Elektriciteit

Een gesloten elektrische kring

Met behulp van een batterij kun je een lamp laten branden, maar dit is alleen mogelijk wanneer de elektrische stroom zonder onderbrekingen kan rondstromen: van de batterij naar de lamp, via de gloeidraad van de lamp en weer terug naar de andere zijde van de batterij. Dit maakt een gesloten elektrische kring. Als deze kring wordt onderbroken, zal het lampje uitgaan. Kortom de plus-kant van de batterij moet een geschikte weg vinden naar de min-kant van de batterij. Lukt dit niet, dan is er geen gesloten stroomkring. 

Componenten  (onderdelen) van een elektrische kring

De dagelijkse woorden 'stroom' en 'elektrische kring' geven aan dat er 'iets' beweegt door de draden en het lampje. Natuurkundigen hebben dit 'iets' lading genoemd. Elektrische stroom bestaat dus uit bewegende ladingen. 

Wanneer de elektrische kring wordt onderbroken door bijvoorbeeld een schakelaar, stopt deze beweging van deze geladen deeltjes. De lading blijft aanwezig, maar kan niet langer door de kring bewegen. Je kunt de deeltjes vergelijken met de deelnemers van het spelletje "Annamaria koekoek."

• Diegene die "Anamaria koekoek" roept is de schakelaar. Die bepaalt of de rest mag bewegen of niet. 

• De overige spelers zijn de geladen deeltjes. Ze bewegen alleen wanneer de schakelaar dat toelaat. 

Isolerende en geleidende materialen

Er zijn verschillende manieren om de componenten van een elektrische kring met elkaar te verbinden, meestal met behulp van draden. Elektrische stroom loopt door het koperen gedeelte in deze draden, terwijl de buitenkant van de draad is gemaakt van plastic waar geen elektrische stroom doorheen gaat.

Materialen die elektrische stroom gemakkelijk geleiden, worden geleiders genoemd. Alle metalen zijn geleiders, waarbij sommige metalen betere geleiders zijn dan andere. Zo geleiden koper en aluminium beter dan bijvoorbeeld ijzer en lood. Koolstof, hoewel geen metaal, is ook een geleider.

Stoffen die elektrische stroom niet goed doorlaten, worden isolatoren genoemd. Voorbeelden hiervan zijn rubber, glas en de meeste soorten plastic. Bijna alle vaste stoffen die geen metalen zijn, fungeren als isolatoren. Zelfs lucht is een goede isolator. In een gesloten elektrische kring stroomt de stroom door geleidende delen van draden, lampen of apparaten. Met een schakelaar kun je de stroom aan- en uitschakelen door twee geleidende delen in de schakelaar met elkaar in contact te brengen of te verbreken.

Stroomsterktes meten

Met behulp van een stroommeter (Ampèremeter) kun je meten hoe sterk de elektrische stroom door een kring is. Dit meet de hoeveelheid lading die in één seconde passeert, wat de stroomsterkte wordt genoemd. De eenheid van stroomsterkte is de ampère (A), en een stroommeter wordt daarom ook wel een ampèremeter genoemd. 

Bij lage stroomsterkte wordt vaak gemeten in milliampère (mA), waarbij 1 mA gelijk is aan 0,001 A en 1 A gelijk is aan 1000 mA.

1 A = 1000 mA

De stroomsterkte is op elk punt in de kring gelijk in een serie geschakelde opstelling. Het maakt dan niet uit waar de stroommeter wordt geplaatst, links of rechts van het lampje.

Een LED

Een LED (licht emitterende diode) is een lamp die wordt gebruikt in verschillende soorten verlichting. Een kenmerk van een LED is dat de stroom er slechts in één richting doorheen kan lopen. Als je het andersom probeert, zal er geen stroom zijn en zal de LED niet oplichten. Daarom moet je een LED altijd op de juiste manier aansluiten: het langste aansluitpootje moet verbonden worden met de pluskant van de batterij. In fietslampen wordt bijna altijd Ledlamp gebruikt vanwege hun lage energieverbruik. Een Ledlamp verbruikt 80 tot 85% minder energie dan een halogeenlamp en ongeveer 90% minder dan een gloeilamp. Ledlampen hebben ook een lange levensduur en zijn bestand tegen schokken. Kortom, een Ledlamp is op dit moment de toekomst van verlichting.

Elektrische Spanning

Op elke batterij of accu staat aangegeven welke elektrische spanning deze levert, bijvoorbeeld 1,5 volt, 9 volt, of 12 volt. Gelukkig zijn de batterijen ook nog vaak verschillend van grootte of vorm. Zo kun je ze niet snel verwarren met elkaar. Je kunt de opgegeven spanning van zo'n batterij nameten met een spanningsmeter. Hiervoor sluit je de spanningsmeter aan op de plus- en minpool van de batterij. De gemeten spanning wordt uitgedrukt in volt (V), en daarom wordt een spanningsmeter ook wel een voltmeter genoemd.

Elektrische spanning kun je vergelijken met de spanning van een opgeblazen ballon. Wanneer je een ballon flink opblaast, bereikt deze een hoge spanning. Er ontstaat druk op de ballon, voelbaar wanneer je erop drukt, en het rubber staat strak gespannen. Als je daarentegen een ballon maar halfvol blaast, is de spanning veel lager en geeft het rubber gemakkelijk mee.

Condensator

Wanneer je het tuitje van een ballon deels opent, stroomt er lucht uit en neemt de spanning van de ballon af. De uitstroom van lucht uit de ballon kan worden vergeleken met elektrische stroom. De stroomsterkte vertegenwoordigt de hoeveelheid lucht die in één seconde uit de ballon stroomt. Naarmate de spanning afneemt, wordt ook de stroomsterkte minder. Uiteindelijk verdwijnt de spanning volledig, en er stroomt geen lucht meer uit de ballon.

Een condensator gedraagt zich op dezelfde manier als een ballon. Een condensator kan worden opgeladen door er lading in op te slaan, waarbij de spanning toeneemt tot het punt waar geen lading meer bij kan. Daarna kan de condensator worden ontladen, waarbij alle lading verdwijnt en de spanning tot nul afneemt.

Condensatoren worden veel toegepast in de elektronica. Bijvoorbeeld, de flitser op een mobiele telefoon maakt gebruik van een condensator. Echter, condensatoren zijn niet geschikt om apparaten van stroom te voorzien, omdat ze alleen lading kunnen opslaan en afgeven, vergelijkbaar met een ballon. Om een apparaat te laten functioneren, is een constante elektrische stroom nodig, en dus een spanning die constant blijft.

Batterijen

Batterijen en accu's leveren daarentegen een constante spanning. Zelfs wanneer er lading uit de batterij naar de kring stroomt, verandert de spanning niet omdat er voortdurend nieuwe lading in de batterij vrijkomt. Hierdoor blijft de spanning constant. Een batterij fungeert dus als een spanningsbron.

Het juiste spanningsniveau gebruiken

Een ouderwets fietslampje is ontworpen om te werken op een spanning van 6 V. Op deze spanning functioneert het lampje optimaal. Als je het lampje echter aansluit op 1,5 V, zal het zwak branden, en bij aansluiting op 12 V kan het lampje doorbranden en beschadigd raken. Het lampje werkt dus alleen goed bij de juiste spanning.

Soms is het nodig om meerdere batterijen te combineren om de juiste hoeveelheid spanning te bereiken. Bijvoorbeeld, voor de afstandsbediening in afbeelding 4 zijn twee staafbatterijen van 1,5 V nodig, die in serie moeten worden geschakeld door de pluspool van de ene batterij met de minpool van de andere te verbinden. Hierdoor hebben ze samen een spanning van 3,0 V. Het principe is dat wanneer batterijen in serie worden geschakeld, hun spanningen worden opgeteld.

De meeste huishoudelijke apparaten zijn ontworpen voor een spanning van 230 volt. Elke stopcontact in huis heeft dan ook een spanning van 230V.

Een dynamo

Naast batterijen en accu's worden ook dynamo's veel gebruikt als spanningsbron. Een dynamo bestaat voornamelijk uit een magneet en een spoel van koperdraad. Een spoel is een draad die meerdere keren om iets heen is gewikkeld.

In een dynamo is de koperdraad echter om een magneet gewikkeld. De spoel bevindt zich dus om de magneet, maar ze raken elkaar niet. Wanneer de magneet draait, wordt er spanning opgewekt in de spoel, wat voldoende is om een fietslampje te laten branden.

Hoe sneller de magneet draait, des te groter de opgewekte spanning in de dynamo is. Bij sneller fietsen zal je fietslampje dus feller branden. De spanning kan ook worden vergroot door het aantal windingen op de spoel te vergroten.

Tekenen van Elektrische Schakelingen

Een elektrische schakeling bestaat uit diverse onderdelen. Wanneer je de werking van een elektrische schakeling wilt uitleggen, is het het meest effectief om een tekening te gebruiken. De bijhorende elektrische symbolen zijn ontworpen om overzichtelijke schetsen van schakelingen te maken, die bekend staan als schakelschema's. De benodigde symbolen zijn te vinden in de Binas (tabel 14).

Parallelschakelingen

In parallelschakelingen vertakt de schakeling zich, zodat elk lampje op de spanningsbron is aangesloten. Elke vertakking, samen met de batterij, vormt een afzonderlijke stroomkring. In een parallelschakeling kun je elk lampje afzonderlijk aan- en uitschakelen, wat handig is. Daarom worden lampen vaak parallel geschakeld. Als een lamp doorbrandt, blijven de andere gewoon branden, wat in een serieschakeling onmogelijk is. Op de plaats waar een parallelschakeling zich vertakt, splitst de stroom zich. In afbeelding 5 zie je drie stroomkringen. De stroomsterkte in de niet-vertakte delen (bij 1 en 5) wordt de totale stroomsterkte genoemd. De stroomsterkte in de takken (bij 2, 3 en 4) is steeds een derde van de totale stroomsterkte. Hierdoor is de stroomsterkte niet overal gelijk, zoals in een serieschakeling.

Het vermogen van elektrische apparaten

In een gelijke tijdsperiode verbruikt een mobiele telefoon minder elektrische energie dan een laptop. Het verschil in verbruik wordt aangeduid als het vermogen, dat aangeeft hoeveel elektrische energie een apparaat in één seconde verbruikt. Een hoger vermogen betekent dat het apparaat in één seconde meer elektrische energie 'opneemt'. Bij veel apparaten staat het vermogen vermeld op de verpakking, vaak in watt (W) of kilowatt (kW). Als het vermogen variabel is, wordt meestal de maximale waarde opgegeven, zoals bij een stofzuiger met regelbare zuigkracht.

Sommige apparaten hebben een variabel vermogen. Bijvoorbeeld, het vermogen van een mobiele telefoon kan sterk toenemen tijdens bellen of gebruik van internet, terwijl het vermogen minimaal is wanneer de telefoon op stand-by staat. Andere apparaten hebben een constant vermogen, zoals een zaklamp of een elektrische klok.

Spanning en stroomsterkte

Het vermogen van een apparaat hangt af van twee factoren:

• De spanning waarmee het apparaat werkt;

• De stroomsterkte die door het apparaat loopt.

Om dit te begrijpen, kunnen we een vergelijking maken met stromende lucht. Net zoals de energie in stromende lucht een windmolen kan aandrijven, wordt het vermogen van een apparaat bepaald door de spanning en de stroomsterkte. Hoe snel een "molentje" draait, vergelijkbaar met de snelheid van een windmolen, hangt af van zowel de stroomsterkte als de spanning.

Vermogen berekenen

De formule om het vermogen te berekenen is als volgt:

Vermogen = spanning * stroomsterkte

De eenheden zijn:

• Vermogen (P) in watt (W)

• Spanning (U) in volt (V)

• Stroomsterkte (I) in ampère (A)

Energieverbruik berekenen

Het vermogen van een apparaat beïnvloedt de gebruiksduur op een batterij. Apparaten bestaan uit verschillende onderdelen met elk hun eigen vermogen. Het totale vermogen van een apparaat is de som van de vermogens van al die onderdelen. Ontwerpers kiezen daarom onderdelen met een laag vermogen om het energieverbruik te verminderen.

Wanneer een apparaat niet wordt gebruikt, schakelt het zoveel mogelijk onderdelen uit om het totale vermogen te verminderen. Er is echter een grens aan het vermogen dat kan worden verlaagd. Onderzoekers proberen daarom de opslagcapaciteit van batterijen en accu's te vergroten, zodat een apparaat met hetzelfde vermogen langer kan functioneren.

Het energieverbruik van een apparaat gedurende een bepaalde tijd kan worden berekend met de formule:

Energieverbruik= vermogen * tijd

De eenheden zijn:

• Energieverbruik (E) in kilowattuur (kWh)

• Vermogen (P) in kilowatt (kW)

• Tijd (t) in uur (h)