NATUURKUNDE HOOFDSTUK 1 T/M 4 HAVO 4
Hoofdstuk 1, Elektriciteit
.1 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. Bij een neutraal voorwerp is de positieve
lading gelijk aan de negatieve lading. Dan merk je niks van de ladingen, ze heffen elkaar op.
Als voorwerpen wel geladen zijn, oefenen ze een kracht op elkaar uit. 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. De
stroom wordt in beweging gehouden door de spanning van de spanningsbron. De
spanningsbron is bijvoorbeeld een batterij, een dynamo of een stopcontact. De grootte van de
elektrische stroom meet je met een stroommeter (amperemeter). 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. De eenheid van de stroomsterkte is ampère (A). De
spanning over een elektrisch apparaat meet je met een spanningsmeter (voltmeter). De
voltmeter moet je parallel schakelen aan het apparaat waarover je de spanning wilt meten. De
eenheid van spanning is volt (V).
.2 De hoeveelheid elektrische energie wordt, net als van andere energiesoorten, weergegeven
in de eenheid joule (J). De hoeveelheid energie dat een elektrisch apparaat per seconde
gebruikt, wordt het elektrisch vermogen genoemd. De eenheid van vermogen is dus joule per
seconde (J/s) en heet watt (W). Elektrische apparaten zetten elektrische energie om in andere
energiesoorten. Maar niet alle elektrische energie wordt in een elektrisch apparaat omgezet in
nuttige energie. Een deel gaat ‘verloren’, meestal in de vorm van warmte. Hoe groot het deel
is dat wel nuttig wordt gebruikt, geef je aan met het rendement. Meestal wordt het rendement
uitgedrukt in een percentage. In Nederland wordt de meeste elektrische energie opgewekt in
conventionele centrales waarin fossiele brandstoffen (aardgas, aardolie of steenkool) worden
verbrand. De draaiende as van de stoomturbine is verbonden met de as van de generator (een
grote dynamo) waarmee elektriciteit wordt opgewekt. In kerncentrales wordt kernenergie uit
uranium (of plutonium) in warmte omgezet. Waterkrachtcentrales, windturbines en
zonnecellen hebben het voordeel dat ze niets uitstoten. Waterkracht, windenergie en zonne-
energie zijn dan ook duurzame energiebronnen.
Het energiegebruikt 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
E is de energie in joule (J), P is het vermogen in watt (W) of joule per seconde (J/s) en t is de
tijd in seconde (s).
Je kunt het vermogen ook in kilowatt invullen en de tijd in uur. De energie is dan in
kilowattuur (kWh).
Het energiegebruik kun je rechtstreeks omrekenen van joule naar kWh, of omgekeerd. Er
geldt:
1,0 kWh = 1,0 kW x 1,0 h = 1,0 ⋅1 03W x 3,6 ⋅ 1 03s = 3,6 ⋅1 06W⋅s = 3,6 ⋅ 1 06J
,Het rendement geeft aan welk deel van de ingaande energie of het ingaande vermogen wordt
omgezet in nuttige uitgaande energie of vermogen. Dus de verhouding tussen wat het
apparaat oplevert aan nuttige energie en wat het kost aan ingaande energie. Bij berekeningen
kun je een verhoudingstabel gebruiken of de formule:
Enuttig Pnuttig
η= x 100% = x 100%
E∈¿ ¿ P∈¿ ¿
ηis het rendement, Enuttig is de nuttige uitgaande energie (in J of kWh), Pnuttig is het nuttige
uitgaande vermogen (in W), Ein is de ingaande energie (in dezelfde eenheid als Enuttig) en
Pin is het ingaande vermogen (in W).
De energiedichtheid is de hoeveelheid energie die een energiebron per kilogram of per liter
bevat.
.3 Elektrische stroom bestaat uit elektrisch geladen deeltjes die bewegen. 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. In zo'n geleidende vloeistof zijn er moleculen
of atomen die een of meer elektronen zijn kwijtgeraakt of die een of meer elektronen hebben
opgenomen. Zulke positief of negatief geladen moleculen of atomen heten ionen.
De spanning van een spanningsbron geeft aan hoe hard er ‘geduwd’ wordt.Om historiscge
redenen is de afspraak gemaakt dat de elektrische stroom in een stroomkring loopt van de
plus- naar de minpool. De elektrische stroomrichting en de bewegingsrichting van de
elektronen zijn dus tegengesteld aan elkaar. De elektrische stroomsterkte door een apparaat
geeft aan hoeveel lading, in coulomb (C), er per seconde door dat apparaat gaat. Een stroom
van 1 A betekent dus dat per seconde 1 C lading door het apparaat beweegt. Als de
stroomsterkte twee keer zo groot is, stroomt er twee keer zo veel lading doorheen. In een
stroomkring wordt elektrische energie van de bron naar een aangesloten apparaat
getransporteerd door vrije elektronen. Bij een grotere stroomsterkte gaan er elke seconde
meer elektronen door het apparaat, dat de elektrische energie van de elektronen omzet in
nuttige energie en/of warmte. Is de stroomsterkte twee keer zo groot, bij dezelfde spanning,
dan is het vermogen ook twee keer zo groot. Dit heet een evenredig verband. Hoeveel
elektrische energie er door een elektron omgezet wordt, hangt af van de spanning. Als de
spanning van de bron hoger is, wordt er harder tegen het elektron geduwd, krijgt het meer
elektrische energie en geeft het meer elektrische energie af in het apparaat. Bij een twee keer
zo hoge spanning geeft een elektron twee keer zo veel energie af. Het vermogen van een
apparaat is dus ook evenredig met de spanning. Voor veel elektrische apparaten is de
spanning van het lichtnet te hoog. Dan wordt gebruik gemaakt van adapters. In een adapter
zit een transformator, die de netspanning van 230 V omzet in een lagere spanning, vaak 6,0
of 12 V. Transformatoren worden ook gebruikt om de spanning te verhogen.
Het vermogen van een apparaat is evenredig met de spanning en evenredig met de
stroomsterkte. Het verband tussen vermogen, spanning en stroomsterkte wordt gegeven door
de volgende formule:
P=U ⋅ I
, P is het vermogen (in W), U is de spanning (in V) en I is de stroomsterkte (in A).
Elektrische stoom bestaat uit bewegende lading. De stroomsterkte is gelijk aan de
hoeveelheid lading die per seconde door bijvoorbeeld een apparaat beweegt. Er geldt:
Q
I=
t
I is de stroomsterkte (in A), Q is de lading (in Q) en t is de tijd (in s). De lading van een
1
elektron is heel erg klein: 1,60⋅1 0−19C. Een coulomb lading komt overeen met =
1,60⋅1 0−19
6,25⋅1 018elektronen.
.4 Apparaten met een groter vermogen ‘gebruiken meer stroom’. Die grotere stroomsterkte is
nodig om per seconde meer energie in dat apparaat af te kunnen geven bij dezelfde
(net)spanning. Een verwarmingselement, van bijvoorbeeld een broodrooster of een
waterkoker, bestaat uit een lange, metalen stroomdraad. Hoe langer de draad is, des te meer
weerstand ondervinden de elektronen als ze door de draad bewegen. De elektrische weerstand
van de draad is evenredig met de lengte. De weerstand is twee keer zo groot als de draag twee
keer zo lang is. De weerstand van een stroomdraad hangt ook af van de dwarsdoorsnede 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.
Hoe goed of slecht een materiaal geleidt, geven we aan met de soortelijke weerstand.
Ten slotte hangt de weerstand van een stroomdraad bij sommige 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 is gemaakt. De stroomsterkte door een
draad hangt af van de spanning over de draad. De stroomsterkte door een ohmse weerstand is
evenredig met de spanning, de weerstand is constant.
Elektrische weerstanden waarvan de weerstand niet constant is, zijn onder andere de
volgende:
- Bij een NTC-weerstand wordt de weerstand kleiner als de temperatuur stijgt.
- Bij een PTC-weerstand wordt de weerstand groter als de temperatuur stijgt. Een
gloeidraad, bijvoorbeeld in een gloeilamp, is een PTC-weerstand. Die neemt toe
naarmate de draad warmer wordt, doordat er meer stroom doorheen gaat.
- Een LDR-weerstand is een lichtgevoelige weerstand. De weerstand wordt kleiner als
er meer licht op valt.
- Een diode is een weerstand die in een richting stroom tegenhoudt maar in de andere
richting stroom doorlaat. Een diode zorgt dus voor ‘eenrichtingsverkeer’ in een
schakeling.
Bij een ohmse weerstand is de stroomsterkte evenredig met de spanning. De grafiek in het
I,U-diagram is dan een rechte lijn door de oorsprong. De steilheid van de grafiek is gelijk aan
de geleidbaarheid. In formule:
I = G⋅U
I is de stroomsterkte in ampère (A), U is de spanning in volt (V) en G is de geleidbaarheid in
siemens (S).
