Elektriciteit Inhoud • Inleiding : Deze les • Spanning : Wat is dat, hoe komt dat? • Stroom(sterkte) : Wat is dat, hoe komt dat? • Practicum : (I,U)-diagram van een lampje en een weerstand • Weerstand : Wet van Ohm • Serieschakeling : “Kerstboom” • Parallelschakeling : “Voor- en achterlicht” • Serie+Parallelschakeling : allebei in één schakeling g : voor een cijfer • Practicum Serie+Parallelschakeling j • Vermogen : 25/40/60 W lamp • Energie : 1 kWh kost ongeveer € 0,04 – 0,12 • Rendement : Gloeilamp - spaarlamp
Elektriciteit demonstraties • Statische elektriciteit • Van der Graaffgenerator • Serieschakeling • Parallelschakeling • Kortsluiting • Aflezen spanningsmeter
1
Schemasymbolen lampje
verbindingsdraad
+
variabele spanningsbron
V
spanningsmeter (voltmeter)
open schakelaar
A
stroommeter (ampèremeter)
dichte schakelaar
aarde
(draad)weerstand
Spanning Spanning komt uit een spanningsbron, bijvoorbeeld: • stopcontact • batterij • voeding Elke spanningsbron heeft een pluspool (+) en een minpool ( (-) ) • Spanning is verschil in Volt tussen + en - pool Duur woord voor spanning: potentiaalverschil
• Stroom loopt van + naar +
+ 1,5 V
-
stroom
tekening
schema
2
Aarde
+1,5 V
+
+
1,5 V
1,5 V
-
-
0V
-1,5 V 0V Aarde = potentiaal van 0 V
Stroom elektronen
+
stroom
Een stroomdraad bestaat uit atomen. Elk atoom heeft een atoomkern. Om de atoomkernen draaien elektronen. Elektronen die één richting op bewegen geven een stroom. Elektronen bewegen van – naar +
3
Vertakking
I1 I2
I
I3 Als stroom zich vertakt:
I = I1 + I 2 + I 3
Spanning meten Spanning meet je met een voltmeter
+
Een voltmeter sluit je parallel aan Elke (volt)meter heeft een bereik Het bereik is nu 20 V De voltmeter kan nu maximaal 20 V meten Een voltmeter heeft een + en een De + en - moet je goed aansluiten
+V +
-
parallel (evenwijdig met lampje) l )
4
Stroom meten Stroom meet je met een ampèremeter
+
Een ampèremeter sluit je in serie aan Elke (ampère)meter heeft een bereik Het bereik is nu 2 A
+A -
De ampèremeter kan nu maximaal 2 A meten
in serie (“achter” het lampje)
Een ampèremeter heeft een + en een De + en - moet je goed aansluiten
-
+
(I,U)-diagram van een lampje en een weerstand 1. Stel de voeding in Knop
U: 0 V
Knop I: 1 A
2. Verbind het lampje met de + 3. Stel de ampèremeter in
U
I
Knop DC 2A 4. Sluit de ampèremeter in serie aan
+
5. Stel de voltmeter in Knop V= 20 6. Sluit de voltmeter parallel aan 7. Laat schakeling goedkeuren
5
Wet van Ohm (I,U)-diagram van een lampje is geen rechte lijn • Hoe groter de stroom = hoe heter het lampje (I,U)-diagram van een draadweerstand is wel een rechte lijn • Dan geldt de wet van Ohm: 1.
U = I ⋅R spanning (V)
2.
3.
U R U R= I I=
stroomsterkte (A)
U I ⋅R
weerstand (Ω)
Rekenvoorbeelden Voorbeeld 1
U =?V I = 1,5 A R = 5,0 Ω U = I ⋅R U = 1,5 A ⋅ 5,0 Ω = 7,5 V
Voorbeeld 2
Voorbeeld 3
R=?Ω U = 3,0 V I = 1,5 A
I =?A U = 4,0 V R = 5,0 Ω
U I 3,0 V R= = 2,0 Ω 1,5 A
U R 4,0 V I= = 0,80 A 5,0 Ω
R=
I=
6
Ubron
Serieweerstanden
+
Als weerstanden in serie staan • Dan loopt door elke weerstand dezelfde stroom
R1
I = I1 = I 2
R2
• Dan mag je de spanning over R1 en R2 optellen
U = U1 + U 2
• Je mag R1 en R2 “vervangen” door Rv
Rv = R1 + R2
Ubron +
Rv
Voorbeeld +
Bereken de stroom door R1 en R2 6,0 V
R1 = 220 Ω
R2 = 100 Ω
I1 = 0,019 A
I 2 = 0,019 A
U1 = 4,1 V
U 2 = 1,9 V
Rv = R1 + R2 = 220 Ω + 100 Ω = 320 Ω U 6,0 V I= = = 0,018... A = 0,019 A R 320 Ω
I = I 1 = I 2 = 0,019 A
(= 19 mA)
Bereken de spanning over R1 en R2 +
U1 = I1 ⋅ R1= 0,018... A ⋅ 220 Ω = 4,1... V = 4,1 V U 2 = I 2 ⋅ R2 = 0,018... A ⋅100 Ω = 1,8... V = 1,9 V
6,0 V Rv
Controle:
U = U1 + U 2 = 4,1 V + 1,9 V = 6,0 V
7
Parallelweerstanden +
Als weerstanden parallel staan • Dan staat over elke weerstand dezelfde spanning
Ubron
U = U1 = U 2
R1
• Dan mag je de stroom door R1 en R2 optellen
I = I1 + I 2
R2
Je mag R1 en R2 “vervangen” door Rv • De weerstand gaat “moeilijk”
+
1 1 1 = + Rv R1 R2
Ubron Rv
Voorbeeld
+
Bereken de stroom door R1 en R2 6,0 V R1 = 220 Ω R2 = 100 Ω
U1 6,0 V = 0,027... A = 0,027 A (= 27 mA) = R1 220 Ω U 6,0 V = 0,060... A = 0,060 A ((= 60 mA)) I2 = 2 = R2 100 Ω I1 =
Bereken de vervangingsweerstand van R1 en R2 +
6,0 , V Rv
1 1 1 0,0145... 1 1 = + = = + Rv R1 R2 220 Ω 100 Ω Ω Ω Rv = = 68,7... Ω = 69 Ω 0,0145... (J mag bij deze (Je d formule f l op hele h l Ω afronden) f d )
Controle
I = I1 + I 2 = 0,027... A + 0,060... A = 0,087... A R=
U 6,0 V = 68,... Ω = 69 Ω = I 0,87 A
8
Serie- en parallelschakeling: benodigdheden • • • • •
Voeding Ampèremeter Voltmeter Drie weerstanden 5 snoeren
Serie- en parallelschakeling: meetopstelling Voeding (Spanningsbron) +
Rv staat voor drie weerstanden
A
Ampèremeter (Stroommeter)
RV
V Voltmeter (Spanningsmeter)
9
Vermogen • Een band is opgepompt • Het ventiel staat open • Een (lichte) ventilator staat boven het ventiel •D De llucht ht heeft h ft het h t vermogen om de ventilator te laten draaien
Hoe verandert het vermogen (P) als: - De band een hogere spanning (U) heeft? - Door het ventiel een grotere stroom (I) loopt?
Spanning (V) Vermogen (W)
P =U ⋅I
Stroomsterkte (A)
Voorbeeld Hoeveel stroom loopt er door een gloeilamp van 80 W ?
I=
P 80 W = 0,34.. A = 0,35 A = U 230 V
10
Energie • Een band is opgepompt • Het ventiel staat open • Een (lichte) ventilator staat boven het ventiel •D De llucht ht heeft h ft het h t vermogen (P) om de ventilator te laten draaien • energie (E) = vermogen (P)
×
tijdsduur (t)
E = P ⋅t Energie (Ws)
Vermogen (W)
tijdsduur (s)
1 Ws = 1 J 1 kWh = 1⋅103 Wh = 1⋅103 ⋅ 3600 Ws = 3,6 ⋅106 J (= 3,6 MJ) 1J =
1 kWh 3,6 ⋅10 6
Voorbeeld Hoeveel energie verbruikt een lamp van 80 W in 24 uur? Geef het antwoord in kWh en in J
E = P ⋅ t = 80 W ⋅ 24 h = 1920 Wh = 1,9 kWh
= 1,920 ⋅ 3,6 ⋅106 J = 6,9 ⋅106 J
11
Rendement Vermogen/energie kan van soort veranderen Niet alle veranderde vermogen/energie is nuttig, bijv.: Lamp:
Warmte
Niet nuttig
Licht
Wel nuttig
Elektriciteit
Pin Rendement (geen eenheid)
Pnuttig
η= 3=
6 2
Pnuttig Pin
Nuttig vermogen (W) Ingaand vermogen (W)
6 = 3⋅ 2
Tip voor driehoek:
Pnuttig = η ⋅ Pin
Voorbeeld Een gloeilamp van 80 W geeft 3,0 W aan licht. Bereken het rendement:
η =?
Pin = 80 W Pnuttig = 3,0 W P 3,0 W = 0,037... = 0,038 (= 3,8 %) (weinig dus) η = nuttig = Pin 80 W
12
