Hoofdstuk 4 elektriciteit

1 Een stoomkring maken.

Je komt in huis allerlei apparaten tegen die op elektriciteit werken. Apparaten die veel elektrische energie nodig hebben , zoals een stofzuiger of een waterkoker, sluit je aan op het lichtnet. Andere apparaten, zoals een mobiele telefoon of een mp3-speler, halen de elektrische energie die ze nodig hebben uit batterijen of accu’s.

Een gesloten stroomkring.

Met een batterij kun je een fietslampje laten branden. Dat lukt alleen als de stroom van de batterij naar het lampje, door de gloeidraad van het lampje en weer terug naar de andere kant van de batterij kan stromen. Er is dan een gesloten stroomkring. Als je de stroomkring onderbreekt, gaat het lampje weer uit.

Elk onderdeel van deze stroomkring heeft een eigen fuctie:

• De batterij levert de electrische energie.
• De draden vervoeren de energie naar het lampje. De energie wordt van de batterij naar het lampje vervoerd en van het lampje weer terug naar de batterij.
• Het lampje zet de electrische energie om in licht en warmte.

   

  Een batterij kan maar een beperkte hoeveelheid elektrische energie leveren. Als die energie op is, zeg je dat de batterij 'leeg' is. Een oplaadbare batterij kan opgeladen worden, zodat hij opnieuw elektrische energie kan leveren. Met een niet-oplaadbare batterij gaat dat niet. Die gooi je bij het klein chemisch afval als hij leeg is.

   

  Isolerende en geleidende stoffen.

  Er zijn verschillende manieren om de onderdelen van een stroomkring met elkaar te verbinden. Meestal gebruik je daar snoeren voor. De elektrische stroom loopt door de koperdraad dat in zo'n snoer zit. De buitenkant van het snoer is van plastic. Daar loopt geen elektrische stroom doorheen.

   

  Stoffen waar een elektrische stroom gemakkelijk doorheen kan lopen, heten geleiders. Alle metalen zijn geleiders, maar het ene metaal geleidt beter dan het andere. Koper en aluminium geleiden bijvoorbeeld beter dan ijzer en lood. Koolstof is ook een geleider, al is het geen metaal.

   

  Stoffen die een electrische stroom niet of heel slecht doorlaten, heten isolatoren. Voorbeelden zijn rubber, glas en de meeste soorten plastic. Als een vaste stof geen metaal is, dan is het bijna altijd een isolator. Ook lucht is een goede isolator.

  In een gesloten stroomkring loopt de stroom door de geleidende delen van snoeren, lampjes of andere apparaten. Met een schakelaar kun je de stroom in- en uitschakelen. Als je de stroom inschakelts, komen twee geleidende delen in de schakelaar met elkaar in contact. De stroomkring wordt zo gesloten. Als je de stroom uitschakelt, is er geen geleidende verbinding meer.

   

  De stroom meten.

  Als je een lampje op een batterij aansluit, gaat er een stroom door het lampje lopen. Met een stroommeter kun je meten hoe groot de stroom is. De groote van de stroom, de stroomsterkte, heeft als eeheid de ampére (A). een stroommeter wordt daarom ook wel een apéremeter genoemd. Asl de stroomsterkte klein is, meet je de stroom meestal in milliampére (mA).

   

  Omreken doe je als volgt:

  1 mA = 0,001 A

  1 A = 1000 mA

   

  De stroomsterkte is op elke plaats even groot. Het maakt dan ook niet uit waar je de stroommeter in de stroomkring opneemt: links of rechts van het lampje.

  
   

2 Spanningsbronnen.

In iedere stroomkring zit een apparaat dat elektrische energie levert. Batterijen, accu's en dynamo's zijn hier voorbeelden van. Ze leveren elektrische energie voor apparaten en almpen die je niet op een stopcontact kunt aansluiten.

Spanning.

Om een stroomkring te maken, heb je een spanningsbron nodig die elektrische energie levert. Veelgebruikte spanningsbronnen zijn batterijen, accu's en dynamo's. Op batterijen staat altijd de spanning vermeld. De grootte van de spanning wordt gemeten in volt (V). In afbeelding 6 zie je verschillende batterijen. De spanning verschillen per batterij: 1,2 volt, 1,5 volt, 4,5 volt en ga zo maar door.

Je kunt de sanning die op een batterij staat, controleren met een spanningsmeter. Je meet dan de spanning tussen de pluspool en de minpool van de batterij. Een spanningsmeter wordt daarom ook wel een voltmeter genoemd..

Energie vervoeren.

Elektrische stroom vervoert elektrische energie. Hoeveel elektrische energie er wordt vervoerd, hangt af van de stroomsterkte en van de spanning. Om te begrijpen waarom dat zo is, kun je kijken naar andere situaties waarin energie wordt vervoerd.

Je kunt een elektrische stroom vergelijken met tankauto's die benzine vervoeren. Heo groter de tankauto, hoe meer benzine hij kan vervoeren. Dat kun je vergelijken met de spanning. Een hoge spanning vervoert meer energie dan een lage spanning. De 'stroomsterkte' kun je vergelijken met het aantal tankauto's dat per uur langsrijd. Hoe meer auto's er rijden, hoe meer energie er wordt vervoerd. Bij een hoge stroomsterkte wordt meer energie vervoerd dan bij een lage stroomsterkte. Als je de stroom in een stroomkring uitschakelt, is de spanning nog niet verdwenen. In het benzinevoorbeeld: de tankauto's zijn er nog steeds en er zit nog steeds benzine in. Ze staan alleen stil. Er wordt dus geen benzine meer vervoerd. Net zoals de uitgeschakelde stroom ook geen energie meer vervoert. Pas als de stroom weer loopt, komt het vervoer van energie weer op gang.

De juiste spanning gebruiken.

Een fietslampje is ontworpen voor een spanning van 6 volt. Op die spanning brand het lampje goed. Als je het lampje op 1,5 volt aansluit, brandt het heel zwak. En als je het op 12 volt aansluit, brand het door.

Vaak heb je meer dan een batterij nodig om aan de juiste spanning te komen. Voor de afstandbediening in afbeelding 8 heb je bijvoorbeeld twee staaf batterijen van 1,5 volt nodig. Je moet de batterijen in sirie schakelen. Dat doe je door de pluspool van de ene batterij tegen de minpool van de andere batterij te leggen. Ze hebben dan samen een spanning van 3,0 volt. Je ziet:

Als je batterijen in serie schakelt, mag je hun spanningen bij elkaar optelllen.

De meeste huishoudelijke apperaten zijn ontworpen voor een spanning van 230 volt. 230 volt is de spanning van de stopcontacten in huis.

De dynamo.

Naast de batterijen en accu's worden ook dynamo's veel gebruikt als spanningsbron. De belangrijkste onderdelen van een dynamo zijn een magneet en een spoel van koperdraad. Een spoel is een draad die een aantal keren ergens omheen is gedraaid.

In de tekening is de koperdraad om een magneet gedraaid. In een dynamo is de koperdraad om een magneet, maar de spoel en de magneet raken elkaar niet. Als de magneet draait wordt in de speol spanning opgewekt. Daar kun je een fietslampje mee laten branden.

3 schakelingen.

Je kunt lampen, schakelaars, snoeren en spanningsbronnen op verschillende manieren met elkaar verbinden. Anders gezgd: je kunt ze op verschillende manieren aan elkaar schakelen. Als je tekent hoe de draden lopen kun je zien dat er altijd een of meer stroomkringen aanwezig zijn.

Schakelingen tekenen.

Een schakeling bestaat uit verschillende electrische onderdelen. Als je wilt uitleggen hoe een schakeling in elkaar zit, kun je het best een tekening gebruiken. Er zijn speciale symbolen voor bedacht om overzichtelijke tekeningen van schakelingen te kunnen maken. Zulke tekeningen noem je schakelschema's.

Schakelschema's zijn onmisbaar bij proeven met electriciteit. Het schema vertelt je welke onderdelen je nodig hebt en hoe je die met elkaar verbindt. Wij veel proeven staat er een schakelschema in het boek. Soms moet je zelf een schakelschema tekenen. Nadat je alle onderdelen hebt verzameld, bouw je de schakeling aan de had van het schema.

Serieschakelingen.

In afbeelding 13 zie je een serieschakeling. Een serieschakeling heeft geen vertakkingen: er is maar een stroomking. De stroom gaat door

alle onderdelen van de schakeling. Als er een lampje in een serieschakeling doorbrand, is de stroomkringen verbroken: ale lampjes gaan dan uit. Het is daarom niet handig om lampen in serie te schakelen.

Je schakelt een schakelaar juist wel in serie met het apparaat dat aan- of uitgezet moet worden. Als de schakelaar op UIT zet, onderbreek je de stroomkring en gaat het apparaat uit. Als je de schakelaar AAN zet, sluit je de stroomkring en gaat het apparaat weer aan.

De stroomsterkte in een sirieschakeling is overal even groot. Het maakt in afbeelding 13 niet uit waar je de stroomsterkte meet. Je krijgt steeds dezelfde meetwaarde.

Parallelschakelingen.

In afbeelding 14 zie je een parallelschakeling. De schakeling vertakt zich om elk lampje apart van elektrische energie te kunne voorzien. Elke vertakking is, samen met de batterij, een aparte stroomkring.

In een parallelschakeling kun je elke lampje apart aan en uit doen. Dat is handig. Daarom woden lampen vaak parallel geschakeld. Als een lamp doorbrand, bijven de andere gewoon branden. In een serieschakeling is dat onmogelijk: of de lampen branden allemaal of ze zijn allemaal uit.

Op de plaats waar een parallelschakeling zich vertalkt, splitst de stroom zich. In afbeelding 14 zie je drie stroomkringen. De stroomsterkte in de onvertakte gedeelten wordt de totale stroomsterkte genoemd. De stroomsterkte in de takken is steeds 1/2 van de totale stroomsterkte. De stroomsterkte is dus niet overal even groot, zoals in een serieschakeling.

4 Vermogen en energie.

Je hebt niet veel aan een mobiele telefoon als je hem steeds moet opladen. Daarom is het belangrijk dat een telefoon zo goed mogelijk omgaat met de beschikbare elektrische energie. Hoe zuiniger het apparaat daarmee is, hoe langer het duurt voordat de batterij weer opgeladen moet worden.

Het vermogen van een apparaat.

Een laptop verbruikt in dezelfde tijd meer elektrische energie dan een tablet. Je zegt dat een laptop vergeleken met een tablet een groter vermogen heeft. Het vermogen geeft aan hoeveel elektrische energie een apparaat per seconde verbuikt. Hoe groter het vermogen, hoe meer elektrische energie het apparaat in een seconde 'opslurpt'.

Bij veel apparaten staat het vermogen vermeld op de verpakking. Dat geld bijvoorbeeld voor een lamp in afbeelding 17. Het vermogen wordt meestal opgegeven in watt (W), soms ook in milliwatt (mW) of in kilowatt (kW). Als het vermogen kan verschillen, wordt de maximale waarde opgegeven. Dat is bijvoorbeeld het geval bij een stofzijger met regelbare zuigkracht.

Omrekenen doe je ald volgt

1 mW = 0,001 W

1 W    = 1000 mW

1 kW  = 1000 W

1 W    = 0,001 kW

Het vermogen van sommige apparaten is veranderlijk. Bij een mobiele telefoon stijgt het vermogen bijvoorbeeld sterk als je belt of gebruikmaakt van internet. Als de telefoon op stand-by staat, is het vermogen juist heel klein. Andere apparaten hebben wel een constant vermogen, zoals een zaklantaarn of een elektrische klok.

Het vermogen bereken.

Het vermogen van een apparaat hangt af van: (1) de spanning waarop het apparaat werkt, en (2) de stroomsterkte die door het apparaat loopt. Het 'tankautomodel' in paragraaf 2 kan je helpen om dit te bergrijpen.

Je kunt het vermogen vergelijken met de hoeveelheid benzine die per uur langs de weg wordt vervoerd. Die hoeveelheid hangt van twee dingen af: (1) hoeveel benzine elke tankauto vervoert (de 'spanning') en (2) hoeveel tankauto's in een uur lang komen rijden (de 'stroomsterkte'). Ga zelf na dat dat zo is.

Met een elektrische stroom werkt het precies zo. Je kunt het vermogen van een apparaat berekenen met de formule:

Vermogen = spanning x stroomsterkte.

Als je de spanning invult in volt en de stroomsterkte in ampére, vind je het vermogen in watt (W).

Vermogen, tijd en energieverbruik.

Een apparaat, bijvoorbeeld een mobiele telefoon of een tablet, kan maar een bepaalde tijd op de batterij werken. Hoe groter het vermogen van het apparaat, hoe sneller de batterij leeg zal zijn. Er zijn daarom allerlei manieren om het vermogen van een apparaat laat te houden.

Een apparaat bestaat uit verschillende onderdelen, die allemaal hun eigen vermogen hebben. Het vermogen van een apparaat is de optelsom van de vermogens van al die verschillende onderdelen. De ontwerpers van zo'n apparaat kiezen daarom onderdelen met een laag vermogen. Als twee beeldschermen ongeveer dezelfde prestaties hebben, kiest de ontwerper het beeldscherm met het laagste vermogen. Dat gebruikt namelijk minder energie.

Als je een mobiele telefoon of een tablet even niet gebruikt, schakelt het apparaat zoveel mogelijke onderdelen uit. Het beeldscherm gaat bijvoorbeeld al na een korte tijd op zwart (afbeelding 19). Hierdoor daalt het totale vermogen van het apparaat meteen.

Aan het verlagen van het vermogen zit een grens. Daarom proberen onderzoekers om de opslagcapaciteit van batterijen en accu's te vergroten. Als een batterij meer elektrische energie kan opslaan, kan een apparaat er – bij hetzelfde vermogen – langer op werken.