Natuurkunde: Hoofdstuk 1 (Elektriciteit) + Hoofdstuk 6 (Onderzoeksvaardigheden)

Lading, energie en vermogen

Elektriciteit is bewegende lading. Verschillende ladingen trekken elkaar aan, dezelfde ladingen stoten elkaar af. De kleinste lading is de elementaire lading e (1,6 × 10-19 C) Stroom kan alleen bewegen als de stroomkring gesloten is.
Geleiders zijn materialen die stroom doorlaten. Isolatoren laten geen stroom door. Deze worden aan de ene kant aangetrokken door de spanningsbron en aan de andere kant afgestoten.
De grootte van de elektrische stroom meet je met een stroommeter. Deze schakel je in serie met het apparaat waar je de stroomsterkte van wilt meten. De spanning meet je met een spanningsmeter. Deze schakel je parallel waarover je de spanning wilt meten.

De hoeveelheid elektrische energie die per seconde wordt verbruikt, is het vermogen. Het energieverbruik van een apparaat hangt af van het vermogen en van de tijd dat het apparaat aan staat. Energie kun je meten in J of in kWh (1 kWh = 3,6 MJ).
Een apparaat zet elektrische stroom om in andere energiesoorten. Het rendement van een apparaat is het percentage (of de factor, dan doe je geen × 100%) van de ingaande energie dat wordt omgezet in nuttige energie.

Spanning en stroomsterkte

In een metalen geleider zorgen de vrije elektronen voor de energie. De atoomkernen bewegen niet. In sommige vloeistoffen zitten ionen die de stroom kunnen geleiden.
De spanning geeft aan hoeveel elektrische energie elke coulomb aan lading heeft (1 V = 1 J/C). Als je de spanning 2 keer zo groot maakt, wordt de hoeveelheid energie ook 2 keer zo groot: het vermogen is dus evenredig met de spanning.
De stroomsterkte geeft aan hoeveel lading er per seconde langs een punt gaat (1 A = 1 C/s). Als de stroomsterkte toeneemt, zal de hoeveelheid energie die langskomt op 1 punt ook toenemen. De stroomsterkte is dus ook evenredig met het vermogen.
Omdat het niet altijd elektronen bewegen in een stroomkring, geldt dat de elektrische stroom van plus naar min beweegt. De elektronen bewegen echter van minpool naar pluspool.
Om schakelingen overzichtelijk te tekenen maak je gebruik van een schakelschema.

Weerstand

De weerstand bepaalt hoeveel stroom er loopt bij een bepaalde spanning. De soortelijke weerstand laat zien hoe goed of slecht een materiaal geleidt. Hoe langer en dunner de draad, hoe hoger de weerstand. De weerstand hangt vaak af van de temperatuur.
Apparaten of draden waarbij de weerstand constant is, noem je ohmse weerstanden. Veel draden en apparaten hebben geen constante weerstand, omdat bij hogere spanningen de draden warm worden en dus een andere weerstand krijgen.

Een schuifweerstand is een speciale weerstand waarvan je de waarde van de weerstand makkelijk kan aanpassen. In de afbeelding zie je een schematische weergave van een schuifweerstand. Een schuifweerstand kan op 2 verschillende manieren gebruikt worden: van A naar B (dan is de weerstand aanpasbaar) of van A naar C (dan is de weerstand vast). Van B naar C is in feite hetzelfde als van A naar B. Een schuifweerstand kun je ook eenvoudig gebruiken om in een parallelschakeling de spanning aan te passen. De schakeling hiernaast is een combinatieschakeling. Een deel van de spanning wordt verdeeld over het lampje en het eerste deel van de schuifweerstand en het andere deel gaat door het rechterdeel van de schuifweerstand. Door de grootte van het rechterdeel aan te passen wordt de spanning in het lampje dus anders.

De weerstanden van halfgeleiders kunnen worden aangepast door de toevoeging van atomen. Een voorbeeld hiervan is de diode. Deze bestaat uit een plakje halfgeleidend materiaal. In een diode neemt het aantal vrije elektronen toe als er in de voorwaartse richting spanning ontstaat. Als de spanning de andere kant op beweegt, is het aantal vrije elektronen erg klein, waardoor er geen stroom gaat lopen.
Een LDR is een lichtgevoelige weerstand van halfgeleidermateriaal. De weerstand van een LDR neemt af als er meer licht op valt. Een NTC gebruikt warmte om het aantal vrije elektronen aan te passen. De weerstand van een NTC neemt af als de temperatuur stijgt. De weerstand van een PTC neemt juist toe als de temperatuur stijgt.

Schakelingen in huis

In een huis zijn alle apparaten parallel aan elkaar geschakeld, zodat elk apparaat 230 V ontvangt. In een parallelschakeling wordt de stroomsterkte verdeeld tussen alle vertakkingen (stroomdeling). Elk apparaat heeft dus zijn eigen stroomkring.
In een serieschakeling wordt de spanning juist over elk apparaat verdeeld (spanningsdeling). De stroomsterkte is dan overal hetzelfde.
Hiernaast zie je de regels voor spanning en stroomsterkte in serie en parallel in formules.
In combinatieschakelingen gelden 2 wetten: de wet van behoud van lading (bij een splitsing blijft de totale stroom even groot, er verdwijnt geen stroom) en de wet van behoud van energie (de energie die bij de bron wordt meegegeven is even groot als de totale energie die langs de schakeling wordt afgegeven). In een combinatieschakeling moet je een combinatie van de formules gebruiken (verschillende formules toepassen op verschillende delen).

Als er te veel apparaten op een groep worden aangesloten, kan de stroomsterkte boven 16 A uitkomen: overbelasting. Bij kortsluiting raken 2 elektriciteitsdraden, waardoor de stroom een “shortcut” neemt. De weerstand wordt dan heel klein (want de stroom gaat niet meer door het apparaat) en de stroomsterkte wordt dan enorm groot. De zekeringen in een meterkast beveiligen elke groep door de stroom uit te zetten als de stroomsterkte te groot wordt.
Een aardlekschakelaar vergelijkt constant de ingaande stroomsterkte met de uitgaande. Als er een verschil groter dan 30 mA tussen deze waardes ontstaat (als er dus stroom weglekt), zet deze schakelaar de stroom voor het hele huis uit. Deze schakelaar beveiligt je dus tegen stroom door je lichaam.

Significantie

Elk getal bestaat uit een aantal significante cijfers. Het aantal significante cijfers geeft aan hoe nauwkeurig iets gemeten is. Zo is 12,900 km nauwkeuriger dan 12,9 km. Bij het tellen van het aantal significante cijfers, tellen alle getallen mee, behalve nullen aan de voorkant. Het getal 0302,54030 heeft dus 8 significante cijfers. Het getal 8,74 × 10²³ heeft 3 significante cijfers (het getal tien en de macht tellen dus niet mee).
Als je bij een berekening deelt of vermenigvuldigt moet je afronden op het kleinste aantal significante cijfers van de gegevens. Voorbeeld: 3,44 * 19,00 = 65,4.
Bij optellen en aftrekken let je niet op het aantal significante cijfers, maar op het aantal decimalen.

Verbanden

Een verband beschrijft de relatie tussen 2 grootheden. In een formule (zoals F = C * u) heb je een afhankelijke grootheid (gevolg), onafhankelijke grootheid (oorzaak) en een constante. De waarde van de constante blijft bij 1 onderzoek gelijk. Bij een onderzoek pas je de onafhankelijke grootheid steeds aan, en kijk je wat dat doet met de waarde van de afhankelijke grootheid.
De meetgegevens van een onderzoek presenteer je in een tabel. De de onafhankelijke grootheid staat dan in de eerste kolom, de afhankelijke grootheid in de tweede kolom en de constante en overige brekingen doe je in de overige kolommen. Bij de kolommen met meetgegevens moet je de eenheden noteren. Bij het uitrekenen van de constante moet je rekening houden met de significantie van de meetgegevens.

Hieronder staat een overzicht van verbanden. In deze formules is c de constante, a is de afhankelijke grootheid en b is de onafhankelijke grootheid.

Een afwijkend verband is het lineaire verband met de formule a=cb+d. Deze lijn gaat dus niet door de oorsprong (als d0). Om de constante te bepalen neem je 2 punten op de grafiek en voer je de berekening yx uit.

Met behulp van een coördinatentransformatie kun je bekijken met welk verband je te maken hebt. Je weet dat een rechte lijn door de oorsprong altijd een evenredig verband is. Om een rechte lijn te krijgen uit de andere verbanden moet je dus een formule krijgen in de vorm a=cb. Bij een kwadratisch verband is b dus b², en bij een omgekeerd kwadratisch verband is b dus 1 / b². Een coördinatentransformatie is dus eigenlijk een verandering van de grootheden langs de assen, om zo een rechte lijn te krijgen. In de tabel zie je in de tweede kolom deze formules in de vormen voor de coördinatentransformatie.

De constante van een formule kun je bepalen door op 1 punt de grafiek af te lezen en deze gegevens vervolgens in de bijbehorende formule zetten. Als je bij een wortelverband dus a = 10 en b = 30 afleest, weet je dat c=ab=1030=1,8.

Bij het tekenen van grafieken moet je met een aantal punten rekening houden:

• Neem een logische schaalverdeling waarbij de punten goed verspreid zijn over de hele as
• Zet de grootheden en eenheden langs de assen
• Bij het tekenen van een lijn neem je een soepele beweging door zo veel mogelijk punten
• Zet cirkels om de punten, omdat de punten niet oneindig accuraat zijn

Voorbeeld verbanden

Iemand doet een onderzoek naar het verband tussen de tijd en de gereden afstand van een voertuig.
In de tabel staan de meetresultaten. Om het verband te bepalen gaan we allereerst het diagram tekenen. Uit de vorm van de grafiek kun je dan al bekijken welk verband het meest waarschijnlijk is.

Uit de vorm van de grafiek kun je zien welk verband het mogelijk is.
Dit is waarschijnlijk een kwadratisch verband. Om te controleren of dit waar is, gaan we de constante berekenen en een coördinatentransformatie uitvoeren.
De formule van een kwadratisch verband is a=cb², dus s=ct². Dit geeft c=st².

Je ziet dat de waarde van de constante vrij gelijk blijft. We hebben dus waarschijnlijk wel te maken met een kwadratisch verband. Voor de coördinatentransformatie gaan we t² uitzetten tegen s.

We zien een rechte lijn door de oorsprong na de coördinatentransformatie, dus we weten nu zeker dat we te maken hebben met een kwadratisch verband.

De ingevulde formule wordt dan s=4,2t². Let op! Je moet deze waarde uit de grafiek halen (door y/x) en niet als gemiddelde van de kolommen.

In de grafieken op deze pagina zijn de getallen afgerond naar gehelen, zodat de lijnen een duidelijke vorm krijgen. De waardes komen dus mogelijk niet altijd volledig overeen met de tabellen.