De condensator en energie Belangrijkste onderdelen in de proeven De LEGO-condensator De condensator heeft een capaciteit van 1 Farad en is beschermd tegen een overbelasting tot 18 Volt. Wanneer de condensator opgeladen is tot 2,5 V begint een rood licht te knipperen. De condensator mag geladen worden met een maximale spanning van 4 V. Hoeveel energie bevat deze condensator indien hij volledig opgeladen is? De LEGO-belastingsmotor Er zijn verschillende motoren van LEGO. Wij gebruiken de motor (43362). Deze motor wordt beschermd met een thermische weerstand en een bidirectionele diode. Hoe warmer de weerstand wordt, hoe groter zijn weerstandswaarde wordt. Dit beschermt de motor tegen overbelasting. De bidirectionele diode zorgt ervoor dat er geen te hoge spanning (15V) over de motor kan komen te staan. De motor kan ook gebruikt worden als generator. Schakelingen van condensatoren Parallel Als 2 of meerdere condensatoren in parallel geschakeld worden komt dit in feite neer op een vergroting van het nuttige plaatoppervlak van de condensatoren. Daarom is de totale lading van de schakeling gelijk aan de som van de ladingen van de condensatoren.
In deze parallelschakeling van 2 condensatoren geldt dus: Indien we 2 LEGO condensatoren in parallel schakelen krijgen we een vervangingscapaciteit van: Met deze schakeling vergroot dus de capaciteit. Bijgevolg geldt: De energie-inhoud wordt dus 2 maal groter. Wat kunnen we hiermee doen: serie Als in bovenstaande schakeling condensator A een lading Q wil opnemen, kan dit pas als condensator A een lading Q kan afgeven aan condensator B. De ladingen op de condensatoren in serie zijn dus overal gelijk.
Op iedere condensator komt er in serie een deelspanning: Kommentar [L1]: eenzelfde lading. Hieruit kunnen we de spanning over elke condensator berekenen: De totale spanning in de serieschakeling is dus: De waarde van de vervangingscondensator C tot wordt dus: Indien we 2 identieke LEGO condensatoren in serie schakelen krijgen we een vervangingscapaciteit van: Voor ons is dit dus niet nuttig. Onze capaciteit neemt af. Dit wordt enkel gebruikt om de spanning over de condensatoren te verkleinen en hierdoor de toelaatbare spanning over de schakeling te vergroten. Maar dit gebeurt natuurlijk ten koste van de capaciteit. Energie en de condensator Proef 1: Schakel de condensator aan de motor met een LEGO-kabel en plaats een wiel op de motor. Draai ongeveer één minuut aan het wiel en laat het wiel los. Wat merk je? Het wiel blijft draaien. Hou nu het wiel even vast en laat het opnieuw los. Wat merk je? Het wiel begint opnieuw te draaien. Hoe komt dit?
Tijdens het draaien werd er mechanische energie omgezet naar elektrische energie. Deze energie wordt opgestapeld in de condensator. Daarna zet de condensator de elektrische energie opnieuw om naar mechanische energie. Proef 2: Laad de condensator opnieuw op en laat het wiel opnieuw los. Laat het wiel nu draaien tot het tot stilstand komt. Wat merk je op over de snelheid van het wiel? Het wiel draait altijd trager en trager. Hoe komt dit? De condensator raakt, net zoals een batterij, uitgeput. Rendement van een condensator Proef 1 : rendement van 1 condensator Maak een licht autootje dat aangedreven wordt door een motor. Plaats een lege condensator op het autootje en schakel deze aan de motor. Meet een afstand van 2 meter af op een tafel. Markeer ook 1 meter. Duw nu het autootje van het begin tot aan de 1 meter streep en laat het los. Je merkt dat het autootje verder rijdt. Hoe ver?
Kun je dit verklaren? Er gaat o.a. energie verloren in wrijving. Proef 2 : rendement van condensatoren in parallel Schakel een lege condensator op je autootje en duw dan de auto 1 meter vooruit. Verbreek de kring daarna zo vlug mogelijk en doe vervolgens het hetzelfde voor een 2 e condensator. Plaats daarna beide condensatoren parallel op de motor en laat het autootje vanaf de start rijden. Wat merk je op? Het autootje rijdt dubbel zo ver als in de vorige opdracht. Wat kan je hieruit besluiten over de parallelschakeling van condensatoren? Het rendement verdubbelt als je condensatoren parallel schakelt. Kun je dit wiskundig verklaren? De vervangingscapaciteit van deze parallelschakeling is: 2C : 2F De energie opgeslagen in deze twee condensatoren in parallel geschakeld bedraagt dus 6.250 J Ontladen van een condensator Omdat het opladen van de condensator met een motor nogal lang duurt gebruiken we in de volgende proef een spanningsbron. Omdat de standaard LEGO kabels niet op de bron kunnen aangesloten worden hebben we een speciale kabel om de condensator aan de bron te schakelen. Deze kabel bestaat uit een halve LEGO kabel (1) en twee standaard 4 mm plugs (2). We kunnen nu met deze kabel ook de spanning meten door de multimeter parallel te schakelen met de condensator. In deze proef onderzoek je hoe de condensator ontlaadt. Hiervoor laad je de condensator eerst op met een externe bron tot het rode lichtje brand. Daarna laat je de condensator ontladen door hem aan een weerstand te schakelen. Tijdens het ontladen meet je de spanning.
Materiaal: LEGO-kabel met bananenstekkers LEGO condensator LEGO grondplaat Een weerstand van ~30Ω Spanningsbron Multimeter Zorg dat je een stopwatch en schrijfgerei bij de hand hebt. Voorbereiding: - Omdat het nogal moeilijk is om de weerstand rechtstreeks op de condensator te bevestigen plaats je de weerstand op een LEGO-kabel die je dan later verbindt met de condensator. Doe dit voor je aan de proef begint, op deze manier verlies je geen energie voor je de metingen begint. - Schakel de spanningsbron in en zet de spanning op 0. - Zet de multimeter aan. Gebruik de stand voor spanningsmeting bij DC (V met een streepjes- en een doorlopende lijn boven). Condensatoren leveren namelijk een gelijkstroom. - Verbind de condensator met de spanningsbron m.b.v. de aansluitklemmen (zwarte stekker in de zwarte ingang, rode stekker in de rode ingang). - Draai héél voorzichtig, omwille van de piekstroom, de spanningsknop naar rechts tot op 2,5V. Zorg dat er op geen enkel moment meer dan 3V of 0,3 A over of door de condensator komt te staan!!! - Als het rode lichtje van de condensator begint te branden is de condensator volledig opgeladen. De condensator ontlaadt niet zolang er geen verbruiker aangesloten wordt. - Trek nu de stekkers uit de bron en steek ze in de multimeter: De zwarte stekker in de COM-ingang, de rode stekker in de VΩingang. - Noteer de beginspanning in de tabel. - Schakel de weerstand over de condensator zodat de condensator kan ontladen. - Lees om de 10 seconden de spanning af en noteer ze in de tabel. Doe dit 3 minuten lang. Tip: Als de waarden weergegeven door de multimeter te snel veranderen om ze te kunnen noteren kun je de HOLD knop van de multimeter gebruiken om het beeld tijdelijk stil te zetten.
Herhaal de meting 2 keer (ZET DE BRON STEEDS EERST WEER OP 0 V). TIJD SPANNING (in Volt) (in seconden) Meting 1 Meting 2 Meting 3 0 2,340 2,400 2,400 10 1,646 1,701 1,702 20 1,278 1,333 1,317 30 (0:30 min) 1,000 1,032 1,021 40 0,778 0,805 0,800 50 0,617 0,629 0,613 60 (1:00 min) 0,486 0,495 0,481 70 0,388 0,393 0,378 80 0,317 0,315 0,303 90 (1:30 min) 0,258 0,255 0,244 100 0,214 0,209 0,198 110 0,179 0,172 0,162 120 (2:00 min) 0,152 0,144 0,134 130 0,130 0,121 0,112 140 0,112 0,103 0,094 150 (2:30 min) 0,098 0,088 0,080 160 0,086 0,076 0,069 170 0,076 0,066 0,060 180 (3:00min) 0,068 0,038 0,052 Zet de resultaten van elke meting uit op het onderstaand assenstelsel. Je krijgt de schaalverdeling van de assen van de spanning en de tijd. Verbind de verkregen punten met een vloeiende lijn.