"We vergeten gewoon hoe vreselijk duister de wereld was voordat elektriciteit benut werd. Een kaars, zelfs een goede, geeft nauwelijks een honderdste van de verlichting van een enkele honderd watt lamp." -Bill Bryson

Probeer je eens een wereld zonder elektriciteit voor te stellen: geen licht, geen TV, geen verwarming in de winter of verkoeling in de zomer, geen internet en geen hete douches.

Eerlijk gezegd zou de wereld dan best een grimmige plek zijn. En toch hebben mensen eeuwenlang zonder deze nuttige voorziening geleefd. In de oudheid gebruikten mensen kaarslicht en houtvuren om hun dagelijks werk uit te voeren.

Dankzij knappe koppen die wetenschappelijke vooruitgang hebben geboekt en hun levens aan de studie van verschillende wetenschappelijke disciplines hebben gewijd, begon het licht zowel figuurlijk als letterlijk te schijnen.

Tijdens de natuurkunde worden de beginselen van elektriciteit bestudeerd.

Elektrische Componenten

Het onderwerp van de elektriciteit biedt uitleg over verschillende delen van elektrische circuits.

Elektrische Symbolen

Verschillende symbolen worden gebruikt om componenten te identificeren die in een elektrische circuit kunnen voorkomen.

tekeniung met elektronische symbolen
Er zijn allerlei elektronische symbolen die gebruikt worden in circuit tekeningen | bron: Clker-Free-Vector-Images op Pixabay

Hieronder zijn enkele componenten die in elektronische circuits worden gebruikt:

  • schakelaar: een eenvoudig component gebruikt om een elektrische verbinding te maken en te verbreken
  • lamp: door een elektrische stroom wordt een gloeidraad verhit zodat het licht kan geven
  • zekering: een dunne draad die bij een bepaalde stroom smelt en de stroomkring onderbreekt
  • weerstand: beperkt de elektrische stroom. Een vaste weerstand heeft een weerstand die niet verandert.
  • variabele weerstand: wordt gebruikt voor licht dimmers en volumeregelingen. Door het verplaatsen van de schuifregelaar wijzigt de weerstand
  • thermistor: temperatuur-afhankelijke weerstand. Bij een lage temperatuur is de weerstand hoog en bij stijgende temperatuur wordt de weerstand lager. Wordt gebruikt in brandmelders en thermostaten
  • licht-afhankelijke weerstand: weerstand hangt af van de licht-intensiteit. Bij lagere lichtniveaus is de weerstand hoger. Wordt als sensor gebruikt in camera's of automatische lichtschakelaars
  • halfgeleiderdiode: in dit onderdeel kan de stroom slechts in een richting vloeien

Elektrische Lading en Stroom

Stroom vloeit in twee vormen: als gelijkstroom waarbij de elektronen voortdurend in een richting vloeien, en als wisselstroom, waar sprake is van een regelmatige omkering van richting.

Elektrische lading, gemeten in coulombs (C) ondergaat een kracht in een elektrisch veld. Elektronen zijn erg klein en een coulomb is equivalent aan 6.250 x 1015 elektronen. Dat zijn er heel wat!

Stroom is een belangrijke factor in elektrische schakelingen. Als er stroom door de schakeling vloeit wordt er elektrische arbeid verricht en wordt er energie overgedragen. Met een eenvoudige vergelijking kan de hoeveelheid lading berekend worden die door een schakeling vloeit:

lading = stroom × tijd   of   Q = I × t

Lading (Q) wordt gemeten in coulombs, stroom (I) in ampères en tijd (t) in seconden.

Elektrisch Potentiaalverschil

Tijdens de elektriciteitslessen wordt ook de term potentiaalverschil uitgelegd. Dit is een maat die aangeeft hoeveel energie tussen twee punten in een schakeling wordt overgedragen. Het wordt gemeten door in een circuit een voltmeter parallel met het te meten component te plaatsen.

formule potentiaalverschil uitgedrukt in energie en lading
Het potentiaalverschil kan berekend worden uit de energie en de lading van een voorwerp | bron: eigen werk (LibreOffice Math Formula)

Het potentiaalverschil (U) wordt gemeten in volts, energie (E) wordt in joules uitgedrukt en lading(Q) wordt weergegeven in coulombs.

Serieschakelingen

Serieschakelingen bestaan uit elektrische componenten die in een rondgaande kring met elkaar zijn verbonden. Volgens de regels van een kringloop zal iedere elektron door elke component gaan op zijn weg door de stroomkring. Als een lamp deel uitmaakt van de kring dan zal als het kapot is vanzelfsprekend de stroom niet door het hele circuit kunnen stromen.

Enkele van de meest elementaire karakteristieken van serieschakelingen worden uitgelegd. Daartoe behoort het gegeven dat de stroom gelijk blijft door elk component van het circuit, dat het totale potentiaalverschil door alle componenten wordt gedeeld en dat de totale weerstand van het circuit een optelling is van alle afzonderlijke weerstanden.

Parallelle Schakelingen

Tijdens lessen over parallelle schakelingen doen de leerlingen belangrijke kennis op van de volgende gegevens:

  • de totale stroom wordt verdeeld over de componenten in verschillende stroomkringen
  • het potentiaalverschil wordt gelijkmatig verdeeld en is gelijk over iedere stroomkring
  • de totale weerstand van het elektrische circuit wordt verlaagd omdat de stroom verschillende paden kan doorlopen

Verschillende diagrammen worden hierbij bestudeerd en verschillende formules en vergelijkingen worden geanalyseerd.

Ontdek het deeltjesmodel.

Energie en Vermogen in Elektrische Schakelingen

Als elektronen door geleiders vloeien botsen ze met ionen. Daardoor wordt de geleider verhit waardoor de temperatuur toeneemt. Deze temperatuurtoename hangt af van de weerstand van de geleider. Het vermogen P dat in een schakeling gedissipeerd wordt (uitgedrukt in watts) is het product van de spanning E (uitgedrukt in volts) over de geleider en de stroom I (uitgedrukt in ampères) die erdoor vloeit.

P = E × I.

Practisch Werk

Scholieren kunnen tijdens de natuurkunde lessen proeven uitvoeren waardoor ze begrip krijgen van verschillende factoren van de elektriciteit. Daaronder kunnen behoren:

  • onderzoek van factoren die de weerstand beïnvloeden: metingen worden uitgevoerd om te zien hoe de lengte van een draad invloed heeft op de weerstand
  • stroom-spanning grafieken onderzoeken: scholieren bestuderen een serie grafieken en voeren dan de negen stappen uit die deel uitmaken van de onderzoeksmethode
  • weerstandsnetwerken onderzoeken: hierbij wordt ontdekt dat er meer dan een manier is om een weerstandsnetwerk te onderzoeken. Spanningsverschillen en stromen worden nauwkeurig gemeten en geschikte apparaten en methoden worden gebruikt om spanningsverschillen te meten.

Netspanning

Zoals we in het voorgaande deel al zagen kan elektriciteit de vorm hebben van gelijkspanning of wisselspanning. In huishoudelijke apparatuur wordt voornamelijk wisselspanning gebruikt als energiebron.

Gelijkspanning houdt in dat de stroom voortdurend in dezelfde richting vloeit, terwijl wisselspanning meestal via een sinusvormige curve wijzigt van positief naar negatief.

sinusvorm driefasig wisselspanning
De wisselspanning wordt in drie fasen opgewekt. | bron: SiriusA op Wikimedia Commons

In Nederland wordt de netspanning met een frequentie van 50Hz en een effectieve spanning van 230V opgewekt. Huishoudelijke apparaten worden met een stekker verbonden met de contactdoos. Deze stekkers zijn meestal gegoten en daarom niet te openen.

De kabel van een stekker bevatten gevlochten koperen draden met eromheen een bedekking van plastic als isolator.

Elke niet gegoten stekker heeft verschillende onderdelen en ieder onderdeel heeft zijn eigen functie:

  • isolatie: de drie koperen draden zijn omgeven met plastic isolatie. Daaromheen bevindt zich weer een plastic isolatie om ongelukken te voorkomen.
  • kabelklem: dit houdt de kabel stevig op zijn plaats zodat de draden niet los kunnen komen.
  • stroomdraad: een geïsoleerde en gevlochten koperen draad die voorzien is van een bruine plastic mantel. Deze draad is verbonden met de netspanning in de contactdoos.
  • nuldraad: een geïsoleerde en gevlochten koperen draad die voorzien is van een blauwe plastic mantel. Deze draad is verbonden met de nulleider in de contactdoos.
  • aarddraad: een geïsoleerde en gevlochten koperen draad die voorzien is van een groengele plastic mantel. Deze draad is verbonden met de aarde in de contactdoos. Als er een elektrische fout is in het apparaat kan de stroom hierdoor naar aarde vloeien. Dit is heel belangrijk omdat het voorkomt dan iemand wordt geëlektrocuteerd als ze een defect apparaat aanraken.

Elektrische Apparaten

Alle apparaten zetten energie om van de ene opslagvorm in een andere. De hoeveelheid energie die overgedragen wordt hangt sterk af van het vermogen en de tijdsduur. Dit kan worden berekend met de volgende formule:

energie= kracht × tijd  of  E = P × t

Energie (E) wordt in joules uitgedrukt, kracht (P) in watts en tijd (t) in seconden.

Wisselstroom en het Lichtnet

Het landelijke lichtnet verdeelt elektriciteit over het hele land. Deze elektriciteit wordt door een generator in een conventionele energiecentrale opgewekt of via een andere manier zoals met windkracht of zonne-energie.

Transformatoren worden gebruikt om spanningen en stromen in elektriciteitsnetten om te zetten. In het hoogspanningsnet wordt de spanning omhoog getransformeerd waardoor de stroom wordt verlaagd. Hierdoor wordt minder energie door opwarming van de draden verloren.

Met behulp hiervan wordt gezorgd dat het merendeel van de energie overgebracht wordt naar de verbruikers in plaats van als warmte de ruimte in te gaan.

Statische Elektriciteit

Statische effecten met behulp van een van de Graaff generator
Een van de Graaff generator produceert een positieve lading die bij aanraking een duidelijke uitwerking heeft! | bron: Biswarup Ganguly op Wikimedia Commons

De beweging van geladen voorwerpen (zoals door wrijven) kan elektrische effecten bewerken. Schokken, bliksem en vonken kunnen worden voortgebracht. De van de Graaff generator wordt gebruikt om proeven te doen met elektrische velden.

Atomen komen in alle materie voor. Ze bestaan uit kleinere deeltjes zoals protonen, neutronen en elektronen.

Protonen zijn positief geladen terwijl elektronen negatief geladen zijn. Neutronen hebben geen lading. Geladen deeltjes oefenen krachten op elkaar uit door statische elektrische velden.

Wrijving

Wrijving wordt teweeggebracht wanneer isolerende materialen tegen elkaar worden gewreven. Als bijvoorbeeld een polytheen staaf tegen een doek wordt gewreven dan veroorzaakt de wrijving energietoename van de elektronen. Isolatoren verhinderen dat de elektronen kunnen stromen en daardoor wordt de lading statisch.

De eigenschappen van aantrekking en afstoting worden gebruikt om aan te tonen of een object geladen is. Tegengestelde ladingen trekken elkaar aan, gelijke ladingen stoten elkaar af.

Elektrische Velden

Alle geladen voorwerpen hebben een elektrisch veld om zich heen. Dit veld kan verschillende vormen hebben.

Een elektrisch veld is aanwezig waar ladingen een kracht ondergaan. Dit veld wordt op diagrammen meestal met pijlen aangeduid om aan te geven in welke richting een positieve lading wordt heengetrokken.

Hoe dichter de pijlen bij elkaar zijn des te sterker is het veld, en des te groter zal de kracht zijn die ladingen in dat veld ondergaan.

Als scholieren elektriciteit bestuderen kunnen ze interessante informatie opdoen. Dit zal hen in staat stellen om de grondslagen van de fysica te begrijpen en te beseffen wat er gebeurt als er bijvoorbeeld een licht wordt aangezet of water wordt gekookt.

Heb je een leraar Natuurkunde nodig?

Vond je dit artikel leuk?

5,00/5 - 1 vote(s)
Laden...

Klaas

Techneut met een onderwijsachtergrond. Graag en vaak op zoek naar manieren om zowel jongeren als ouderen in staat te stellen om beter te leren. Vertaler voor Superprof sinds het begin!