Transcript elektriciteit voor 3TSO

e3
Dirk Sarens
4
elektriciteit voor 3TSO
Oplossingen Theorie
versie 4.1
© 2014 Dirk Sarens
ISBN: 9781616270278
NUR: 178
Versie 4.1
Schooljaar 2014-2015
Gemaakt voor de leerplannen D/2013/7841/007, D/2013/7841/005 en D/2013/7841/006
Dit boek kan worden gekocht via de website www.shopmybook.com
Had je graag een aangepaste versie van dit boek (een extra hoofdstuk of liever een
hoofdstuk minder) of een CD met alle figuren uit dit boek, dan kan je dit aanvragen door
een mailtje te sturen naar [email protected]
2
Inhoud
Inhoud
Woord vooraf 6
Inleiding 8
Hoofdstuk 1: De elektrische spanning
De spanning U 10
1. Het begrip spanning 10
2. Eenheid en symbolen 13
3. Opwekken van een spanning 14
4. Meten van spanning 14
Hoofdstuk 2: De elektrische stroomsterkte
De stroomsterkte I 19
1. Het begrip stroomsterkte 19
2. Van plus naar min of van min naar plus? 22
3. Is er stroom? 23
4. Kortsluiting 23
5. Eenheid en symbolen 24
6. Meten van stroomsterkte 24
Wet van Faraday 28
1. Hoeveelheid lading 28
2. Eenheid en symbolen 28
3. Verband I en Q – Wet van Faraday 29
Oefeningen 30
Hoofdstuk 3: De elektrische weerstand
De weerstand R 33
1. Het begrip weerstand 33
2. Eenheid en symbolen 35
3. Meten van weerstand 35
Wet van Pouillet 38
1. Inleiding 38
2. Lengte l 38
3. Doorsnede A 39
4. Materiaalsoort 40
5. Resistiviteit of soortelijke weerstand 41
6. De wet van Pouillet 41
7. Geleiding, geleidbaarheid of conductiviteit 42
8. Oefeningen 42
De weerstand en de temperatuur 44
1. Vooraf 44
2. Verklaring 44
3. PTC’s en NTC’s 45
4. In formulevorm 45
5. Eenheid van de temperatuurscoëfficiënt a 46
6. Oefeningen 47
Oefeningen 48
3
Inhoud
Hoofdstuk 4: U, I en R samen
De elektrische kring 49
1. De elektrische kring 49
2. Vergelijking elektrische kring met een waterkringloop 50
3. Symbolen in een stroomkring 52
4. De open- en de geslotenklemspanning 53
Wet van Ohm 54
1. De wet van Ohm 54
2. Grafische voorstelling van de wet van Ohm 55
Het verband tussen spanning en stroom I=f(U) 55
Het verband tussen weerstand en stroom I=f(R) 58
Oefeningen 59
Hoofdstuk 5: Het elektrisch vermogen
Energie en arbeid 62
1. Natuurwetten 62
2. Energievormen 63
3. Energie-omzetting 64
Elektrische energie en arbeid 65
1. Opwekken van elektrische energie 65
2. Voor- en nadelen van elektrische energie 65
3. Omzetting van elektrische energie 65
4. Elektrische arbeid 66
5. Oefeningen 67
6. Meten van elektrische arbeid 68
Elektrisch vermogen 69
1. Definitie 69
2. Eenheid, symbolen en formules 69
3. Kilowattuur 71
4. Meten van het elektrisch vermogen 72
Het joule-effect 73
1. Fenomeen 73
2. Formules 73
3. Oorzaak en gevolgen van het joule-effect 74
4. Oefening 74
Rendement 75
1. Algemeen schema 75
2. Formules 75
3. Oefening 76
Oefeningen 76
Hoofdstuk 6: De serieschakeling van verbruikers
Opbouw en eigenschappen 80
1. Definitie 80
2. Schema 80
3. De tweede wet van Kirchhoff 81
4. De vervangingsweerstand 82
Spanningsdeler 83
Potentiometer 84
Oefeningen 85
4
Inhoud
Hoofdstuk 7: De parallelschakeling van verbruikers
Opbouw en eigenschappen 91
1. Definitie 91
2. Schema 91
3. De eerste wet van Kirchhoff 92
4. De vervangingsweerstand 92
Stroomdeler 94
Oefeningen 95
Hoofdstuk 8: De gemengde schakeling van verbruikers
Wat? 103
Oefeningen 106
Hoofdstuk 9: Scheikundige spanningsbronnen
De galvanische cel 110
1. Opbouw 110
2. De cel van Volta 110
3. De droge cel van Leclanché 110
Ladingscapaciteit van een cel 111
Inwendige weerstand Ri 111
Kortsluitstroom van een bron 117
Schakelen van spanningsbronnen 117
1. De serieschakeling van spanningsbronnen 118
2. De parallelschakeling van spanningsbronnen 119
3. De gemengde schakeling van spanningsbronnen 120
Oefeningen 122
Bijlage 1: Werken met eenheden 126
Bijlage 2: Oplossen van oefeningen 131
Bijlage 3: Technologie van weerstanden 134
Bijlage 4: Voorbeelden van meettoestellen 141
5
Woord vooraf
Woord vooraf
Begin september… een nieuw schooljaar. De tweede graad van het
technische secundaire onderwijs in Vlaanderen. Nieuwe gezichten,
misschien een nieuwe school, andere leerkrachten…
Waar je ook vandaan komt, weet dat je evenveel kansen hebt als alle
andere leerlingen om dit schooljaar tot een goed einde te brengen. Of
je nu uit een technische school komt, of hiervoor een meer algemene
opleiding hebt gevolgd, het maakt allemaal niet veel uit.
Je volgt nu de richting elektriciteit-elektronica, elektromechanica of industriële wetenschappen. Misschien is dit heel
bewust je keuze omdat je erg geïnteresseerd bent in alles wat met
techniek te maken heeft. Misschien hebben je ouders deze richting
voor jou gekozen of misschien heeft je vorige school je naar hier
gestuurd… het kan allemaal.
EE, EM en IW zijn zeker boeiende richtingen waarin je heel wat te
weten gaat komen. Je gaat binnentreden in de wondere wereld van
de techniek, de wereld van de mechanica en de elektriciteit, die van
de fysica, de informatica en de chemie. En al deze technischwetenschappelijke vakken hebben alvast één zaak gemeen: de
wiskunde. Dit wordt daarom één van je belangrijkste vakken.
Een fout die je zeker niet mag maken is zeggen of denken: “ik kom
van het ASO, dus hier is het gemakkelijker, want het is hier maar een
technische school”.
Spijtig genoeg wordt het technische onderwijs nog altijd gezien als
‘minder’, als ‘niet zo goed’, als ‘iets waar je naartoe gaat als je niet
kan volgen in het ASO’.
Maar dit is natuurlijk helemaal niet waar. Alles wat je rondom jou
ziet, van iets eenvoudig, zoals de stoel waarop je zit, of het brood dat
je eet tot het meest gesofisticeerde toestel zoals je GSM of een GPS
die gebruik maakt van satellieten die rond de aarde cirkelen, het
wordt allemaal bedacht en gemaakt door technische mensen.
Techniek is een richting die niet onder maar naast andere
richtingen staat zoals de verzorging, de economische richtingen, de
kunstrichtingen enz.
EE, EM en IW zijn best wel moeilijke richtingen en deze zijn niet voor
iedereen weggelegd. Drie zaken heb je zeker nodig om de komende
vier jaar succesvol door te komen: aanleg, interesse en inzet.
Net zoals je wel of geen aanleg hebt om te voetballen, om te dansen,
om je te oriënteren, of om muziek te maken, zo bestaat er ook
aanleg om te studeren, om iets van buiten te leren, om verbanden te
zien. Of in gewone mensentaal: je moet ‘slim’ zijn.
Naast ‘slim genoeg’ zijn, moet je een algemene interesse hebben
voor al wat te maken heeft met techniek. Je moet de drang voelen
om ‘aan knopjes te draaien’, om dingen uit elkaar te willen halen, om
6
Woord vooraf
dingen in elkaar te willen steken, om te willen weten hoe iets werkt.
Je moet voortdurend verwonderd zijn en verwonderd blijven.
Aanleg en interesse alleen zijn spijtig genoeg niet voldoende. Ook
inzet is nodig. Je zal regelmatig moeten studeren, je zaken goed
moeten bijhouden. Je gaat taken en verslagen moeten maken. Je zal
jezelf moeten ‘organiseren’, want naast je schoolleven is er ook nog
je sport, je hobby, je vrienden, je familie, de liefde… Met andere
woorden: het zal allemaal niet vanzelf komen, je zal moeten werken.
Een oud gezegde is: ‘een zittende kraai heeft niets.’
Wat het ook wordt, maak er bovenal een mooie en leuke tijd van,
met respect voor alles en iedereen.
Veel succes.
7
Inleiding
Inleiding
Wat is elektriciteit?
Het antwoord op de vraag :’Wat is elektriciteit?’ is niet zo eenvoudig,
ook al komen we dagelijks in aanraking met dit fenomeen. Maar dat
is vaak zo. Als je bv zou moeten verklaren wat ‘het weer’ is, dan zal
je waarschijnlijk ook niet meteen een pasklaar antwoord vinden. Of
wanneer je gevraagd wordt om de kleur ‘geel’ te omschrijven, zal je
ook met je handen in je haar zitten, ook al kan je perfect deze kleur
aanduiden.
Later zal je zien dat elke stof, elk materiaal dat je kent, bestaat uit
een aantal verschillende soorten deeltjes. Deze deeltjes zijn zo klein,
dat we ze met het blote oog niet kunnen zien. Eén van die soorten
deeltjes, die voorkomt in elk materiaal, noemen we elektronen. Aan
de naam alleen al kan je vermoeden dat het deze deeltjes zijn die iets
te maken zullen hebben met elektriciteit.
Wanneer deze elektronen zich binnenin het materiaal gaan
verplaatsen, of wanneer ze de neiging vertonen om zich te
verplaatsen, dan spreken we van ‘elektriciteit’.
‘Elektriciteit’ is dus een natuurkundig verschijnsel, namelijk het
verplaatsen (of de neiging tot verplaatsen) van elektronen. Aangezien
elektronen ook wel lading wordt genoemd, kunnen we ook spreken
van verplaatsing van lading.
Het woord ‘elektriciteit’ wordt echter ook voor veel andere zaken
gebruikt. Zo is het ook de naam van de wetenschap of het vak dat
zich bezighoudt met het bestuderen van deze verschijnselen.
‘Elektriciteit’ wordt ook gebruikt om de energievorm aan te duiden bv.
een verwarmingstoestel werkt op gas of elektriciteit.
De mens heeft elektriciteit niet uitgevonden, het is iets dat gewoon
voorkomt in de natuur, denk maar aan de bliksem. Lang geleden
heeft men dit verschijnsel ‘ontdekt’, en door de jaren heen heeft men
dit steeds beter leren gebruiken, zodat het nu één van de
belangrijkste energievormen is op aarde. Onze leefwereld zou er,
zonder elektriciteit, helemaal anders uitzien.
Je moet wel beseffen dat de leerstof die je hier ziet, eigenlijk heel
complex is en alleen is weggelegd voor wetenschappers. Om als
eenvoudige mens hierover toch te kunnen redeneren, wordt alles wat
simpeler voorgesteld. We gebruiken dus een vereenvoudigd model.
Tegen een baby zeg je ook niet: ‘kijk, een BMW Roadster Z4 2.0i’,
maar je zegt: ‘Kijk, daar een broem-broem’. M.a.w. alles komt op zijn
tijd 
8
Inleiding
De basisbegrippen U, I en R
Elk vak gebruikt zijn eigen begrippen en termen. Zo ken je het begrip
‘optellen of som’ uit de Wiskunde, of ‘werkwoord’ uit het vak
Nederlands. Wanneer je deze woorden niet begrijpt, is het ook heel
moeilijk om binnen dit vak iets te gaan doen.
Net zoals je ‘buitenspel of hoekschop’ maar beter kan begrijpen
wanneer je gaat voetballen, moet je ook de basisbegrippen kennen
uit de elektriciteit als je met dit vak aan de slag wil.
Wanneer we elektrische schema’s gaan tekenen, moeten we gebruik
maken van symbolen. Om tekeningen van elkaar te kunnen begrijpen
is het nodig dat iedereen de juiste symbolen gebruikt.
We beginnen deze cursus met 3 belangrijke begrippen uit de
elektriciteit: de spanning U, de stroom I en de weerstand R
Om later geen problemen te ondervinden, is het dus echt
noodzakelijk dat je deze basisbegrippen heel goed begrijpt en dat je
de juiste terminologie, benamingen, symbolen en eenheden gebruikt.
9
De elektrische spanning
Hoofdstuk 1: De elektrische spanning
De spanning U
1. Het begrip spanning
De elektrische spanning, of kortweg spanning, is de oorzaak van
het verschijnsel elektriciteit. Dankzij een spanning gaan elektronen
zich verplaatsen of vertonen ze de neiging om zich te verplaatsen.
Spanning is best een goed gekozen benaming. In de Nederlandse taal
kennen we dit woord ook: er heerst een spanning tussen twee
mensen, of tussen twee groepen van mensen. Deze spanning komt
vaak door een meningsverschil. Wanneer iemand net hetzelfde denkt
als iemand anders, wanneer ze dus altijd akkoord zijn, kan er geen
spanning optreden. Elektrische spanning duidt ook op een verschil, op
een onevenwicht.
A.h.v. een paar eenvoudige voorbeelden kunnen we inzien wat
spanning is.
Voorbeeld 1
Wanneer een knikker op de tafel ligt, dan blijft deze normaal mooi
liggen. Deze knikker gaat niet wegrollen of vertoont ook niet de
neiging om weg te rollen.
Hoe kan je deze knikker toch laten rollen op de tafel zonder er tegen
te duwen? Geef eventueel 2 mogelijkheden.
1. ……Door de tafel onder een helling te plaatsen………………………………
2. ……Door tegen de knikker te blazen..………………………………………………
Verklaar hoe het komt dat de knikker dan wegrolt. Gebruik hierbij het
woordje ‘verschil’.
1. ……Door de helling maak je een hoogteverschil. De knikker rolt…
……naar de laagste plaats…………………………………………………………………
2. ……Door te blazen maak je een drukverschil. De knikker rolt………
……naar de plaats met de laagste druk……………………………………………
Wat is er dus nodig opdat de knikker zou wegrollen?
…………Een verschil in ‘iets’ (in fysische omstandigheden)……………………
…………links en rechts van de knikker……………………………………………………
10
De elektrische spanning
Voorbeeld 2
Wanneer je in de winter de deur van je huis openzet, dan gaat de
warmte van binnen naar buiten. Hoe komt dat?
……Warmte gaat steeds van een warme plaats naar een ….…………………
……koude plaats………………………………………………………………………………………
Wat is er hier nodig opdat warmte zich zal verplaatsen?
………een temperatuurverschil………………………………………………………………
In beide voorbeelden is er dus telkens sprake van een onevenwicht
waarbij de natuur er naar streeft dit onevenwicht weg te werken.
Zoek zelf nog een gelijkaardig voorbeeld:
Voorbeeld 3
………Als je een ballon opblaast en die dan loslaat, ………………………………
………dan ontsnapt de lucht onmiddellijk uit de ballon……………………..……
………door het drukverschil binnen en buiten de ballon…………………………
Ook een spanning duidt dus op een onevenwicht.
Een ander woord voor spanning is een ‘potentiaalverschil’. Omdat
potentiaal een vrij moeilijk begrip is, gaan we er hier niet te diep op
ingaan, maar we gaan wel de uitdrukking ‘potentiaalverschil’ blijven
gebruiken.
Normaal gezien zitten in een materiaal of stof de elektronen netjes
verspreid, er zijn er dus overal evenveel.
Wat je eerst nog moet weten is dat een elektron een negatieve lading
heeft (niet proberen te begrijpen , gewoon onthouden: een
elektron is negatief).
Wanneer we ergens in dat materiaal nu een plaats kunnen creëren
met meer elektronen, dan is die plaats meer negatief dan de rest
van het materiaal.
Een plaats met veel elektronen is dus negatief en dit noemen we een
laag potentiaal.
Als we ergens anders in de stof een plaats maken met minder
elektronen dan in de rest van het materiaal, dan is die plaats minder
negatief dan de rest van het materiaal. Zo’n plaats noemen we dan
gewoon positief.
11
De elektrische spanning
Een plaats met weinig elektronen is dus positief en dit noemen we
een hoog potentiaal.
Tussen deze twee plaatsen is er dus een verschil in potentiaal of een
potentiaalverschil. En dit potentiaalverschil is onze elektrische
spanning.
Hoe groter het verschil in potentiaal tussen de twee plaatsen, hoe
groter de spanning dus.
Goed onthouden:
Spanning = potentiaalverschil
Hier nog twee voorbeelden die je kunnen helpen het begrip
‘elektrische spanning’ beter te begrijpen.
Voorbeeld 1
Een buis, gevuld met knikkers, wordt aan beide zijden afgesloten
door beweegbare zuigers (dat kan je vergelijken met het beweegbare
deel van de spuit van een injectienaald)
De kracht waarmee je op zo’n zuiger duwt kan je vergelijken met het
begrip ‘potentiaal’.
Als je op beide zuigers even hard duwt, dan is het ‘potentiaal’ links en
rechts even groot. Over de buis staat dus geen ‘potentiaalverschil’.
Wat zal er dan met de knikkers gebeuren?
………Ze zullen niet bewegen en dus gewoon…………………………………………
………op hun plaats blijven………………………………………………………………………
Als je nu bv op de linkse zuiger een grotere kracht uitoefent dan op
de rechtse, dan staat er wel een ‘potentiaalverschil’ over de buis.
Wat zullen de knikkers nu doen (of willen doen)?
…………De knikkers zullen zich in groep verplaatsen………………………………
…………naar de rechterkant………..……………………………………………………………
12
De elektrische spanning
Voorbeeld 2
Hieronder zie je een gesloten buis gevuld met water. Wanneer de
waaierpomp draait in de zin zoals is aangegeven door de pijl, dan
ontstaat er op de linkerkant van de buis een grotere druk (donkere
kleur) dan op de rechterkant (lichtere kleur). Over de buis ontstaat er
een drukverschil dat je kan vergelijken met ons potentiaalverschil.
Het water in de buis wil zich, door dit drukverschil, gaan verplaatsen
naar de linkerkant. Dit kan hier wel niet, want de buis is gesloten. Het
drukverschil zorgt dus wel voor een neiging tot verplaatsing van het
water.
2. Eenheid en symbolen
Zowel spanning als potentiaal worden uitgedrukt in de eenheid Volt.
Het symbool voor de grootheid spanning is ……………U………………………
Het symbool voor de eenheid Volt is ………………………V……………………….
Volta A. (1745-1827)
Als de spanning dus bv. 12 Volt is, dan kan men dit schrijven als
volgt:
………………U=12V……….……………………………………………………………………………
Nog enkele symbolen:
Component of apparaat
Symbool
U
Batterij of
gelijkspanningsvoeding
U
Gelijkspanningsvoeding
Regelbare
gelijkspanningsvoeding
U
U
Opmerking: algemeen kunnen we stellen dat een schuine pijl door
een component betekent dat deze component regelbaar is.
13
De elektrische spanning
3. Opwekken van een spanning
Plaatsen met een hoog en een laag potentiaal ontstaan niet zomaar
uit zichzelf, daarvoor is er energie nodig.
Het fenomeen bliksem is een voorbeeld van een volledige natuurlijke
spanning. Door het wrijven van de luchtlagen tegen elkaar ontstaat er
een spanning tussen de wolken en de grond. Wanneer deze spanning
te groot wordt en/of de wolken te dicht tegen de grond komen, dan
ontstaat er een bliksem. (zie volgend jaar: elektrostatica).
Doorheen de jaren hebben we als mens de elektriciteit leren
beheersen en we kunnen nu op verschillende manieren zelf een
spanning opwekken.
De drie bekendste manieren zijn:
1. ………Spanning opwekken met een batterij………………………………………
……………(chemisch)…………………………………………………………………………….……
2. ………Spanning opwekken met een zonnecel ……………………………………
……………(chemisch)…………………………………………………………………….……………
3. ………Spanning opwekken met een generator……………………….…………
……………(magnetisch)………………………………………………………………………………
4. Meten van spanning
Net zoals elke fysische grootheid kan ook een elektrische spanning
worden gemeten.
In fysica krijg je te maken met grootheden zoals bv. temperatuur en
druk:
Vul de onderstaande tabel aan:
14
Grootheid
Eenheid
Meettoestel
Temperatuur
graden celcius (°C)
Thermometer
Druk
Pascal
Manometer
De elektrische spanning
Zoek zelf enkele voorbeelden
Grootheid
Eenheid
Meettoestel
Lengte
meter (m)
meetlat, schuifmaat, …
Massa
Kilogram (Kg)
weegschaal
Tijd
seconde (s)
chronometer
Voor onze elektrische spanning wordt dit:
Grootheid
Eenheid
Meettoestel
Spanning
volt (V)
voltmeter
Opmerking: het is dus de naam van de eenheid die voorkomt in de
naam van het meettoestel.
Het symbool van een voltmeter is:
Meettoestel
Symbool
Voltmeter
Op de regelbare voeding links, wordt een voltmetertje gebruikt dat zit
ingebouwd in het toestel zelf. Aflezen doet men hier door middel van
een naald en een schaal.
Dit metertje noemen we daarom een ....analoog……………...................
meettoestel.
Wanneer de spanning gewoon weergegeven wordt met cijfertjes op
een display, dan spreken we van een
…………digitaal……………………….…………………………………………… meettoestel.
15