Samenvatting Natuurkunde 3HV Elektriciteit

Samenvatting Natuurkunde 3HV Elektriciteit
1. Inleiding
In de lessen hebben jullie een paar demonstraties gezien:
- statische elektriciteit: er is hoge spanning aanwezig tussen twee objecten, maar
er loopt geen stroom tussen. Dit kan bijvoorbeeld door wrijving opgewekt
worden.
Voorbeeld:
omdat ze statisch geladen zijn.
-
- De haren van dit meisje staan overeind
Van der Graaffgenerator:
↔
-
Serieschakeling: een aantal elektrische elementen die achter elkaar zijn
aangesloten (in serie).
↔
schakelaar zijn in serie aangesloten)
(lampje(s) en een
-
Parallelschakeling: een aantal elektrische elementen die parallel aan elkaar zijn
aangesloten.
↔
-
Kortsluiting: het aanbrengen van een weerstandloze verbinding in een
stroomkring, waardoor er onbedoeld een grote stroom gaat lopen.
Leuk weetje: Je zenuwstelsel stuurt voortdurend elektrische signalen naar je
hersenen. En daar horen natuurlijk kortsluitingen bij. Een voorbeeld van
kortsluiting in het lichaam is de neurologische verklaring van een Déjà vu.
2. Schemasymbolen
3. Spanning
De elektrische spanning is het potentiaalverschil tussen twee punten in een elektrisch
circuit.
Vergelijk dit met een waterval of een rivier: er is hoogteverschil tussen punten A en B, dus
valt (stroomt) er water naar beneden (van A naar B) ↔ er is potentiaalverschil (spanning)
tussen P en Q, dus er loopt stroom van P naar Q.
↔
Spanning komt uit een spanningsbron, bijvoorbeeld:
• stopcontact
• batterij
• voeding
Elke spanningsbron heeft een pluspool (+) (top van de waterval) en een minpool (-)
(bodem van de waterval)
Spanning wordt aangeduid met hoofdletter U en gemeten in Volt, afgekort V (ook
hoofdletter). Zie ook het teken voor de spanningsmeter (vergelijk dit met hoogte, die
aangeduid wordt met de letter h, en gemeten in meters m).
• Spanning is verschil in Volt tussen + en – pool
• Stroom loopt van + naar – (net zoals water van hoog naar laag)
Vaak wordt een schakeling geaard, ofwel één van de polen van de spanningsbron wordt
met de aarde verbonden. Dit doet men omdat de aarde per definitie potentiaal 0V heeft
(vergelijk dit met de zeespiegel, die hoogte 0 heeft).
4. Stroom
Zoals jullie misschien als weten bestaat alles in ons dagelijks leven uit atomen (inclusief
ook de mens zelf). Een atoom bestaat uit een (positief geladen) kern waar (negatief
geladen) elektronen omheen draaien
(net als dat de planeten om de zon
draaien, alleen véél kleiner!). Bij een metalen stroomdraad kan een elektron tussen
verschillende atomen bewegen. Als er in een bepaalde richting meer elektronen lopen
dan in alle andere richtingen, gaat er in die richting een stroom lopen. Hieronder wordt
dit schematisch in beeld gebracht. Let op dat hoewel de stroom van + naar – loopt,
lopen de elektronen juist van – naar +!
Stroom is dus hoeveelheid lading dat door een draaddoorsnede per seconde loopt.
(Vergelijk dit met een rivier: hoeveelheid water dat er per seconde door een
rivierdoorsnede loopt)
Stroom wordt aangeduid met de hoofdletter I en gemeten in Ampère (A), zie ook het
symbool voor het Ampèremeter. Als een stroom gaat splitsen, ontstaan er vertakkingen:
↔
Hier geldt: I=I1+I2+I3. (net zoals bij een revier die zich splitst in 3 vertakkingen, gaat een
deel van het water in de eerste, een deel in de tweede en een deel in de derde vertakking
stromen).
5. Spanning en stroom meten
Spanning meet je met een voltmeter (die vaak op een multimeter zit). Een voltmeter sluit
je altijd parallel aan een element waarvan je wilt weten hoeveel spanning er overheen
staat (er loopt namelijk geen spanning door de voltmeter, daarom moet deze niet in
serie!). Daarna selecteer je het bereik van de voltmeter. Bijvoorbeeld, als je 20V
selecteert, kan de voltmeter maximaal 20 V meten. Zorg bij een voltmeter dat je de
polen goed aansluit (de + bij de + en de – bij de –).
Stroom meet je met een stroommeter (die ook op een multimeter zit). Een stroommeter
sluit je altijd in serie aan zodat je meet hoeveel stroom er door de stroommeter loopt.
Daarna selecteer je het bereik van de stroommeter. Ook hier moet je zorgen dat de polen
correct aangesloten zijn.
Samenvatting
spanning/stroom
Spanning
Stroom
Te vergelijken met
Hoogteverschil
Water
Polen
+ en -
Loopt van + naar -
Naam
U
I
Eenheid
V(olt)
A(mpère)
Meter aansluiten
Parallel
In serie
6. Wet van Ohm
Er is een verband tussen de stroom en spanning die af te lezen is uit het (I,U)-diagram.
Dit verband heet de wet van Ohm: U=I∙R, met R – grootte van de (draad)weerstand in Ω
(Ohm). 3 varianten:
1. U=I∙R
2. I=U/R
3. R=U/I
Zie powerpoint-presentatie en opgaven voor rekenvoorbeelden.
In het voorbeeld van water kun je een weerstand vergelijken met een vernauwing in een
rivier.
7. Rekenen aan weerstanden
Serieweerstanden
Als twee weerstanden in serie staan loopt er door beide weerstanden evenveel stroom,
maar staat er een andere spanning overheen. (Bij twee vernauwingen van een rivier loopt
er door beide vernauwingen evenveel water, maar de hoogteverschillen kunnen anders
zijn.)
Dus, terug bij de schakeling, geldt voor de stroom dat Itot=I1=I2, maar Utot=U1+U2. Dan
geldt dat de totale weerstand (ook vervangingsweerstand genoemd) gelijk is aan
Rv=R1+R2 (probeer dit zelf uit de wet van Ohm af te leiden).
Parallelweerstanden
Als twee weerstanden parallel aangesloten zijn staat er evenveel spanning over de
weerstanden maar kan er aan ander stroom doorheel lopen. (Als bij twee vertakkingen
van rivier, die later samenkomen, een vernauwing is, blijft het hoogteverschil tussen het
punt van vertakking en het punt van samenkomen voor beide vertakkingen hetzelfde,
maar kan een ander hoeveelheid water door de vertakkingen gaan).
Dit betekent dat voor de spanning geldt U1=U2=Ubron, maar voor de stroom geldt I1+I2=Itot.
Hierdoor kun je de vervangingsweerstand berekenen door de formule
1
1
1


.
Rv R1 R2
Samenvatting
Weerstanden
Serie
Parallel
Spanning (U)
U1+U2=Ubron
U1=U2=Ubron
Stroom (I)
I1=I2=Itot
I1+I2=Itot
Vervangingsweerstand
(Rv)
Rv=R1+R2
1
1
1


Rv R1 R2
8. Vermogen
Als er op een rivier een waterturbine geplaatst wordt, gaat deze draaien doordat water
erdoorheen stroomt. Dus water heeft vermogen om het turbine te laten draaien. Er zijn
twee factoren die van invloed zijn op de sterkte van de draaiing: hoeveel water er door de
turbine per tijdseenheid stroomt en vanaf welke hoogte dat water komt.
Met elektriciteit is het net zo. Als de spanning groter wordt (hoogteverschil) of de grootte
van de stroom (hoeveelheid water) wordt het vermogen groter.
Vermogen wordt aangeduid met de hoofdletter P en berekend in Watt (W).
In formules dus: P(W)=U(V)∙I(A).
9. Energie
Als water door middel van vermogen de turbine aandrijft, produceert de turbine energie.
Hoe langer er vermogen op wordt uitgeoefend, des te meer energie er geproduceerd wordt.
Hetzelfde geldt weer voor elektriciteit. Hoe langer stroom vermogen uitoefent, des te
meer energie er geproduceerd wordt (als je een lampje aanzet, produceert stroom
vermogen die het lampje laat branden; hoe langer het aanstaat, des te meer energie het
lampje cumulatief produceert)
Zoals jullie al weten wordt energie met hoofdletter E aangeduid, en gemeten in Joule (J).
Dus er geldt E(J)=P(W)∙t(s)
Thuis krijg je een energierekening met daarop het gebruikte energie, stroomverbruik
genoemd, in kWh (kilowatt uur), dus 1000 Watt keer 3600 seconden.
3600∙1000=3600000 J, dus 1 kWh=3.6 MJ (megajoule). Dus kWh is een energieeenheid, en niet vermogen!
10. Rendement
Energie/vermogen is er in vele soorten: warmte, licht, geluid, beweging etc. Niet
alle energie is nuttig. Bijvoorbeeld: een gloeilamp heb je nodig voor licht, maar
het wordt ook warm. Die warmte kun je niks mee. De nuttige energie van een
gloeilamp zit dus alleen in de lichtenergie.
Rendement vertelt je de verhouding tussen de verbruikte en de nuttige energie of
vermogen.
Het wordt aangeduid met griekse letter η (èta). Rendement heeft geen eenheid.
Pnuttig
In formule:  
Pin