Mens & Techniek
2 2.1.
VMBO BB/KB
Leerjaar 2
ELEKTRICITEITSLEER Inleiding
Je hebt al geleerd dat elektriciteit kan worden opgewekt door allerlei energievormen om te zetten in elektrische energie. Maar hoe kan elektriciteit ontstaan? En waarom kan elektriciteit wel door de ene stof heen stromen maar niet door een andere stof?
Figuur 26 (Illustratie uit Microsoft Word)
Dit heeft te maken met atomen.
2.2.
Atomen
Alles om je heen is opgebouwd uit atomen. En elk atoom is weer bestaat uit protonen, elektronen en neutronen. De protonen en neutronen zitten in de kern van het atoom, de elektronen draaien om de kern heen. Een atoom lijkt op een heel klein zonnestelsel.
Elektron
In het zonnestelsel draaien
Neutron
planeten om de zon.
Proton
In een atoom draaien elektronen om de kern.
30
Mens & Techniek
VMBO BB/KB
Leerjaar 2
Er zijn heel veel verschillende atomen want er zijn heel veel verschillende stoffen. Sommige atomen zijn heel eenvoudig en andere zijn heel ingewikkeld. Hieronder zie je een paar voorbeelden van bekende atomen.
Waterstofatoom Symbool: H
Zuurstofatoom Symbool: O
Koolstofatoom Symbool: C
Deze drie atomen zijn vrij simpel maar er zijn ook veel grotere atomen. Het goud-atoom heeft bijvoorbeeld 79 protonen en 118 neutronen in de kern en daar draaien 79 elektronen omheen. Het goud-atoom is dus veel ingewikkelder, groter en zwaarder dan het zuurstofatoom. Hoe groot is een atoom eigenlijk? De plaatjes van de atomen hierboven zijn veel groter dan een atoom in het echt. Alle atomen hebben een verschillende grootte maar ze zijn allemaal zo klein dat je ze niet kunt zien met je eigen ogen. Om je iets te kunnen voorstellen: Een mensenhaar is ongeveer een miljoen (1.000.000) atomen dik.
Voorbeeld: Stel je voor dat een proton en neutron in de kern van het atoom een doorsnede van 10 cm zouden hebben. Dan zouden de elektronen ongeveer 1 mm dik zijn. Elektronen zijn dus veel kleiner dan protonen en neutronen. En de afstand tussen de kern en een elektron zou dan ruim 15 kilometer zijn.
31
Mens & Techniek
VMBO BB/KB
Leerjaar 2
Hieronder zie je een lijstje met een paar bekende atomen en hun symbolen (afkortingen). Atoom:
Symbool:
Waterstof
H
Helium
He
Koolstof
C
Stikstof
N
Zuurstof
O
Natrium
Na
Chloor
Cl
IJzer
Fe
Zilver
Ag
Goud
Au
Het lichtste atoom is waterstof (H), helium (He) is iets zwaarder en goud (Au) is het zwaarste atoom uit deze tabel. Maar er zijn nog zwaardere atomen die niet in deze tabel staan. Er zijn in totaal 92 atomen die in de natuur voorkomen, dus niet alle atomen staan in de tabel hier boven. Wetenschappers hebben nog meer atomen kunnen maken maar deze zijn niet stabiel genoeg om in de natuur te bestaan. Deze atomen bestaan dus alleen op kunstmatige wijze in een laboratorium of in een fabriek. Alles in de natuur en om je heen is uit een van de 92 natuurlijke atomen opgebouwd of uit een mix van sommige Figuur 27 (Illustratie uit Microsoft Word)
atomen. Een bekende mix van atomen is water: H2O
32
Mens & Techniek
VMBO BB/KB
Leerjaar 2
Atomen vind je overal om je heen want alles is opgebouwd uit atomen. Koolstofatomen (C) zitten bijvoorbeeld in de punt van een potlood en in houtskool.
Figuur 28 (Illustratie uit Microsoft Word)
Een glaasje water zit vol met waterstofatomen (H) en zuurstofatomen (O). Er zitten twee keer zoveel waterstofatomen in water dan zuurstofatomen. Daarom is de afkorting van water H2O.
Figuur 29 (Illustratie uit Microsoft Word)
De afkorting van keukenzout is NaCl. In zout zitten de atomen natrium (Na) en chloor (Cl). Er zitten even veel natriumatomen als chlooratomen in, daarom is de afkorting van zout NaCl.
Figuur 30 (Illustratie uit Microsoft Word)
Bij verbranding ontstaathet schadelijke gas kooldioxide (CO2). Er zitten twee keer zoveel zuurstofatomen (O) in dan koolstofatomen (C). Daarom is de afkorting van kooldioxide CO2.
Figuur 31 (Illustratie uit Microsoft Word)
33
Mens & Techniek
2.3.
VMBO BB/KB
Leerjaar 2
Atomen - Opdrachten
Opdracht 1:R Waaruit bestaan atomen? Opdracht 2:R Wat zit er in kern van een atoom? Opdracht 3:T1 Zitten er atomen in de zon? Opdracht 4:T1 Bestaat de lucht ook uit atomen? Opdracht 5:T2 Bij verbranding ontstaat het gas kooldioxide (CO2). Soms ontstaat er bij verbranding het gas koolmonoxide (CO) in plaats van kooldioxide. Welk gas heeft meer zuurstofatomen? Leg je antwoord uit. Opdracht 6:T1 De aarde draait om de zon. Wat draait er om de kern van een atoom? Opdracht 7:I Alles bestaat uit atomen. Een stof kan bestaan uit twee atomen. Kan deze stof hier vloeibaar zijn en ergens anders een vaste stof? Verklaar je antwoord.
34
Mens & Techniek
2.4.
VMBO BB/KB
Leerjaar 2
Lading en elektriciteit
Wanneer kan elektriciteit ergens door stromen? Dit heeft te maken met de elektronen in de atomen van het materiaal. Elk atoom heeft elektronen en protonen. Elektronen en protonen hebben lading want protonen zijn positief en elektronen zijn negatief.
Proton
Positieve lading
Neutron
Geen lading
Elektron
Negatieve lading
Elke stof bestaat uit atomen met protonen en elektronen. Als in een stof het aantal protonen en elektronen verschillend is, dan is er een verschil aan ‘plusjes’ en ‘minnetjes’. En dan is er lading. Als er meer elektronen zijn is de lading negatief. Als er meer protonen zijn is de lading positief. Als een stof positief (+) of negatief (-) is, dan is er lading. Hoe groter het verschil tussen de elektronen en de protonen is, hoe meer lading er is. En een grotere lading kan voor meer elektrische energie zorgen. Als er evenveel elektronen als protonen zijn is er geen verschil tussen + en -. Dan is er geen lading.
35
Mens & Techniek
VMBO BB/KB
Leerjaar 2
Neutronen In een atoom zitten ook nog neutronen maar die doen niets met lading en elektriciteit. Ze hebben geen lading maar zorgen er voor dat het atoom niet uit elkaar valt. Neutronen zijn neutraal, dus hun lading is gelijk aan nul (0).
Hieronder zie je drie voorbeelden van stoffen en hoe je kunt uitrekenen of die stof lading heeft.
Stof
Tellen:
Uitrekenen:
Proton(+): 10 Neutron(0): 6 Elektron(-): 5
Stof
Tellen: Proton(+):
Oplossing:
+1 x 10 = +10 0x6= -1 x 5
0 -5
De lading is
+5
positief
=
Uitrekenen:
Oplossing:
4
+1 x 4
= +4
Neutron(0): 4
0x 4
=
Elektron(-): 7
-1 x 7
= -7
0 -3
Stof
Tellen: Proton(+): 6
Uitrekenen:
De lading is negatief Oplossing:
+1 x 6 = +6
Neutron(0): 2
0x 2 =
0
Elektron(-): 6
-1 x 6 =
-6
Er is geen
0
lading
Als er meer elektronen(-) dan protonen zijn, dan is er een negatieve lading(-). Als er minder elektronen zijn dan zijn er meer protonen(+), dus is dan er een positieve lading(+). En de neutronen tellen we helemaal niet mee want neutronen zijn neutraal en hebben dus geen lading: de lading van neutronen is nul.
36
Mens & Techniek
2.5.
VMBO BB/KB
Leerjaar 2
Lading en elektriciteit - Opdrachten
Opdracht 1:R Welke lading heeft een elektron? Opdracht 2:R Welke lading heeft een proton? Opdracht 3:T1 In een stof zitten: 10 protonen, 10 elektronen en 10 neutronen. Welke lading heeft deze stof? Opdracht 4:T1 In een stof zitten: 10 protonen, 11 elektronen en 10 neutronen. Welke lading heeft deze stof? Opdracht 5:T1 In een stof zitten: 12 protonen, 11 elektronen en 2 neutronen. Welke lading heeft deze stof? Opdracht 6:T1 In een stof zitten evenveel elektronen als protonen. Wat voor lading heeft deze stof? En waarom? Opdracht 7:T2 We doen een paar protonen in de stof van opdracht 4. Wat gebeurt er met de lading van deze stof? Verklaar je antwoord. Opdracht 8:I Kan een wollen trui lading hebben? Verklaar je antwoord met een voorbeeld.
37
Mens & Techniek
2.6.
VMBO BB/KB
Leerjaar 2
Geleiders en isolatoren
Elektriciteit kun je vergelijken met water. Als er op de ene plek teveel water is en op een andere plek te weinig dan wil het water gaan stromen. Maar dan moet er wel iets zijn waar het water door weg kan stromen, zoals bijvoorbeeld een afvoerleiding. Figuur 32: Geleiders (JPK)
Bij elektronen werkt dit ook zo.
Elektriciteit kun je weg laten stromen door een stukje koperdraad want koper kan elektriciteit doorlaten. Zo’n stof die elektriciteit doorlaat noemen we een ‘geleider’. Geleiders hebben elektronen die vrij kunnen stromen, we noemen dit ‘vrije’ elektronen. De elektronen kunnen vrij stromen dus de elektriciteit kan makkelijk door die stof gaan stromen. Elektriciteit kan niet door alle stoffen heen, zoals bijvoorbeeld kunststof (plastic) of glas. Dit komt door de elektronen in die stof. De elektronen zitten vast aan het atoom en kunnen niet zomaar gaan waar ze willen, ze zijn niet ‘vrij’. Zo’n stof noemen we een isolator. Geleiders zijn stoffen met vrije elektronen, ze laten elektriciteit door. Isolatoren zijn stoffen zonder vrije elektronen, ze laten geen elektriciteit door.
Geleiders zijn vaak metalen zoals goud, koper en ijzer. Deze stoffen geleiden allemaal elektriciteit, maar de ene stof kan dat beter dan de andere.
38
Mens & Techniek
VMBO BB/KB
Leerjaar 2
Koper geleidt de elektriciteit goed, ijzer geleidt ook elektriciteit maar kan dat wat minder goed. Elektriciteit gaat dus makkelijker door koper dan door ijzer. Daarom zijn bijna alle snoeren en kabels gemaakt van koperdraad. Bovendien kun je koper makkelijker buigen dan ijzer omdat het zachter is. Goud geleidt nog beter dan koper. Daarom wordt in een computer of een smartphone meestal goud gebruikt als geleider want als de elektriciteit beter door de computer kan stromen zal deze beter (en sneller) werken. Bekende isolatoren zijn kunststof en rubber. Vaak worden deze gebruikt om kabels en snoeren veilig te kunnen gebruiken, de isolator zit dan om de geleider heen. Maar hoe werkt dat verplaatsen van elektronen dan? En hoe gebeurt dat in het echt? We kunnen elektriciteit vergelijken met het water.
Links is veel water, rechts is weinig water. Het water links wil wel naar rechts maar dat kan niet want er is geen verbinding waar het water doorheen kan.. Er wordt een verbinding gemaakt die water kan doorlaten. Het water wil links en rechts even hoog zijn en stroomt naar rechts. Als er links en rechts evenveel water is dan stopt het water met stromen. Er is nog wel water in beide bakken maar het stroomt alleen niet meer.
39
Mens & Techniek
VMBO BB/KB
Leerjaar 2
Hier zie je hoe elektronen kunnen gaan stromen. Links zie je veel elektronen, links heeft een negatieve lading(-). Rechts zie je geen elektronen, rechts heeft een positieve lading(+). De elektronen links willen wel naar rechts maar dat kan niet want er is geen verbinding.
Er wordt een verbinding gemaakt die elektriciteit kan doorlaten. De elektronen stromen naar rechts. De protonen en de elektronen gaan zich over links en rechts verdelen..
Als er links en rechts evenveel elektronen zijn dan stopt de elektriciteit met stromen. Links is neutraal en rechts ook, er is geen verschil in lading meer tussen links en rechts. Er zijn nog wel elektronen maar ze stromen niet meer.
Wat je hierboven zag kom je ook vaak in het echt tegen. Je kunt het goed vergelijken met een fietslampje met een batterij. Op de volgende bladzijde zie je hoe dat werkt.
40
Mens & Techniek
VMBO BB/KB
Leerjaar 2
Bij de + zijn geen elektronen.
Batterij
Bij de zijn veel elektronen. De elektronen willen graag gaan stromen. De batterij noemen we ‘vol’. Schakelaar
De schakelaar is open. De elektronen kunnen er niet door.
Lamp
De lamp is uit.
Batterij
Bij de + zijn weinig elektronen. Bij de zijn veel elektronen. De elektronen gaan stromen. De batterij noemen we ‘vol’. De schakelaar is gesloten.
Schakelaar
De elektronen kunnen er wel door.
Lamp
De lamp geeft veel licht.
Batterij
Bij de + zijn een paar elektronen. Bij de zijn minder elektronen. De elektronen zijn nog niet verdeeld. De batterij noemen we ‘halfvol’.
Schakelaar
De schakelaar is gesloten. De elektronen kunnen er door.
Lamp
De lamp geeft minder licht.
Batterij
De elektronen zijn verdeeld over beide kanten van de batterij. De elektronen willen niet meer stromen. De batterij noemen we ‘leeg’.
Schakelaar
De schakelaar is gesloten, maar er stromen geen elektronen meer doorheen.
Lamp
De lamp is uit.
41
Mens & Techniek
2.7.
VMBO BB/KB
Geleiders en isolatoren - Opdrachten
Opdracht 1:R Welke soort stoffen hebben vrije elektronen? Opdracht 2:R Een stof heeft geen vrije elektronen. Kan er elektriciteit door deze stof stromen? Opdracht 3:T1 Geef drie voorbeelden van stoffen met vrije elektronen. Opdracht 4:T2 Geef drie voorbeelden van stoffen zonder vrije elektronen. Opdracht 5:I Er stroomt elektriciteit door het snoer van je oplader. Toch krijg je geen schok als je het snoer vastpakt. Hoe kan dat?
42
Leerjaar 2
Mens & Techniek
2.8.
VMBO BB/KB
Leerjaar 2
Stroomkringen
We hebben geleerd dat elektriciteit wel door geleidende stoffen kan stromen maar niet door isolerende stoffen. Bij het voorbeeld met het fietslampje zag je dat er nog iets belangrijk is om elektriciteit te laten stromen. De schakelaar moet worden gesloten om de elektronen te kunnen laten stromen. Als je dit niet doet gaat de lamp niet branden. De weg die elektriciteit door een apparaat of een gebouw kan volgen noemen we een stroomkring.
Hieronder zie je het elektrisch schema van een stroomkring. Schema:
Betekenis van de symbolen: Spanningsbron
Schakelaar
Lamp
Als de schakelaar open staat kan er geen stroom lopen, want de stroomkring is onderbroken en de lamp brandt niet. Als de schakelaar gesloten is kan er wel stroom lopen, want de stroomkring is gesloten en de lamp gaat branden.
43
Mens & Techniek
VMBO BB/KB
Leerjaar 2
Er is ook altijd een spanningsbron nodig voordat er elektriciteit kan gaan stromen. Dit kan bijvoorbeeld een stopcontact, een dynamo of een (oplaadbare) batterij zijn.
Wanneer kan elektriciteit gaan stromen? -
Er moet een spanningsbron zijn
-
Er moet een geleidende stof zijn
-
De stroomkring moet gesloten zijn
Als er veel onderdelen in een elektrisch apparaat zitten hangt het van de schakelaars af waar elektriciteit kan gaan stromen. Voorbeeld:
In dit voorbeeld kun je met schakelaar X lamp A aan- of uitzetten. Met schakelaar Y zet je lamp B en C allebei tegelijk aan of uit.
44
Mens & Techniek
2.9.
VMBO BB/KB
Leerjaar 2
Stroomkringen - Opdrachten
Opdracht 1:
Je sluit schakelaar X. Gaat lamp A branden? Gaat lamp B branden?
Opdracht 2:
Je sluit schakelaar X. Gaat lamp A branden? Gaat lamp B branden?
Opdracht 3: Je sluit alleen schakelaar X. Gaat lamp A branden? Je sluit alleen schakelaar Y. Gaat lamp A branden? Je sluit schakelaar X en Y. Gaat lamp A branden? Opdracht 4:
Je ziet drie schakelaars. Lamp B moet gaan branden. Welke schakelaar(s) moet je sluiten?
45
Mens & Techniek
VMBO BB/KB
Opdracht 5:
Je ziet twee schakelaars. Lamp B moet uitgezet worden. Wat moet je doen?
Opdracht 6: Welke drie zaken zijn er nodig om elektriciteit te laten stromen?
Opdracht 7: Teken het symbool van een spanningsbron:
Opdracht 8: Teken het symbool van een lamp:
Opdracht 9: Teken het symbool van een schakelaar:
46
Leerjaar 2
