Elektriciteit

ELEKTROSTATICA.............................................................................................................................1
Elektrische ladingen...................................................................................................................1
Elektrofoor: krachten tussen ladingen .......................................................................................2
Krachten tussen ladingen ...........................................................................................................3
Coulombmeter ............................................................................................................................4
Elektrische slinger......................................................................................................................5
Elektroscoop – Laden door inductie ..........................................................................................6
Ladingsdetector..........................................................................................................................7
ELEKTRISCH VELD............................................................................................................................8
Veldlijnen ...................................................................................................................................8
Spitswerking ...............................................................................................................................9
Plasma lamp.............................................................................................................................10
Batterij van citroen ..................................................................................................................11
ELEKTRODYNAMICA – ELEKTRISCH VERMOGEN...............................................................12
Ontlading langs duimspijkers...................................................................................................12
Wet van Ohm............................................................................................................................13
I(U) bij een gloeilamp ..............................................................................................................14
Wet van Pouillet (verband weerstand-doorsnede) ...................................................................15
Wet van Pouillet (verband weerstand-lengte) ..........................................................................16
Wet van Pouillet (verband weerstand-materiaal) ....................................................................17
Serie en parallelschakeling ......................................................................................................18
Elektrische blackboxes .............................................................................................................19
Inwendige weerstand van een batterij......................................................................................20
Joule effect (1)..........................................................................................................................21
Joule effect (2)..........................................................................................................................22
Elektrisch vermogen.................................................................................................................23
Vermogen van lampen..............................................................................................................24
VEILIGHEID .......................................................................................................................................25
Overbelasting ...........................................................................................................................25
Kortsluiting ..............................................................................................................................26
Weerstand van het menselijk lichaam ......................................................................................27
Zekering ...................................................................................................................................28
Massasluiting ...........................................................................................................................29
ADS verliesstroom....................................................................................................................30
Copyright © KULeuven
Experiment -
Elektrostatica
Elektrische ladingen
3de graad - Elektrostatica
… demonstratie-experiment
… leerlingenpracticum
Onderwerp: Elektrische ladingen
… gemakkelijk
… middelmatig
… moeilijk
Materiaal:
2 plastieken staven, 2 glazen staven, wollen doek, touw, statieven
Uitvoering:
1. Hang een plastieken staaf met touw aan een statief.
2. Wrijf met de doek over de andere plastieken staaf.
3. Breng de staven bij elkaar zonder dat ze elkaar raken.
4. Vervang plastieken staaf door een glazen staaf en herhaal het voorgaande.
5. Vervang de andere plastieken staaf door een glazen staaf en herhaal het
voorgaande.
Opdrachten/Vragen:
Formuleer je waarnemingen.
Verklaar je waarnemingen.
Tips bij de uitvoering:
Meetresultaten:
Copyright © KULeuven
1
Experiment -
2
Elektrofoor: krachten tussen ladingen
3de graad – Elektrostatica
… demonstratie-experiment
… leerlingenpracticum
Onderwerp: Elektrofoor: krachten
tussen ladingen
… gemakkelijk
… middelmatig
… moeilijk
Materiaal:
PVC-plaat, aluminiumschaaltje, piepschuim beker, houten stokje, Al-bolletje aan een
draadje
Uitvoering:
6. Wrijf met je hand/wollen doek over de PVC-plaat
7. Zet het schoteltje op de plaat door alleen het bekertje vast te nemen
8. Raak met je vinger het schaaltje aan
9. Hef het bekertje op, dan wordt het Al-balletje afgestoten
10. Hou je andere hand in de omgeving dan zal het balletje heen en weer bewegen
Opdrachten/Vragen:
1. Na wrijving met je hand/doek bekomt de plaat een negatieve lading
2. Welke ladingsverdeling ontstaat er in het schaaltje?
3. Welke ladingen verlaten het schaaltje bij contact met je vinger?
Tips bij de uitvoering:
ƒ Het schaaltje maakt maar contact met de PVC-plaat op enkele punten (denk er aan
dat de positieve ladingen niet verplaatsen en dat in de PVC-plaat de ladingen niet
vrij kunnen bewegen).
ƒ Als je het schaaltje terug op de PVC-plaat zet is er weer inductie en kan je het
schaaltje terug opladen door contact met je vinger te maken.
ƒ je kan het schaaltje ontladen door het aan te raken of door een vlam van een
aansteker in de buurt te brengen.
Meetresultaten:
Copyright © KULeuven
Experiment -
3
Krachten tussen ladingen
3de graad - Elektrostatica
… demonstratie-experiment
… leerlingenpracticum
Onderwerp: Krachten tussen ladingen
… gemakkelijk
… middelmatig
… moeilijk
Materiaal:
brooddoos, vier rietjes, twee dunne glazen buisjes, papier, wasknijpers
Uitvoering:
1. Breng een lading op het rietje door wrijving met je (droge) vingers. Leg het
rietje in het midden van de doos. Herhaal de handeling voor een tweede rietje
en voor een derde rietje.
2. Voer de opdracht 1 uit met twee glazen buisjes
3. Voer de opdracht 1 uit met een rietje en een glazen buisje.
4. Voer de opdracht 1 uit met vier rietjes.
Opdrachten/Vragen:
• Verwoord bij elke opdracht het verschijnsel en geef de verklaring als je weet
dat een rietje een negatieve lading krijgt en een glazen buisje een positieve
lading.
Tips bij de uitvoering:
ƒ Let op de afstand tussen de rietjes bij opdracht 4. Wat kun je besluiten over de
grootte van de ladingen
Meetresultaten:
Copyright © KULeuven
Experiment Coulombmeter
3de graad - Elektrostatica
… demonstratie-experiment
…leerlingenpracticum
Onderwerp: Coulombmeter
… gemakkelijk
… middelmatig
… moeilijk
Materiaal:
coulombmeter, glazen staaf, plastieken staaf, wollen doek, papier
Uitvoering:
1. Maak contact met een geladen glazen staaf.
2. Maak contact met een geladen plastieken staaf.
Tips bij de uitvoering:
Het meettoestel toont:
ƒ de grootteorde van de lading op een bepaalde plaats van een geladen staaf,
ƒ een verschillend teken voor de glazen en plastieken staaf,
ƒ dat de ladingen verspreid zitten op de geladen staaf (de lading verhoogt als je
de staaf over de coulomb verschuift).
Meetresultaten:
Copyright © KULeuven
4
Experiment Elektrische slinger
3de graad - Elektrostatica
… demonstratie-experiment
… leerlingenpracticum
Onderwerp: Elektrische slinger:
krachten tussen ladingen
… gemakkelijk
… middelmatig
… moeilijk
Materiaal:
stuk piepschuim van 10 cm op 15 cm met rechthoekige uitsnijding, (zelfklevende)
aluminium papier, draadje, stukje aluminiumfolie, plastieken staaf
Wikkel het aluminium papier rond de twee opstaande zijden van de rechthoek. Neem
een klein stukje piepschuim en wikkel het in de Al-folie tot een bolletje. Bevestig het
bolletje met een draadje aan het bovenste deel van de rechthoek.
Uitvoering:
Neem één zijde vast met je hand en breng de andere zijde in contact met een geladen
staaf.
Opdrachten/Vragen:
• Wat gebeurt er met het bolletje wanneer je aan één zijde contact maakt met de
geladen staaf? Verklaar.
• Waarom gaat het bolletje dan heen en weer slingeren?
Tips bij de uitvoering:
• Leerlingen kunnen zelf de elektrische slinger bouwen.
• Dit experiment oefent het waarnemen en het noteren van verschijnselen en het
formuleren van de verklaring.
Meetresultaten:
Copyright © KULeuven
5
Experiment -
6
Elektroscoop – Laden door inductie
3de graad - Elektrostatica
… demonstratie-experiment
… leerlingenpracticum
Onderwerp: Elektroscoop – Laden
door inductie
… gemakkelijk
… middelmatig
… moeilijk
Materiaal:
elektroscoop, plastieken staaf, glazen staaf, wollen doek, papier
Uitvoering:
• Houd geladen plastieken staaf in de omgeving van de elektroscoop.
• Maak contact met een geladen staaf en de elektroscoop.
• Laad de elektroscoop via inductie door een geladen staaf in de omgeving van de
elektroscoop te houden en met je vinger de plaat van de elektroscoop even aan te
raken.
Tips bij de uitvoering:
• De leerlingen moeten de constructie van de elektroscoop bespreken en de
schematische voorstelling verduidelijken.
• Het verschil tussen inductie en contact kan aangetoond worden.
• Bij inductie bespreek je het laden van de elektroscoop door de elektroscoop aan te
raken met je vinger.
Meetresultaten:
Copyright © KULeuven
Experiment -
7
Ladingsdetector
3de graad - Elektrostatica
… demonstratie-experiment
… leerlingenpracticum
Onderwerp: Ladingsdetector
… gemakkelijk
… middelmatig
… moeilijk
Materiaal:
digitale multimeter, metalen draad (15 cm) in een banaanstekker, staven
Uitvoering:
Steek de antenne in de V/Ω -aansluiting.
Je kunt een aarding maken door één uiteinde van een snoer met de COM-aansluiting
van de multimeter te verbinden en het andere uiteinde met een metalen voorwerp.
1. Wrijf een plastieken staaf. Noteer je waarneming als je met de staaf naar de
multimeter toe gaat.
2. Wrijf een glazen staaf. Noteer je waarneming als je met de staaf naar de
multimeter toe gaat.
Opdrachten/Vragen:
• Verwoord telkens het verschijnsel.
• Bedenk een verklaring.
Tips bij de uitvoering:
Neem twee stroken plakband van ongeveer 10 cm en plak ze tegen elkaar (kleefzijde
tegen niet-kleefzijde). Trek de stroken van elkaar. Je ziet dat de stroken een
tegengestelde lading hebben. Nader telkens met één strook de antenne om de lading te
detecteren.
Meetresultaten:
Copyright © KULeuven
Experiment -
8
Elektrisch veld
Veldlijnen
3de graad – Elektrisch veld
… demonstratie-experiment
… leerlingenpracticum
Onderwerp: Elektrisch veld
… gemakkelijk
… middelmatig
… moeilijk
Materiaal:
bandgenerator van Van de Graaff met elektrische motor en aardingsklem,
doorschijnende schaal met een bodem ricinusolie en griesmeelkorrels, daarop
passende metalen houders voor elektrodes in verschillende vormen (grote en kleine
ringvormige geleider, 2 in staafvorm, 2 schijfjes, vorm met punt), verbindingssnoeren,
overheadprojector, huishoudrol.
Uitvoering:
1. Plaats de schaal met de passende houders op de overheadprojector.
2. Verbind de grote ringvormige geleider met de aarding.Verbind een geleider in
schijfvorm met de kap van de generator. Zet de motor aan. De korrels vormen de
lijnen van een radiaal veld.
3. Verbind een schijfvorm met de aarding en verbind de andere met de kap van de
generator. De korrels vormen een dipoolveld.
4. Verbind de grote ring met de aarding en verbind beide schijfjes met de kap van de
generator. Het dipoolveld heeft een andere vorm.
5. Verbind een staafvormige geleider met de aarding.Verbind de andere met de kap
van de generator. De lijnen vormen een homogeen veld.
6. Verbind een staafvormige geleider met de aarding.Verbind de vorm met punt met
de kap van de generator. De lijnenconcentratie is groter in de punt.
Tips bij de uitvoering:
De lading op het toestel kan snel oplopen. Start de proef op een lage stand. Meestal
worden de lijnen snel duidelijk. Stop dan de motor.
Ontlaad tussenin telkens het toestel door een aardingssnoer even in contact te brengen
met de kap. Leg de gebruikte elektrodes na de proef meteen op een vel
huishoudpapier.
Het laagje ricinusolie mag niet te dik zijn, verspreid het griesmeel bij het begin van de
proef egaal over de olie. Tussen elke proef roer je even de olie om. Je kan dit mengsel
langere tijd bewaren.
Vermijd het contact tussen toevoerdraden en de kap van de bandgenerator.
De proef kan eventueeel worden uitgevoerd met een hoogspanningsbron(DC 10kV)
Copyright © KULeuven
Experiment -
9
Spitswerking
3de graad - Elektristatica
… demonstratie-experiment
… leerlingenpracticum
Onderwerp: Spitswerking
… gemakkelijk
… middelmatig
… moeilijk
Materiaal:
Van de Graaffgenerator, metalen staaf met scherpe punt op isolerende voet,
verbindingssnoer, molentje met haakvormige spitse uiteinden, kaars.
Uitvoering:
1. Verbind de kap van de bandgenerator met de metalen staaf. Plaats de aangestoken
kaars tegenover het puntvormig uiteinde, op 1 cm van de vlam. Tijdens het
opladen wordt de vlam weggeblazen: ladingen concentreren zich op de punten van
een geleider. Door de sterke afstotingskrachten tussen gelijksoortige ladingen
kunnen deze de geleider verlaten.
2. De bandgenerator wordt verbonden met de metalen as waarop het molentje
draaibaar opgesteld is. Tijdens het opladen begint het molentje te draaien
Opdrachten/Vragen:
1. Hoe werkt een bliksemafleider? Hoe speelt het spitseffect hierbij een belangrijke
rol?
2. Hoe kan vermeden worden dat lading zich opstapelt? vb op de aluminiumvleugels
van een vliegtuig of op plastic folie die door drukpersen draait?
Tips bij de uitvoering:
Het lichtdraaiende molentje moet perfect horizontaal opgesteld staan om wrijving met
de verticale as te vermijden.
Copyright © KULeuven
Experiment -
10
Plasma lamp
3de graad – Elektrisch veld
… demonstratie-experiment
… leerlingenpracticum
Onderwerp: Plasmalamp
…gemakkelijk
… middelmatig
… moeilijk
Materiaal:
plasmabol, tl-buis, schroevendraaier met verklikkerlichtje, neonbuisje.
Uitvoering:
1. Steek de plasmalamp aan
2. Raak de lamp aan met je hand, met een vinger, ...
3. Neem de schroevendraaier vast bij de metalen steel en benader de lamp.
4. Doe hetzelfde met het neonlampje.
5. Neem een TL-buis vast met één uiteinde. Richt het andere uiteinde naar de lamp.
Richt daarna het andere uiteinde van de lamp weg.
6. Neem de TL-buis vast in het midden, doe vorige proef opnieuw.
7. Verschuif je hand langs de glazen TL-buis.
Opdrachten/Vragen:
De centrale elektrode produceert een hoogfrequent elektrisch veld (35 kHz) met een
hoge spanning (2-5 kV).
1. Hoe ontstaan de plasmastromen binnin de bol?Wat beïnvloedt hun kleur?
2. Hoogfrequente stroom loopt door de bol, door de TL-buis, loopt deze ook door het
glas en door of over je hand?
3. Zoek met de TL-buis of met de schroevendraaier een stand op zodat beide
uiteinden op gelijke potentiaal zijn. Hoe merk je dat?
Tips bij de uitvoering:
Vermijd langdurig contact : het glas wordt warm op die plaats. Leg geen metalen
voorwerpen op het glas: naast opwarming is er ook kans op schokken. Ook
elektronische toestellen, computermuis e.d. kunnen statisch opgeladen worden, zelfs
binnenin een plastic afscherming.
Copyright © KULeuven
Experiment -
11
Batterij van citroen
3de graad – Elektrisch veld
… demonstratie-experiment
… leerlingenpracticum
Onderwerp: Batterij van citroen
… gemakkelijk
… middelmatig
… moeilijk
Materiaal:
citroen, schroeven en stukje gestripte koperdraad, voltmeter (2V DC).
Uitvoering:
Prik geleiders uit verschillend materiaal in een citroen. Verbind de meetpennen van de
voltmeter met 2 geleiders: dit zijn de elektroden. Je leest de spanning U tussen de
elektroden op de voltmeter. Let op het teken en op de polariteit van de meetpennen.
De +pool is de anode, de –pool is de kathode.
Opdrachten/Vragen:
Verwissel de meetpennen onderling: verklaar het teken van U.
Verplaats een meetpen naar een andere geleider, noteer de spanning met het teken en
de polariteit van de meetpennen.
• Leid uit de metingen af dat je spanningen kan optellen, rekening houdend met het
teken.
• Welke materialen heb je gebruikt? Rangschik de gebruikte materialen van de
meest negatieve naar de meest positieve.
Vergelijk de volgorde en de gemeten spanning met de spanningsreeks van metalen uit
de literatuur.
Tips bij de uitvoering:
De proef kan ook uitgevoerd worden in een tomaat, een (aard)appel of een bakje
zoutwater. Wat is de invloed van de elektrolytische vloeistof?
Meetresultaten:
Cu is + t.o.v Zn en Zn is + t.o.v Al
U(Cu - Zn) = 0,766V; U(Zn - Al) = 0,235V;
U(Cu – Al) = 0,766V + 0,235V = 1,00V
Copyright © KULeuven
Experiment -
Elektrodynamica – Elektrisch vermogen
Ontlading langs duimspijkers
3de graad - Elektrodynamica
… demonstratie-experiment
… leerlingenpracticum
Onderwerp: Ontlading langs
duimspijkers
… gemakkelijk
… middelmatig
… moeilijk
Materiaal:
piepschuim, 40-tal duimspijkers, twee verbindingsdraden, elektriseermachine (Van
der Graaff)
Uitvoering:
1. Plaats de duimspijkers op een rij naast elkaar (2 à 3 mm afstand) in het
piepschuim.
2. Verbind een uiteinde van de draden met de elektriseermachine (kap en aarding),
het andere uiteinde plaats je juist naast de spijkers.
3. Schakel de elektriseermachine in.
Opdrachten/Vragen:
Tips bij de uitvoering:
Meetresultaten:
Copyright © KULeuven
12
Experiment -
13
Wet van Ohm
2de graad - Elektrodynamica
… demonstratie-experiment
… leerlingenpracticum
Onderwerp: Wet van Ohm
… gemakkelijk
…middelmatig
… moeilijk
Materiaal:
gelijkspanningsbron, volt- en ampèremeter, konstantaandraad, verbindingsdraden,
eventueel isolerende voeten
Uitvoering:
1. Sluit de draad aan op de bron.
2. Schakel de ampèremeter in serie en de voltmeter parallel met de draad.
3. Meet de spanning en de stroomsterkte voor verschillende waarden van de
bronspanning.
Opdrachten/Vragen:
1. Formuleer de onderzoeksvraag bij dit experiment.
2. Geef de metingen overzichtelijk weer.
3. Formuleer een besluit.
Tips bij de uitvoering:
Voer de metingen uit in volgorde volgens toenemende spanning.
Meetresultaten:
U (V)
0
0,52
1,01
1,51
I (A)
0
0,92
1,79
2,67
konstantaan
3
I (A)
2,5
I (U = 1,77 U
2
1,5
1
0,5
0
0
Copyright © KULeuven
0,2
0,4
0,6
0,8
1
1,2
1,4
U
Experiment I(U) bij een gloeilamp
3de graad - Elektrodynamica
… demonstratie-experiment
… leerlingenpracticum
Onderwerp: I(U) bij een gloeilamp
… gemakkelijk
… middelmatig
… moeilijk
Materiaal:
gelijkspanningsbron, volt- en ampèremeter, fietslampje, verbindingsdraden
Uitvoering:
1. Sluit het fietslampje aan op de bron.
2. Schakel de ampèremeter in serie en de voltmeter parallel met het lampje.
3. Meet de spanning en de stroomsterkte voor verschillende waarden van de
bronspanning.
Opdrachten/Vragen:
1. Formuleer de onderzoeksvraag.
2. Geef je de metingen overzichtelijk weer.
3. Hoe kan je snel vaststellen dat je meetresultaten niet voldoen aan de wet van
Ohm?
4. Kan je het ook verklaren?
5. Onder welke voorwaarde voldoet een fietslampje wel aan de wet van Ohm?
Tips bij de uitvoering:
Voer de metingen uit volgens toenemende spanning.
Meetresultaten:
gloeilamp
U (V)
I (mA)
0
0,5
1,01
1,52
2,02
2,51
3,02
3,51
4,02
4,53
5,03
5,5
6,02
6,52
0
11,8
17,35
21,8
25,7
29,1
32,4
35,4
38,3
41,0
43,5
45,8
48,2
50,4
Copyright © KULeuven
60
I (mA)
50
40
30
20
10
0
0
1
2
3
4
5
6
U (V) 7
14
Experiment -
15
Wet van Pouillet (verband weerstand-doorsnede)
3de graad - Elektrodynamica
Onderwerp: Wet van Pouillet R(doorsnede)
… gemakkelijk
… middelmatig
… moeilijk
… demonstratie-experiment
… leerlingenpracticum
Materiaal:
gelijkspanningsbron, volt- en ampèremeter, konstantaandraden met verschillende
doorsnede, verbindingsdraden, eventueel isolerende voeten
Uitvoering:
1. Sluit een konstantaandraad (1,00 m) aan op de bron.
2. Schakel de ampèremeter in serie en de voltmeter parallel met de draad.
3. Meet de spanning en de stroomsterkte en bereken de weerstand.
4. Herhaal dat voor de verschillende draden.
Opdrachten/Vragen:
1. Formuleer de onderzoeksvraag bij dit experiment.
2. Geef de metingen overzichtelijk weer.
3. Op welke 2 manieren kun je het verband tussen weerstand en doorsnede afleiden
uit de meetresultaten?
Tips bij de uitvoering:
Meet de diameter van de draden met een schuifpasser of micrometer.
Laat de leerlingen de doorsnede van de draden berekenen.
Meetresultaten:
1/A
A (mm2) (1/mm2)
U (V)
I (A)
d (mm)
0,515
0,10
0,35
0,096
10
5,2
2,5
R (Ω)
0,519
0,21
0,50
0,20
5,1
0,520
0,43
0,70
0,38
2,6
1,2
0,511
0,83
1,00
0,79
1,3
0,62
wet van P ouillet
konstantaan R (1/ A )
R (Ω )
6
5
4
3
2
1
0
0
Copyright © KULeuven
2
4
6
8
10
12
1/ A (1/ mm 2 )
Experiment -
16
Wet van Pouillet (verband weerstand-lengte)
3de graad - Elektrodynamica
Onderwerp: Wet van Pouillet –
R(lengte)
… gemakkelijk
… middelmatig
… moeilijk
… demonstratie-experiment
… leerlingenpracticum
Materiaal:
gelijkspanningsbron, volt- en ampèremeter, konstantaandraad, verbindingsdraden en
krokodilklem, rolmeter
Uitvoering:
1. Sluit de konstantaandraad aan op de bron. Maak aan één kant een schuifcontact
met de krokodilklem.
2. Schakel de ampèremeter in serie en de voltmeter parallel met het ingeschakelde
stuk van de draad.
3. Meet de spanning en de stroomsterkte bij verschillende lengten van het
ingeschakelde stuk draad.
Opdrachten/Vragen:
1. Formuleer de onderzoeksvraag.
2. Geef je de metingen overzichtelijk weer.
3. Op welke 2 manieren kan je het verband tussen weerstand en lengte afleiden uit de
meetresultaten?
Tips bij de uitvoering:
Let op dat de stroom niet hoger wordt dan 100 mA.
Meetresultaten:
R (lengte) konstantaan (diameter 0,35 mm)
6
I (mA)
95,1
99,7
96,9
95,0
105,7
U (V)
0,485
0,408
0,290
0,195
0,103
R (Ω)
5,10
4,09
2,99
2,05
0,97
R (Ω )
lengte
(m)
1,00
0,80
0,60
0,40
0,20
R (lengte) = 5,17.lengte
5
4
3
2
1
0
0
0,2
0,4
0,6
0,8
1
lengte (m)
Copyright © KULeuven
Experiment -
17
Wet van Pouillet (verband weerstand-materiaal)
3de graad - Elektrodynamica
… demonstratie-experiment
… leerlingenpracticum
Onderwerp: Wet van Pouillet –
R(materiaal)
… gemakkelijk
… middelmatig
… moeilijk
Materiaal:
gelijkspanningsbron, volt- en ampèremeter, verschillende draden met dezelfde lengte
en doormeter b.v. konstantaan en messing, verbindingsdraden
Uitvoering:
1. Sluit een draad b.v. konstantaan aan op de bron. Schakel de ampèremeter in serie
en de voltmeter parallel met de draad.
2. Meet de spanning en de stroomsterkte.
3. Herhaal voor een andere draad b.v. messing.
Opdrachten/Vragen:
1. Welk is de onderzoeksvraag bij dit experiment?
2. Wat kun je uit het experiment besluiten?
Tips bij de uitvoering:
Let er op dat dde stroom niet groter is dan 100 mA.
Meetresultaten:
konstantaan
messing
lengte = 1,00 m, diameter = 0,50 mm
I(mA)
U (mV)
R (Ω)
94,7
240
2,53
89,2
39,1
0,44
Copyright © KULeuven
Experiment -
18
Serie en parallelschakeling
3de graad - Elektrodynamica
… demonstratie-experiment
… leerlingenpracticum
Onderwerp: Serie en parallelschakeling
… gemakkelijk
… middelmatig
… moeilijk
Materiaal:
gelijkspanningsbron, volt en –ampèremeter, paneel met weerstanden (waarden tussen
100Ω en 10 KΩ ) of weerstanden gemonteerd op contactplaat, verbindingssnoeren.
Uitvoering:
1. Maak een serieschakeling van twee weerstanden.
2. Meet met de voltmeter de spanning over elke weerstand afzonderlijk en over de
hele schakeling. Meet met de ampèremeter de stroom door de weerstanden.
3. Leid hieruit de rekenregel af voor de substitutieweerstand Rs van twee
weerstanden in serie.
4. Let erop dat je de spanning van de bron niet verandert tijdens de meting.
5. Herneem de metingen voor een schakeling van twee weerstanden in parallel.
Opdrachten/Vragen:
1. Wat wordt de rekenregel voor 3 of meer weerstanden?
2. Waartoe herleid je de rekenregel voor gelijke weerstanden?
3. Welke schakeling is een spanningsdeler? Welke is een stroomdeler?
4. Hoe verhouden de deelspanningen / deelstromen zich t.o.v. de totale spanning /
stroom en t.o.v. de weerstanden?
Tips bij de uitvoering:
1. Beperk de stroom in de hoofdkring (vb. 100mA). Plaats daarom altijd eerst de
ampèremeter in de hoofdkring, dus vlakbij de bron.
2. Schakel telkens de bron uit als je de kring openmaakt om de ampèremeter te
verplaatsen. Bij de verplaatsing van de voltmeter doe je dat niet, waarom niet?
Meetresultaten:
serie: Rs = R1 + R2 + … parallel: Rs-1 = R1-1 + R2-1 + ….
Copyright © KULeuven
Experiment -
19
Elektrische blackboxes
3de graad - Elektrodynamica
… demonstratie-experiment
… leerlingenpracticum
Onderwerp: Elektrische blackboxes
… gemakkelijk
… middelmatig
… moeilijk
Materiaal:
set blackboxes bestaande uit drie identieke lampen en één of twee schakelaars,
spanningsbron ingesteld op een vaste waarde bv 5,0 V (afhankelijk van de lampjes)
Uitvoering:
Verbind de bron met de blackbox en stel de spanning in op 5,0V.
Opdrachten/Vragen:
Zoek de schakeling van de lampen en schakelaars en steun hierbij op de waarneming
van de lichtsterkte van de lampen.
Bewijs de juistheid van de schakeling met minstens twee experimenteel gefundeerde
waarnemingen (in de zin van als ik de lamp B los draai dan zal dat gebeuren met lamp
A en C) of (als ik de schakelaar 1 open zet dan zal lamp A en B branden).
Tips bij de uitvoering:
Het is van belang dat de leerlingen vooraf goed begrijpen wat kortsluiting van een
lamp betekent.
De leerlingen kunnen de schakeling die zij hebben gevonden uittesten in programma’s
zoals crocodile physics,…als controle.
Meetresultaten:
Mogelijke schakelingen die je kan uitvoeren met de leerlingen
Copyright © KULeuven
Experiment -
20
Inwendige weerstand van een batterij
3de graad - Elektrodynamica
Onderwerp: inwendige weerstand van
een batterij
… gemakkelijk
… middelmatig
… moeilijk
… demonstratie-experiment
… leerlingenpracticum
Materiaal:
batterij, veranderlijke weerstand, schakelaar, volt- en ampèremeter
Uitvoering:
Schakel de voltmeter over de batterij en verbind de batterij in serie met veranderlijke
weerstand, de schakelaar en de ampèremeter.
1. Lees de waarde van elektromotorische spanning Uems = U0 af met een open
schakeling.
2. Begin bij een waarde van de weerstand gelijk aan 56 Ω, sluit de schakelaar en lees
de waarde van de stroomsterkte en spanning af.
De schakelaar maar kort gesloten houden.
3. Verklein de waarde de weerstand en herhaal de metingen.
Opdrachten/Vragen:
1. Bepaal de waarde van de inwendige weerstand uit de waarde van de weerstand,
stroomsterkte en klemspanning U.
2. Maak een grafiek met U op de verticale as en I op de horizontale as.
3. Bepaal uit grafiek de waarde van de inwendige weerstand en de waarde U0.
Extrapoleer de rechte tot het snijpunt met de verticale as.
Tips bij de uitvoering:
Het is belangrijk om de schakelaar maar kort ingedrukt te houden.
Meetresultaten:
Uo = 9,70 V
Ruitw(Ω)
56
27
22
18
15
I(A)
0.17
0.31
0.37
0.45
0.53
U(V)
9.21
8.85
8.65
8.47
8.32
Rinw(Ω)
2.9
2.7
2.8
2.7
2.6
y = -2,5185x + 9,6218
10
9
8
7
U(V) 6
5
4
3
2
1
0
0
0,1
0,2
0,3
I(A)
Copyright © KULeuven
0,4
0,5
0,6
Experiment -
21
Joule effect (1)
3de graad - Elektrodynamica
… demonstratie-experiment
… leerlingenpracticum
Onderwerp: Wet van Joule
… gemakkelijk
… middelmatig
… moeilijk
Materiaal:
spanningsbron, ampèremeter, chronometer, joulemeter met ingebouwde
verwarmingsspiraal (max. 5 A), verbindingsdraden, maatglas
Uitvoering:
1. Meet 250 ml water af. Giet het in de joulemeter.
2. Schakel de verwarmingsspiraal in. Stel een stroomsterkte van ongeveer 1,0 A in.
3. Lees na ongeveer twee minuten de temperatuur af en start op dat moment de
chronometer. Roer voortdurend. Lees gedurende vijf minuten elke minuut de
temperatuur af.
4. Herhaal de metingen voor andere stroomsterkte zoals: 2,0 A en 3,0 A.
Opdrachten/Vragen:
Welk verband bestaat er tussen de temperatuurstijging en de tijdsduur bij een
bepaalde stroomsterkte? Welk verband bestaat er tussen de stroomsterkte en de
temperatuurstijging bij een bepaald tijdsinterval?
Tips bij de uitvoering:
Zorg er voor de stroomsterkte voldoende hoog is.
Meetresultaten:
0
1
2
3
4
5
Δθ /min
1,03
23,5 °C
23,7 °C
23,9 °C
24,1 °C
24,4 °C
24,6 °C
0,22
2,06
24,9 °C
25,8 °C
26,6 °C
27,5 °C
28,3 °C
29,1 °C
0,84
3,09
30,1 °C
32,0 °C
33,6 °C
35,4 °C
37,1 °C
38,9 °C
1,8
I (A)/tijd(min)
40
38
36
temp (°C)
34
32
I = 3,09 A
30
28
26
I = 2,06 A
I = 1,03 A
24
22
20
0
2
4
tijd (min)
Copyright © KULeuven
6
Experiment -
22
Joule effect (2)
3de graad - Elektrodynamica
… demonstratie-experiment
… leerlingenpracticum
Onderwerp: Joule effect
… gemakkelijk
… middelmatig
… moeilijk
Materiaal:
spanningsbron (tot 15 A), drie isolatiestatieven, koperen draad, nikkelchroom draad,
papier strookjes
Uitvoering/ vragen:
1. Maak een serieschakeling met de twee draden.
2. Plaats over elke draad een papierstrook.
3. Schakel de spanning in en verhoog de stroomsterkte tot bv 10 A.
4. Waarom brandt de papierstrook vlugger door bij de nikkelchroomdraad?
Tips bij de uitvoering:
• Probleemstellende proef waarbij de leerlingen hun kennis over de serieschakeling
en de wet van Joule gebruiken om tot een oplossing te komen.
• Leerlingen leren de invloedsfactoren bij warmteontwikkeling van een draad
verwoorden.
Meetresultaten:
Copyright © KULeuven
Experiment -
23
Elektrisch vermogen
3de graad – Elektrodynamica Elektrisch vermogen
… demonstratie-experiment
… leerlingenpracticum
Onderwerp: Elektrisch vermogen
… gemakkelijk
… middelmatig
… moeilijk
Materiaal:
lamp (220V, 30W), lamp (220 V, 100W)
Uitvoering:
1. Schakel de lampen parallel over de netspanning (figuur links).
2. Draai één lamp los. Wat gebeurt er met de lichtsterkte van de andere lamp?
3. Schakel de lampen in serie over de netspanning (figuur rechts).
4. Draai één lamp los. Wat gebeurt er met de lichtsterkte van de andere lamp?
Draai de andere lamp los. Wat gebeurt er met de lichtsterkte van de andere lamp?
Opdrachten/Vragen:
ƒ Bij elke opdracht noteren de leerlingen hun waarneming over de lichtsterkte van
de lampen
ƒ Hoe is het verschil in lichtsterkte te verklaren? Welke grootheid van de lampen is
verschillend?
ƒ Hoe kan je verklaren dat de lamp van 30 W geen licht uitstraalt als de lampen in
serie geschakeld zijn?
Tips bij de uitvoering:
De leerlingen worden vertrouwd gemaakt met de spanning en stroomsterkte waarbij
de lamp optimaal “brandt”.
Meetresultaten:
Copyright © KULeuven
Experiment -
24
Vermogen van lampen
3de graad – Elektrodynamica Vermogen
… demonstratie-experiment
… leerlingenpracticum
Onderwerp: Vermogen van lampen
… gemakkelijk
… middelmatig
… moeilijk
Materiaal:
kWh-meter, chronometer, paneel met drie lampen, drie gewone gloeilampen – 100 W,
eventueel drie spaarlampen
Uitvoering:
Sluit de lampen aan op het net (220 V).
Op de wattmeter kun je aflezen dat 600 toeren van de draaiende schijf overeenkomen
met een energieverbruik van 1 kWh.
Start de chronometer als de rode aanduiding op de draaiende schijf van de wattmeter
juist vooraan in het midden staat. Stop de chronometer als de schijf juist terug in deze
positie te zien is. Ze heeft dan 1 toer afgelegd.
Opdrachten/Vragen:
Hoeveel energie verbruikt de lamp bij één omwenteling van de kWh-meter?
Hoe kan je het vermogen eerst van drie lampen berekenen en daarna van één lamp?
Bereken de kostprijs als de drie lampen 2,0 h branden en 1 kwh 0,1 euro kost.
Tips bij de uitvoering:
Pas op de lampen kunnen warm worden.
Je kunt ook nagaan of de volgende stelling van de fabrikant van lampen
correct is: "Een spaarlamp met dezelfde lichtopbrengst als een gloeilamp, verbruikt 5
keer minder energie."
Schakel dan eerst de spaarlampen in en gebruik daarna de gloeilampen.
Meetresultaten:
Copyright © KULeuven
Experiment -
25
Veiligheid
Overbelasting
3de graad - Veiligheid
… demonstratie-experiment
… leerlingenpracticum
Onderwerp: Overbelasting
… gemakkelijk
… middelmatig
… moeilijk
zekering
Materiaal:
verschillende gloeilampjes (6V, 1A) parallel geschakeld, elk met aparte schakelaar of
verbindingsklem, 2 klembussen op geïsoleerde voet, constantaandraad diameter 0,20
mm, papieren ruitertjes, regelbare gelijkspanningsbron, ampèremeter.
Uitvoering:
In de hoofdketen loopt de stroom door een stukje constantaandraad, tussen twee
klembussen op geïsoleerde voet. Deze draad doet dienst als zekering.
Met een ampèremeter wordt deze stroom gemeten. In serie met dit stukje draad wordt
een parallelschakeling gemaakt van meerdere gloeilampjes elk apart met eigen
schakelaar. Bij de start van de meting staan alle schakelaars open. Zet de spanning op
6 V. Als je een voor een de lampjes aanschakelt, neemt de hoofdstroom toe. Bij 4
lampjes begint de ruiter te smeulen.
Opdrachten/Vragen:
Bepaal de stroom waarbij het papieren ruitertje gaat smeulen
Tips bij de uitvoering:
Schakel na eventueel doorbranden de spanning uit, zet alle schakelaars opnieuw open
en vervang dan pas het stukje constantaandraad.
Ook de lengte van het draadje speelt mee: zorg ervoor dat de klembussen precies op
dezelfde afstand blijven staan.
Meetresultaten:
lengte 3 cm, diameter 0,20 mm, de ruiter smeult bij I= 2A
Copyright © KULeuven
Experiment -
Kortsluiting
3de graad - Veiligheid
… demonstratie-experiment
… leerlingenpracticum
Onderwerp: Kortsluiting
… gemakkelijk
… middelmatig
… moeilijk
zekering
Materiaal:
meerdere gloeilampjes (6V, 1A) parallel geschakeld met voor elk een aparte
schakelaar. 2 klembussen op geïsoleerde voet, constantaandraad in verschillende
diameters (0,20 mm, 0,35 mm), papieren ruitertjes, regelbare gelijkspanningsbron.
Uitvoering:
In de hoofdketen loopt de stroom door een stukje constantaandraad, tussen twee
klembussen op geïsoleerde voet. Met een ampèremeter wordt deze stroom gemeten.
In serie met dit stukje draad wordt een parallelschakeling gemaakt van een
gloeilampje en een schakelaar. Bij de start van de meting staat de schakelaar open.
Als je de lampjes aanschakelt warmt de constantaandraad op. Bij het sluiten van de
onderste schakelaar maak je een kortsluiting en brandt de draad door.
Opdrachten/Vragen:
Leg uit wat het verschil is tussen overbelasting en kortsluiting
Tips bij de uitvoering:
Schakel telkens na doorbranden de spanning uit, zet de schakelaar opnieuw open en
vervang dan pas het stukje constantaandraad.
Ook de lengte van het draadje speelt mee: zorg ervoor dat de klembussen precies op
dezelfde afstand blijven staan.
Meetresultaten:
lengte 3 cm, diameter 0,20 mm, brandt door bij een hoge stroom.
Copyright © KULeuven
26
Experiment -
27
Weerstand van het menselijk lichaam
3de graad - Veiligheid
… demonstratie-experiment
… leerlingenpracticum
Onderwerp: Weerstand van het
menselijk lichaam
… gemakkelijk
… middelmatig
… moeilijk
Schema:
Materiaal:
regelbare wisselspanningbron (tot max. 7V AC) , box – “model mens”, voltmeter
20VAC en ampèremeter 200 mA AC.
Uitvoering:
Je legt de wisselspanning aan over het model mens. De ampèremeter staat in de kring
en meet de stroom door de mens. De voltmeter meet de spanning over de bron.
Opdrachten/Vragen:
• Laat de spanning langzaam toenemen tot 7 V AC en noteer de stroomsterkte.
Bereken hieruit de weerstand van het model mens bij wisselspanning.
• Noteer bij welke stroom het rode licht op het model brandt en de zoemtoon
aanslaat.
• Plaats twee klembussen in plaats van het “model mens” en neem zelf de beide
metaaldelen vast met droge vingers. Herneem de vorige proef. Hoe verloopt de
weerstand van het menselijk lichaam bij toenemende wisselspanning?
• Herneem de proef waarbij je de metaaldelen krachtig vast neemt, en doe de proef
ook eens met vochtige vingers.
Tips bij de uitvoering:
Als je de proef herneemt bij gelijkspanning kan je vergelijken of de weerstand bij
gelijkspanning overeenkomt met de weerstand bij wisselspanning.
Meetresultaten:
De zoemer werkt bij een spanning van 2,2 V AC en een stroom van 30 mA AC. Deze
stroom nadert de gevarenzone. De weerstand van het model is 73 Ω.
Bij 6,0 V AC is de stroom 78 mA AC. De weerstand is 77 Ω
Copyright © KULeuven
Experiment - 28
Zekering
3de graad - Veiligheid
… demonstratie-experiment
… leerlingenpracticum
Onderwerp: Zekering
… gemakkelijk
… middelmatig
… moeilijk
Rmens
Materiaal:
regelbare wisselspanningbron (tot max. 7 V AC) , box – “model stopcontact”, box –
“model mens”, box “onderbrekingsautomaat LS”
Uitvoering:
Je maakt de schakeling volgens schema, de nuldraad en de aarding zijn verbonden op
het model onderbrekingsautomaat. Het model stopcontact is verbonden met de
Fasedraad en met de Nuldraad. Het model mens wordt verbonden met de aarde. De
amperemeter staat in de kring en meet de stroom door de fasedraad. De voltmeter
meet de spanning over de bron.
Schema: in de praktijk wordt de N-geleider of nulgeleider in het elektrisch net
geaard, zodat elke verbinding met de aarde als terugvoerleiding van de stroom kan
dienen.
Opdrachten/Vragen:
• Verbind het model mens met één hand met het stopcontact, eerst met de F-kant,
daarna met de N-kant.
• Laat de spanning langzaam toenemen tot 7 V AC. Noteer bij welke stroom het rode
licht op het model brandt en de zoemtoon aanslaat.
• Wat doet de zekering?
Tips bij de uitvoering:
• Neem de aarding weg bij de mens en doe de proef opnieuw.
• Neem de aardverbinding op de onderbrekingsautomaat weg en doe de proef
opnieuw, waarbij de mens eerst wel en daarna niet met de aarde verbonden is.
Meetresultaten:
Een dodelijk ongeval gebeurt als de 3 voorwaarden gelijktijdig gelden: de nulgeleider
is goed verbonden met de aarde en de mens is tamelijk goed geaard en raakt de
fasegeleider aan.
De zoemer werkt bij een spanning van 2,3 V AC en een stroom van 60 mA AC. De
zekering wordt niet onderbroken.
Copyright © KULeuven
Experiment - 29
Massasluiting
3de graad - Veiligheid
… demonstratie-experiment
… leerlingenpracticum
Onderwerp: Massasluiting
… gemakkelijk
… middelmatig
… moeilijk
Rmens
Materiaal:
regelbare wisselspanning bron (tot max 7V AC) , box – “model verbruiker”, box – “model
mens”, box “onderbrekingsautomaat LS” = zekering
Uitvoering:
Je maakt de schakeling volgens schema, de nuldraad en de aarding zijn verbonden op het
model onderbrekingsautomaat(de 2 knoppen staan omhoog). Het model verbruiker is
verbonden met de Fasedraad en met de Nuldraad. Een lampje doet dienst als verbruiker. Het
model mens wordt verbonden met de aarde. De ampèremeter staat in de kring en meet de
stroom door de fasedraad. De voltmeter meet de spanning over de bron.
Schema: in de praktijk wordt de N-geleider of nulgeleider in het elektrisch net geaard,
zodat elke verbinding met de aarde als terugvoerleiding van de stroom kan dienen.
• Als er stroom vloeit door de behuizing gaan rode diodes branden.
• De behuizing kan geaard worden MA = veiligheidsaarding.
• De behuizing kan ook met F of N verbonden worden = massasluiting MF of MN.
Opdrachten/Vragen:
Verbind het model mens met één hand met de behuizing. Zet de spanning op 7 V AC.
• Noteer de stroom en of het rode licht op het model brandt en de zoemtoon aanslaat.
Noteer of de diodes branden. Wat doet de zekering?
• Leg een massasluiting MF tussen de F en de behuizing. Wat gebeurt er?
• Leg een massasluiting MN tussen de N en de behuizing. Wat gebeurt er?
Tips bij de uitvoering:
Neem de aarding weg bij de mens en doe de proef opnieuw.
Leg een aarding MA aan met de behuizing en doe alle proeven opnieuw, waarbij de mens
eerst wel en daarna niet met de aarde verbonden is.
Meetresultaten:
Geen enkele M is verbonden: de mens kan een gevaarlijke stroom krijgen omwille van N A
contact (= beschermingsgeleider) de mens is niet gezekerd.
• MN : voortdurend lekstroom, maar nooit gevaarlijk voor de mens.
• MF : grote lekstroom, de zekering springt als het toestel goed geaard is MA. Dit gebeurt
in de praktijk door verbinding behuizing - aardingspin van het stopcontact.
Copyright © KULeuven
Experiment - 30
ADS verliesstroom
3de graad - Veiligheid
… demonstratie-experiment
… leerlingenpracticum
Onderwerp: ADS verliesstroom – zekering van
de mens
… gemakkelijk
… middelmatig
… moeilijk
Materiaal:
regelbare wisselspanningbron (tot max 7V AC) , box – “stopcontact”, box –
“verliesstroom schakelaar FI” = ADS of Automatische Differentieel Schakelaar, box
“onderbrekingsautomaat LS” = zekering, lamphouder met gloeilamp (6V / 0,5 A) of
“model mens”
Schema: Je maakt de schakeling volgens schema, de Nuldraad en de Aarding zijn
verbonden = NA. De voltmeter meet de spanning over de bron. De verliesstroom
schakelaar FI en de onderbrekingsautomaat LS zijn aangeschakeld(alle knoppen staan
omhoog). Het model stopcontact is verbonden met de Fasedraad en met de Nuldraad.
Het “model mens” of een lampje tussen Fasedraad en Aarding doet dienst als
verliesstroom. De ampèremeter staat in die kring en meet de verliesstroom.
Uitvoering: Je laat de spanning langzaam toenemen terwijl je de verliesstroom
opmeet. Bij welke stroom wordt de verliesstroom schakelaar onderbroken?
Opdrachten/Vragen:
Wat detecteert de ADS? Wat is de gevoeligheid van een ADS?
Beveiligt een ADS tegen brand? Wat doet de testknop op de ADS?
Variantes: Je kunt rechtstreeks op een ADS uittesten wat het effect is van een
stroomverschil tussen de stroom in de Fasedraad en de stroom in de Nuldraad
met een gloeilamp ipv “mens”
Meetresultaten: De ADS springt af bij een verliesstroom van 63 mA.
Copyright © KULeuven