Opgave 5 Een verwarmingselement heeft een weerstand

Opgave 5
Een verwarmingselement heeft een weerstand van 14,0 Ω en is opgenomen in de schakeling van figuur 3.
figuur 3
De schuifweerstand is zo ingesteld dat de stroomsterkte 0,50 A is.
a) Bereken het vermogen dat in het verwarmingselement wordt omgezet.
Als de weerstand van de schuifweerstand kleiner wordt gemaakt, verandert het vermogen dat in het
verwarmingselement wordt omgezet.
b) Zal dit vermogen toenemen of afnemen? Licht je antwoord toe.
Opgave 6
Een gloeilamp (lamp 1) wordt in een schakeling opgenomen. In figuur 4 zie je de onderdelen van de
schakeling. De schakeldraden ontbreken. Met deze schakeling wordt het verband tussen de spanning over
de lamp en de stroomsterkte door de lamp bepaald. Het resultaat van dergelijke metingen wordt
weergegeven in een zogeheten (I,U)-karakteristiek. In figuur 5 zie je de (I,U)-karakteristiek van lamp 1.
figuur 4
figuur 5
a) Neem de onderdelen van figuur 4 over en teken de draden zodat hiermee metingen gedaan kunnen
worden waarmee uiteindelijk het diagram van figuur 5 gemaakt kan worden.
In de loop van deze serie metingen werd de spanning steeds groter gemaakt. Zoals je in figuur 5 kunt zien
blijkt de grafiek bij spanningen boven 60 V een rechte lijn te zijn.
b) Beredeneer met behulp van figuur 5 of de weerstand van de gloeidraad van de lamp
groter wordt, kleiner wordt of gelijk blijft als de spanning vanaf 60 V toeneemt.
Van een andere gloeilamp (lamp 2) is ook een (I,U)-karakteristiek gemeten. Deze karakteristiek is samen met
die van lamp 1 uitgezet in figuur 6.
figuur 6
Lamp 1 en lamp 2 worden in serie aangesloten op een spanningsbron van 80 V.
c) Bepaal met behulp van figuur 6 de stroomsterkte in de lampen.
Opgave 8
Tijdens een koude winterdag wordt voor de opwarming van een woning 18 m 3
(Gronings) aardgas verbrand. De warmtecapaciteit van de hele woning bedraagt 3,7∙10 7 J/K. De temperatuur
van de woning stijgt daarbij van 13,0 °C tot 22,0 °C.
Bereken het rendement van het opwarmingsproces.
Opgave 9
Arjen vindt zijn glas melk van 19 ˚C te warm. Om het af te koelen doet hij er twee ijsblokjes in. Bij het
smelten van het ijs neemt het ijs warmte op van de melk. De melk heeft een massa van 175 g. Eén ijsblokje
heeft een massa van 12 g. Je moet ervan uitgaan dat er geen warmtetransport plaats vindt naar of vanuit de
omgeving.
Voor het smelten van één kilogram ijs is 334∙103 joule nodig.
a) Bereken hoeveel warmte het ijs opneemt tijdens het smelten.
b) Bereken de temperatuurdaling van de melk tijdens het smelten.
Opgave 10
In figuur 9 is een hoefijzermagneet getekend. Tussen de verdikte polen ervan heerst een homogeen
magnetisch veld. Door punt P is een magnetische veldlijn getekend.
figuur 9
a) Teken in figuur 9 vier veldlijnen die het homogene magneetveld veld tussen de polen aangeven.
b) Teken in punt P met een pijl van 2,0 cm de vector voor de magnetische inductie in P.
Opgave 11
Milou en Nadieh willen de sterkte van het magnetisch veld tussen de polen van een hoefijzermagneet
bepalen. Milou begint daartoe een opstelling te bouwen zoals die in figuur 10 is getekend. Nadieh vindt
echter dat de magneet moet staan zoals getekend is
in figuur 11.
figuur 10
figuur 11
a) Leg uit waarom in de opstelling van figuur 11 de lorentzkracht naar links of naar rechts gericht zal zijn.
Milou en Nadieh bouwen de opstelling van figuur 10. Zij sluiten vervolgens de schakelaar en zien dat de
veerunster een kleinere kracht aan gaat geven. De lorentzkracht is dus omhoog gericht.
b) Noem twee manieren waarop Milou en Nadieh ervoor kunnen zorgen dat de lorentzkracht omlaag gericht zal
zijn.
Ze maken nu een opstelling waarbij de lorentzkracht omlaag is gericht. Om de magnetische inductie tussen
de polen van de hoefijzermagneet te kunnen bepalen doen ze een aantal metingen. De resultaten van die
metingen zijn:
–
lengte staafje = 15,0 cm
–
zwaartekracht = 0,123 N
–
stroomsterkte = 7,5 A
–
breedte magneet = 2,0 cm
–
totale kracht = 0,135 N
c) Bereken met behulp van deze meetresultaten de grootte van de magnetische inductie.
d) Zou de grootte van de magnetische inductie ook te bepalen zijn geweest als de lorentzkracht omhoog
gericht was? Licht je antwoord toe.
Opgave 12
Figuur 12 is een sterk vereenvoudigde tekening van een elektromotor. Tussen de noordpool en de zuidpool
is een homogeen magneetveld aanwezig.
figuur 12
Met de enkele winding ABCD is de spoel schematisch aangegeven. In werkelijkheid heeft de spoel 50
windingen. Doordat er een gelijkspanning op de collector staat draait de elektromotor. De draairichting is
zodanig dat het blokje omhoog gehesen wordt.
a) Loopt de stroom in de spoel in de richting ABCD of in de richting DCBA? Licht je antwoord toe.
Bij een bepaalde stroomsterkte door de spoel van de elektromotor is de lorentzkracht op de zijde CD van de
spoel in de getekende stand gelijk aan 1,6 N. Zijde CD is 3,8 cm lang en zijde BC is 3,0 cm. De grootte van de
magnetische inductie is 0,27 T.
b) Bereken de grootte van de stroomsterkte door de spoel.
Tijdens het ophijsen is de draaisnelheid van de spoel constant. De omwentelingstijd is 1,0 s. Neem aan dat
de windingen van de spoel in één vlak liggen. Telkens als de spoel dan in de verticale stand komt schuiven de
koolborstels over de isolatielaag tussen de collectorhelften.
c) Teken in figuur 5 de grafiek van de lorentzkracht op zijde CD gedurende een volledige omwenteling van de
spoel. Houd hierbij ook rekening met de richting van de lorentzkracht. Het tijdstip waarop de spoel zich in de
situatie bevindt die in figuur 12 is getekend, noem je t = 0 s. De lorentzkracht is op dat moment 1,6 N en is in
figuur 13 aangegeven met de stip op de verticale as.
figuur 13
Opgave 13
Ymke wil een soldeerbout (7,2 V; 16 W) via een doos D aansluiten op het lichtnet van 230 V. Zie figuur 14.
figuur 14
Ze heeft twee schetsen gemaakt met een mogelijke schakeling die in doos D is aangebracht. Zie figuur 14a
en 14b.
figuur 14a
figuur 14b
Het energieverbruik van de soldeerbout is in beide gevallen gelijk. Toch gebruikt de ene schakeling meer
energie in dezelfde tijdsduur dan de andere. De warmteontwikkeling in de verbindingsdraden worden buiten
beschouwing gelaten.
a) Leg uit welke schakeling de meeste energie per seconde verbruikt.
Ymke maakt een schakeling zoals in figuur 14b. De secundaire spoel heeft 18 windingen.
b) Bereken het aantal windingen van de primaire spoel.
c) Bereken de grootte van de stroomsterkte door de primaire spoel tijdens het solderen.
Opgave 14
Een probleem bij het transport van elektrische energie over grote afstanden is
het energieverlies in de kabels. Om dat probleem te onderzoeken bouwt Xander twee schakelingen om een
lampje van 6,0 V goed te laten branden: een zonder transformatoren en een met transformatoren. In figuur
15 staat de schakeling zonder transformator. De spanningsbron levert een spanning van 9,0 V en de
stroommeter wijst 1,5 A aan. De weerstand van de verbindingsdraden A en B is niet te verwaarlozen.
figuur 15
a) Bereken de grootte van de weerstand van de draden.
b) Bereken het energieverlies in de draden.
Xander maakt vervolgens de opstelling volgens figuur 16. Hierin zijn twee transformatoren opgenomen. Het
lampje (6,0 V; 9,0 W) brandt op de juiste spanning.
figuur 16
c) Moet de spanning bij transformator T1 omhoog of om laag getransformeerd worden om
minder energieverlies in de draden C en D te krijgen? Licht je antwoord toe.
Door stroommeter 1 gaat 1,1 A; spanningsmeter 1 wijst 9,0 V aan.
d) Bereken het rendement van deze schakeling.
Opgave 15
Iris heeft om een plastic buis een spoel van koperdraad gewikkeld. Zie figuur 17.
figuur 17
De uiteinden van de draden zijn aangesloten op een computer.
Ze zet de buis verticaal en houdt aan de bovenkant een magneetje in het buisje. Als ze het magneetje laat
vallen ziet ze op het computerscherm het beeld van figuur 18.
figuur 18
Er zijn drie verschillen tussen de twee pieken. De eerste piek is naar boven gericht, de tweede piek naar
beneden. De tweede piek is ‘hoger’ dan de eerste en hij is smaller dan de eerste.
a) Leg uit waarom er twee pieken met verschillende richtingen ontstaan.
b) Noem een oorzaak die de andere twee verschillen in de pieken kan verklaren. Licht je
antwoord toe.
Iris maakt de verbindingen met de computer los en sluit de uiteinden van de draad aan op een gloeilampje.
Als ze de buis tussen haar beide handen houdt en hard heen en weer schudt dan beweegt de magneet heen
en weer door de spoel. Hierdoor gaat het lampje een beetje gloeien.
Iris kan hetzelfde lampje feller laten gloeien zonder de opstelling aan te passen.
c) Hoe kan Iris het lampje dan feller laten gloeien?
Ook door de opstelling aan te passen is het mogelijk om het lampje met schudden van de buis feller te laten
gloeien. De opstelling is op twee manieren aan te passen.
d) Noem deze twee manieren.