laden als je buiten bent? Opdracht 27:I Welke duurzame energiebron zou je op de maan gebruiken? 23
1.5. Kernenergie Kernenergie is ook een alternatieve energiebron want er worden geen fossiele brandstoffen gebruikt. In een kerncentrale wordt uranium gebruikt om water te verhitten zonder dat er iets verbrand hoeft te worden. Er komt ontstaat dus geen rook. De stoom van het hete water laat een Figuur 22 (Milieucentraal, 2014) dynamo draaien en door deze beweging wordt de elektriciteit gemaakt. De staven die het water verhitten zijn van uranium gemaakt en uranium is radioactieve stof. Als ze niet meer goed werken worden ze vervangen door nieuwe. De oude staven zijn dan radioactief afval geworden en we weten nog niet goed hoe we daar veilig mee om moeten gaan. Radioactiviteit zie je niet maar het is zeer schadelijk omdat je er kanker van kunt krijgen. We kunnen het afval niet ongevaarlijk maken en het duurt miljoenen jaren voor het radioactieve afval uit zichzelf niet meer gevaarlijk is. Als men kernenergie wil gebruiken zal dat dus heel veilig moeten gebeuren en dat kost veel geld. Voordelen 1. Geen verbranding, dus geen schadelijke gassen 2. Uranium is redelijk goedkoop Nadelen 1. Kerncentrales zijn duur om te bouwen 2. Radioactief afval 3. Radioactieve straling bij ongelukken 24
Opdracht 28:R Welke radioactieve stof gebruikt men in een kerncentrale? Opdracht 31:T1 Wordt er verbrandingsenergie gebruikt in een kerncentrale? Verklaar je antwoord. Opdracht 32:T1 Welke kleur heeft radioactieve straling? Opdracht 34:T2 Waarom is een kerncentrale duur om te bouwen? Opdracht 35:I Soms komt er een wolk uit een kerncentrale. Wat zou dit kunnen zijn? 25
1.6. Energie besparen Het gebruik van fossiele brandstof is slecht voor het milieu. We hebben in dit hoofdstuk gezien dat fossiele brandstoffen opraken als we zo doorgaan. Als dit gebeurt wordt elektriciteit heel duur en elektriciteit is heel belangrijk voor ons leven. Denk maar aan de verlichting in je huis, je mobiel, de wasmachine en de verwarming. Figuur 23 (Illustratie uit Microsoft Word) Maar ook de overheid, bedrijven en ziekenhuizen gebruiken veel elektriciteit. Alles wat je nodig hebt wordt dus veel duurder als elektriciteit duur wordt. Mensen zijn gaan zoeken naar manieren om energie te maken waarbij geen fossiele brandstoffen nodig zijn. Daarom is men alternatieve energiebronnen gaan gebruiken. Je ziet steeds meer zonnepanelen verschijnen en ook worden er steeds meer windmolens neergezet. Deze apparatuur wordt steeds beter en goedkoper en we zijn dus op de goede weg. Figuur 24 (Schooltv-Geld, 2014) Het lijkt er op dat fossiele brandstoffen steeds meer worden vervangen door alternatieve energie. Alleen wordt er nog veel te weinig alternatieve energie gemaakt voor wat wij nodig hebben. En we hebben in dit hoofdstuk ook al gezien dat alternatieve energie ook nadelen heeft. 26
Er is nog een manier om minder fossiele brandstof te gebruiken en dat is het besparen van energie. Als je energie niet gebruikt hoeft die energie natuurlijk ook niet te worden gemaakt met een zonnepaneel of in een elektriciteitscentrale. De overheid en veel bedrijven zijn al bezig met het verlagen van hun energieverbruik. Maar wat kun je zelf doen om energie te besparen? Voorbeelden: 1. Apparatuur die je niet gebruikt uitzetten 2. Verwarming lager zetten 3. Licht uit doen als je weg gaat 4. Minder warm water gebruiken 5. Ramen en deuren sluiten 6. Minder vaak met de auto En natuurlijk niet te vergeten: Minder plastic gebruiken want dat wordt van aardolie gemaakt. Als je op je eigen energieverbruik let zul je zien dat je vrij gemakkelijk energie kunt besparen. Je kunt het zelfs uitrekenen want Figuur 25 (Illustratie uit Microsoft Word) op bijna elk apparaat zit een plaatje waarop staat hoeveel elektriciteit (Watt) het gebruikt. 27
Opdracht 36:R Kijk om je heen en zoek drie dingen op die elektrische energie gebruiken. Opdracht 37:R Noem drie dingen die je zelf kunt veranderen om energie te besparen. Opdracht 38:T1 Schrijf tien elektrische apparaten op die jullie thuis hebben. Opdracht 39:T1 Noem twee redenen op waarom het goed is om energie te besparen. 28
1.7. Energieverbruik berekenen Hoe reken je uit hoeveel het gebruiken van elektriciteit kost? Als er 1 uur lang 1000 Watt gebruikt wordt zegt men: Het energieverbruik is 1 kwh. Waarom zegt men kwh? 1000 Watt = 1 kilowatt = 1 kw 1 uur is 1 hour en de afkorting van hour = h. Je moet dus weten: Hoeveel kilowatt gebruikt een apparaat? Hoeveel uren is het apparaat gebruikt? En: Energiegebruik x tijd = kw x h = kwh 1 kwh kost ongeveer 0,20. Nu kun je je kosten uitrekenen: kwh x 0,20 = kosten 29
Het plaatje hieronder is een typeplaatje. Zo n plaatje zit op veel elektrische apparaten en je kunt er op lezen welk merk en type het apparaat is. Ook kun je er op lezen hoeveel energie het apparaat gebruikt. Dit plaatje zit op een stofzuiger en de stofzuiger gebruikt meestal 1900 W. Figuur 26 Op de onderste foto zie je een meterkast, elk huis heeft er een. In een meterkast zitten automatische zekeringen voor de veiligheid. Dat zijn de groene en zwarte schakelaars bovenaan. Als er kortsluiting is schakelen die de elektriciteit automatisch uit, je kunt ze zelf weer aanzetten als het weer veilig is. Maar er hangt ook een kwh-meter in de meterkast. Dat is het witte blok onderaan. Op de cijfers kun je aflezen hoeveel kwh je gebruikt hebt. Het bedrijf dat in jouw huis elektriciteit levert houdt bij hoeveel kwh je gebruikt hebt zodat ze weten hoeveel je moet betalen. Je moet een keer per jaar zelf opgeven welke cijfers er op de kwh-meter staan. Maar soms komt er iemand bij je aan de deur om te controleren of je je verbruik wel goed hebt opgegeven en of de kwh-meter nog goed werkt. Figuur 27 30
Voorbeeld 1: Een gloeilamp in de woonkamer is 60 Watt. De LED-lamp is maar 10 Watt en geeft toch even veel licht. Als je een gloeilamp vervangt door een LED-lamp bespaar je elektriciteit en geld. De gloeilamp gebruikt 6x zoveel elektriciteit en is dus ook 6x zo duur in het gebruik. Voorbeeld 2: Je hebt een computer hebt die 300 W gebruikt. Je gebruikt de computer 600 minuten. Hoeveel kost dat? Uitleg: Reken eerst W om in kw 300 W = 0,3 kw. Reken nu de minuten om in uren. 600 min = 10 uren Je hebt aan elektrische energie gebruikt: 0,3 kw x 10 uren = 0,3 x 10 = 3 kwh Op de vorige bladzijde kun je lezen dat 1 kwh 0,20 kost. Dus 3 kwh kost: 3 x 0,20 = 0,60 31
Opdracht 40:T2 Als je een apparaat van 1000 Watt een uur lang gebruikt dan kost dat ongeveer 0,20. Een wasdroger gebruikt 1000 Watt en staat 2,5 uur aan. Laat met een rekensom zien hoeveel dit kost. Opdracht 41:T2 Hoeveel kost het als je wasdroger een jaar lang elke dag 2,5 uur gebruikt? Laat met een rekensom zien hoeveel dit kost. Opdracht 42:I Waarom gebruikt een gloeilamp veel meer energie dan een led-lamp? Opdracht 43:I Hoeveel kost een kilowattuur (kwh)? 32
Opdracht 44a:T1 Een apparaat van 2000 Watt wordt 3 uur lang gebruikt. Hoeveel kwh is er gebruikt? Schrijf de berekening op. Opdracht 44b:T1 Hoeveel kost dit? Schrijf de berekening op. Opdracht 45a:T1 Een apparaat van 1500 Watt wordt 16 uur lang gebruikt. Hoeveel kwh is er gebruikt? Schrijf de berekening op. Opdracht 45b:T1 Hoeveel kost dit? Schrijf de berekening op. Opdracht 46a:T1 Een apparaat van 600 Watt wordt 3 uur lang gebruikt. Hoeveel kwh is er gebruikt? Schrijf de berekening op. Opdracht 46b:T1 Hoeveel kost dit? Schrijf de berekening op. 33
Opdracht 47a:T1 Een apparaat van 10 Watt wordt 1 uur lang gebruikt. Hoeveel kwh is er gebruikt? Schrijf de berekening op. Opdracht 47b:T1 Hoeveel kost dit? Schrijf de berekening op. Opdracht 48a:T1 Een apparaat van 1000 Watt wordt 30 minuten gebruikt. Hoeveel kwh is er gebruikt? Schrijf de berekening op. Opdracht 48b:T1 Hoeveel kost dit? Schrijf de berekening op. Opdracht 49:T2 Een apparaat van 250 Watt wordt een hele week gebruikt. Hoeveel kost dat? Schrijf de berekening op. 34
Opdracht 50a:T2 In een huis hangen 15 lampen van 60 W. Gemiddeld branden ze 3 uur per dag. Hoeveel kwh wordt er per jaar gebruikt door al deze lampen bij elkaar? Schrijf de berekening op. Opdracht 50b:T1 Hoeveel kost de verlichting van het huis per jaar? Schrijf de berekening op. Opdracht 50c:T2 Alle 15 lampen in het huis worden vervangen door LED-lampen van 6 W. Ook deze lampen worden 3 uur per dag gebruikt. Wat kost het nu per jaar? Schrijf de berekening op. Opdracht 50d: I Hoeveel geld bespaar je in het eerste jaar door LED-lampen van 5,00 per stuk te gebruiken? Schrijf de berekening op. Opdracht 50e: I En hoeveel geld bespaar je in het volgende jaar? Schrijf de berekening op. 35
2 ELEKTRICITEITSLEER 2.1. Inleiding Je hebt al geleerd dat elektriciteit kan worden geleverd m bewegingsenergie (dynamo), chemische energie (batterij) of door duurzame energiebronnen (zon, wind en water). Maar hoe kan elektriciteit ontstaan? En waarom kan elektriciteit wel door de ene stof heen stromen maar niet door een andere stof? Dit heeft te maken met atomen. Figuur 28 (Illustratie uit Microsoft Word) 2.2. Atomen Alles om je heen is opgebouwd uit atomen. En elk atoom is weer opgebouwd uit protonen, elektronen en neutronen. De protonen en neutronen zitten in de kern van het atoom, de elektronen draaien om de kern heen. Elektron Neutron Proton 36
Er zijn heel veel verschillende atomen want er zijn heel veel verschillende stoffen. Sommige atomen zijn heel eenvoudig en andere zijn heel ingewikkeld. Hieronder zie je een paar voorbeelden van bekende atomen. Waterstofatoom Koolstofatoom Zuurstofatoom Deze drie atomen zijn vrij eenvoudig maar er zijn ook veel grotere atomen. Het goud-atoom heeft bijvoorbeeld 79 protonen en 118 neutronen in de kern en daar draaien 79 elektronen omheen. Atomen vind je overal om je heen. Koolstofatomen zitten bijvoorbeeld in de punt van een potlood en in houtskool. En een glaasje water zit vol waterstofatomen en zuurstofatomen. Figuur 30 (Illustratie uit Microsoft Word) Figuur 29 (Illustratie uit Microsoft Word) In deze tabel zie je een paar voorbeelden van bekende atomen. Atomen hebben allemaal hun eigen afkorting die meestal bestaat uit 1 of 2 letters. Meestal komen die afkortingen uit een vreemde taal. Daarom lijkt de afkorting niet altijd erg logisch. Atoom Afkorting Zuurstof O Oxygen Koolstof C Carbon Waterstof H Hydrogen 37
En hieronder nog een paar voorbeelden van atomen: IJzer Helium Goud Koper Chloor Fluor Kwik Stikstof Fe He Au Cu Cl Fl Hg N In totaal bestaan er meer dan 100 atomen waaruit alles om je heen is opgebouwd. 38
Opdracht 51:R Waaruit bestaan atomen? Opdracht 52:R Wat zit er in kern van een atoom? Opdracht 53:T1 Zitten er atomen in de zon? Verklaar je antwoord. Opdracht 54:T1 Bestaat de lucht ook uit atomen? Verklaar je antwoord. Opdracht 55:T2 Bij verbranding ontstaat het gas kooldioxide (CO 2). Soms ontstaat er bij verbranding het gas koolmonoxide (CO) in plaats van kooldioxide. Welk gas heeft meer zuurstofatomen? Leg je antwoord uit. 39
Opdracht 56:T1 Wat draait er om de kern van een atoom? Opdracht 57:I Kan een stof die atomen bestaat soms vloeibaar zijn en soms een vaste stof? Verklaar je antwoord, dit mag ook met een voorbeeld. 40
2.3. Moleculen Atomen zitten meestal in een groepje aan elkaar vast, zo n bouwwerkje van atomen noemen we een molecuul. In het vorige hoofdstuk heb je gelezen over koolmonoxide (CO) en kooldioxide (CO 2). Dit zijn moleculen en ze bestaan uit de atomen koolstof (C) en zuurstof (O). CO (koolmonoxide) bestaat uit 1 x C en 1 x O atomen. Dit molecuul wordt getekend als: C O Een simpelere manier van tekenen is: C = O Het = teken geeft dan de verbinding tussen de atomen aan. Het heeft niets met rekenen te maken. Bij CO 2 (kooldioxide) staat er een kleine 2 schuin onder de O. Dat betekent dat in het CO 2 molecuul 1 x C en 2 x O atomen zitten. Dit molecuul wordt getekend als: O C O Schematisch is dat: O = C = O H 2O (water) bestaat uit de atomen waterstof (H) en zuurstof (O). Er staat een 2 achter de H dus: H 2O bestaat uit 2 x H en 1 x O atomen Dit molecuul wordt getekend als: H O H Schema: H = O = H 41
NaCl (zout) bestaat uit de atomen Natrium en Chloor Er staan geen cijfers achter de Na en de Cl dus: NaCl bestaat uit 1 x Na en 1 x Cl atomen Dit molecuul wordt getekend als: Na Cl Schema: Na = Cl Alles is opgebouwd uit atomen en moleculen, zelfs dingen die je niet kunt zien. Maar wat zit er dan in de lucht die je inademt? Meer dan je denkt, en ook veel stoffen waarvan je nog nooit gehoord hebt. Lucht bestaat namelijk uit de volgende stoffen: Stof Stikstof (N 2) 78.09% Zuurstof (O 2) 20.94% Argon (Ar) 0.93% Koolstofdioxide (CO 2) 0.03% Neon (Ne) 0.0018% Helium (He) 0.00052% Methaan (CH 4) 0.00022% Krypton (Kr) 0.00010% Distikstofoxide (N 2O) 0.00010% Waterstof (H 2) 0.00005% Xenon (Xe) 0.00008% Deze tabel hoef je niet uit je hoofd te leren, maar het geeft wel aan dat echt alles om je heen uit atomen bestaat. En als het regent zit er ook nog heel veel H 2O in 42
Opdracht 58:R Hoe noemen we een groep atomen die aan elkaar vast zitten? Opdracht 59:T1 Teken het schema van een water: Opdracht 60a:T2 In de lucht zit het distikstofoxide. Zoek het op in de tabel op de vorige bladzijde en teken dit molecuul. Opdracht 60b:T2 Teken ook het schema van het molecuul distikstofoxide. Opdracht 61:T2 Zoutzuur (HCl) bestaat uit waterstofatomen (H) en chlooratomen (Cl). Teken het schema van een zoutzuurmolecuul: Opdracht 62a:I In lucht zit ook het gas methaan. Teken dit molecuul. Opdracht 62b:I Teken het schema van methaan: 43
2.4. Lading en elektriciteit Wanneer kan elektriciteit door iets heen stromen? Dit heeft te maken met de elektronen in de atomen van het materiaal. Elk atoom heeft elektronen en protonen. Deze hebben lading want protonen zijn positief en elektronen zijn negatief. Proton Positieve lading Neutron Geen lading Elektron Negatieve lading Als in een stof het aantal protonen en elektronen verschillend is, dan is er een verschil aan plusjes en minnetjes. Als er meer elektronen zijn is de lading negatief. Als er meer protonen zijn is de lading positief. Neutronen In een atoom zitten ook nog neutronen maar die doen niets met lading en elektriciteit. Ze hebben geen lading en zorgen er voor dat het atoom niet makkelijk uit elkaar valt. Neutronen zijn neutraal, oftewel: De lading van neutronen is gelijk aan nul (0). 44
Als een stof positief (+) of negatief (-) is, dan is er lading. Hoe groter het verschil tussen de elektronen en de protonen is, hoe meer lading er is. En een grotere lading kan voor meer elektrische energie zorgen. Dit betekent dat een accu (= oplaadbare batterij) voor een vrachtauto een veel grotere lading heeft dan een batterij voor een fietslampje. De accu voor de vrachtauto moet natuurlijk veel meer kracht leveren dan een die van een fietslampje. Hieronder zie je drie voorbeelden van stoffen en hoe je kunt uitrekenen of die stof lading heeft. Stof Tellen Uitrekenen Oplossing Proton(+): 10 Neutron(0): 6 Elektron(-): 5 +1 x 10 = +10 0 x 6 = 0-1 x 5 = -5 +5 De lading is positief Stof Tellen Uitrekenen Oplossing Proton(+): 4 Neutron(0): 4 Elektron(-): 7 +1 x 4 = +4 0 x 4 = 0-1 x 7 = -7-3 De lading is negatief Stof Tellen Uitrekenen Oplossing Proton(+): 6 Neutron(0): 2 Elektron(-): 6 +1 x 6 = +6 0 x 2 = 0-1 x 6 = -6 0 Er is geen lading 45
Als er meer elektronen(-) dan protonen zijn, dan is er een stof met een negatieve lading(-). Als er meer protonen(+) dan elektronen zijn, dan is er een stof met een positieve lading(+). Als het aantal elektronen en protonen gelijk is, dan is er geen verschil tussen + en -. Er zijn evenveel plusjes als minnetjes. Dit noemt men neutraal, er is geen lading en er ontstaat geen elektriciteit. 46
Opdracht 63:R Welke lading heeft een elektron? Opdracht 64:R Welke lading heeft een proton? Opdracht 65:R Welke lading heeft een neutron? Opdracht 66:T1 In een stof zitten: 10 protonen, 10 elektronen en 10 neutronen. Welke lading heeft deze stof? Laat dit zien met een berekening. Opdracht 67:T1 In een stof zitten: 10 protonen, 11 elektronen en 10 neutronen. Welke lading heeft deze stof? Laat dit zien met een berekening. Opdracht 68:T1 In een stof zitten: 12 protonen, 11 elektronen en 2 neutronen. Welke lading heeft deze stof? Laat dit zien met een berekening. 47
Opdracht 69:T1 In een stof zitten evenveel elektronen als protonen. Wat voor lading heeft deze stof? En waarom? Welke lading heeft deze stof? Leg je antwoord uit. Opdracht 70:T2 Er worden een paar protonen in de stof van opdracht 69 toegevoegd. Wat gebeurt er met de lading van deze stof? Verklaar je antwoord. Opdracht 71 :I Kan een wollen trui lading hebben? Verklaar je antwoord met een uitleg of een voorbeeld. 48
2.5. Geleiders en islolatoren Elektriciteit kun je vergelijken met water. Als er op de ene plek teveel water is en op een andere plek te weinig dan wil het water gaan stromen. Maar dan moet er wel iets zijn waar het water door weg kan stromen, zoals bijvoorbeeld een afvoerleiding. Figuur 31: Geleiders (JPK) Bij elektronen werkt dit ook zo. Elektriciteit kun je weg laten stromen door een stukje koperdraad want koper kan elektriciteit doorlaten. Zo n stof die elektriciteit doorlaat noemen we een geleider. Geleiders hebben elektronen die vrij kunnen stromen, we noemen dit vrije elektronen. De elektronen kunnen vrij stromen dus de elektriciteit kan makkelijk door die stof gaan stromen. Elektriciteit kan niet door alle stoffen heen, zoals bijvoorbeeld kunststof (plastic) of glas. Dit komt door de elektronen in die stof. De elektronen zitten vast aan het atoom en kunnen niet zomaar gaan waar ze willen, de elektronen zijn niet vrij. Zo n stof noemen we een isolator. Geleiders zijn stoffen met vrije elektronen, ze laten elektriciteit door. Isolatoren zijn stoffen zonder vrije elektronen, ze laten geen elektriciteit door. 49
Geleiders zijn vaak metalen zoals goud, koper en ijzer. Deze stoffen geleiden allemaal elektriciteit, maar de ene stof kan dat beter dan de andere. Goud geleidt de elektriciteit heel goed, ijzer doet dat minder goed. Daarom wordt in een computer of een smartphone meestal goud gebruikt als geleider want als de elektriciteit beter door de computer kan stromen zal deze beter (en sneller) werken. Bekende isolatoren zijn kunststof en rubber. Vaak worden deze gebruikt om kabels en snoeren veilig te kunnen gebruiken, de isolator zit dan om de geleider heen. Maar hoe werkt dat verplaatsen van elektronen dan? En hoe gebeurt dat in het echt? We kunnen elektriciteit vergelijken met het water. Links is veel water, rechts is weinig water. Het water links wil wel naar rechts maar dat kan niet want er is geen verbinding waar het water doorheen kan. Er wordt een verbinding gemaakt die water kan doorlaten. Het water wil links en rechts even hoog zijn en stroomt naar rechts. Als er links en rechts evenveel water is dan stopt het water met stromen. Er is nog wel water in beide bakken maar het stroomt alleen niet meer. 50
Hieronder zie je hoe elektronen kunnen gaan stromen. Links zie je veel elektronen, links heeft een negatieve lading(-). Rechts zie je geen elektronen, rechts heeft een positieve lading(+). De elektronen links willen wel naar rechts maar dat kan niet want er is geen verbinding. Er wordt een verbinding gemaakt die elektriciteit kan doorlaten. De elektronen stromen naar rechts. De protonen en de elektronen gaan zich over links en rechts verdelen.. Als er links en rechts evenveel elektronen zijn dan stopt de elektriciteit met stromen. Links is neutraal en rechts ook, er is geen verschil in lading meer tussen links en rechts. Er zijn nog wel elektronen maar ze stromen niet meer. Wat je hierboven zag kom je ook vaak in het echt tegen. Je kunt het goed vergelijken met een fietslampje met een batterij. Op de volgende bladzijde zie je hoe dat werkt. 51
Batterij Schakelaar Lamp Batterij Schakelaar Lamp Batterij Schakelaar Lamp Batterij Schakelaar Lamp Bij de + zijn geen elektronen. Bij de zijn veel elektronen. De elektronen willen graag gaan stromen. De batterij noemen we vol. De schakelaar is open. De elektronen kunnen er niet door. De lamp is uit. Bij de + zijn weinig elektronen. Bij de zijn veel elektronen. De elektronen gaan stromen. De batterij noemen we vol. De schakelaar is gesloten. De elektronen kunnen er wel door. De lamp geeft veel licht. Bij de + zijn een paar elektronen. Bij de zijn minder elektronen. De elektronen zijn nog niet verdeeld. De batterij noemen we halfvol. De schakelaar is gesloten. De elektronen kunnen er door. De lamp geeft minder licht. De elektronen zijn verdeeld over beide kanten van de batterij. De elektronen willen niet meer stromen. De batterij noemen we leeg. De schakelaar is gesloten, maar er stromen geen elektronen meer doorheen. De lamp is uit. 52
Opdracht 72:R Welke soort stoffen hebben vrije elektronen? Opdracht 73:R Welke soort stoffen hebben geen vrije elektronen? Opdracht 74:R Een stof heeft geen vrije elektronen. Kan er elektriciteit door deze stof stromen? Leg uit. Opdracht 75:T1 Geef drie voorbeelden van stoffen met vrije elektronen. Opdracht 76:T2 Geef drie voorbeelden van stoffen zonder vrije elektronen. Opdracht 77:I Er stroomt elektriciteit door het snoer van je oplader. Toch krijg je geen schok als je het snoer vastpakt. Hoe kan dat? 53
2.6. Stroomkringen We hebben geleerd dat elektriciteit wel door geleidende stoffen kan stromen en niet door isolerende stoffen. In het voorbeeld van het fietslampje zag je dat er nog iets belangrijk is om elektriciteit te laten stromen. De schakelaar moet worden gesloten om de elektronen te kunnen laten stromen. Als je dit niet doet gaat de lamp niet branden. De weg die elektriciteit door een apparaat of een gebouw kan volgen noemen we een stroomkring. Hiernaast zie je een elektrisch schema van een lamp die je aan kunt zetten met een schakelaar. Als de schakelaar open staat kan er geen stroom lopen. De stroomkring is onderbroken en de lamp brandt niet. Als de schakelaar gesloten is kan er wel stroom lopen, want de stroomkring is gesloten en de lamp gaat branden. Er is ook altijd een spanningsbron nodig voordat er elektriciteit kan gaan stromen. Dit kan bijvoorbeeld een stopcontact, en dynamo of een (oplaadbare) batterij zijn. De betekenis van de symbolen: Spanningsbron Schakelaar Lamp 54
Wanneer kan elektriciteit gaan stromen? - Er is een spanningsbron - Het materiaal is geleidend - De stroomkring is gesloten Als er veel onderdelen in een elektrisch apparaat zitten hangt het van de schakelaars af waar elektriciteit kan gaan stromen. Voorbeeld: In dit voorbeeld kun je lamp A aan- of uitzetten met schakelaar X. Met schakelaar Y zet je lamp B en C allebei tegelijk aan of uit. 55
Opdracht 78: Je sluit schakelaar X. Gaat lamp A branden? Gaat lamp B branden? Opdracht 79: Je sluit schakelaar X. Gaat lamp A branden? Gaat lamp B branden? Opdracht 80: Je sluit alleen schakelaar X. Gaat lamp A branden? Je sluit alleen schakelaar Y. Gaat lamp A branden? Je sluit schakelaar X en Y. Gaat lamp A branden? Opdracht 81: Alleen Lamp B moet gaan branden. Welke schakelaar(s) moet je sluiten? 56
Opdracht 82: Lamp B moet uitgezet worden. Wat moet je doen? Opdracht 83: Welke drie zaken zijn er nodig om elektriciteit te laten stromen? Opdracht 84: Teken het symbool van een spanningsbron: Opdracht 85: Teken het symbool van een lamp: Opdracht 86: Teken het symbool van een schakelaar: 57
3 GELUID 3.1. Inleiding Je denkt er niet altijd bij na maar je hoort altijd geluid. s Nachts is er meestal weinig geluid. Je hoort soms een dier buiten of je hoort de wind waaien. Overdag hoor je verkeer, mensen praten en je hoort vaak muziek of werkende mensen. Er is overdag dus heel veel geluid te horen. Figuur 32 (Illustratie uit Microsoft Word) Soms vinden we het geluid hard en soms vinden we het geluid zacht. Dit noemen we het volume van het geluid. Geluid kan niet alleen hard of zacht klinken. Je kunt ook verschillende toonhoogtes horen. Als een vogeltje piept hoor je een hoge toon en als een leeuw brult hoor je een lage toon. En op een gitaar geeft een dunne snaar een hoge toon en de dikste snaar geeft een lage toon. Hoe kan dat? Waarom hoor je geluid? Waarom hoor je geluid hard of zacht? En waarom heeft een geluid een hoge of een lage toon? Dat komt omdat geluid een trilling is, net als de wind of de golven in de zee. Figuur 33 (Illustratie uit Microsoft Word) 58
3.2. Geluidsbronnen Geluid wordt gemaakt door een geluidsbron zoals een luidspreker, een stem, een gereedschap of de natuur. Er zijn heel veel geluidsbronnen. In de natuur maken dieren geluid of je hoort de wind en de zee. Thuis kun je met een luidspreker muziek horen en de wasmachine maakt ook geluid. Buiten hoor je verkeer, mensen praten of maken geluid tijdens het werk. Een luidspreker is een geluidsbron. De luidspreker beweegt en daarom ontstaat een trilling. Daarna gaat het geluid door de lucht, het water of een ander materiaal zoals steen of hout tot het bij jouw oor is. Jouw oor is dan de ontvanger van het geluid. Figuur 34 (Tweaking4all, 2014) De geluidsbron en de geluidsontvanger (jouw oor) bepalen hoe jij het geluid hoort. Vind je het volume hoog of laag? En is de toon hoog of juist laag? 59
Figuur 35 (Schooltv, 2014) Je ziet een afbeelding van het oor. Links komt de bewegende lucht het oor binnen. In jouw oor zitten hele kleine trilhaartjes vast aan de gehoorzenuw helemaal rechts op de tekening. De gehoorzenuw geeft de beweging van de trilhaartjes door aan jouw hersenen. Voorbeeld: Je kunt geluid een beetje vergelijken met het waaien van de wind over een weiland. Het gras staat in de grond van het weiland en de grond voelt hoe het gras beweegt in de wind. De trilhaartjes in jouw oor bewegen als gras op een weiland. De zenuwen in jouw oor voelen het trillen van de trilhaartjes en geven dit door aan je hersenen. Daarom weet je wat voor geluid er is. 60
Voorbeeld: Je geeft met een hamer een klap op een metalen plaat. Wat gebeurt er daarna? 1. De plaat gaat door de klap trillen. 2. De lucht er omheen gaat daarom ook trillen. 3. De trillende lucht gaat op reis en onderweg komt het jouw oor tegen. 4. In jouw oor zitten hele kleine trilhaartjes en die gaan bewegen door de trillende lucht. 5. Jouw zenuwen in je oor voelen de trilhaartjes bewegen. 6. Door de beweging van de trilhaartjes weten jouw hersenen wat voor geluid het is: - Hard of zacht volume - Hoge of lage toon Maar: - Het kunnen ook allerlei tonen door elkaar zijn. Figuur 36 (Illustratie uit Microsoft Word) 61
3.3. Geluidsgolven Een harde klap op een trommel zorgt voor een grote beweging in de lucht en een zachte klap zorgt voor een kleine beweging in de lucht. Een grote trommel heeft een grote doorsnede. Het grote vel van de trom maakt grote, langzame golven in de lucht. Een kleine trommel heeft een kleine doorsnede. Het kleine vel van de trommel maakt korte, snelle geluidsgolfjes in de lucht. Figuur 37 (Illustratie uit Microsoft Word) Uit geluidsbronnen kunnen dus verschillende geluidsgolven komen. Al deze geluidsgolven klinken verschillend, ze hebben een ander geluid. De vorm van die golven kunnen we tekenen in een grafiek. 62
In de tabel zie je vier voorbeelden van geluidsgolven. Hoe ziet de golf er uit? Er zijn veel golfjes per seconde dus de toon is hoog. De golfjes zijn laag dus het volume is laag. Dit is een zachte pieptoon. Hoe ziet de golf er uit? Er zijn veel golfjes per seconde dus de toon is hoog. De golven zijn hoog dus het volume is hoog. Dit is een harde pieptoon. Hoe ziet de golf er uit? Er zijn weinig golfjes per seconde dus de toon is laag. De golfjes zijn laag dus het volume is laag. Dit is een zachte bromtoon. Hoe ziet de golf er uit? Er zijn weinig golfjes per seconde dus de toon is laag. De golven zijn hoog dus het volume is hoog. Dit is een harde bromtoon. Het aantal golven per seconde bepaalt hoe hoog je een toon hoort. Het aantal golfjes per seconde noemen we de frequentie. Veel kleine golfjes per seconde geeft een hoge toon. Weinig grote golven per seconde geeft een lage toon. De eenheid van frequentie is Hertz (Hz). 63
3.4. Volume Als je muziek harder wil zetten doe je dat met de volumeknop. Je doet het volume omhoog en het geluid wordt luider. En als je het volume omlaag doet wordt het geluid zachter. Door het volume hoger te zetten gaat de luidspreker meer bewegen, de top van de geluidsgolf wordt hoger, er beweegt meer lucht en je hoort het geluid harder. Figuur 38 (Illustratie uit Microsoft Word) De golven zijn laag. Dus het volume van het geluid is zacht. De golven zijn hoger en lager. In de grafiek zie je een grote afstand tussen toppen en de dalen. Dan is het volume van het geluid hoog.. De beweging van een geluidsgolf kun je goed merken als je op het vel van een grote trommel slaat. Als je hard slaat buigt het vel dieper door en er komt een grote deuk in het vel. Door die grote beweging maakt het drumvel een grote golf in de lucht. De trommel beweegt de lucht dus meer waardoor de trilhaartjes in je oor ook meer gaan bewegen: je zenuwen voelen dat en je hersenen weten dan dat er een harde klap is geweest. 64
De afstand tussen de top en het dal van een golf bepaalt hoe hard je het geluid hoort. Als de afstand klein is, dan is het geluid zacht: het volume is laag. Als de afstand groot is, dan is het geluid hard: het volume is hoog. De eenheid van volume is decibel (db). Hoe hard is 50 decibel eigenlijk? Of 100 db? Hieronder zie je een lijst met wat geluiden zodat je enig idee hebt. 0 db Niet hoorbaar 10 db Nog net hoorbaar 30 db Zachtjes fluisteren op een afstand van 5 meter 50 db Rustig. Alsof je alleen door een bos wandelt. 70 db Stofzuiger, druk gepraat, verkeer 90 db Schreeuwen, zware vrachtauto op een paar meter afstand 100 db Begin van gehoorschade. Harde muziek bij een feest 110 db Luide koptelefoon (of oortjes ), motorzaag 120 db Hardste schreeuwstem, toeter van een auto op 1 meter 130 db Pijngrens. Luchtalarm, straaljager vlakbij 150 db Vuurwerk op 1 meter, pistoolschot 180 db Onherstelbare gehoorschade. Opstijgen van een raket 65
3.5. Toonhoogte We horen niet alleen of een geluid hard of zacht is, maar we horen ook of een geluid een hoge of lage toon heeft. Je ziet dat een grote trommel een grote geluidsgolf maakt in de lucht. Het maken van een grote golf kost veel moeite, daarom beweegt een grote golf langzamer in de lucht. De trilhaartjes in je oor gaan daarom ook langzamer heen en weer. Jouw hersenen herkennen hierdoor een lage toon. Figuur 39 (Illustratie uit Microsoft Word) Een kleine trommel maakt een snellere beweging in de lucht. Een korte golf beweegt veel sneller en de trilhaartjes in je oor gaan dan sneller heen en weer. Jouw hersenen herkennen nu een hoge toon. Hoe ziet de golf er uit? Er zijn weinig golfjes per seconde dus de toon is laag. Hoe ziet de golf er uit? Er zijn veel golfjes per seconde dus de toon is hoog. 66
Frequentie: De lengte van een geluidsgolf bepaalt hoe hoog of hoe laag je het geluid hoort. Als een golf lang is dan passen er weinig golven in 1 seconde. Er zijn weinig golven per seconde. De frequentie is laag. En: Een lage frequentie = een lage toon Als een golf kort is dan passen er veel golven in 1 seconde. Er zijn veel golven per seconde. De frequentie is hoog. En: Een hoge frequentie = een hoge toon Frequentie is hoe vaak iets gebeurt in een bepaalde tijd. De eenheid van toonhoogte is frequentie (Hz). Als er 1 golf per seconde is zegt men: de frequentie is 1 Hz. Bij 1000 golven per seconde is de frequentie 1000 Hz. 1000 Hz staat gelijk aan 1 khz (1 kilohertz). Bij 1.000.000 golven per seconde is de frequentie 1.000.000 Hz. 1.000.000 Hz = 1000 khz (1000 kilohertz) 1.000.000 Hz = 1 MHz (1 megahertz). 67
De meeste mensen kunnen tonen horen tussen de 20 Hz en 20 khz. Dit betekent dat de laagste toon die we kunnen horen 20 golfjes per seconde (20 Hz) heeft. De hoogste toon heeft 20000 golfjes per seconde (20000 Hz of 20 khz). Geluidsgolven onder de 20 Hz en boven de 20000 hz bestaan wel maar die horen mensen niet. Jonge mensen kunnen meestal veel hogere tonen horen dan oudere mensen. En dieren hebben een ander gehoor dan mensen. Sommige dieren kunnen veel lagere tonen horen dan wij en andere dieren horen weer veel hogere tonen. In de tabel zie je enkele voorbeelden: Laagste toon(hz) Hoogste toon(hz) Vleermuis 100 100000 Mens 20 20000 Hond 10 35000 Olifant 1 20000 Walvis 5 120000 Figuur 40 (Illustratie uit Microsoft Word) 68
Hieronder zie je hetzelfde als in de vorige tabel. Maar op deze manier kun je wat makkelijker zien welk oren het meeste kunnen horen. Niet alleen oren hebben een beperkt gebied qua toonhoogte. Ook geluidsbronnen hebben een frequentiegebied. Figuur 41 (JPK) Bijvoorbeeld: Laagste toon(hz) Hoogste toon(hz) Gitaar 80 1200 Viool 200 1500 Bassdrum 50 500 Stem van een vrouw 200 1100 Stem van een man 100 900 Alle getallen zijn ongeveer want elke stem of elk instrument is een beetje verschillend. 69
3.6. Geluidssnelheid Geluid reist door de lucht voordat jij het geluid hoort. Geluid moet een afstand overbruggen voordat je het hoort en die afstand kan kort of lang zijn. Hoe groter de afstand is, hoe langer het duurt voordat het geluid bij je is. De snelheid van het geluid door de lucht is ongeveer 330 m/s (meter per seconde). Dit is hetzelfde als 1188 km/u. Figuur 42 (Illustratie uit Microsoft Word) Voorbeeld: Als iemand vlak naast je staat en hij geeft een klap op een trommel dan hoor je de klap meteen. Je ziet en hoort de klap tegelijk. Degene met de trommel loopt nu weg en hij gaat een kilometer verderop staan. Hij geeft een klap op de trommel. Je ziet hem een klap op de trommel geven maar je hoort het niet meteen. Pas na ongeveer 3 seconden is het geluid door de lucht in jouw oren terecht gekomen. Je ziet de klap eerst en daarna hoor je hem pas en dat merk je vooral bij grotere afstanden. 70
De meeste vervoersmiddelen gaan langzamer dan het geluid. Vroeger dacht men dat je niets kon maken dat sneller kon gaan dan het geluid. In 1947 lukte het de piloot Chuck Yeager toch in een raketvliegtuig, de Bell X-1. Als een vliegtuig door de geluidsbarrière gaat hoor je een harde knal in de lucht. Figuur 43, Bell X-1 raketvliegtuig (NASA, 08) Maar er zijn straaljagers en raketten die sneller gaan dan 1188 km/u. Dan vliegt de straaljager sneller dan zijn eigen geluid! Dit wordt een supersonische snelheid genoemd. Tegenwoordig kunnen heel veel straaljagers door de geluidsbarriere. Er zijn geen passagiersvliegtuigen die zo snel gaan. Als een vliegtuig net zo snel gaat als het geluid (1188 km/u) zeggen we dat hij een snelheid heeft van Mach 1. Net zo snel gaat als het geluid = Mach 1 = 1 x 1188 km/u = 1188 km/u. 2x zo snel gaat als het geluid = Mach 2 = 2 x 1188 km/u = 2376 km/u. 3x zo snel gaat als het geluid = Mach 3 = 3 x 1188 km/u = 3564 km/u. Enzovoorts. Mach 6,1 is het snelste dat een vliegtuig tot nu toe heeft gehaald. Dat is ruim 6x zo snel als het geluid. Het vliegtuig was de X-15 en die vloog in 1963 100 km hoog en 7274 km/u. Mach 6,1 = 7274 km/u = 2021 m/s Dan ben je in 1 seconde dus ruim 2 km verder! Figuur 44, X-15 ( http://www.dfrc.nasa.gov, 08) 71
4. LICHT 4.1. Inleiding Alles wat je om je heen ziet, kun je zien omdat er licht is. s Nachts is er weinig licht en overdag is er veel licht. We kunnen dus de hoeveelheid licht waarnemen met onze ogen. Ook kunnen we onderscheid maken tussen verschillende soorten licht. Dit noemen we kleuren. Bij het hoofdstuk over geluid hebben we geleerd dat er toonhoogtes zijn die mensen niet kunnen horen, ook al zijn ze er wel. Is dit bij licht ook zo? Zijn er kleuren die wij niet kunnen zien, ook al zijn ze er wel? Figuur 45 (Illustratie uit Microsoft Word) Figuur 46 (Illustratie uit Microsoft Word) 72
4.2. Lichtbronnen Lichtbronnen zijn voorwerpen die licht geven. De belangrijkste natuurlijke lichtbron die we kennen is de zon. Een andere natuurlijke lichtbron is vuur en sommige planten en dieren kunnen ook een lichtbron zijn. Zo zijn er vissen die een soort lampje hebben om hun prooi te lokken en misschien heb je wel eens gehoord van vuurvliegjes. En er zijn chemische stoffen die uit zichzelf licht geven. De maan is geen lichtbron omdat de maan niet zelf licht geeft. De maan weerkaatst alleen het zonlicht dat op de maan valt. Figuur 47 (Illustratie uit Microsoft Word) Figuur 48 (Illustratie uit Microsoft Word) En natuurlijk zijn er veel kunstmatige lichtbronnen die door mensen zijn gemaakt. Bekende voorbeelden zijn de gloeilamp, de LED-lamp en de TL-buis. Dit zijn allemaal elektrische lichtbronnen. Ook zijn er lichtbronnen die op brandstof werken, bijvoorbeeld een aansteker, een gaslamp of een olielampje. Het licht van zo n lichtbron reist door de lucht, het water of de ruimte tot het jouw oog bereikt. Het licht valt in het oog, het wordt omgezet in een signaal dat door zenuwen naar de hersenen wordt gebracht. Daarna weet jij wat voor licht je hebt gezien. Tijdens de reis van het licht naar jouw ogen kan er van alles met het licht gebeuren waardoor het verandert. Je kunt het licht door lenzen laten stromen waardoor het zich verspreid of juist wordt samengebundeld zoals bij een vergrootglas. Ook kun je het licht laten kaatsen op een wit oppervlak of op een glimmende oppervlakte. Hierdoor kun je door de richting van het licht veranderen door de oppervlakte een beetje te draaien. 73
4.3. Lichtgolven In het vorige hoofdstuk heb je geleerd dat geluid uit golven bestaat die door de lucht in jouw oren terecht komen. Korte golfjes geven een hoge toon en langere golven geven een laag geluid. De vorm van geluidsgolf bepaalt dus hoe jij dat geluid hoort. Dit geldt ook voor lichtgolven. Deze kunnen ook kort zijn of juist lang en de vorm van zo n lichtgolf bepaalt hoe jij het licht ziet. Is het licht fel of juist niet? Is de kleur rood, blauw of geel? Er bestaat zelfs licht dat wij niet kunnen zien omdat de vorm van de lichtgolf te moeilijk is voor onze ogen. Figuur 49 (Kennislink, 2014) De lichtgolven die wij kunnen zien zijn maar een klein onderdeel van een verzameling van heel veel verschillende soorten golven. De langste golven zijn kilometers lang en de kortste zijn maar een miljardste meter lang. Deze verzameling golven noemt men het elektromagnetisch spectrum. Het elektromagnetisch spectrum zie je in de afbeelding: links zie je de lange golven en rechts zie je de korte golven. Links zie je radiogolven, dit zijn de golven die de antenne van een radio uit de lucht vist om een radiozender te kunnen beluisteren. Deze golven kunnen wel kilometers lang zijn. Daarnaast zie je de microgolven zoals die worden gebruikt in een magnetron om eten op te warmen. Deze golven zijn een paar centimeter lang. Infrarood is het gebied waarin de meeste afstandsbedieningen werken. Soms zie je op een afstandsbediening de letters IR staan, deze afkorting betekent infrarood. Als je op een knopje drukt zendt de afstandsbediening een beetje 74
infrarood licht uit. De televisie ziet het licht dat uit de afstandsbediening komt wel, maar wij zien het niet. Aan de rechterkant van de afbeelding zien we gammastraling en röntgenstraling. Gammastraling komt veel voor in de ruimte, het wordt tegengehouden door de atmosfeer die de aarde beschermt. Dat is maar goed ook want gammastraling is schadelijk voor mens en dier. De gammastraling die op de aarde is komt uit radioactief afval of wordt door wetenschappers gemaakt voor Figuur 50 (Kennislink, 2014) onderzoek. Gammastraling wordt alleen gebruikt in afgeschermde, beveiligde ruimtes. Röntgenstraling wordt veel gebruikt voor onderzoek in het ziekenhuis of bij de tandarts. De golfjes zijn ontzettend klein, er passen 100 miljoen golfjes in een centimeter. Ze gaan door heel veel stoffen heen en daarom worden ze in ziekenhuizen gebruikt om de binnenkant van mensen te onderzoeken zonder dat er een operatie nodig is. Ultraviolet is een kleur die wij niet kunnen zien maar wel voelen. Wij voelen ultraviolet bijvoorbeeld op het strand als warmte. Je ziet vaak op zonnebrandcrème de afkorting UV staan. Deze afkorting betekent ultraviolet en de zonnebrandcrème beschermt jou tegen de UV-straling zodat je niet verbrandt. Alle golven die hierboven zijn genoemd kunnen wij niet zien. Het enige gebied dat wij kunnen zien ligt tussen ultraviolet en infrarood in. Dit gebied noemt men het zichtbare licht. 75
4.4. Zichtbaar licht en kleuren Het zichtbare licht bestaat uit golfjes met een lengte van 380 nm tot 780 nm. Nm betekent nanometer en een nanometer is een miljard keer zo klein als een meter. Er passen dus een miljard lichtgolfjes in een meter. Rood heeft een golflengte van 780 nm en violet heeft een golflengte van 380 nm. In de afbeelding kun je van de overige kleuren zien hoe lang de golfjes zijn. Figuur 51 (Kennisbank) Als je alle kleuren bij elkaar doet krijg je wit licht. Wit is niet één kleur maar alle kleuren bij elkaar, wit staat dus ook niet als aparte kleur in de afbeelding. Rechts zie je een pyramidevormig stuk glas, dit wordt een prisma genoemd. Als je daar licht doorheen laat gaan breekt dit licht. Om te bewijzen dat wit licht uit alle kleuren bestaat heeft men een witte lichtstraal op de linkerkant van het prisma gericht. Figuur 52 (Staessen, 2014) Het witte licht gaat het prisma in en in het prisma breekt het witte licht in alle kleuren van de regenboog. Er komt aan de rechterkant dus geen wit licht uit het prisma maar alle kleuren die in het witte licht zaten. 4.5. Spiegelen 4.6. Lenzen 4.7. Lichtsnelheid 76