Issuu

Newt n

Newt n Natuurkunde voor de bovenbouw

4 havo

VANAF EXAMEN MEI 2024

havo

Naam Klas

789006911695_TMH_NW OMSLAG 4 HAVO.indd All Pages

05/04/2022 14:28

4 havo

Newt A n Natuurkunde voor de bovenbouw bovenbouw

Beste leerling, Dit boek van Newton kun je samen met de digitale leeromgeving gebruiken in de les. Het is van jou persoonlijk, dus je mag er aantekeningen in maken. Na dit schooljaar mag je het boek houden. Dat is makkelijk als je volgend jaar iets wilt opzoeken, of iets moet leren voor een toets. Wij wensen je veel succes en plezier met het vak natuurkunde. Team Newton

Auteurs Jan Flokstra, Aart Groenewold, Kees Hooyman, Carolien Kootwijk, Koos Kortland, Mark Bosman, Torsten van Goolen, Michel Philippens, Hein Vink Eindredactie Jan Flokstra, Aart Groenewold met medewerking van Eus Wijnhoven Eindredactie digitaal Evert-Jan Nijhof Bureauredactie Easy Writer, Maurik Opmaak Crius Group Ontwerp en beeldresearch Michelangela, Utrecht Tekeningen Jaap Wolters, Amersfoort

Over ThiemeMeulenhoff ThiemeMeulenhoff ontwikkelt zich van educatieve uitgeverij tot een learning design company. We brengen content, leerontwerp en technologie samen. Met onze groeiende expertise, ervaring en leeroplossingen zijn we een partner voor scholen bij het vernieuwen en verbeteren van onderwijs. Zo kunnen we samen beter recht doen aan de verschillen tussen lerenden en scholen en ervoor zorgen dat leren steeds persoonlijker, effectiever en efficiënter wordt. Samen leren vernieuwen. www.thiememeulenhoff.nl ISBN 978 90 06 91169 5 Vijfde druk, eerste oplage, 2022 © ThiemeMeulenhoff, Amersfoort, 2022 Alle rechten voorbehouden. Niets uit deze uitgave mag worden verveelvoudigd, opgeslagen in een geautomatiseerd gegevensbestand, of openbaar gemaakt, in enige vorm of op enige wijze, hetzij elektronisch, mechanisch, door fotokopieën, opnamen, of enig andere manier, zonder voorafgaande schriftelijke toestemming van de uitgever. Voor zover het maken van kopieën uit deze uitgave is toegestaan op grond van artikel 16B Auteurswet 1912 j° het Besluit van 23 augustus 1985, Stbl. 471 en artikel 17 Auteurswet 1912, dient men de daarvoor wettelijk verschuldigde vergoedingen te voldoen aan Stichting Publicatie- en Reproductierechten Organisatie (PRO), Postbus 3060, 2130 KB Hoofddorp (www.stichting-pro.nl). Voor het overnemen van gedeelte(n) uit deze uitgave in bloemlezingen, readers en andere compilatiewerken (artikel 16 Auteurswet) dient men zich tot de uitgever te wenden. Voor meer informatie over het gebruik van muziek, film en het maken van kopieën in het onderwijs zie www.auteursrechtenonderwijs.nl. De uitgever heeft ernaar gestreefd de auteursrechten te regelen volgens de wettelijke bepalingen. Degenen die desondanks menen zekere rechten te kunnen doen gelden, kunnen zich alsnog tot de uitgever wenden.

Deze uitgave is volledig CO2-neutraal geproduceerd. Het voor deze uitgave gebruikte papier is voorzien van het FSC®-keurmerk. Dit betekent dat de bosbouw op een verantwoorde wijze heeft plaatsgevonden.

Werken met Newton

Inhoud 1

Werken met Newton

Elektriciteit

4 Sport en verkeer

Elektrische schakelingen en energiegebruik

1.1 1.2 1.3 1.4 1.5 1.6 1.7

Introductie Energie en vermogen Spanning en stroomsterkte Weerstand Schakelingen in huis Verdieping Afsluiting Leerdoelen en begrippen

Sport en verkeer

4.1 4.2 4.3 4.4 4.5 4.6 4.7

7 9 17 23 30 39 41 45

Introductie Kracht verandert snelheid Versnellen en vertragen Afstand en beweging Vallen Verdieping Afsluiting Leerdoelen en begrippen

Materialen

3.1 3.2 3.3 3.4 3.5 3.6 3.7

Introductie Faseovergangen en dichtheid Verwarmen Isoleren Functionele materialen Verdieping Afsluiting Leerdoelen en begrippen

Straling en gezondheid 5.1 5.2 5.3 5.4 5.5 5.6 5.7 5.8

49 51 59 65 73 79 81 84

Verwarmen en isoleren

Introductie Soorten krachten Krachten samenstellen Schuine krachten Hefbomen Verdieping Afsluiting Leerdoelen en begrippen

125 127 136 143 149 155 158 162

164

Ioniserende straling

Bewegingen

2.1 2.2 2.3 2.4 2.5 2.6 2.7

124

Krachten

Introductie Röntgenstraling Kernstraling Radioactief verval Stralingsbelasting Beeldvorming Verdieping Afsluiting Leerdoelen en begrippen

Vaardigheden

165 167 174 183 191 200 207 210 214

218

Rekenen, onderzoeken,

87 89 97 105 112 119 120 122

ontwerpen en modelleren

6.1 6.2 6.3 6.4

Rekenvaardigheden Onderzoeksvaardigheden Videometen en modelleren Technisch ontwerpen Leerdoelen en begrippen

Antwoorden op rekenvragen Register

219 230 238 246 251

254 258

Werken met Newton

W3 Energie in de toekomst Experiment 2: Het rendement van een ledlamp en een gloeilamp

WERKEN MET NEWTON Samen met je klasgenoten ga je ontdekken en onderzoeken hoe natuurkunde in theorie en in de praktijk werkt. Op deze manier kun je je goed voorbereiden op het eindexamen. Op deze pagina zie je hoe je werkt met de boeken en met de online omgeving van Newton. Boek en digitaal

Figuur 1 Voorbeeld verwijzing naar experimenten en werkbladen

Begrijpen Maak de opgaven in je boek of online. Figuur 2 Voorbeeld verwijzing naar digitaal materiaal

In de gele kaders zie je samengevatte leerstof.

In de paarse kaders zie je formules die je moet kennen en kunnen gebruiken.

P R A K T I J K VO O R B E E L D E N In de paarse blokken vind je praktijkvoorbeelden. De informatie in deze blokken behoort niet tot de oefenstof voor het eindexamen, maar zullen je wel helpen met het krijgen van meer inzicht. Figuur 3

VO O R B E E L D O P G AV E 1 Een stofzuiger met een vermogen van 2200 W staat 10,0 minuten aan. Vraag: Bereken het energieverbruik van de stofzuiger in J en in kWh. Antwoord: Voor de energie in joule reken je om: 10 minuten = 600 s. E = P ∙ t = 2200 W × 600 s = 1,32 · 106 J Voor de energie in kWh: 10 min = 0,167 uur en 2200 W = 2,200 kW. E = P ∙ t = 2,200 kW × 0,167 uur = 0,367 kWh Je kunt ook de omrekenfactor gebruiken: 1 kWh = 3,6 MJ, dus 0,367 kWh = 1,32 · 106 J Figuur 4

Alle leerstof die je nodig hebt voor je examen vind je in dit boek. Vanuit dit boek vind je verwijzingen naar onderdelen die de docent verspreidt (zoals werkbladen en experimenten). Als deze beschikbaar zijn, zie je in de kantlijn een blauw vlak. Zie figuur 1. Als je een ziet, is er ook digitaal oefenmateriaal beschikbaar (zie figuur 2). Dit zijn opdrachten die je digitaal kunt maken en waarbij je feedback krijgt op jouw antwoorden. In je online leeromgeving is je boek als compleet digitaal bladerboek beschikbaar. Handig als je een keer je boek vergeten bent of snel iets wilt opzoeken.

Hoofdstukindeling Introductie Elk hoofdstuk begint met een introductieparagraaf. Je maakt kennis met het onderwerp vanuit de praktijk. Dan zie je de hoofdstukvraag, zodat je weet wat je gaat leren in het hoofdstuk. Je frist je kennis uit de onderbouw op en je kunt hier een paar opgaven over maken. In overleg met je docent ga je aan de slag met de opgaven en werkbladen uit je boek, of de digitale Startvragen. Paragraaf Elke paragraaf heeft dezelfde opbouw: E Ontdekken: Middels experimenten, opgaven en ontdekactiviteiten op werkbladen ontdek je hoe natuurkunde werkt. Je docent bepaalt met welk van deze activiteiten je aan de slag gaat. De paragraafvraag is het leerdoel van deze paragraaf. E Begrijpen: Alle belangrijke leerstof wordt hier in begrijpelijke taal aan je uitgelegd. Belangrijke begrippen zijn weergegeven als paarse woorden. Deze vind je ook in het register achterin het boek. Samenvattingen van de uitleg vind je in aparte gele kaders direct onder de leerstof. De opgaven in je boek of in de online leeromgeving zijn erop gericht om je de leerstof goed te laten begrijpen. Tekenopgaven zijn weergegeven met een T. Je kunt ze meestal in je boek maken. Soms is een tekenblad handiger. Tekenbladen vind je onder Bronnen in je online materiaal. E Beheersen: In het onderdeel Beheersen wordt de leerstof van Begrijpen verder uitgebreid, zodat je ermee kunt redeneren en rekenen. De formules zie je in aparte paarse kaders (figuur 3). Naast een formule vind je in de marge vaak een of meer blauwe kaders met voorbeeldopgaven. In de voorbeeldopgaven wordt voorgedaan hoe je een opdracht aanpakt (figuur 4). Dit zijn voorbeelden van opgaven die je moet kunnen maken op het examen.

Werken met Newton

Verdieping In elk hoofdstuk is een paragraaf Verdieping opgenomen. Deze paragraaf bevat extra leerstof en opgaven. Dit is geen examenstof.

Elektriciteit

Afsluiting

1.7

Aan het eind van elk hoofdstuk blik je nog een keer terug op de hoofdstukvraag (zie figuur 5). Kun je deze nu beantwoorden? Je maakt aan de hand van vragen zelf een samenvatting. Dit kun je doen op basis van de korte samenvattingen in de paragrafen. Daarnaast kun je je docent vragen om een complete samenvatting en om een begrippenkaart. Met de eindopgaven en digitale zelftoetsen test je jezelf op examenniveau: ben je klaar voor het echte werk? In de keuzeopdrachten leer je tenslotte hoe theorie uit het hoofdstuk wordt toegepast in praktijksituaties. Leerdoelen en begrippen Elk hoofdstuk wordt afgesloten met een lijst met leerdoelen en begrippen (figuur 6). De leerdoelen geven je een kort overzicht van wat je moet beheersen voor het einden begrippen Elektriciteit examen. De lijst is als een checklist opgesteld, zodatLeerdoelen je zelf kunt aangeven wat je al kent. Daarnaast kun je hier opschrijven wat je nog moet doen om het leerdoel te beheersen. PA R AG R A A F 1 .3 S PA N N I N G E N S T RO O M S T E R K T E Ik kan:

Acties:

de volgende begrippen beschrijven en toepassen: vrij elektron, ion, spanning, gesloten stroomkring, stroomsterkte, lading, accu, batterij, capaciteit, schakelschema.

beschrijven wanneer ladingen elkaar aantrekken of afstoten.

bepalen in welke richting de elektrische stroom en de elektronenstroom in een stroomkring lopen.

elektrische schakelingen tekenen met behulp van de symbolen van elektrische componenten.

berekeningen maken en redeneren met de formule

Figuur 6

voor stroomsterkte: I = __ Vaardigheden t.

maken en redeneren met de formule Inberekeningen het hoofdstuk Vaardigheden ga je aan de slag met onderwerpen als rekenen, voor elektrisch vermogen: P = U · I. onderzoeken, modelleren en ontwerpen. Deze vaardigheden moet je vaak in meerdere hoofdstukken toepassen.

PA R AG R A A F 1 .4 W E E R S TA N D

Ik kan: Antwoorden op rekenvragen

Acties:

de volgende begrippen beschrijven en toepassen: Achterin dit boek vind je de eindantwoorden op de rekenvragen (figuur 7). Je kunt weerstand, soortelijke weerstand, I,U-diagram, ohmse weerstand, NTC-weerstand, daarmee controleren of jePTC-weerstand, een vraag goed hebt beantwoord. Daarnaast kun je je gloeidraad, LDR, diode, wet van Ohm.

docent vragen om een uitgebreidere uitwerking van alle opgaven. uitleggen van welke factoren de weerstand van een stroomdraad afhangt.

in een I,U-diagram schetsen welk verband er is tussen de spanning over en de stroomsterkte door een ohmse weerstand.

uit een I,U-diagram bepalen hoe groot de weerstand van een stroomdraad of apparaat is.

aan een I,U-diagram herkennen of dit bij een diode, LDR, NTC-, PTC- of ohmse weerstand hoort. een schakelschema aanvullen met een spanningsen stroommeter voor het meten van de spanning over en de stroomsterkte door een component van de schakeling (zoals een lamp).

berekeningen maken en redeneren met de wet van Ohm: U = I · R.

berekeningen maken en redeneren met de formule R · A. voor de soortelijke weerstand: ρ = ___

Afsluiting

HOOFDSTUKVRAAG EN SAMENVATTING 87 De hoofdstukvraag is: Hoeveel elektrische energie verbruiken elektrische apparaten en waar hangt dat vanaf? Geef een uitgebreid en compleet antwoord op deze vraag. Gebruik daarbij de volgende formules: E = P · t, P = U · I en U = I · R.

88 Maak Figuur 5 een samenvatting van dit hoofdstuk door antwoord te geven op de

volgende vragen. Wat is het verband tussen elektrische energie en vermogen? b Hoe reken je energie in kWh om naar joule? c Wat is het rendement van een elektrisch apparaat? d Beschrijf de functie van een turbine en een generator. e Welke eenheid hoort bij de energiedichtheid van benzine? f Welke eenheid hoort bij de capaciteit van een accu? g Wat beweegt er in een stroomdraad als er stroom loopt? h Hoe verandert het vermogen als de spanning en de stroomsterkte beide twee keer zo groot worden? i Hoe verandert het vermogen van een ohmse weerstand als, bij gelijkblijvende spanning, de weerstand twee keer zo groot wordt? j Wat heeft lading te maken met stroomsterkte? Gebruik in je uitleg de eenheden voor lading en stroomsterkte. k Met welk apparaat kan een wisselspanning groter of kleiner gemaakt worden? l Teken de symbolen voor: gelijkspanningsbron, lamp, weerstand, diode, stroommeter en spanningsmeter. m Hoe sluit je een stroommeter en een spanningsmeter aan? n Hoe noem je een weerstand waarbij de stroomsterkte door de weerstand evenredig is met de spanning over de weerstand? o Hoe verandert de weerstand van een PTC en van een NTC als de temperatuur stijgt? p Hoe verandert de weerstand van een LDR als er meer licht op valt? q Wordt de stroomsterkte groter of kleiner als de weerstand toeneemt? r Wordt het vermogen groter of kleiner als de weerstand toeneemt? s Welke drie eigenschappen (grootheden) bepalen de weerstand van een stroomdraad? t Wat is de eenheid van weerstand? En van soortelijke weerstand? u Bij welke schakeling heeft elk apparaat een eigen stroomkring, serie of parallel? v Bij welke schakeling mag je de weerstanden optellen, serie of parallel? w Bij welke schakeling mag je de stroomsterktes optellen, serie of parallel? x Bij welke schakeling mag je de spanningen optellen, serie of parallel? y Bij welke schakeling is sprake van spanningsdeling, serie of parallel? 255 z Bij Antwoorden op rekenvragen welke schakeling is sprake van stroomdeling, serie of parallel? aa Welk apparaat beschermt tegen stroom door je lichaam? En tegen brand? bb Leg uit wat er bij kortsluiting gebeurt. cc Noem drie duurzame energiebronnen en drie niet-duurzame bronnen. dd Beschrijf hoe elektrische energie opgeslagen kan worden met behulp van b 1,8  Hoofdstuk 1 elektrolyse en een brandstofcel. 52 a 50 Ω b 0,02 5 a 150 J c 0,20 b 9,0 kJ d 8,5 V c 0,150 kW 53 a 0,45 d 0,45 kWh b 0,04 9 a 65 % c 0,09 10 a 60 % Figuur 7 duizend kW en 820 miljoen W d 10 Ω b 820 12 a 0,040 kWh 54 b 35 Ω 5 b 1,4  10 J c 106 c 40 kWh; 1,4  108 J 55 c 8,3 m d € 3,36 d 83 m e € 13,43 e 3,3 W 13 a 8,3 W 59 b 1,7  b 0,017 kWh 60 b 44,1 c 10 h c 0,05 14 a 54 W 71 b 1,7 k b 9,1 kWh 72 a 6 V c 100 dagen b 1A 15 a 2,5 x 73 a 1 A 16 a 14 kJ b 8V a

Antwoorden op rekenvragen

Elektriciteit Elektrische schakelingen en energieverbruik

1.1

Introductie

1.2

Energie en vermogen

1.3

Spanning en stroomsterkte

1.4

Weerstand

1.5

Schakelingen in huis

1.6

Verdieping

1.7

Afsluiting

Leerdoelen en begrippen

Elektriciteit

1.1

Introductie

Elektrische apparaten zoals computers, smartphones, koelkasten en wasmachines zijn niet meer weg te denken uit ons dagelijks leven. Al deze apparaten verbruiken elektrische energie. Maar waar hangt dat energieverbruik vanaf? En waar komt die energie vandaan? En hoe kunnen elektrische apparaten worden geschakeld? Deze vragen staan centraal in dit hoofdstuk.

Start Maak de vragen bij Start.

W1 Sluipverbruik van elektrische apparaten

H O O F D S T U K V R A AG

W2 Spanningsbronnen

Hoeveel elektrische energie verbruiken elektrische apparaten en waar hangt dat vanaf?

Experiment 1: Statische elektriciteit

In dit hoofdstuk zoek je naar antwoorden op de volgende vragen: Hoe bepaal je hoeveel energie een elektrisch apparaat verbruikt? (paragraaf 1.2) E Hoe hangt het vermogen van een apparaat samen met de spanning en de stroomsterkte? (paragraaf 1.3) E Hoe hangt de stroomsterkte af van de weerstand en waardoor wordt die weerstand bepaald? (paragraaf 1.4) E Hoe zijn elektrische apparaten in huis geschakeld en hoe is de huisinstallatie beveiligd? (paragraaf 1.5) E

INLEIDING Een stroomkring moet ‘gesloten’ zijn om een aangesloten elektrisch apparaat te laten werken. Je kunt weliswaar niets zien stromen, maar uit de eigenschappen van een stroomkring kun je beredeneren dat er wel iets stroomt: elektrische lading.

Elektrische lading Elektriciteit heeft te maken met al of niet bewegende elektrisch geladen deeltjes. Er bestaan twee soorten elektrische lading: positieve lading en negatieve lading. Twee voorwerpen die dezelfde soort lading hebben, stoten elkaar af. Twee voorwerpen met verschillende soorten lading trekken elkaar aan.

Figuur 1 Statisch geladen haar

Bij een neutraal voorwerp is de positieve lading gelijk aan de negatieve lading. Dan merk je niets van de ladingen, ze heffen elkaar op. Als voorwerpen wel geladen zijn, oefenen ze een kracht op elkaar uit. Die kracht kun je voelen of zien, bijvoorbeeld als je haar statisch geladen is. Een ballon die statisch geladen is, kan aan de muur blijven kleven door de elektrische kracht. Bij bliksem zie je het effect van elektrische lading die door de lucht beweegt. Bliksem ontstaat doordat wolken elektrisch geladen kunnen zijn. Als die lading groot genoeg is, gaat er even een zeer sterke stroom van de ene wolk naar de andere of naar de grond. Daardoor wordt de lucht plotseling heel sterk verhit en gaat licht uitzenden, de bliksem. De snelle verhitting van de lucht geeft een snelle uitzetting en dat veroorzaakt de donder. Figuur 2 Kunstmatige bliksem

1.1 Introductie Elektriciteit

Elektrische stroom Materialen die elektrische stroom doorlaten, worden geleiders genoemd. Isolatoren laten geen stroom door. In een metalen geleider, bijvoorbeeld een elektriciteitsdraad, kunnen alleen negatief geladen elektronen bewegen. De positieve lading in vaste stoffen zit vast en beweegt dus niet. In een gesloten stroomkring loopt de elektrische stroom van de pluspool van de spanningsbron door het aangesloten apparaat naar de minpool van de spanningsbron. De stroom wordt in beweging gehouden door de spanning van de spanningsbron. De spanningsbron is bijvoorbeeld een batterij, een dynamo of een stopcontact.

Figuur 3 Een digitale multimeter en een analoge stroommeter

De grootte van de elektrische stroom meet je met een stroommeter (ampèremeter). Daarvoor moet de elektrische stroom door de meter heen. Je plaatst de meter dus in serie met het apparaat waardoor je de stroomsterkte wilt meten (zie figuur 4). De eenheid van stroomsterkte is ampère (A). De spanning over een elektrisch apparaat meet je met een spanningsmeter (voltmeter). Een voltmeter moet je parallel schakelen aan het apparaat waarover je de spanning wilt meten (zie figuur 4). De eenheid van spanning is volt (V).

Figuur 4 De stroommeter is in serie geschakeld met de lamp. De spanningsmeter is parallel aan de lamp geschakeld.

Waar of niet waar? Verbeter de onjuiste uitspraken. Elektronen zijn negatief geladen. b Elektronen trekken andere elektronen aan. c Als je de stroomsterkte door een apparaat wilt meten, moet je een stroommeter in serie schakelen met dat apparaat. d De eenheid van stroomsterkte is volt. e Door een apparaat loopt alleen stroom als het apparaat is opgenomen in een gesloten stroomkring. a

In figuur 5 zijn vier situaties getekend met een batterij en/of een lamp.

Figuur 5 Stroomkring?

Vul de volgende zinnen aan: * Het lampje geeft licht in situatie(s) …… * Er is sprake van een elektrische stroom in situatie(s) …… * Er is sprake van een spanning in situatie(s) ……

3 A

Figuur 6 Symbolen van spanningsbron, lamp en stroommeter

In figuur 6 zie je de symbolen van een spanningsbron, een lamp en een stroommeter. a Verbind de aansluitpunten in figuur 6 zó, dat de lamp brandt en je de stroom door de lamp kunt meten. b Leg uit of de lamp ook brandt als je de spanningsbron andersom aansluit.

Elektriciteit

1.2

Energie en vermogen

ONTDEKKEN De meeste elektrische energie in ons land wordt opgewekt in centrales waarin fossiele brandstoffen, zoals kolen en gas, worden verbrand. Daardoor treedt luchtverontreiniging op en stijgt ook het CO2-gehalte van de atmosfeer. Bovendien moet je voor de elektrische energie betalen. Redenen genoeg dus om het energieverbruik in de gaten te houden. Maar hoe bepaal je het energieverbruik van een elektrisch apparaat?

W3 Energie in de toekomst Experiment 2: Het rendement van een ledlamp en een gloeilamp Experiment 3: Energieverbruik van een lamp

PA R AG R A A F V R A AG

QR-code met extra informatie

Hoe bepaal je hoeveel energie een elektrisch apparaat verbruikt? Energieklasse A t/m G

BEGRIJPEN Energie en vermogen Sommige elektrische apparaten zijn ‘energieslurpers’, zoals een wasdroger, een waterkoker en een elektrisch fornuis. Dat zijn apparaten met een groot elektrisch vermogen. Ze verbruiken elke seconde dat ze aan staan veel energie. De eenheid van vermogen is watt (W) en de eenheid van energie is joule (J). Een vermogen van 60 W betekent dat het apparaat elke seconde 60 J energie verbruikt: 60 W = 60 J/s.

66 kWh/annum

Volume (L)

160L Hoeveel elektrische energie een apparaat verbruikt, hangt af van het vermogen en de tijd dat het apparaat gebruikt wordt. Op een energielabel, zoals in figuur 7, staat hoeveel kWh het apparaat per jaar verbruikt. Dat is een gemiddelde, want het werkelijke energieverbruik hangt af van de tijd dat het apparaat gebruikt wordt. Het energielabel geeft ook aan hoe zuinig een elektrisch apparaat is ten opzichte van vergelijkbare apparaten (energieklasse A t/m G). De afkorting kWh staat voor kilowattuur. Dat is de eenheid die het energiebedrijf gebruikt voor elektrische energie. Voor het omrekenen geldt altijd: 1 kilowattuur = 3,6 miljoen joule (1 kWh = 3,6 MJ). B

Het elektrisch vermogen van een apparaat (in W) is hoeveel joule elektrische energie het apparaat per seconde verbruikt (W = J/s). Het energieverbruik van een elektrisch apparaat hangt af van het vermogen van dat apparaat en van de tijd die het apparaat aanstaat. Het energiebedrijf gebuikt de eenheid kilowattuur voor energie. 1 kWh = 3,6 MJ.

Jaarverbruik (kWh)

38dB

Geluidsniveau (dB)

ABCD

Figuur 7 Energielabel van een koelkast

VOORBEELD: SPAARLAMP EN KOFFIEZETAPPARAAT Een spaarlamp van 9 W (watt) verbruikt elke seconde 9 J (joule) elektrische energie en een koffiezetapparaat met een vermogen van 2,4 kW verbruikt elke seconde 2,4 kJ.

stralingsenergie warmte

Rendement Een elektrisch apparaat zet elektrische energie om in andere energiesoorten. Een gloeilamp zet elektrische energie om in licht (= stralingsenergie) en in warmte. Een mixer zet elektrische energie om in bewegingsenergie en in warmte. Een elektrisch fornuis zet elektrische energie om in warmte. Zie figuur 8. Niet alle elektrische energie wordt omgezet in nuttige energie. Een deel gaat ‘verloren’, meestal in de vorm van warmte. Het rendement geeft aan hoeveel procent nuttig gebruikt wordt. In de stroomschema’s van figuur 8 zie je dat het rendement van een gloeilamp laag is. Een mixer heeft juist een hoog rendement. Die zet het grootste deel van de ingaande energie om in nuttige bewegingsenergie.

bewegingsenergie warmte (motor) warmte (snoer)

warmte (kookplaat) warmte (snoer)

Figuur 8 Energiestroomdiagrammen van een lamp, een mixer en een elektrisch fornuis

BEGRIJPEN 1.2 Energie en vermogen Elektriciteit

ZUINIGE APPARATEN Met een energielabel (zie figuur 7) kun je snel zien of een apparaat relatief zuinig omgaat met energie. Het energielabel toont het rendement van het apparaat in vergelijking met dat van soortgelijke apparaten. Zo hebben ledlampen het energielabel B, C of D, terwijl spaarlampen label G hebben. Gloeilampen hebben geen label, want die hebben zo’n slecht rendement (5 tot 10%) dat ze niet meer verkocht mogen worden. 90% of meer van de energie die een gloeilamp verbruikt, komt vrij in de vorm van warmte.

Figuur 9 Gloeilamp, spaarlamp en ledlamp B

Elektrische apparaten zetten elektrische energie om in andere vormen van energie, zoals warmte, licht en beweging. Het rendement van een apparaat geeft aan hoeveel procent van de ingaande energie wordt omgezet in nuttige energie.

Elektriciteitsopwekking net

ketel

stoom turbine

water

generator

koeltoren

pomp

Figuur 10 Schematische weergave van de werking van een conventionele elektriciteitscentrale

RENDEMENT CENTRALES De Eemshavencentrale bij Delfzijl draait op steenkool en biomassa. De centrale heeft een maximaal elektrisch vermogen van 1560 MW, bij een rendement van 46%. Moderne stoomen gascentrales (STEG-centrales) halen een rendement van 60%.

In Nederland wordt de meeste elektriciteit opgewekt in conventionele centrales. Conventionele centrales zijn centrales waarin fossiele brandstoffen (aardgas, aardolie of steenkool) en biomassa worden verbrand. Met de warmte die dan vrijkomt wordt water verwarmd tot hete stoom waarmee een stoomturbine aan het draaien wordt gebracht (zie figuur 10). De draaiende as van de stoomturbine is verbonden met de as van een generator (een grote dynamo) waarmee elektriciteit wordt opgewekt. Het rendement van een conventionele centrale is 40 tot 60%. Dit deel van de chemische energie van de brandstof wordt omgezet in elektrische energie. De rest van de chemische energie wordt omgezet in warmte. In kerncentrales wordt kernenergie uit uranium in warmte omgezet. Er vindt geen verbranding plaats. Net als in conventionele centrales wordt met de warmte een stoomturbine in beweging gezet, die op zijn beurt een generator aandrijft. Kerncentrales hebben als voordeel dat ze geen CO2 uitstoten en ook geen fijnstof. Maar het radioactieve afval van een kerncentrale moet wel duizenden jaren veilig worden opgeslagen. Bovendien bestaat het risico dat radioactief materiaal vrijkomt, zoals tijdens de ramp met de kerncentrale in Fukushima in Japan. Waterkrachtcentrales, windturbines en zonnecellen hebben het voordeel dat ze niets uitstoten. Bovendien zijn de energiebronnen hiervoor onuitputtelijk, wat niet geldt voor fossiele brandstoffen en uranium. Waterkracht, windenergie en zonne-energie zijn dan ook duurzame energiebronnen. Windturbines en waterkrachtcentrales wekken evenals conventionele centrales en kerncentrales elektriciteit op met een generator. De draaibeweging wordt veroorzaakt door de wind of door stromend water. Bij zonnecellen wordt stralingsenergie van het zonlicht direct omgezet in elektrische energie. B

In conventionele centrales en kerncentrales wordt elektrische energie opgewekt met behulp van stoomturbines en generatoren. Waterkracht, windenergie en zonne-energie zijn duurzame energiebronnen.

Elektriciteit 1.2 Energie en vermogen BEGRIJPEN

Opslag en transport van energie Traditioneel wordt elektrische energie opslagen in accu’s. Het transport gebeurt hoofdzakelijk via hoogspanningskabels. Accu’s zijn relatief duur en zwaar, en met de groei van het aantal windturbines en zonnepanelen zijn andere vormen van opslag nodig. Bovendien moet de overtollige energie van deze nieuwe bronnen verplaatst worden naar een centrale opslagplek. Het elektriciteitsnetwerk in Nederland is echter nog niet berekend op het transport van zulke grote hoeveelheden elektrische energie. Een alternatief voor de opslag van elektrische energie is waterstof. Zo zou bij een windturbinepark op zee een waterstoffabriek gebouwd kunnen worden. In zo’n fabriek wordt met behulp van elektrolyse water gesplitst in waterstof en zuurstof (figuur 11). De geproduceerde waterstof kan via pijpleidingen naar het vasteland getransporteerd worden. Behalve naar waterstof wordt ook onderzoek gedaan naar andere brandstoffen als energiedrager, zoals methanol of ammonia. Deze brandstoffen zijn alleen duurzaam als ze met groene energie worden geproduceerd, zonder gebruik van fossiele brandstoffen. Voor deze vormen van energieopslag geldt, net als voor elektrolyse, dat ze behoorlijk duur zijn.

zuurstof O2

waterstof H2

anode

kathode

batterij

Figuur 11 Bij elektrolyse van water worden watermoleculen omgezet in waterstof- en zuurstofmoleculen.

De in waterstof opgeslagen energie kan met een brandstofcel weer omgezet worden in elektrische energie (figuur 12). Hier vindt in feite het omgekeerde proces plaats van elektrolyse. Waterstof en zuurstof reageren tot water(damp), waarbij elektriciteit opgewekt wordt. De uitlaatgassen van een stadsbus die op waterstof rijdt bestaan dus uitsluitend uit waterdamp (figuur 13). In een elektrische vrachtwagen of stadbus kan met een brandstofcel de elektromotor aangedreven worden, of de accu opgeladen worden. Door de extra energie die in waterstof is opgeslagen, is de actieradius van het voertuig groot, terwijl een minder zware en dure accu nodig is.

+ H2

H H

O O

H H

Waterstof als energiedrager heeft als voordeel dat de energiedichtheid hoog is: per kilogram kan veel energie opgeslagen worden. Nadelen van waterstof zijn dat het licht ontvlambaar is en dat voor opslag in een vervoermiddel een zeer hoge druk nodig is. Bovendien gaat bij de dubbele omzetting (van elektriciteit naar waterstof en weer terug naar elektriciteit) flink wat energie verloren. Het totale rendement ligt tussen 30% en 55%. B

Waterstof kan gebruikt worden als energiedrager voor de opslag van elektrische energie. Bij elektrolyse wordt water omgezet in waterstof en zuurstof. In een brandstofcel vindt het omgekeerde proces plaats.

H +H

H H

KOH

H2O

Figuur 12 In een brandstofcel wordt elektriciteit opgewekt met de reactie van waterstof en zuurstof tot water.

Figuur 13 Deze elektrische bus rijdt op waterstof, en heeft alleen waterdamp als uitlaatgas.

BEGRIJPEN 1.2 Energie en vermogen Elektriciteit

Begrijpen

Waar of niet waar? Verbeter de onjuiste uitspraken. a Het elektrisch vermogen is de hoeveelheid elektrische energie die per seconde wordt omgezet. b Apparaten met een hoog vermogen hebben ook een hoog energieverbruik per jaar. c Een windmolen zet bewegingsenergie om in elektrische energie. d Een apparaat dat veel elektrische energie per seconde verbruikt, heeft een hoog rendement. e Een ledlamp heeft een rendement van bijna 100%. f In de meeste centrales wordt elektriciteit geproduceerd met een soort stoommachine. g Elektriciteit kan alleen met een dynamo of generator gemaakt worden. h Windenergie, kernenergie en waterkracht zijn duurzame energiebronnen. i Bij elektrolyse wordt elektrische energie omgezet in chemische energie. j De uitlaatgassen van een brandstofcel bestaan alleen uit water(damp).

Een televisie heeft een vermogen van 150 W. a Hoeveel joule verbruikt de televisie in een seconde? b Hoeveel joule verbruikt de televisie in een minuut? c Vul in 150 W = …… kW. d Bereken hoeveel kilowattuur de televisie in drie uur verbruikt.

Bij elektrische apparaten gaat het om energie, vermogen en rendement. a Wat is de standaardeenheid van energie? b Wat is de standaardeenheid van vermogen? c Welke eenheid gebruiken energiebedrijven voor de levering van elektrische energie?

Wat is waar? a watt = joule keer seconde b watt = joule per seconde c kWh = kilowatt keer uur d kWh = kilowatt per uur e joule = watt keer seconde f joule = watt per seconde

Op een spaarlamp staat aangegeven ‘25 W’, op een autolampje ‘40 W’. a Geef aan welke lamp per seconde meer elektrische energie verbruikt: de spaarlamp of de autolamp? b Leg in je eigen woorden uit wat het verschil is tussen energie en vermogen. c De spaarlamp geeft meer licht dan de autolamp. Leg uit hoe dat kan.

Maak de opgaven in je boek of online.

Elektriciteit 1.2 Energie en vermogen BEHEERSEN

Een spaarlamp heeft een rendement van 35%. a Bereken hoeveel procent van de elektrische energie niet wordt omgezet in licht. b Teken voor deze spaarlamp het energiestroomdiagram. c Leg uit of een gloeilamp met hetzelfde vermogen meer, minder of evenveel licht als deze spaarlamp geeft. d Vul in: Gloeilampen worden vervangen door spaarlampen, want spaarlampen hebben een hoger ………… Dat betekent dat spaarlampen een lager ……. hebben, terwijl ze evenveel licht geven als gloeilampen.

10 In een conventionele centrale wordt elektriciteit geproduceerd met een stoomturbine en een generator. Het totale rendement is daarbij 40%. De centrale heeft een vermogen van 820 MW. a Bereken hoeveel procent van de fossiele energie ‘verloren’ gaat aan warmte. b Vul in: 820 MW = ………… kW = ………… W. Nederland moet overstappen op zo veel mogelijk duurzame energie. c Noem twee duurzame manieren om elektriciteit op te wekken. d Is kernenergie een duurzame energiebron? Leg uit.

11 Voor het produceren van groene waterstof wordt bij voorkeur overtollige elektrische energie gebruikt. a Noem twee voorbeelden van overtollige elektrische energie. b Noem twee voordelen van het gebruik van waterstof als energiedrager: een voordeel op het gebied van opslag en een voordeel op het gebied van transport. Groene waterstof zal voorlopig niet gebruikt worden als energiebron voor personenauto’s. Daarvoor is de hoeveelheid overtollige energie te klein. c Leg uit waarom voor personenauto’s opslag van energie in accu’s handiger is dan opslag in waterstof.

BEHEERSEN Het energieverbruik berekenen Het energieverbruik van een elektrisch apparaat hangt af van het vermogen van het apparaat en de tijd die het aanstaat. Het verband tussen energie en vermogen is:

E=P∙t In deze formule is E de energie in joule (J), P het vermogen in watt (W = J/s) en t de tijd in seconde (s). Het energiebedrijf meet het energieverbruik in kilowattuur. Voor het berekenen van het aantal kilowattuur gebruik je dezelfde formule: E = P ∙ t. Je noteert het vermogen dan in kilowatt en de tijd in uur. Voor de eenheden van energie en vermogen geldt: joule = watt × seconde (J = W × s) kilowattuur = kilowatt × uur (kWh = kW × h) 1 kWh = 3,6 MJ

BEHEERSEN 1.2 Energie en vermogen Elektriciteit

VO O R B E E L D O P G AV E 2 Een lamp produceert in een uur tijd 2,4 kJ aan zichtbaar licht. De lamp verbruikt in deze tijd 7,2 kJ elektrische energie. Vraag: Bereken het rendement van de lamp. Antwoord: Met de tabel: de elektrische energie is gelijk aan 100%. Het licht is de nuttige energie. Noteer deze getallen in een verhoudingstabel:

Ein

Enuttig

100% 7,2 kJ

Rekenen met rendement Het rendement geeft aan hoeveel procent van de ingaande energie wordt omgezet in nuttige energie. Bij apparaten die elektriciteit gebruiken, is de elektrische energie de ingaande energie Ein. Bij apparaten die elektriciteit produceren, zoals een generator of een brandstofcel, is de elektrische energie de nuttige energie Enuttig. Bij berekeningen met procenten kun je een verhoudingstabel of een formule gebruiken. Bij een verhoudingstabel stel je de ingaande energie gelijk aan 100% (zie voorbeeldopgave 2). Als je een formule gebruikt, kun je het rendement noteren als een percentage of als een vermenigvuldigingsfactor. Bij een rendement van 25% is die factor 0,25. Je kunt het rendement ook berekenen met behulp van het ingaande en het nuttige vermogen:

2,4 kJ E nuttig

Bereken Enuttig met de vermenigvuldigings2,4

factor: ___ = 0,33. Dat geeft 0,33 × 100 = 33%. 7,2

P nuttig

η=_ =_ E P in

E nuttig

P nuttig

η=_ × 100% = _ × 100% E P in

Met de formule: E nuttig

2,4

als factor η = ____ = ___ = 0,33 en in procenten: 7,2 E E nuttig

2,4

η = ____ × 100 % = ___ × 100 % = 33%. E 7,2 in

Het rendement is dus 0,33 of 33%.

In deze formules is η (èta) het rendement, Ein en Enuttig de ingaande en nuttige energie (in J of kWh) en Pin en Pnuttig het ingaande en nuttige vermogen (in W).

Energiedichtheid en capaciteit Voor elektrisch rijden is veel energie nodig. Elektrische auto’s hebben daarom accu’s met een grote capaciteit. Er kan veel energie worden opgeslagen in deze accu’s (vaak lithium-ionaccu’s). Omdat accu’s behoorlijk zwaar zijn, worden accu’s gebruikt met een hoge energiedichtheid (energie per kilogram). Een gewone accu van 20 kg heeft een capaciteit van 2,2 MJ. De energiedichtheid van zo’n accu is dan 0,11 MJ/kg. Elektrische auto’s gebruiken lithium-ionaccu’s van wel 400 kg, met een energiedichtheid van 0,45 MJ/kg. De capaciteit is dan 180 MJ. Ter vergelijking: een liter benzine levert bij verbranding 33 MJ warmte op, en een volle tank ongeveer 2000 MJ. De energiedichtheid van benzine is dus veel hoger, maar het rendement is wel een stuk lager.

Figuur 14 Door de lage energiedichtheid van accu’s hebben elektrische auto’s een zware en dure accu nodig.

Sommige autobussen rijden op waterstof, met een energiedichtheid van 120 MJ/kg. De energiebron met de grootste energiedichtheid is kernenergie. Uranium heeft een energiedichtheid van 80 · 106 MJ/kg. B

De energiedichtheid is hoeveel energie een energiebron per kilogram of per liter bevat. De capaciteit van een accu (in MJ of kWh) geeft aan hoeveel energie in de accu opgeslagen kan worden.

Elektriciteit 1.2 Energie en vermogen BEHEERSEN

Gebruik bij alle vragen als dat nodig is: de prijs van 1 kWh is € 0,46.

12 De paragraafvraag is: Hoe bepaal je hoeveel energie een elektrisch apparaat verbruikt? a Welke twee gegevens heb je nodig om te berekenen hoeveel elektrische energie een apparaat per jaar verbruikt? b Hoe bereken je dan hoeveel het elektrische energieverbruik kost?

13 Een 8,0 W-spaarlamp heeft een verwachte levensduur van 5000 branduren. De lamp brandt per dag gemiddeld 5,0 uur. a Hoeveel kWh verbruikt de lamp per dag? b Bereken hoeveel joule de lamp per dag verbruikt. c Bereken hoeveel elektrische energie de spaarlamp in zijn hele levensduur omzet. Geef het antwoord in kWh en J. d Bereken hoeveel het jaarverbruik van de lamp kost. Een gloeilamp van 40 W geeft evenveel licht als een spaarlamp van 8,0 W. e Bereken hoeveel duurder de gloeilamp per jaar is, vergeleken met de spaarlamp.

14 Een bepaalde spaarlamp verbruikt in 1,0 uur 30 kJ elektrische energie. a b c

Bereken het vermogen van de spaarlamp. Bereken hoeveel elektrische energie (in kWh) de spaarlamp in 2,0 uur verbruikt. Bereken in hoeveel tijd de lamp 0,30 MJ elektrische energie zal omzetten.

15 Een waterpomp verbruikt in 24 uur 1,3 kWh elektrische energie. a b c

Bereken het vermogen van de waterpomp. Bereken hoeveel energie de waterpomp in een week verbruikt. Bereken in hoeveel tijd de pomp 130 kWh elektrische energie verbruikt.

16 In een advertentie worden twee lampen met elkaar vergeleken. Lamp A kan 20 uur branden op 1,0 kWh, lamp B kan 50 uur branden op 1,0 kWh. a Geef aan bij welke lamp het vermogen het grootst is. Hoeveel keer zo groot? b Kun je nu ook zeggen welke lamp het hoogste rendement heeft? Leg uit.

17 Een spaarlamp heeft een vermogen van 15 W. Het rendement is 43%. a b

Bereken hoeveel joule elektrische energie de lamp in een kwartier verbruikt. Bereken hoeveel joule licht de lamp in een kwartier levert.

18 Een ledlamp verbruikt in een minuut 180 J elektrische energie, waarvan 90 J wordt omgezet in licht. a Bereken hoe groot het rendement van de ledlamp (in %) is. b Leg uit dat je ook kunt schrijven: η = 0,50. c Bereken het elektrisch vermogen van de lamp. d Bereken het lichtvermogen van de lamp.

19 Bij een thuisnetwerk zijn er vaak onderdelen die continu aan staan (stand by), ook als er geen gebruik van wordt gemaakt. Dat heet sluipverbruik. Bij een bepaald netwerk is er het volgende sluipverbruik: een router (7,5 W), modem (6,8 W), printer (3,3 W) en computer met beeldscherm (2,9 W). Bereken hoeveel dit sluipverbruik per dag kost. Geef het antwoord in kWh en in euro.

BEHEERSEN 1.2 Energie en vermogen Elektriciteit

20 Een wasmachine heeft een maximaal elektrisch vermogen van 3,0 kW. Tijdens een wasprogramma op 60 °C is het gemiddelde vermogen 2,1 kW. Het programma duurt 100 minuten. a Leg uit waardoor de wasmachine niet steeds het maximale vermogen hoeft te gebruiken. b Bereken de elektriciteitskosten van het wasprogramma van 60 °C.

21 In een huishouden worden alle gloeilampen vervangen door spaarlampen Figuur 15 Wasmachines hebben steeds meer energiebesparende programma’s.

die evenveel licht geven. De gloeilampen hebben een rendement van 5%, de spaarlampen hebben een rendement van 35%. a Een spaarlamp en een gloeilamp geven evenveel licht. Hoe kun je aan de spaarlamp voelen dat de spaarlamp minder elektrische energie verbruikt? In het verleden werd in dit huishouden jaarlijks 2100 MJ elektrische energie verbruikt voor verlichting. b Leg uit dat het energieverbruik voor verlichting zeven keer zo klein zal zijn. c Laat zien dat de besparing per jaar 1,8 GJ is. d Leg uit dat in de winter nu wel iets meer energie voor verwarming van het huis nodig is.

22 Een bepaalde auto met een tank voor 44 L benzine heeft bij een snelheid van 120 km/h een actieradius van 560 km. a Ga met een berekening na dat een volle tank benzine 1,45 GJ energie bevat. Stel dat eenzelfde, even zware, auto op waterstof rijdt. Met een elektromotor, een brandstofcel en een waterstoftank met een energie-inhoud van 625 MJ. Het rendement van de elektromotor is drie keer zo hoog als dat van de benzinemotor. b Bereken de actieradius van de auto op waterstof. Stel dat in plaats van een waterstofcel en de waterstoftank een Li-ion-accu gebruikt wordt met een energiedichtheid van 0,50 MJ/kg. c Bereken de massa van de Li-ion-accu als de energie-inhoud ook 625 MJ is. d Leg uit waardoor de actieradius van een elektrische auto meestal klein is.

23 In deze paragraaf komen de volgende begrippen aan bod: elektrische energie, vermogen, rendement, joule, kilowattuur, generator, energiedichtheid, capaciteit, watt, kJ/kg. a Controleer of je alle begrippen kent. Noteer de begrippen die je nog niet goed kent en zoek op wat ze betekenen. b Sommige van deze begrippen zijn grootheden. Bij elke grootheid hoort een symbool en een eenheid. Noteer bij elke grootheid het bijbehorende symbool en de eenheid (of eenheden). c Geef aan welke formules bij deze grootheden horen.

Elektriciteit

1.3

Spanning en stroomsterkte

ONTDEKKEN Als je een lamp aansluit op een hogere spanning, gaat de lamp feller branden. Het vermogen neemt toe als de spanning groter wordt. Maar ook bij een lage spanning kan het elektrisch vermogen van een apparaat groot zijn. Dat heeft te maken met de stroomsterkte. Hoe zit dat precies?

Experiment 4: Vermogen en stroomsterkte Experiment 5: Het vermogen van lampjes

PA R AG R A A F V R A AG Hoe hangt het vermogen van een apparaat samen met de spanning en de stroomsterkte?

BEGRIJPEN Wat beweegt er als er stroom loopt?

- -

Figuur 16 Atomen hebben een positief geladen kern waar negatief geladen elektronen omheen bewegen.

Elektrische stroom bestaat uit bewegende geladen deeltjes. In een metaal bewegen alleen vrije elektronen. Dat zijn elektronen die niet gebonden zijn aan een atoom en daardoor vrij door het metaal kunnen bewegen. De atomen zelf kunnen niet bewegen in een vaste stof. Ook sommige vloeistoffen, zoals zout water, geleiden stroom. In zo’n geleidende vloeistof zijn er positief en negatief geladen ionen. In een vloeistof bestaat de elektrische stroom dus uit ionen en niet uit elektronen. B B

In een metaal bestaat de elektrische stroom uit bewegende vrije elektronen. In een vloeistof bestaat de elektrische stroom uit bewegende ionen.

Spanning en stroomsterkte Elektronen gaan niet uit zichzelf door een draad stromen. De spanningsbron ‘duwt’ elektrische lading door de kring. Elektronen worden afgestoten door de negatieve pool van de spanningsbron en aangetrokken door de positieve pool. De spanning geeft aan hoe hard er ‘geduwd’ wordt. De elektronen kunnen pas gaan stromen als er een gesloten stroomkring is tussen de negatieve en de positieve pool.

Figuur 17 Beweging van een vrij elektron door een metaal

De elektrische stroomsterkte door een apparaat geeft aan hoeveel lading er per seconde door dat apparaat gaat. Elektrische lading wordt gemeten in coulomb (C). Een stroom van 1 ampère betekent dus dat per seconde 1 coulomb lading door het apparaat beweegt (1 A = 1 C/s). Als de stroomsterkte twee keer zo groot is, stroomt er per seconde twee keer zo veel lading doorheen. Omdat het niet altijd elektronen zijn die bewegen, is de volgende afspraak gemaakt: de richting van de elektrische stroom is van de pluspool naar de minpool (terwijl de elektronen van de minpool naar de pluspool bewegen). B B B B

De spanning is de oorzaak van de beweging van de geladen deeltjes. Een grotere spanning zorgt voor een grotere kracht op de geladen deeltjes. Er loopt alleen een elektrische stroom als de stroomkring gesloten is. De elektrische stroomsterkte is de hoeveelheid lading die per seconde door een apparaat gaat.

baan van een vrij elektron

Figuur 18 Een gesloten stroomkring

BEGRIJPEN 1.3 Spanning en stroomsterkte Elektriciteit

Vermogen, stroomsterkte en spanning –

elektrische stroom

elektronenstroom

Figuur 19 Afspraak: de elektrische stroom loopt van de pluspool naar de minpool.

Vrije elektronen transporteren elektrische energie van de bron naar een aangesloten apparaat. In het apparaat wordt deze energie omgezet in nuttige energie en/of warmte. Bij een grotere stroomsterkte gaan er elke seconde meer elektronen door het apparaat, en wordt er meer energie omgezet. Het vermogen is evenredig met de stroomsterkte. De energie die één elektron in het apparaat afgeeft, hangt alleen af van de spanning. Bij een grotere spanning is de kracht op de elektronen groter, en is de energie ook groter. Bij een grotere spanning geeft elk elektron meer energie af. Het vermogen van een apparaat is evenredig met de spanning. B

Het vermogen van een apparaat is evenredig met de elektrische stroomsterkte (het aantal elektronen). Het vermogen van een apparaat is evenredig met de spanning (de energie van elk elektron).

GELIJKSPANNING EN WISSELSPANNING

Figuur 20 Adapter voor laptop

Begrijpen Maak de opgaven in je boek of online.

Een batterij, een accu en een zonnepaneel leveren gelijkspanning. De ene pool is altijd positief, de andere negatief. De stroom gaat dus steeds dezelfde kant op. Het is gelijkstroom. Een dynamo levert wisselspanning. De twee polen van een dynamo wisselen voortdurend van teken. Bij vrijwel alle elektriciteitscentrales wordt elektriciteit opgewekt met een dynamo, en die centrales leveren dus ook wisselspanning. Ook het stopcontact levert wisselspanning. Bij apparaten in huis die op een accu werken, zoals een laptop, wordt een adapter gebruikt om de spanning aan te passen. De wisselspanning van het stopcontact wordt door de adapter omgezet in een gelijkspanning om de accu op te laden. Bovendien wordt de spanning verlaagd, omdat deze apparaten meestal op een lagere spanning werken.

24 Waar of niet waar? Verbeter de onjuiste uitspraken. a b c d e f g h

Vrije elektronen bewegen in een gesloten stroomkring van de minpool naar de pluspool. Door een huishoudelijk apparaat met een groot vermogen loopt een grote stroom. Als de stroomsterkte twee keer zo groot is, bewegen er per seconde twee keer zo veel elektronen door het apparaat. Wordt de spanning twee keer zo groot, dan wordt de energie die elk elektron afgeeft in het apparaat twee keer zo groot. Een apparaat dat werkt op een lage spanning, bijvoorbeeld 12 V, heeft altijd een laag vermogen. Een adapter zet wisselspanning om in gelijkspanning. Hoe groter de spanning, hoe groter het vermogen (bij dezelfde stroomsterkte). Hoe groter de stroomsterkte, hoe groter het vermogen (bij dezelfde spanning).

Elektriciteit 1.3 Spanning en stroomsterkte BEGRIJPEN

Als er per seconde twee keer zo veel elektronen door een apparaat stromen en elk elektron twee keer zo veel energie afgeeft, is het vermogen van dat apparaat vier keer zo groot. Een zonnecel levert gelijkspanning, net als een accu. Een dynamo levert wisselspanning, net als het stopcontact.

25 Een elektrische stroomkring bestaat uit een spanningsbron, een apparaat en aansluitdraden. a Welke deeltjes bewegen door de aansluitdraden? b Hebben deze deeltjes een positieve of een negatieve lading? c Geef aan in welke richting deze deeltjes bewegen. d Geef aan in welke richting de elektrische stroom loopt. e Verklaar waardoor er alleen een stroom loopt als de stroomkring gesloten is. f Wat gebeurt er met de deeltjes als de spanning groter wordt gemaakt?

26 De achterruitverwarming van een auto werkt op 12 V en heeft een even groot vermogen als een verwarmingselement in huis dat op 230 V werkt. a Leg uit in welk apparaat één elektron de meeste energie afgeeft. b Leg uit door welk apparaat de meeste elektronen per seconde stromen. c Geef aan in welk apparaat de meeste energie per seconde wordt omgezet.

27 Zuiver water geleidt geen elektrische stroom. a b

Leg uit waardoor zuiver water geen elektrische stroom geleidt. Leg uit hoe je ervoor kunt zorgen dat water wel elektrische stroom geleidt.

28 Elektrische apparaten met een accu hebben vaak een adapter. a b

Levert een accu gelijkspanning of wisselspanning? Leg uit waarom de meeste adapters niet alleen de spanning verlagen, maar ook de wisselspanning omzetten in gelijkspanning.

29 In de schakeling van figuur 21 is een lamp aangesloten op een spanningsbron. De stroomsterkte door de schakeling wordt op twee punten gemeten met een stroommeter. Welke uitspraak is waar? A De stroom door meter A2 is groter dan die door meter A1. B De stroom door meter A2 is even groot als die door meter A1. C De stroom door meter A2 is kleiner dan die door meter A1. D Door meter A2 loopt geen stroom.

30 Door een apparaat loopt een stroom van 2,5 A. a Geef aan hoeveel lading er per seconde door het apparaat stroomt. Een elektron heeft een lading van 1,6 · 10−19 C. b Leg uit hoe je daarmee kunt berekenen hoeveel elektronen er per seconde door het apparaat stromen.

Figuur 21

BEHEERSEN 1.3 Spanning en stroomsterkte Elektriciteit

BEHEERSEN

VO O R B E E L D O P G AV E 3 Een spaarlamp van 12 W is aangesloten op het lichtnet. Vraag: Bereken de stroomsterkte door de lamp. Antwoord: De netspanning is 230 V. Invullen in P = U ∙ I geeft: 12 = 230 × I 12 De stroomsterkte is dus: I = _ = 0,052 A 230

Rekenen met het vermogen Het vermogen van een apparaat is evenredig met de spanning én evenredig met de stroomsterkte. Het verband tussen vermogen, spanning en stroomsterkte wordt gegeven door de volgende formule:

P=U∙I In deze formule is P het vermogen (in W), U de spanning (in V) en I de stroomsterkte (in A).

VO O R B E E L D O P G AV E 4 Op een batterij van 1,5 V staat dat de capaciteit 1200 mAh is. Vraag: a Bereken hoeveel lading deze batterij in totaal kan leveren. b Bereken hoeveel energie deze batterij in totaal kan leveren. Antwoord: a Q = I · t = 1200 mA × 1 uur = 1,2 A × 3600 s Q = 4320 C b P = U · I = 1,5 × 1,2 = 1,8 W E = P · t = 1,8 × 3600 = 6,5 · 10 3 J = 6,5 kJ

Stroom en lading Elektrische stroom bestaat uit bewegende lading. De stroomsterkte is gelijk aan hoeveel coulomb lading per seconde door een apparaat stroomt. Er geldt: Q

I = _t In deze formule is I de stroomsterkte (in A), Q de lading (in C) en t de tijd (in s). De lading van één elektron is heel erg klein: 1,60 · 10−19 C. Eén coulomb lading komt 1 18 overeen met ________ elektronen. −19 = 6,25 · 10 1,60 · 10

LADING UIT EEN BATTERIJ Symbolen +

–

spanningsbron (gelijkspanning) spanningsbron (wisselspanning)

spanningsmeter

stroommeter

verbindingsdraad

weerstand

schakelaar

regelbare weerstand

lamp regelbare spanningsbron

led aarde

Figuur 22 Symbolen van elektrische componenten

Een batterij kan gedurende een bepaalde tijd stroom leveren. Hoe groter de stroomsterkte, hoe eerder de batterij leeg is. De totale lading die een batterij kan leveren bereken je door de formule om te schrijven naar Q = I · t. Die totale lading wordt soms ook de capaciteit genoemd, en uitgedrukt in Ah of in mAh. Een capaciteit van 20 Ah betekent dat de batterij gedurende 2 uur een stroom van 10 A kan leveren. Of gedurende 5 uur een stroom van 4 A.

Symbolen en schakelschema’s Figuur 18 is een foto van een schakeling. In figuur 19 is dezelfde schakeling afgebeeld in een schakelschema. Dit soort schema’s worden vanwege de overzichtelijkheid veel gebruikt. Ze bevatten een aantal internationaal afgesproken symbolen. Enkele veelgebruikte symbolen staan in figuur 22.

Elektriciteit 1.3 Spanning en stroomsterkte BEHEERSEN

31 De paragraafvraag is: Hoe hangt het vermogen van een apparaat samen met de spanning en de stroomsterkte? a Is het elektrische vermogen evenredig met de spanning, evenredig met de stroomsterkte of evenredig met beide? b Leg uit hoe je met de spanning en de stroomsterkte kunt berekenen hoeveel joule een apparaat per seconde verbruikt.

32 Een autolamp met een elektrisch vermogen van 55 W is aangesloten op een accu. De stroomsterkte door de autolamp is 4,6 A. a Bereken de spanning van de accu. b Bereken het aantal elektronen dat per seconde door de autolamp stroomt. c Bereken de stroomsterkte door een lamp van 55 W die is aangesloten op de netspanning van 230 V.

33 Bij een thuisnetwerk zijn er nogal wat onderdelen die continu aan staan (stand by), ook als ze niet gebruikt worden. Dat heet sluipverbruik. Bij een bepaald netwerk is er sluipverbruik door een router (7,5 W), modem (6,8 W), printer (3,3 W) en een computer met beeldscherm (2,9 W). Bereken de totale stroomsterkte bij dit sluipverbruik.

34 Een accu van 12 V levert 4,5 uur lang een stroomsterkte van 3,0 A. a b c d

Vul in: 12 V = …… joule per coulomb. Vul in: 3,0 A = …… coulomb per seconde. Bereken hoeveel joule de accu per seconde levert. Laat zien dat de accu in 4,5 uur tijd 162 Wh aan energie levert.

35 Een wasmachine heeft een maximaal elektrisch vermogen van 3,0 kW. Tijdens een wasprogramma op 60 °C is de gemiddelde stroomsterkte 9,1 A. a Bereken het gemiddelde elektrisch vermogen voor het wasprogramma van 60 °C. b Leg uit of de stroomsterkte bij het maximaal vermogen groter dan, kleiner dan of even groot is als 9,1 A.

36 Bij een bliksemontlading verplaatst zich – 6,4 C lading in 10 ms van een wolk naar de aarde. a Bereken de gemiddelde stroomsterkte van deze bliksemschicht. b Bereken hoeveel elektronen hierbij uit de wolk naar de aarde zijn gestroomd. Door draad A stroomt elke seconde 0,15 C lading. Door draad B stroomt in de helft van de tijd driemaal zo veel lading. c Bereken de stroomsterkte door draad B.

37 Op een oplaadbare batterij van 1,2 V staat ‘2,5 Wh’. a b c d

Staat ‘2,5 Wh’ voor de capaciteit of voor het vermogen van de batterij? Bereken hoeveel uur deze batterij een vermogen van 0,18 W kan leveren. Bereken hoeveel uur deze batterij een stoomsterkte van 50 mA kan leveren. Bereken de totale lading (in coulomb) die deze batterij kan leveren.

Experiment 6: Licht versus warmte van een gloeilamp Experiment 7: Rendement van een elektromotor

BEHEERSEN 1.3 Spanning en stroomsterkte Elektriciteit

38 In figuur 23 zie je twee geladen bollen. De ene bol is positief geladen en de

Figuur 23

andere bol is negatief geladen. a Trekken de bollen elkaar aan of stoten ze elkaar af? De twee bollen worden door een metalen draad met elkaar verbonden. b Leg uit in welke richting er even een elektrische stroom loopt door de geleidende draad. c Welke deeltjes zorgen voor het ladingstransport? d Leg uit in welke richting die deeltjes bewegen.

39 Hieronder staat een beschrijving van drie verschillende stroomkringen. Teken van elke stroomkring het schakelschema. a Een stroomkring met een gelijkspanningsbron, een schakelaar en een lamp. b Een stroomkring met een wisselspanningsbron, een motor, een lamp en een spanningsmeter. De motor en de lamp zijn in serie geschakeld. De spanningsmeter meet de spanning over de motor. c Fietsverlichting met een dynamo, een koplamp, een achterlicht en een stroommeter. De lampen zijn parallel geschakeld. De stroommeter meet de stroomsterkte door de koplamp.

40 Het opladen van je smartphone gaat via een adapter. De adapter is aangesloten op 230 V en gebruikt 0,15 A. De gemiddelde oplaadtijd is 90 minuten per dag. a Bereken het vermogen waarmee de smartphone wordt opgeladen. b Bereken hoeveel geld het opladen van je smartphone per jaar kost. Ga ervan uit dat 1 kWh € 0,46 kost. De adapter levert een spanning van 4,4 V. c Leg uit dat de stroomsterkte die de adapter levert veel groter is dan de stroomsterkte uit het stopcontact (0,15 A).

41 Een accu levert een spanning van 5,0 V. Daarop kan een smartphone 150 minuten werken. Het gemiddelde vermogen van de smartphone is dan 35 W. a Bereken de stroomsterkte door de accu. b Bereken de capaciteit van de accu in Wh.

42 In deze paragraaf komen de volgende begrippen aan bod: stroomsterkte,

Oefenen A Bekijk of je de belangrijkste onderwerpen van paragraaf 1.2 en 1.3 begrepen hebt.

elektronen, spanning, lading, vermogen, coulomb, ampère, volt, watt. a Controleer of je alle begrippen kent. Noteer de begrippen die je nog niet goed kent en zoek op wat ze betekenen. b Sommige van deze begrippen zijn grootheden. Bij elke grootheid hoort een symbool en een eenheid. Noteer bij elke grootheid het bijbehorende symbool en de eenheid (of eenheden). c Geef aan welke formules bij deze grootheden horen.

Elektriciteit

1.4

Weerstand

ONTDEKKEN In huis zijn alle apparaten aangesloten op dezelfde spanningsbron, het lichtnet van 230 V. Toch kan het vermogen van apparaten verschillen, doordat de stroomsterktes niet gelijk zijn. Want elk apparaat heeft een eigen weerstand. Wat heeft de stroomsterkte precies te maken met de weerstand? En wat bepaalt de weerstand van een apparaat?

Experiment 8: Stroom,spanningdiagrammen Experiment 9: Weerstand van een stroomdraad Experiment 10: Weerstand van een diode

PA R AG R A A F V R A AG Hoe hangt de stroomsterkte af van de weerstand en waardoor wordt die weerstand bepaald?

BEGRIJPEN Weerstand Apparaten in huis werken allemaal op dezelfde spanning, maar de stroomsterkte is verschillend. Apparaten met een groter vermogen ‘verbruiken meer stroom’. Die grotere stroomsterkte is nodig om meer energie naar dat apparaat te vervoeren. Veel waterkokers hebben bijvoorbeeld een vermogen van ongeveer 2,3 kW. Daarvoor is een stroomsterkte van 10 A nodig. Bij een broodrooster van 700 W is de stroomsterkte kleiner, ongeveer 3 A. De waterkoker laat dus meer stroom door. Huishoudelijke apparaten die veel stroom verbruiken hebben een kleine weerstand. Ze laten dan makkelijk de stroom door. Bij apparaten die weinig stroom verbruiken is de weerstand juist groot. De weerstand van het broodrooster is dus groter dan de weerstand van de waterkoker. B

De weerstand bepaalt hoeveel elektrische stroom er loopt bij een bepaalde spanning.

De weerstand van een stroomdraad Het verwarmingselement van een broodrooster bestaat uit een dunne, lange, metalen stroomdraad. Hoe langer de draad is, des te meer weerstand ondervinden de elektronen als ze door de draad bewegen. De weerstand van een stroomdraad hangt ook af van de dikte van de draad. Een dikkere draad laat makkelijker elektronen door. Een dikkere draad heeft dus een kleinere weerstand. De weerstand van een draad hangt bovendien af van het materiaal. Koper laat makkelijker stroom door dan bijvoorbeeld ijzer. Hoe goed of slecht een materiaal geleidt, geven we aan met de soortelijke weerstand. Ten slotte hangt de weerstand van een stroomdraad bij veel materialen nog af van de temperatuur. Of bij toenemende temperatuur de weerstand groter of kleiner wordt, of gelijk blijft, hangt af van het materiaal waarvan de draad gemaakt is.

Figuur 24 Een waterkoker heeft een groter elektrisch vermogen en dus een grotere stroomsterkte dan een broodrooster.

BEGRIJPEN 1.4 Weerstand Elektriciteit

stroomsterkte I

B B

De weerstand van een stroomdraad is groter als de draad langer is, en kleiner als de draad dikker is. De soortelijke weerstand geeft aan hoe goed of slecht een materiaal geleidt. De weerstand van een stroomdraad hangt bij veel materialen af van de temperatuur.

De weerstand is vaak constant 0

spanning U

Figuur 25 Het I,U-diagram van een constantaandraad

In veel gevallen is de stroomsterkte evenredig met de spanning. De grafiek in het I,U-diagram van de stroom tegen de spanning is dan een rechte lijn door de oorsprong (zie figuur 25). In dat geval is de weerstand constant en spreek je van een ohmse weerstand. In de praktijk is de weerstand alleen constant als de temperatuur vrijwel constant is of als de draad van een bepaald materiaal is gemaakt, bijvoorbeeld van constantaan.

voorwaartse stroomrichting B

Bij een ohmse weerstand is de weerstand constant. De stroomsterkte is dan evenredig met de spanning.

stroomsterkte I (A)

Figuur 26 Het symbool van een diode

NTC, PTC, gloeidraad, LDR en diode

5 4 3 2 1

-1,0

-0,5 -1

0,5 1,0 spanning U (V)

Figuur 27 Bij een tegenwaartse spanning laat de diode geen stroom door. Bij een voorwaartse spanning groter dan 0,5 V laat de diode de stroom makkelijk door.

Bij de volgende weerstanden is de weerstand niet constant: E De weerstand van een NTC (Negative Temperature Coefficient) wordt kleiner als de temperatuur stijgt. E De weerstand van een PTC (Positive Temperature Coefficient) wordt groter als de temperatuur stijgt. Een gloeidraad, bijvoorbeeld in een gloeilamp, is een PTC. Die neemt toe naarmate de draad warmer wordt, doordat er meer stroom door gaat. E Een LDR (Light Dependent Resistor) is een lichtgevoelige weerstand. De weerstand wordt kleiner als er meer licht op valt. E Een diode is een weerstand die in één richting stroom tegenhoudt maar in de andere richting stroom doorlaat. Een diode zorgt dus voor ‘eenrichtingsverkeer’ in een schakeling. In het symbool voor een diode (figuur 26) geeft de driehoekige pijl aan in welke richting de stroom wordt doorgelaten. Omdat een LDR en een NTC heel gevoelig zijn voor kleine veranderingen, zijn ze geschikt voor sensoren. Een NTC wordt bijvoorbeeld gebruikt in een elektronische thermometer. En een LDR is geschikt als lichtsensor om de straatverlichting te regelen. B B B B

Figuur 28 Lichtgevoelige weerstanden (boven) kunnen worden toegepast in bijvoorbeeld straatverlichting (onder).

De weerstand van een LDR neemt af als er meer licht op valt. De weerstand van een NTC neemt af als de temperatuur stijgt. De weerstand van een PTC neemt toe als de temperatuur stijgt. Een diode laat de stroom slechts in één richting door.

Elektriciteit 1.4 Weerstand BEGRIJPEN

43 Waar of niet waar? Verbeter de onjuiste uitspraken. a b c d e f g h i

Hoe groter de weerstand des te kleiner is de stroomsterkte. Huishoudelijke apparaten met een groot vermogen hebben een grote weerstand. Hoe langer een metaaldraad, hoe groter de weerstand. Hoe dikker de draad des te groter is de weerstand. Bij een NTC wordt de weerstand groter als de temperatuur stijgt. De soortelijke weerstand van koper is kleiner dan die van kunststof. Bij een LDR wordt de weerstand groter als de lichtsterkte afneemt. De gloeidraad van een lamp is een PTC-weerstand. De weerstand van een elektrisch apparaat is groter dan die van de toevoerdraden.

44 Apparaten thuis zijn meestal aangesloten op dezelfde spanning. Toch loopt niet door elk apparaat een even grote stroom. a Welk apparaat heeft het grootste vermogen: een apparaat met een grotere stroomsterkte of een apparaat met een kleinere stroomsterkte? b Welk apparaat heeft de grootste weerstand: een apparaat met een grotere stroomsterkte of een apparaat met een kleinere stroomsterkte? c Welk apparaat heeft het grootste vermogen: een apparaat met een grotere weerstand of een apparaat met een kleinere weerstand?

45 Een waterkoker en een broodrooster hebben beide een verwarmingselement dat van hetzelfde metaal gemaakt is. De waterkoker heeft een groter vermogen dan het broodrooster. a Door welk apparaat gaat de grootste stroom? b Welk verwarmingselement heeft de grootste weerstand?

46 De stroomsterkte door een gloeilamp is direct na het inschakelen heel even iets groter dan normaal. a Is de weerstand direct na het inschakelen groter of kleiner dan normaal? b De gloeidraad is een PTC-weerstand. Leg uit wat dat betekent. c Verklaar waardoor de stroomsterkte direct na het inschakelen even iets groter is dan normaal.

47 Een gloeilamp kun je dimmen door de spanning te verlagen. a b c

Wordt de stroomsterkte dan groter of kleiner? Leg uit of het vermogen dan groter of kleiner wordt. Leg uit of de weerstand dan groter of kleiner wordt.

48 LDR’s en NTC’s worden van halfgeleidermateriaal gemaakt. a b c d

Wordt het aantal vrije elektronen in een LDR groter of kleiner als er meer licht op de LDR valt? Wordt de weerstand dan groter of kleiner? Wordt het aantal vrije elektronen in een NTC groter of kleiner als de temperatuur stijgt? Wordt de weerstand dan groter of kleiner?

Begrijpen Maak de opgaven in je boek of online.

BEHEERSEN 1.4 Weerstand Elektriciteit

49 Een diode laat de elektrische stroom door als de spanning op de juiste manier wordt aangesloten. a Is de weerstand in de doorlaatrichting groter of kleiner dan in de sperrichting? b Leg uit hoe je aan het I,U-diagram (zie figuur 27) kunt zien dat een diode alleen stroom doorlaat als de spanning op de juiste manier is aangesloten. c In figuur 29 zie je drie schakelingen. Leg voor elke schakeling uit of het lampje brandt. Geef ook aan in welke schakeling het lampje het felst brandt. 6,0 V

6,0 V

Experiment 11: Lichtsterkte meten Experiment 12: Elektronische thermometer

Figuur 29

BEHEERSEN De wet van Ohm Bij een ohmse weerstand is de weerstand constant. De grafiek in het I,U-diagram is dan een rechte lijn door de oorsprong: de stroomsterkte is evenredig met de spanning. De formule daarbij is de wet van Ohm:

U=I∙R In deze formule is U de spanning in volt (V), I de stroomsterkte in ampère (A) en R de elektrische weerstand in ohm (Ω).

VO O R B E E L D O P G AV E 5 Door een constantaandraad loopt bij een spanning van 3,0 V een stroom van 0,25 A. Vraag: Bereken de weerstand van de draad. Antwoord: De weerstand is: 3,0 R = _UI_ = ____ = 12 Ω 0,25

De weerstand van een stroomdraad De weerstand van een stroomdraad is groter als de draad langer is, en kleiner als de draad dikker is. De weerstand R is evenredig met de lengte l van de draad, en omgekeerd evenredig met de oppervlakte A van de dwarsdoorsnede van de draad (zie figuur 30). Is die oppervlakte twee keer zo groot, dan is de weerstand twee keer l zo klein. Voor de weerstand geldt dan de formule: R = ρ · __ . A In deze formule is de evenredigheidsconstante ρ (spreek uit rho) de soortelijke weerstand van het materiaal van de stroomdraad. Zie de tabel van figuur 31 of tabel 8, 9 en 10 in Binas. De formule voor de weerstand van een stroomdraad is in Binas omgeschreven naar een formule voor de soortelijke weerstand: R·A ρ = ____ l

In deze formule is ρ de soortelijke weerstand (in Ω · m), R de weerstand (in Ω), l de lengte van de draad (in m) en A de oppervlakte van de doorsnede (in m²). l

dwarsdoorsnede

r Figuur 30

oppervlakte: A = π · r2

Elektriciteit 1.4 Weerstand BEHEERSEN

Bekijk figuur 31 voor de soortelijke weerstand van verschillende stoffen. In Binas is een uitgebreider overzicht opgenomen. metaal

aluminium chroom goud ijzer koper zilver

soortelijke legering weerstand (× 10−9 Ω · m) 27 130 22 105 17 16

soortelijke stof weerstand (× 10−6 Ω · m)

brons constantaan messing nichroom soldeer roestvrij staal

0,30 0,45 0,07 1,10 0,15 0,72

soortelijke weerstand (Ω · m)

gewoon glas vurenhout papier zuiver silicium teflon

1012 1012 1010 625 1020

Figuur 31 Soortelijke weerstand van enkele stoffen

VO O R B E E L D O P G AV E 6 De lengte van de nichroomdraad in een verwarmingselement is 4,2 m. De diameter van de draad is 0,36 mm. Vraag: Bereken de weerstand van de draad. Antwoord: De straal van de draad is: r = 0,18 mm = 0,00018 m De oppervlakte van de doorsnede is dan: A = π ∙ r2 = π × 0,000182 = 1,02 · 10−7 m2 De soortelijke weerstand van nichroom staat in figuur 31: ρ = 1,1 · 10−6 Ω · m. R · A geeft: Invullen in de formule ρ = ___

1,1 · 10

50 De paragraafvraag is: Hoe hangt de stroomsterkte af van de weerstand en waardoor wordt die weerstand bepaald? a Geef aan welke twee gegevens je nodig hebt om de weerstand te berekenen. b Beschrijf welke drie eigenschappen van een metalen draad de weerstand van de draad bepalen.

51 Bij een ohmse weerstand R is het verband tussen U en I evenredig. a b c

Vul de zin aan: als de spanning drie keer zo groot wordt, wordt de stroomsterkte …… Beschrijf welke vorm het I,U-diagram heeft. Leg uit hoe uit de wet van ohm blijkt dat de weerstand constant is als U evenredig is met I.

52 Een ohmse weerstand wordt aangesloten op een variabele spanningsbron. Bij 6,0 V is de stroomsterkte 0,12 A. a Bereken de weerstand. b Bereken de stroomsterkte bij 10,0 V. c Bereken de spanning waarbij de stroomsterkte 0,17 A is.

53 Een spanningsbron levert een spanning van 9,0 V. Je sluit achtereenvolgens ohmse weerstanden aan van 20, 100 en 200 Ω. a Bereken de stroomsterkte bij een weerstand van 20 Ω. b Beredeneer hoe groot de stroomsterkte zal zijn bij 200 Ω. c Beredeneer hoe groot de stroomsterkte zal zijn bij 100 Ω. d Bij welke weerstand zal de stroomsterkte 0,90 A zijn?

54 Een waterkoker heeft een vermogen van 1,5 kW. Een broodrooster heeft een vermogen van 500 W. a Welk apparaat heeft de grootste weerstand? b Bereken de weerstand van de waterkoker. Bereken daarvoor eerst de stroomsterkte. c Beredeneer hoe groot de weerstand van het broodrooster is.

−6

R × 1,02 · 10 −7 = ___________ → 4,2

R × 1,02 · 10 −7 = 4,2 × 1,1 · 10 −6 → R = 45 Ω Of met de formule voor de weerstand van een draad: 4,2 l R = ρ · __ = 1,1 · 10−6 × ________ −7 = 45 Ω A 1,02 · 10

BEHEERSEN 1.4 Weerstand Elektriciteit

55 Een fietsdynamo levert een spanning van 6,0 V. Door de koplamp loopt een

stroomsterkte I (mA)

stroom van 0,50 A. Door het achterlicht loopt een stroom van 50 mA. Beide lampen zijn aangesloten op de dynamo. a Leg uit of de lampen in serie of parallel op de dynamo zijn aangesloten. b Leg uit welke lamp de grootste weerstand heeft. c Bereken de weerstand van het achterlicht. d Beredeneer hoe groot de weerstand van de koplamp is. e Bereken het vermogen dat de dynamo levert aan de lampen samen.

56 Bij twee metaaldraden is het verband tussen de spanning (U) over en de

120 100 1 80 60 40 2 20 0

Figuur 32

8 10 12 spanning U (V)

stroomsterkte (I) door de weerstand gemeten. Het resultaat van de metingen is weergegeven in het diagram van figuur 32. a Welke bewering(en) is/zijn juist? A De twee weerstanden zijn ohmse weerstanden. B Weerstand 1 is twee keer zo groot als weerstand 2. C Weerstand 1 is twee keer zo klein als weerstand 2. D De twee weerstanden kunnen niet van hetzelfde materiaal gemaakt zijn. De draden zijn even dik, maar draad 1 is twee keer zo lang als draad 2. b Leg uit of de twee draden van hetzelfde materiaal zijn gemaakt. c Leg uit dat de soortelijke weerstand van draad 2 het grootst is. d Beredeneer hoeveel keer zo groot de soortelijke weerstand van draad 2 is.

57 Leg uit met welke van de vier schakelingen in figuur 33 de weerstand van een lampje kan worden bepaald. A

V A

A V

Figuur 33

Elektriciteit 1.4 Weerstand BEHEERSEN

58 In de schakeling in figuur 34 is een gloeilamp aangesloten op een regelbare spanningsbron. De lamp brandt zwak. Nu wordt de spanning van de spanningsbron ingesteld op een twee keer zo grote waarde. a De stroomsterkte door de lamp wordt daardoor: A meer dan twee keer zo groot. B twee keer zo groot. C groter, maar minder dan twee keer zo groot. b Het vermogen van de lamp wordt daardoor: A meer dan twee keer zo groot. B twee keer zo groot. C groter, maar minder dan twee keer zo groot.

59 Een metaaldraad met een lengte van 80 cm en een dwarsdoorsnede van 1,5 mm2 heeft een weerstand van 9,1 mΩ. 2 a Reken de gegevens om naar standaardeenheden (m, m en Ω). b Bereken de soortelijke weerstand van het metaal. c Van welk metaal is deze draad gemaakt?

60 Het roestvrijstalen verwarmingselement van een strijkijzer is rond en 12,4 cm lang. Op het strijkijzer staat 230 V; 1200 W. a Laat met een berekening zien dat de stroomsterkte door het verwarmingselement 5,22 A is. b Bereken de weerstand van het verwarmingselement. c Bereken de diameter van het verwarmingselement. Zoek daarvoor eerst de soortelijke weerstand van roestvrij staal op.

61 In deze paragraaf komen de volgende begrippen aan bod: weerstand, soortelijke weerstand, ohm, ohmse weerstand, diode, LDR, PTC en NTC. a Controleer of je alle begrippen kent. Noteer de begrippen die je nog niet goed kent en zoek op wat ze betekenen. b Sommige van deze begrippen zijn grootheden. Bij elke grootheid hoort een symbool en een eenheid. Noteer bij elke grootheid het bijbehorende symbool en de eenheid (of eenheden). c Geef aan welke formules bij deze grootheden horen.

Figuur 34

Elektriciteit

1.5 Experiment 13: Parallelschakeling Experiment 14: Serieschakeling

Schakelingen in huis

ONTDEKKEN In huis zijn vaak verschillende apparaten aangesloten op hetzelfde stopcontact. Toch kun je ze onafhankelijk van elkaar aan- en uitzetten, en dan verandert er niets aan de andere apparaten. Hoe zijn de apparaten in huis geschakeld? Elektriciteit moet veilig zijn. Er mag geen gevaar zijn op brand en je mag niet ‘onder stroom’ komen te staan. Hoe werkt die beveiliging?

PA R AG R A A F V R A AG Figuur 35 In een parallelschakeling zijn alle apparaten rechtstreeks aangesloten op de spanningsbron.

Hoe zijn elektrische apparaten in huis geschakeld en hoe is de huisinstallatie beveiligd?

BEGRIJPEN Apparaten zijn parallel geschakeld I1 = 0,3 A

I2 = 3,0 A

230 V I = 3,3 A Figuur 36 De stofzuiger en de lamp zijn parallel geschakeld.

Elk huishoudelijk apparaat is gemaakt voor een spanning van 230 V. Om ervoor te zorgen dat de spanning over elk apparaat inderdaad 230 V is, moet elk apparaat rechtstreeks op de polen van de spanningsbron aangesloten worden. De aansluitpunten van alle stopcontacten in huis zijn dan ook direct verbonden met de meterkast, waar de elektriciteitskabel het huis binnenkomt. Een schakeling waarbij alle apparaten rechtstreeks op de spanningsbron zijn aangesloten is een parallelschakeling (figuur 35 en 36). Daarin heeft elk apparaat zijn ‘eigen’ stroomkring. De stroom door bijvoorbeeld de stofzuiger verandert niet als een lamp gaat branden. Doordat de totale stroomsterkte groter wordt als er meer apparaten zijn aangesloten, is de stroom door de spanningsbron niet constant. De totale stroomsterkte die de bron levert is gelijk aan alle stroomsterktes in de aangesloten apparaten bij elkaar opgeteld. We spreken van stroomdeling. Daarbij is de stroom het grootst door het apparaat met de kleinste weerstand. B B B

Figuur 37 Schakelschema van een serieschakeling van twee weerstanden

Figuur 38 Kerstboomlampjes

In een parallelschakeling is de spanning over elk apparaat hetzelfde. In een parallelschakeling heeft elk apparaat een eigen stroomkring. In een parallelschakeling is de totale stroomsterkte gelijk aan de som van de stroomsterktes door de apparaten.

Serieschakeling Een serieschakeling is een schakeling waarbij alle componenten achter elkaar geschakeld zijn (figuur 37). Zo’n schakeling wordt bijvoorbeeld gebruikt bij feestverlichting (figuur 38) en in elektronicaschakelingen. Doordat er maar één stroomkring is, loopt door elk lampje dezelfde stroom. In elk lampje geeft die stroom een beetje energie af. Bij een serieschakeling van tien identieke lampjes krijgt elk lampje één tiende van de netspanning. Bij een netspanning van 230 V staat over elk lampje dan 23 V spanning. We spreken bij een serieschakeling dan ook van spanningsdeling. Daarbij is de spanning het grootst over de component met de grootste weerstand.

Elektriciteit 1.5 Schakelingen in huis BEGRIJPEN

B B

In een serieschakeling is de stroomsterkte door elk apparaat hetzelfde. In een serieschakeling wordt de spanning over de apparaten verdeeld.

DE ELEKTRISCHE HUISINSTALLATIE De elektrische huisinstallatie bestaat uit een spanningsbron, verbindingsdraden en apparaten. De spanningsbron is in dit geval de aansluiting in de meterkast. Deze is met kabels verbonden met de elektriciteitscentrale. In de meterkast wordt het elektrische energieverbruik gemeten met een kWh-meter en wordt de elektriciteit verdeeld in groepen. Vanuit de meterkast lopen voor elke groep elektriciteitsdraden naar de stopcontacten en de vaste aansluitpunten, zoals lampen. In de meterkast vind je ook de aardlekschakelaar(s), zekeringen en groepschakelaars.

stopcontact kWh-meter

schakelaar

groepschakelaar spanningsdraad nuldraad aardlekschakelaar

zekering

Figuur 39 Stroomkringen in de elektrische huisinstallatie

Als de stroom te groot wordt Elektriciteitsdraden in huis zijn meestal gemaakt voor een maximale stroomsterkte van 16 A. Bij een grotere stroomsterkte kan een draad zo warm worden dat er kans op brand bestaat. Dit kan gebeuren als te veel apparaten worden aangesloten op hetzelfde stopcontact. Je spreekt dan van overbelasting. Om toch alle apparaten aan te kunnen sluiten, is de elektrische installatie gesplitst in een aantal groepen. Elke groep heeft eigen elektriciteitsdraden, en elke groep kan in totaal 16 A gebruiken. Bij kortsluiting ontstaan heel grote stroomsterktes. Kortsluiting treedt op als twee elektriciteitsdraden elkaar raken, bijvoorbeeld doordat de isolatie van de draden kapot is. De stroom gaat dan niet door een apparaat maar direct terug naar de spanningsbron (de kortste weg), waardoor er maar heel weinig weerstand is in die kring. Dan wordt de stroom veel te groot. Elke groep is beveiligd met automatische zekeringen die de elektriciteit direct uitschakelen wanneer de stroom te groot wordt. Zodra het probleem verholpen is, kun je de schakelaar van de automatische zekering weer omzetten (figuur 40). Sommige apparaten bevatten een smeltveiligheid om het apparaat te beschermen. B

De huisinstallatie is met zekeringen beveiligd tegen een te grote stroom door overbelasting of kortsluiting.

Figuur 40 Automatische zekering (boven) en smeltveiligheid van een apparaat (onder)

BEGRIJPEN 1.5 Schakelingen in huis Elektriciteit

Stroom door je lichaam Een ander gevaar in huis is dat er stroom door je lichaam loopt als je een elektriciteitsdraad aanraakt. Een stroom van 0,1 A kan al dodelijk zijn, maar gelukkig krijg je meestal alleen een flinke schok. Het gevaar wordt groter als je bijvoorbeeld natte handen hebt. Dan is de weerstand van je huid veel kleiner, waardoor de stroomsterkte groot kan zijn. Een zekering biedt geen bescherming tegen stroom door je lichaam, want die schakelt pas uit bij een veel grotere stroomsterkte. De aardlekschakelaar (zie figuur 41) beschermt wel tegen een te grote stroom door je lichaam. Een aardlekschakelaar meet voortdurend of de ingaande stroom wel even groot is als de uitgaande. Zodra het verschil tussen beide stromen groter is dan 30 mA, schakelt de aardlekschakelaar de elektriciteit uit. In figuur 42 zie je links de normale situatie en rechts de onveilige situatie. In de normale situatie is de stroomsterkte door beide draden even groot. Bij het aanraken van een spanningsdraad loopt er een kleine stroom door je lichaam via de grond terug naar de aarde bij de huisaansluiting (in figuur 39 linksonder). Er ‘lekt’ dan stroom weg naar de aarde, die niet meer door de aardlekschakelaar gaat.

Figuur 41 Aardlekschakelaar

Door de aardlekschakelaar ben je beveiligd tegen stroom door je lichaam.

aardlekschakelaar

Figuur 42 De aardlekschakelaar schakelt de stroom uit als er een lekstroom is.

Begrijpen Maak de opgaven in je boek of online.

62 Waar of niet waar? Verbeter de onjuiste uitspraken. a b c d e f g h

Als je thuis meer lampen aan zet, wordt de stroom door elke lamp kleiner. Bij een parallelschakeling is elk apparaat rechtstreeks aangesloten op dezelfde spanningsbron. Elk stopcontact in huis heeft een eigen zekering. Bij een serieschakeling wordt de stroom verdeeld over alle apparaten. In een parallelschakeling is de spanning over elk apparaat hetzelfde. Bij kortsluiting en bij overbelasting is sprake van een te grote stroomsterkte door de elektriciteitsdraden. Een zekering beveiligt ook tegen stroom door je lichaam. Een aardlekschakelaar beveiligt tegen brand in huis.

63 In figuur 43 zie je twee schakelingen. De spanning van beide spannings-

Figuur 43

bronnen is gelijk. De vier lampen zijn identiek. Welke bewering is juist? A In schakeling 1 geeft elk lampje meer licht dan in schakeling 2. B De lampjes in schakeling 1 geven evenveel licht als de lampjes in schakeling 2. C In schakeling 2 geeft elk lampje meer licht dan in schakeling 1.

Elektriciteit 1.5 Schakelingen in huis BEGRIJPEN

64 In schakeling 1 van figuur 43 wordt een derde lampje aangesloten, parallel aan de twee andere lampjes. De spanning van de spanningsbron blijft gelijk. a Branden de twee andere lampjes nu feller dan, zwakker dan of even fel als eerst? Leg uit. b Beschrijf wat er nu veranderd is bij de spanningsbron. c Geef aan of de weerstand van de schakeling nu groter of kleiner geworden is. d Geef aan of het vermogen van de schakeling nu groter of kleiner geworden is. e Leg uit of er bij deze schakeling sprake is van spanningsdeling of stroomdeling.

65 In schakeling 2 van figuur 43 wordt een derde lampje aangesloten, in serie met de twee andere lampjes. De spanning van de spanningsbron blijft gelijk. a Branden de twee andere lampjes nu feller dan, zwakker dan of even fel als eerst? Leg uit. De spanning van de spanningsbron wordt nu zó veranderd dat de drie lampjes weer normaal branden. b Leg uit of de spanning van de bron bij drie lampjes in serie groter of kleiner moet zijn dan bij één lampje. c Bereken hoeveel keer zo groot/klein de spanning van de bron moet worden om drie lampjes in serie even fel te laten branden als twee lampjes in serie. d Leg uit of de stroomsterkte door de bron bij drie lampjes in serie die normaal branden groter dan, kleiner dan of even groot is als bij twee lampjes die normaal branden. e Geef aan of het vermogen van de schakeling groter of kleiner geworden is. f Beschrijf of er bij deze schakeling sprake is van spanningsdeling of stroomdeling.

66 De koplamp en het achterlicht van een traditionele fiets zijn parallel aangesloten op de dynamo. a Leg uit waarom het niet handig is om de lampjes in serie te schakelen. b Is de stroomsterkte door beide lampjes gelijk? Zo nee, door welk lampje loopt waarschijnlijk de grootste stroom? c Is de weerstand van elk lampje gelijk? Zo nee, welk lampje heeft de grootste weerstand? Vanuit de dynamo lopen twee draadjes, één naar de koplamp en één naar het achterlicht. d Beschrijf hoe de stroomkringen van beide lampjes met de dynamo dan gesloten zijn op een traditionele fiets.

67 Jaap en Els krijgen allebei de opdracht een schakeling te maken met een batterij, een lampje en een schakelaar. De opdracht is simpel: zorg dat je met de schakelaar het lampje aan en uit kunt doen. Els maakt schakeling A (figuur 44) en Jaap maakt schakeling B (figuur 45). Beide schakelingen blijken te voldoen aan de opdracht. Toch krijgen Jaap en Els niet allebei een 10 voor hun uitwerking. a Leg uit welke schakeling minder goed is. b Leg uit waarom die minder goede schakeling eigenlijk erg slecht is.

Figuur 44 Schakeling van Els

Figuur 45 Schakeling van Jaap

BEHEERSEN 1.5 Schakelingen in huis Elektriciteit

68 De elektrische huisinstallatie is beveiligd met zekeringen en een aardlekschakelaar. a Leg uit tegen welk gevaar de huisinstallatie is beveiligd met een zekering. b Leg uit tegen welk gevaar de huisinstallatie is beveiligd met een aardlekschakelaar. c Beschrijf kort hoe een aardlekschakelaar werkt.

69 Het komt nogal eens voor dat de aardlekschakelaar afslaat zonder dat iemand een schok krijgt. Vaak blijkt een koffiezetapparaat de boosdoener. Leg uit wat er in het koffiezetapparaat gebeurd is, waardoor de aardlekschakelaar de elektrische stroom onderbreekt.

BEHEERSEN Eigenschappen van een parallelschakeling

Utot I1 R1

Itot

I2 R2 Figuur 46 Parallelschakeling van twee weerstanden

VO O R B E E L D O P G AV E 7 Twee apparaten van 20 Ω en 40 Ω zijn parallel aangesloten op een spanningsbron van 6,0 V. Vraag: Bereken de totale stroomsterkte en de totale weerstand. Antwoord: Door de weerstand van 20 Ω loopt U1 _ 6,0 een stroom van: I 1 = _ = = 0,30 A R 1 20

Door de weerstand van 40 Ω is de stroomU

6,0

2 sterkte: I 2 = _ =_ = 0,15 A R 40 2

De totale stroomsterkte is dus:

In een parallelschakeling, zoals in figuur 46, zijn alle componenten (hier: weerstanden) rechtstreeks aangesloten op de spanningsbron. De spanning over elke component is dan gelijk aan de spanning van de spanningsbron. Elke component heeft een ‘eigen’ stroom(kring). Als er een extra component parallel wordt aangesloten, neemt de stroom die de bron levert toe. De stroomsterkte die de spanningsbron levert is gelijk aan de som van de stroomsterktes door de componenten. Bij meer componenten in een parallelschakeling neemt de totale stroomsterkte toe. De totale weerstand Rtot van de schakeling als geheel wordt dan kleiner. Deze drie eigenschappen van een parallelschakeling kun je beschrijven met:

Utot = U1 = U2 = … Itot = I1 + I2 + … 1 1 __ ___ = __ + 1 +…

R tot

1 1 _ 1 1 _ =_ + 1 =_ +_ = 0,075 Ω −1 R tot R 1 R 2 20 40 1 Dat geeft: R tot = _ = 13,3 Ω 0,075

Daarmee kan eveneens de totale stroomsterkte berekend worden: Utot = Itot ∙ Rtot →

6,0

6,0 = I tot · 13,3 → I tot = ____ = 0,45 A 13,3

In deze formules zijn Utot en Itot de spanning en de stroomsterkte die de spanningsbron levert (in V en A), U1 en U2 de spanningen (in V) over de weerstanden R1 en R2 en I1 en I2 de stroomsterktes (in A) door de weerstanden R1 en R2 (in Ω). Rtot is de weerstand van de gehele schakeling.

Itot = I1 + I2 = 0,30 + 0,15 = 0,45 A Voor de totale weerstand geldt:

B B B

Bij een parallelschakeling mag je stroomsterktes optellen. De spanning is bij elke weerstand hetzelfde. De totale weerstand bereken je met een formule.

Elektriciteit 1.5 Schakelingen in huis BEHEERSEN

Eigenschappen van een serieschakeling In een serieschakeling, zoals in figuur 47, is de stroomsterkte door elke component hetzelfde. Er is namelijk maar één stroomkring, en de stroom geeft in elke component een deel van de energie (de spanning) af. Als er meer componenten, bijvoorbeeld lampjes, in serie worden geschakeld, moet de spanning die de bron levert groter worden om de stroomsterkte gelijk te houden. De totale spanning is gelijk aan de som van de spanningen over de componenten. Bij meer componenten in serie ondervindt de stroom meer weerstand. De totale weerstand is gelijk aan de som van de weerstanden van de componenten. Deze drie eigenschappen van een serieschakeling kun je beschrijven met:

Itot = I1 = I2 = … Utot = U1 + U2 + … Rtot = R1 + R2 + … In deze formules zijn Utot en Itot de spanning en de stroomsterkte die de spanningsbron levert (in V en A), U1 en U2 de spanningen (in V) over de weerstanden R1 en R2 en I1 en I2 de stroomsterktes (in A) door de weerstanden R1 en R2 (in Ω). Rtot is de weerstand van de gehele schakeling. B B

Bij een serieschakeling mag je spanningen en weerstanden optellen. De stroomsterkte is overal in de stroomkring hetzelfde.

VO O R B E E L D O P G AV E 8 Twee weerstanden, met waarden van 50 Ω en 70 Ω, zijn in serie geschakeld en aangesloten op een spanningsbron. Door de weerstanden loopt een stroom van 25 mA. Vraag: Bereken de spanning over beide weerstanden samen. Antwoord: De totale weerstand is: Rtot = R1 + R2 = 50 + 70 = 1,2 · 102 Ω De spanning over beide weerstanden samen is dus: Utot = Itot ∙ Rtot = 0,025 × 1,2 · 102 = 3,0 V

Gemengde schakelingen Een gemengde schakeling is een combinatie van een serie- en een parallelschakeling. In figuur 48 zie je twee voorbeelden van gemengde schakelingen. Bij zo’n schakeling gebruik je de eigenschappen van serie- en parallelschakelingen om de spanning, de stroomsterkte of de weerstand te berekenen of beredeneren: Bij een serieschakeling is de stroom gelijk. Weerstanden en spanningen tel je op. Bij een parallelschakeling is de spanning gelijk. Stroomsterktes tel je op. De weerstand bereken je met een formule.

Utot

tot

Itot

3,5 V

Utot = Itot ∙ Rtot

Figuur 47 Serieschakeling van twee weerstanden

Voor het berekenen van de totale weerstand van een schakeling combineer je de formules voor de weerstand van een serieschakeling (Rtot = R1 + R2 + …) en van een 1 1 __ parallelschakeling (___ = __ + R1 + …). Of je berekent de totale weerstand met de wet R R van Ohm. Want die wet geldt namelijk ook voor de totale weerstand van een schakeling:

20 Ω

40 Ω

In figuur 48 zie je ook hoe je de spanning en stroomsterkte bij onderdelen van de schakeling kunt meten. De stroomsterkte meet je met een ampèremeter in de draad, vlak voor of achter de weerstand. De spanning meet je met een voltmeter die je aan weerszijden van de weerstand aansluit. Zo meet je de spanning die bij die weerstand wordt afgegeven.

180 Ω Figuur 48 Een stroommeter (ampèremeter) plaats je in serie in de draad waardoor je de stroomsterkte wilt meten. Een spanningsmeter (voltmeter) plaats je parallel aan de weerstand.

BEHEERSEN 1.5 Schakelingen in huis Elektriciteit

SENSORSCHAKELING LDR

sensorsignaal

Figuur 49 Sensorschakeling met LDR

VO O R B E E L D O P G AV E 9 Bij de onderste schakeling in figuur 48 is de spanning over weerstand R1: U1 = 3,5 V. Vraag: a Bereken wat de ampèremeter aanwijst. b Bereken de totale weerstand van de schakeling. Antwoord: a U1 = 3,5 V en R1 = 20 Ω. U

3,5

1 Dan is I 1 = __ = ___ = 0,175 A R 20 1

R1 en R2 in serie. Dan is I2 = I1 = 0,175 A en

U 2 = I 2 · R 2 = 0,175 × 40 = 7,0 V Spanningen optellen:

U bron = U 1 + U 2 = 3,5 + 7,0 = 10,5 V Parallel betekent U gelijk: U3 =U bron = 10,5 V. U

b R1 en R2 in serie.

Dan is R1+2 = 20 + 40 = 60 Ω R1 en R2 samen parallel met R3: 1 1 1 __ 1 ___ = ___ + __ = 1 + ___ = 0,0222 Ω −1 R tot R 1+2 R 3 60 180 1 Dat geeft: R tot = _____ = 45 Ω 0,0222

Of: I bron = I 1 + I 3 = 0,175 + 0,058 = 0,233 A 10,5

bron en R tot = ____ = ____ = 45 Ω I 0,233 bron

70 De paragraafvraag is: Hoe zijn elektrische apparaten in huis geschakeld en hoe is de huisinstallatie beveiligd? Leg uit waarom alle elektrische apparaten in huis parallel geschakeld zijn. Gebruik in je antwoord de begrippen spanning en stroomkring. b Leg uit hoe bij een serieschakeling de spanning over en de stroom door de bron veranderen als je meer lampjes net zo fel wilt laten branden. c Geef aan welke beveiliging tegen stroom door je lichaam beschermt. En welke beveiliging beschermt tegen brand? a

71 Op 10 m van de meterkast ontstaat kortsluiting. De twee draden maken daar elektrisch contact. De twee draden vanaf de kast bestaan uit koper met een doorsnede van 2,5 mm2. a Laat met een berekening zien dat de weerstand van elke koperdraad tussen de meterkast en de kortsluiting 0,068 Ω is. b Bereken de stroomsterkte die door de kortsluiting ontstaat, als er geen zekering zou zijn.

10,5

3 = ____ = 0,058 A Dan is I 3 = __ 180 R

In een sensorschakeling is een ohmse weerstand in serie geschakeld met een sensorweerstand, bijvoorbeeld een NTC of een LDR, zie figuur 49. De spanning over de constante weerstand wordt gebruikt als sensorsignaal. Een lichtsensor werkt dan als volgt. Als de lichtsterkte toeneemt, neemt de weerstand van de LDR af. De weerstand van de serieschakeling neemt dan dus ook af. De stroomsterkte door de serieschakeling, en ook door de constante weerstand, wordt dan groter. Hierdoor neemt de spanning over de constante weerstand toe. Het sensorsignaal neemt dus toe als de lichtsterkte toeneemt.

72 In een parallelschakeling van twee gloeilampen is de stroomsterkte door één van de lampen 2 A. De spanning over deze lamp is 6 V. De weerstand van de andere lamp is twee keer zo groot. a Leg uit hoe groot de spanning over de andere lamp is. b Bereken de stroomsterkte door de andere lamp.

73 In een serieschakeling van twee gloeilampen is de stroomsterkte door één van de lampen 1 A. De spanning over deze lamp is 4 V. De weerstand van de andere lamp is twee keer zo groot. a Leg uit hoe groot de stroomsterkte door de andere lamp is. b Bereken de spanning over de andere lamp. c Bereken de spanning van de spanningsbron.

74 Teken een schakeling met een spanningsbron van 6 V en twee lampjes van 6 V, die elk onafhankelijk van elkaar door een schakelaar aan en uit gezet kunnen worden. Teken ook een voltmeter die de spanning van de bron meet en een ampèremeter die de stroomsterkte door de bron meet.

Elektriciteit 1.5 Schakelingen in huis BEHEERSEN

75 Drie gelijke lampjes zijn aangesloten op een spanningsbron (zie figuur 50).

Geef aan welke twee lampjes nu branden. Vervolgens wordt de schakelaar gesloten. b Leg uit dat lampje 1 feller gaat branden. c Leg uit dat lampje 2 minder fel gaat branden.

76 Op de lampjes van een fiets met dynamo staat aangegeven 6,0 V; 0,50 A (koplamp) en 6,0 V; 0,050 A (achterlicht). Beide lampjes zijn aangesloten op de dynamo. a Is de schakeling een serie- of parallelschakeling? Teken de schakeling. b Bereken hoeveel stroom de dynamo levert als beide lampjes op 6,0 V branden. c Bereken van elk lampje de weerstand. d Bereken de totale weerstand van de schakeling op deze fiets.

77 Op de lampjes van een fiets staat 6,0 V; 0,50 A (koplamp) en 6,0 V; 0,050 A (achterlicht). Neem aan dat de lampjes ohmse weerstanden zijn. a Bereken van elk lampje de weerstand. De twee lampjes worden in serie aangesloten op 6,0 V. b Leg uit waardoor de lampjes niet goed branden. c Bereken de totale weerstand van de schakeling. d Bereken de stroomsterkte. e Eén van de twee lampjes brandt wel, maar niet voluit. Leg uit welk lampje dat is. f Leg uit wat er zal gebeuren als de spanning langzaam vergroot wordt.

78 Een kerstboomverlichting bestaat uit 50 gloeilampjes in serie en wordt aangesloten op het lichtnet. De stroomsterkte door een lampje is dan 0,20 A. a Leg uit dat de spanning over een lampje 4,6 V is. b Bereken de weerstand van een lampje. c Bereken het vermogen van een lampje. d Bereken de weerstand van de kerstboomverlichting. e Bereken het vermogen van de kerstboomverlichting.

79 Bij een thuisnetwerk zijn er nogal wat onderdelen die continu aan staan, ook als ze niet gebruikt worden. Bij een bepaald netwerk is dit sluipverbruik: router (7,5 W), modem (6,8 W), printer (3,3 W) en een computer met beeldscherm (2,9 W). Bereken de totale weerstand van dit netwerk.

80 Een feestverlichting moet worden aangesloten op het stopcontact. De huisinstallatie is beveiligd met een zekering van 16 A. Je kunt kiezen uit twee soorten lampen: gloeilampen van 230 V; 0,30 A en ledlampen van 12 V; 0,50 A. a Leg uit welke lampen je parallel moet aansluiten op het stopcontact. b Bereken hoeveel van deze lampen je maximaal kunt aansluiten. c Leg uit dat je de ledlampen in serie moet aansluiten op het stopcontact. d Bereken hoeveel lampen je dan in de schakeling kunt opnemen. e Bereken welke schakeling het grootste vermogen heeft. f Leg uit welke schakeling de grootste lichtsterkte levert.

2 1

Figuur 50

BEHEERSEN 1.5 Schakelingen in huis Elektriciteit

Experiment 15: Een schakeling met drie weerstanden

12 V R1

20 Ω

30 Ω R3

81 De zolder wordt verlicht door twee spaarlampen die met één schakelaar worden bediend. a Teken de schakeling. De zolder is afgesloten door een luik. Om te kunnen zien of het licht brandt, wil je een verklikkerlampje bij de schakelaar plaatsen. b Teken in het schema ook het verklikkerlampje. De stroomsterkte door de twee lampen samen is 0,10 A. Voor het verklikkerlampje kun je kiezen uit vier lampjes. c Welk lampje kies je? Licht je antwoord toe. 1 2,0 V; 5 mA 3 230 V; 5 mA 2 2,0 V; 100 mA 4 230 V; 100 mA.

82 In figuur 51 zie je twee in serie geschakelde weerstanden R1 = 20 Ω en

R2 = 30 Ω die samen parallel geschakeld zijn aan een derde weerstand R3 = 50 Ω. Gegeven is dat de bronspanning Ubron = 12 V.

50 Ω

Figuur 51

b c d

R1 45 Ω

50 Ω

90 Ω Figuur 52

Oefenen B Bekijk of je de belangrijkste onderwerpen van paragraaf 1.2 t/m 1.5 begrepen hebt.

Geef aan welke twee weerstanden je kunt vervangen door één weerstand, zodat er een parallelschakeling onstaat. Laat met een berekening zien dat de totale weerstand van de schakeling 25 Ω is. Bereken de stroomsterkte die de spaningsbron levert. Leg uit waardoor de helft van de elektrische stroom door R3 gaat. Bereken de spanning over R1 en over R2 .

83 In figuur 52 zie je twee parallel geschakelde weerstanden R1 = 45 Ω en

R2 = 90 Ω, die samen in serie geschakeld zijn met een derde weerstand R3 = 50 Ω. Gegeven is dat de stroomsterkte door weerstand R1 gelijk is aan 0,20 A. a Bereken de spanning over R1. b Bereken daarmee de stroomsterkte door R2 . c Laat zien dat de stroomsterkte door R3 gelijk is aan 0,30 A. d

Bereken de spanning die de spanningsbron levert.

Elektriciteit

1.6

Verdieping

Elektrische auto’s Al jaren zijn er hybride auto’s te koop, zoals de Toyota Prius. Deze auto’s hebben zowel een verbrandingsmotor als een elektromotor. Ook komen er steeds meer auto’s met alleen een elektromotor. Voor een elektromotor is een grote accu nodig. De voordelen van elektrische auto’s zijn: E Ze stoten geen schadelijke stoffen uit. E Ze zijn stiller dan auto’s met een verbrandingsmotor. E Ze kunnen opgeladen worden met duurzame energie, zoals zonne- of windenergie. E Het rendement van een elektromotor (circa 90%) is groter dan het rendement van een verbrandingsmotor (circa 30%). E Een elektrische auto trekt sneller op.

Figuur 53 Er komen steeds meer oplaadpunten voor elektrische auto’s in Nederland.

Maar er zijn ook nadelen: De elektrische energie die bij het opladen van de accu ‘getankt’ wordt, kan afkomstig zijn van een vervuilende, niet duurzame conventionele centrale. E Het opladen van de accu duurt vaak minimaal een halfuur. E De actieradius met volgeladen accu’s is beperkt. E Er zijn nog niet overal oplaadpunten. E

84 Nissan heeft in 2010 de Nissan Leaf geïntroduceerd, een elektrische auto met een pakket accu’s. De accu’s kunnen 24 kWh energie bevatten. a Leg uit waarom de totale CO2-uitstoot bij gebruik van een Nissan Leaf niet kleiner hoeft te zijn dan bij gebruik van een auto met een benzinemotor. Als de accu’s worden opgeladen door ze te koppelen aan de netspanning van 230 V is het elektrisch vermogen waarmee de accu’s worden opgeladen 3,0 · 103 W. b Bereken de tijd die het opladen van de accu’s kost. Het pakket lithium-ionaccu’s van de Leaf heeft een massa van 294 kg. Dit type accu heeft een grotere energiedichtheid dan traditionele accu’s (110 kJ/kg). c Bereken hoeveel keer zo groot de energiedichtheid van deze lithium-ionaccu’s is, vergeleken met traditionele accu’s. De actieradius van de Leaf is bijna gelijk aan de actieradius van elektrische auto’s die honderd jaar geleden werden gebruikt. Toch bevatten de accu’s van de Leaf veel meer energie. d Leg uit waardoor volgens jou de actieradius van de elektrische auto’s van honderd jaar geleden even groot was als de actieradius van de Leaf.

De werking van een transformator Een transformator bestaat uit twee spoelen (zie figuur 54). De primaire spoel is aangesloten op de ingangsspanning (thuis de netspanning). De secundaire spoel levert de laagspanning aan bijvoorbeeld een gelijkrichter. De wisselstroom door de primaire spoel wekt een wisselend magneetveld op. Dit magneetveld concentreert zich in de weekijzeren kern en strekt zich daardoor uit tot in de secundaire spoel. De voortdurende verandering van het magneetveld in de secundaire spoel zorgt ervoor dat over de secundaire spoel een wisselspanning ontstaat. Dit verschijnsel heet inductie. Er loopt dus geen stroom van de primaire spoel naar de secundaire spoel, er is geen contact tussen de primaire aansluiting en de secundaire.

gesloten weekijzeren kern

primaire spoel

Figuur 54 Een transformator

secundaire spoel

1.6 Verdieping Elektriciteit

De grootte van de (secundaire) spanning op de uitgang hangt af van de (primaire) spanning op de ingang en van de aantallen windingen van de beide spoelen. Er geldt: N U s ___ ___ = s Up

In deze formule is Up de spanning over de primaire spoel (in V), Us de spanning over de secundaire spoel (in V), Np het aantal windingen van de primaire spoel en Ns het aantal windingen van de secundaire spoel.

Experiment 16: De werking van een transformator

85 Een ideale transformator heeft een rendement van 1 (of 100%). In de praktijk is een transformator niet (helemaal) ideaal. Ns a Bij een ideale transformator geldt voor de primaire stroomsterkte I P = _ · I s. Np Toon dit aan. Hint: gebruik P = U ∙ I. b Een ideale transformator is aangesloten op de netspanning. De secundaire spoel is niet aangesloten op een stroomkring, de transformator is niet ‘belast’. Leg uit dat de primaire stroom bij een onbelaste transformator nul is. In de praktijk is elke transformator niet ideaal, doordat er energie ‘weglekt’. c Leg uit of in dit geval de primaire stroomsterkte ook nul is als de secundaire spoel niet is aangesloten op een stroomkring.

86 In figuur 55 is een variac weergegeven. Dat is een transformator waarbij je met

Figuur 55 Een variac

een draaiknop op een schuifcontact het aantal secundaire windingen kunt kiezen. Een variac is dus een regelbare transformator. De primaire spoel heeft 690 windingen en wordt aangesloten op een wisselspanning Up van 230 V. De secundaire spanning is dan met het schuifcontact te variëren tussen 6,0 en 300 V. a Bereken het maximale en het minimale aantal secundaire windingen waarop de variac met de draaikop kan worden ingesteld. In Zuid-Amerika is de netspanning 110 V. Om een ‘Colombiaanse’ lamp van 40 W in Nederland te laten branden wordt de variac ingesteld op een secundaire spanning van 110 V. b Laat met een berekening zien dat de stroomsterkte Is = 0,364 A. c Bereken de stroomsterkte Ip in de primaire spoel. Ga er van uit dat de variac een ideale transformator is. De windingen in de variac hebben in het ideale geval een weerstand nul, maar in de praktijk niet helemaal. De windingen kunnen dus bij gebruik (te) warm worden. De variac is daarom beveiligd met een smeltveiligheid (glaszekering) in serie met de primaire spoel. d Leg uit dat de smeltveiligheid door kan branden bij kortsluiting van de secundaire uitgang van de variac. Op de variac van figuur 55 staat aangegeven dat de variac maximaal 1,5 kW kan leveren. e Laat met een berekening zien dat een zekering van 6 A een goede keuze is voor deze variac.

Elektriciteit

1.7

Afsluiting

88 Maak een samenvatting van dit hoofdstuk door antwoord te geven op de volgende vragen. a Wat is het verband tussen elektrische energie en vermogen? b Hoe reken je energie in kWh om naar joule? c Wat is het rendement van een elektrisch apparaat? d Beschrijf de functie van een turbine en een generator. e Welke eenheid hoort bij de energiedichtheid van benzine? f Welke eenheid hoort bij de capaciteit van een accu? g Wat beweegt er in een stroomdraad als er stroom loopt? h Hoe verandert het vermogen als de spanning en de stroomsterkte beide twee keer zo groot worden? i Hoe verandert het vermogen van een ohmse weerstand als, bij gelijkblijvende spanning, de weerstand twee keer zo groot wordt? j Wat heeft lading te maken met stroomsterkte? Gebruik in je uitleg de eenheden voor lading en stroomsterkte. k Met welk apparaat kan een wisselspanning groter of kleiner gemaakt worden? l Teken de symbolen voor: gelijkspanningsbron, lamp, weerstand, diode, stroommeter en spanningsmeter. m Hoe sluit je een stroommeter en een spanningsmeter aan? n Hoe noem je een weerstand waarbij de stroomsterkte door de weerstand evenredig is met de spanning over de weerstand? o Hoe verandert de weerstand van een PTC en van een NTC als de temperatuur stijgt? p Hoe verandert de weerstand van een LDR als er meer licht op valt? q Wordt de stroomsterkte groter of kleiner als de weerstand toeneemt? r Wordt het vermogen groter of kleiner als de weerstand toeneemt? s Welke drie eigenschappen (grootheden) bepalen de weerstand van een stroomdraad? t Wat is de eenheid van weerstand? En van soortelijke weerstand? u Bij welke schakeling heeft elk apparaat een eigen stroomkring, serie of parallel? v Bij welke schakeling mag je de weerstanden optellen, serie of parallel? w Bij welke schakeling mag je de stroomsterktes optellen, serie of parallel? x Bij welke schakeling mag je de spanningen optellen, serie of parallel? y Bij welke schakeling is sprake van spanningsdeling, serie of parallel? z Bij welke schakeling is sprake van stroomdeling, serie of parallel? aa Welk apparaat beschermt tegen stroom door je lichaam? En tegen brand? bb Leg uit wat er bij kortsluiting gebeurt. cc Noem drie duurzame energiebronnen en drie niet-duurzame bronnen. dd Beschrijf hoe elektrische energie opgeslagen kan worden met behulp van elektrolyse en een brandstofcel.

Begrippenkaart Ga na of je van elk begrip goed weet wat het betekent. Formules, grootheden en eenheden Noteer bij elk symbool in de formule de naam van de grootheid en de eenheid. Vermeld in welke situatie(s) de formule gebruikt wordt. Samenvatting Bestudeer de samenvatting.

Zelftoets Test je kennis over dit hoofdstuk.

1.7 Afsluiting Elektriciteit

Keuzeonderwerpen 1 Bron- en klemspanning 2 Elektriciteit uit zonnecellen 3 Elektriciteit uit batterijen 4 Wisselspanning van een dynamo

P + –

+ –

Figuur 56

EINDOPGAVEN 89 In de koplamp van een fiets zitten drie parallel geschakelde lampjes, die ieder op een spanning van 4,5 V branden. Deze spanning wordt geleverd door een spanningsbron bestaande uit drie batterijen die ieder een spanning leveren van 1,5 V. In figuur 56 zijn de batterijen en de lampjes schematisch getekend. De drie batterijen moeten zó met elkaar verbonden worden dat de spanning tussen de pluspool en de minpool van de spanningsbron (de punten P en Q) 4,5 V is. a Teken in figuur 56 de verbindingsdraden tussen de batterijen. b Teken in dezelfde figuur hoe de drie lampjes op de punten P en Q van de spanningsbron zijn aangesloten. Drie volle batterijen kunnen in totaal 50 kJ elektrische energie leveren. Als de drie lampjes branden, gaat er door de spanningsbron een stroom van 0,028 A. c Bereken hoeveel uur de koplamp kan branden. Eén van de lampjes gaat kapot. d Leg uit of de stroom door de spanningsbron dan kleiner of groter wordt of gelijk blijft.

90 Marissa bouwt de schakeling van figuur 57. Ze varieert de spanning van de V

spanningsbron van 0 tot 4,0 V. Daarbij meet ze de stroomsterkte door de stroomkring en de spanning over de led. In de tabel van figuur 58 staan haar meetresultaten.

Figuur 57

Ubron (V)

Uled (V)

I (mA)

0,00

0,0

1,00

0,0

2,00

1,88

3,9

3,00

2,17

27,1

4,00

2,40

52,3

Figuur 58 a

Leg uit waardoor er geen stroom loopt als de spanning over de led 1,00 V is. Leg uit waardoor ook de spanning over de bron 1,00 V is als de spanning over de led 1,00 V is. c Ga aan de hand van de metingen na of de weerstand van de led toeneemt of afneemt naarmate de spanning erover groter wordt. Marissa heeft in haar schakeling één van de volgende vijf weerstanden opgenomen: 0,030 Ω, 0,30 Ω, 3,0 Ω, 30 Ω en 3,0 · 102 Ω. d Geef aan welke van deze vijf weerstanden ze heeft gebruikt. Licht je antwoord toe met een berekening. b

Elektriciteit 1.7 Afsluiting

91 De elektriciteitscentrale van Rijnmond Energie bij Rotterdam heeft een maximaal vermogen van 820 MW. Een huishouden verbruikt gemiddeld 3500 kWh elektrische energie per jaar. a Bereken voor hoeveel huishoudens deze centrale de elektrische energie kan leveren. De centrale wordt gestookt met aardgas (energiedichtheid 33 MJ/m³) en heeft een rendement van 61%. b Bereken hoeveel MJ elektrische energie kan worden geproduceerd met 1,0 m³ aardgas. c Bereken hoeveel m³ aardgas de centrale per seconde verstookt als deze op maximaal vermogen werkt.

92 In figuur 59 zie je twee parallel geschakelde weerstanden R1 en R2 die samen in serie geschakeld zijn met een derde weerstand R3. a Laat met een berekening zien dat de totale weerstand van de schakeling 62 Ω is. b Bereken de stroomsterkte die de spaningsbron levert. c Leg uit dat de stroomsterkte door R1 groter is dan door R2 , en dat de stroomsterkte door R3 groter is dan door R1. d Laat met een berekening zien dat over R3 een spanning staat van 7,3 V. e Bereken de stroomsterkte door R2 .

9,0 V R1

op het lichtnet. De stroomsterkte door één lampje is dan 200 mA. Zodra een lampje stuk gaat wordt het met een vonkje als het ware gesoldeerd en kortgesloten. Het kapotte lampje brandt dan niet meer maar geleidt wel. De andere lampjes branden dan iets feller. Neem aan dat de lampjes ohmse weerstanden zijn. a Leg uit waardoor de andere lampjes dan feller branden. b Bereken de stroomsterkte als er 49 lampjes branden. c Bereken hoeveel lampjes er kapot zijn gegaan als de stroomsterkte is opgelopen tot 250 mA. d Leg uit dat het volgende lampje nog sneller stuk zal gaan.

94 Een elektrische trein neemt stroom af van de bovenleiding. De stroom loopt van de spanningsbron via de bovenleiding door de motor van de trein naar de rails. Via de rails loopt de stroom terug naar de spanningsbron. In figuur 60 is dit schematisch weergegeven. De trein rijdt van A naar B, een afstand van 4,5 km. De bovenleiding bestaat uit een koperen draad met een dwarsdoorsnede van 3,1 cm2. a Laat met een berekening zien dat een kilometer bovenleiding een weerstand heeft van 55 mΩ. In figuur 60 passeert de trein punt P op een afstand van 2,6 km van A. Op dat moment is de stroomsterkte door de treinmotor 300 A. De spanning over de treinmotor is iets kleiner dan 1500 V, omdat een deel van de spanning over de leidingen staat. b Bereken de spanning over de bovenleiding tussen A en P. c Bereken het vermogen van de treinmotor. Bereken daartoe eerst de spanning over de treinmotor.

50 Ω

30 Ω Figuur 59

93 Een kerstboomverlichting bestaat uit 50 lampjes in serie en wordt aangesloten

20 Ω

1.7 Afsluiting Elektriciteit

Bereken hoeveel procent van het vermogen van de spanningsbron verloren gaat in de vorm van warmteontwikkeling in de bovenleiding en de rails gezamenlijk. A

B bovenleiding

300 A 1500 V

0,044 Ω A

treinmotor

0,033 Ω P

rails B

Figuur 60

Het vermogensverlies kan worden beperkt. Op een dubbelspoortraject wordt de bovenleiding van het andere spoor (voor treinen van B naar A) dan parallel geschakeld aan de bovenleiding van de trein die van A naar B rijdt. Deze situatie is weergegeven in figuur 61. e Leg uit dat de totale weerstand van de bovenleiding in figuur 61 kleiner is dan in figuur 60. f Beredeneer met behulp van de formules P = U · I en U = I · R dat het vermogensverlies nu kleiner is. parallelbovenleiding A

B bovenleiding

300 A 1500 V

0,044 Ω A

Figuur 61

treinmotor

0,033 Ω P

rails B

Elektriciteit Leerdoelen en begrippen

Leerdoelen en begrippen Ga voor jezelf na of je de leerdoelen al hebt bereikt. Vink de leerdoelen die je hebt bereikt af en geef aan wat je gaat doen met de uitleg en opdrachten waarmee je nog moeite hebt.

PA R AG R A A F 1.2 E N E RG I E E N V E R M O G E N Ik kan:

Acties:

de volgende begrippen beschrijven en toepassen: elektrische energie, elektrisch vermogen, energieomzetting, kilowattuur (of kWh), nuttige energie, rendement, conventionele centrale, generator, kerncentrale, waterkrachtcentrale, windturbine, zonnecel, brandstofcel, elektrolyse, duurzame energiebron, energiedichtheid, energiedrager, transport van energie.

uitleggen hoe het verbruik van elektrische energie (en daarmee de elektriciteitsrekening) zo laag mogelijk blijft.

beschrijven welke energieomzetting er plaatsvindt in een elektrisch apparaat en bij de verschillende manieren voor het opwekken van elektrische energie.

beschrijven wat de gevolgen zijn voor het milieu van de verschillende manieren voor het opwekken van elektrische energie.

beschrijven hoe elektrische energie opgeslagen kan worden in waterstof, en hoe uit waterstof weer elektriciteit geproduceerd kan worden.

de energiedichtheid van verschillende energiebronnen met elkaar vergelijken.

een hoeveelheid energie omrekenen van kilowattuur (kWh) naar joule (J) en omgekeerd.

berekeningen maken en redeneren met de formule voor energie en vermogen: E = P · t.

berekeningen maken en redeneren met de formule

E nuttig

P nuttig

= ____ . voor rendement: η = ____ E P in

Leerdoelen en begrippen Elektriciteit

PA R AG R A A F 1.3 S PA N N I N G E N S T RO O M S T E R K T E Ik kan:

Acties:

de volgende begrippen beschrijven en toepassen: vrij elektron, ion, spanning, gesloten stroomkring, stroomsterkte, lading, accu, batterij, capaciteit, schakelschema.

beschrijven wanneer ladingen elkaar aantrekken of afstoten.

bepalen in welke richting de elektrische stroom en de elektronenstroom in een stroomkring lopen.

elektrische schakelingen tekenen met behulp van de symbolen van elektrische componenten.

berekeningen maken en redeneren met de formule Q voor stroomsterkte: I = __ t.

berekeningen maken en redeneren met de formule voor elektrisch vermogen: P = U · I.

PA R AG R A A F 1.4 W E E R S TA N D Ik kan:

Acties:

de volgende begrippen beschrijven en toepassen: weerstand, soortelijke weerstand, I,U-diagram, ohmse weerstand, NTC-weerstand, PTC-weerstand, gloeidraad, LDR, diode, wet van Ohm.

uitleggen van welke factoren de weerstand van een stroomdraad afhangt.

in een I,U-diagram schetsen welk verband er is tussen de spanning over en de stroomsterkte door een ohmse weerstand.

uit een I,U-diagram bepalen hoe groot de weerstand van een stroomdraad of apparaat is.

berekeningen maken en redeneren met de wet van Ohm: U = I · R.

berekeningen maken en redeneren met de formule R · A. voor de soortelijke weerstand: ρ = ___

Elektriciteit Leerdoelen en begrippen

PA R AG R A A F 1.5 S C H A K E L I N G E N I N H U I S Ik kan:

Acties:

de volgende begrippen beschrijven en toepassen: parallelschakeling, stroomdeling, serieschakeling, spanningsdeling, gemengde schakeling, overbelasting, kortsluiting, zekering, aardlekschakelaar.

het schakelschema tekenen van een serieschakeling en parallelschakeling van twee of meer weerstanden. uitleggen waarom alle stopcontacten en lampen in een elektrische huisinstallatie parallel zijn aangesloten op de meterkast.

uitleggen hoe de zekeringen en de aardlekschakelaar het gebruik van elektriciteit in huis veilig maken.

beschrijven welke kenmerken een parallelschakeling heeft wat spanning, stroomsterkte en totale weerstand betreft.

berekeningen maken en redeneren met de formules voor een parallelschakeling: U tot = U 1 = U 2 = … I tot = I 1 + I 2+ … 1 1 __ ___ = __ + R1 + … R R

beschrijven welke kenmerken een serieschakeling heeft wat spanning, stroomsterkte en totale weerstand betreft.

berekeningen maken en redeneren met de formules voor een serieschakeling: U tot = U 1 + U 2+ … I tot = I 1 = I 2 = … R tot = R 1 + R 2+ …

bij een gemengde schakeling de kenmerken van een parallel- en serieschakeling toepassen, en berekeningen maken en redeneren met de formules voor deze twee soorten schakelingen.

tot

254

Antwoorden op rekenvragen

Antwoorden op rekenvragen Hoofdstuk 1 5

9 10 13

16 17 18

a b c d a a b a b c d e a b c a b c a a b a c d

19 20 b 22 b c 30 a 32 a b c 33 34 a b c 35 a 36 a b c 37 b c d 40 a b 41 a b

150 J 9,0 kJ 0,150 kW 0,45 kWh 65% 60% 820 duizend kW en 820 miljoen W 0,040 kWh 1,4 · 10 5 J 40 kWh; 1,4 · 10 8 J € 6,72 € 26,86 8,3 W 0,017 kWh 10 h 54 W 9,1 kWh 100 dagen 2,5× 14 kJ 5,8 kJ 50% 3,0 W 1,5 W 0,492 kWh; € 0,23 € 1,61 723 km 1,25 · 10 3 kg 2,5 C 12 V 2,9 · 10 19 0,24 A 0,089 A 12 joule per coulomb 3,0 coulomb per seconde 36 J/s 2,1 kW 6,4 · 10 2 A 4,0 · 10 19 0,90 A 14 h 42 h 7,5 · 10 3 C 35 W € 8,69 7,0 A 88 Wh

52 a b c 53 a b c d 54 b c 55 c d e 56 d 59 b 60 b c 65 c 71 b 72 a b 73 a b c 76 b c d 77 a c d 78 b c d e 79 80 b d e 82 c e 83 a b d 84 b c 86 a c 89 c 91 a b c

50 Ω 0,20 A 8,5 V 0,45 A 0,045 A 0,090 A 10 Ω 35 Ω 1,1 · 10 2 Ω 1,2 · 10 2 Ω 12 Ω 3,3 W 4× 1,7 · 10 −8 Ω · m 44,1 Ω 0,051 mm 1,5× 1,7 kA 6V 1A 1A 8V 12 V 0,55 A 12 Ω; 1,2 · 10 2 Ω 11 Ω 12 Ω; 1,2 · 10 2 Ω 1,3 · 10 2 Ω 0,045 A 23 Ω 0,92 W 1,2 · 10 3 Ω 46 W 2,58 · 1 0 3 Ω 53 20 gloeilampen 3,7 kW; ledlampen 0,12 kW 0,48 A 4,8 V; 7,2 V 9,0 V 0,10 A 24 V 8,0 h 2,7× 18; 900 0,17 A 1,1 · 10 2 h 2,05 · 10 6 huishoudens 20 MJ 41 m3

264

Aantekeningen

Newt n

Newt n Natuurkunde voor de bovenbouw

4 havo

VANAF EXAMEN MEI 2024

havo

Naam Klas

789006911695_TMH_NW OMSLAG 4 HAVO.indd All Pages

05/04/2022 14:28