Samenvatting · Mens & natuur · vwo 2 Energie en elektrische schakelingen

Energie en elektrische schakelingen

Energie: wat is het?

Energie is nodig om iets te laten gebeuren. Je gebruikt energie bijvoorbeeld om te bewegen, een lamp te laten branden of een laptop op te laden. Energie is een grootheid met als symbool $E$. De standaardeenheid is de Joule ($J$).

Energie zit opgeslagen in stoffen, materialen en voorwerpen. Zoiets noemen we vaak een energiebron, maar nauwkeuriger is het woord energiedrager: energie kan namelijk niet gemaakt of vernietigd worden, alleen worden omgezet.

Er zijn twee groepen energiebronnen:

Energiesoorten

De belangrijkste energiesoorten zijn:

• Warmte of thermische energie: energie die samenhangt met temperatuur en hoeveelheid stof. Een grotere hoeveelheid water bevat bij dezelfde temperatuur meer warmte.
• Elektrische energie: energie die door elektrische stroom wordt getransporteerd, bijvoorbeeld vanuit een stopcontact of accu.
• Chemische energie: energie die in stoffen zit, zoals voedsel, hout, aardgas en benzine. Deze energie komt vrij bij verbranding.
• Stralingsenergie: energie in straling, bijvoorbeeld zonlicht of licht van een lamp.
• Zwaarte-energie: energie van een voorwerp dat hoog boven de grond is. Hoe hoger en zwaarder het voorwerp, hoe meer zwaarte-energie het heeft.
• Bewegingsenergie: energie van een bewegend voorwerp. Hoe groter de massa en snelheid, hoe meer bewegingsenergie. Bewegingsenergie heet ook kinetische energie.

Een batterij of accu bevat geen elektrische energie als voorraad. Er zit chemische energie in. Als je een apparaat aansluit, wordt die chemische energie omgezet in elektrische energie.

Energieomzettingen en energiebehoud

Een energieomzetting is het veranderen van de ene energiesoort in een andere energiesoort.

Bij een lamp gebeurt bijvoorbeeld deze omzetting:

De lamp neemt elektrische energie op. Daarna staat hij stralingsenergie en warmte af. Een energiestroomschema laat dit zien met een pijl: vóór de pijl staat de opgenomen energiesoort en na de pijl staan de afgestane energiesoorten.

Bij elke energieomzetting geldt de wet van behoud van energie:

• Energie kan niet verdwijnen.
• Energie kan niet ontstaan.
• Alle opgenomen energie wordt omgezet en weer afgestaan.

Daarom is energie niet echt “op”. Vaak is de energie alleen omgezet in een minder bruikbare vorm, bijvoorbeeld warmte.

Nuttige en niet-nuttige energie

Welke energie nuttig is, hangt af van het doel van een apparaat.

• Bij een lamp is stralingsenergie nuttig, omdat je licht wilt.
• De warmte van een lamp is dan niet-nuttige energie.
• Bij een elektrische kachel is warmte juist wel nuttige energie.

Het rendement is het percentage van de opgenomen energie dat nuttig wordt gebruikt.

Een lamp neemt bijvoorbeeld $800J$ op en geeft $64J$ stralingsenergie af:

Het rendement van de lamp is 8%. De rest van de energie komt vooral vrij als warmte.

Grootheden, eenheden en meetinstrumenten

Een grootheid is iets wat je kunt meten. Elke grootheid heeft een symbool en een eenheid.

Soms gebruik je een voorvoegsel, bijvoorbeeld milli- of kilo-. Bij berekeningen moet je eenheden eerst omrekenen naar de standaardeenheid.

Dus:

Stroomkring en elektrische schakeling

Een apparaat werkt alleen als er een gesloten stroomkring is. Een gesloten stroomkring bevat:

• een spanningsbron;
• een apparaat dat elektrische energie gebruikt;
• verbindingsdraden van de spanningsbron naar het apparaat én terug naar de spanningsbron.

Een spanningsbron kan een accu, batterij, stopcontact of voeding zijn. De spanningsbron geeft energie mee aan de stroom en zorgt ervoor dat de stroom rondgaat.

De stroom loopt volgens de afspraak van de pluspool naar de minpool. Als een draad los zit of een schakelaar open staat, is de stroomkring onderbroken. Er loopt dan geen stroom en het apparaat werkt niet.

Een elektrische schakeling is een stroomkring met componenten, zoals een spanningsbron, lamp, schakelaar of meter. Een tekening daarvan heet een schakelschema. In een schakelschema gebruik je symbolen en rechte lijnen.

Geleiders en isolatoren

Een geleider is een stof waar elektrische stroom makkelijk doorheen kan. Metalen zijn goede geleiders. In een draad zit meestal koper, waardoor de stroom kan lopen.

Een isolator laat elektrische stroom niet of nauwelijks door. De buitenkant van een draad is vaak van plastic of rubber. Dit beschermt je tegen stroom.

Bij kortsluiting kan de stroom rechtstreeks van de pluspool naar de minpool lopen zonder apparaat ertussen. De stroomsterkte wordt dan heel groot. Draden kunnen heet worden, smelten en brand veroorzaken. Zekeringen begrenzen de stroomsterkte om dit te voorkomen.

Spanning en stroomsterkte

Spanning geeft aan hoeveel energie geladen deeltjes meekrijgen van de spanningsbron. Spanning heeft symbool $U$ en wordt gemeten in Volt ($V$).

Een stopcontact in Europa heeft ongeveer $230V$. Een AA- of AAA-batterij heeft $1,5V$.

Stroomsterkte geeft aan hoeveel lading er per seconde door een draad of apparaat stroomt. Stroomsterkte heeft symbool $I$ en wordt gemeten in Ampère ($A$).

Een grotere spanning kan zorgen voor een grotere stroomsterkte. De stroomsterkte hangt ook af van de eigenschappen van het apparaat. Als spanning of stroomsterkte te groot wordt, kan een apparaat doorbranden.

Meters aansluiten

Een stroommeter moet altijd in serie worden aangesloten. Alle stroom moet namelijk door de meter lopen. Begin bij het grootste meetbereik, zodat de meter niet beschadigt.

Een spanningsmeter sluit je parallel aan over het apparaat waarvan je de spanning wilt meten. De meter staat dan als het ware naast het apparaat en meet het spanningsverschil tussen de twee kanten.

Bij beide meters sluit je de minkant aan op de zwarte opening en de pluskant op een rode opening. Slaat de wijzer verkeerd uit, dan moeten de snoeren worden verwisseld.

Serie- en parallelschakelingen

Bij een serieschakeling is de totale spanning gelijk aan de som van de spanningen over de componenten. Bij een parallelschakeling is de totale stroomsterkte gelijk aan de som van de stroomsterktes door de verschillende takken.

Thuis zijn apparaten parallel geschakeld. Daardoor krijgt elk apparaat $230V$ en kunnen andere apparaten blijven werken als één apparaat wordt uitgezet.

Vermogen, energie en tijd

Vermogen is de hoeveelheid energie die een apparaat per seconde gebruikt of omzet. Vermogen heeft symbool $P$ en de eenheid Watt ($W$).

Een groot vermogen betekent dat een apparaat per seconde veel energie gebruikt.

Hierbij is $P$ het vermogen in Watt, $E$ de energie in Joule en $t$ de tijd in seconden.

Om de gebruikte energie te berekenen:

Een lamp van $5W$ brandt één uur. Eén uur is $3600s$.

De lamp gebruikt 18 000 J energie.

Bij elektrische apparaten hangt het vermogen af van spanning en stroomsterkte:

Als de spanning of stroomsterkte groter wordt, wordt ook het vermogen groter.