Elektriciteit en Schakelingen: Uitleg & Oefenen

Stel je voor dat de stroom thuis plotseling uitvalt. Opeens doen je lampen, de wifi en je koelkast het niet meer. Elektriciteit is onmisbaar, maar we staan er vaak pas bij stil als het niet meer werkt. Bij NaSk onderzoeken we de onzichtbare wereld van stroom om precies te snappen hoe deze energiebron werkt. In dit artikel duiken we in de techniek achter je stopcontact. Je leert hoe je een stroomkring bouwt en uittekent in een schakelschema, en waarom de lampen in je huis heel anders zijn aangesloten (parallel) dan de lampjes in een simpele kerstboom (serie).

Wat is Elektriciteit?

Elektriciteit is eigenlijk de verplaatsing van hele kleine, onzichtbare deeltjes: elektronen. Deze elektronen bewegen door materialen heen. Materialen die stroom goed doorlaten, noemen we geleiders (zoals metalen stroomdraden van koper). Wanneer de elektronen door zo'n draad stromen, ontstaat er elektrische stroom.

We hebben met elkaar afgesproken dat we zeggen dat de stroom van de pluspool (+) naar de minpool (-) van een batterij of stopcontact loopt. Zonder deze stromende elektronen zouden al onze apparaten, van je laptop tot de wasmachine, helemaal niets doen!

Wat zijn Schakelschema’s?

Als we bij NaSk een elektrische schakeling willen bouwen, tekenen we die eerst uit. Dat doen we in een schakelschema. Dit is een eenvoudige, strakke tekening (met rechte lijnen) van een elektrisch circuit waarin we vaste symbolen gebruiken. Zo snapt iedereen over de hele wereld precies hoe de draden, lampjes en batterijen met elkaar verbonden moeten worden.

Hier is een overzicht van de belangrijkste symbolen die je uit je hoofd moet kennen:

Poppetjes blogs

Oefenopgave: 

Schets voor jezelf een schakelschema met daarin één batterij, twee lampjes en één open schakelaar, allemaal in één grote ronde verbonden.

Uitwerking:

Verbind de batterij, de lampjes en de schakelaar met elkaar met stroomdraden. Het schakelschema kan er dan bijvoorbeeld zo uitzien:

11

Wat is een Stroomkring?

Een stroomkring is een gesloten pad waar de elektriciteit doorheen kan lopen. Je kunt het goed vergelijken met een racebaan: zolang de baan helemaal rondloopt, kunnen de auto's (de elektronen) blijven rijden. Zit er ergens een gat of een breuk in de baan? Dan stopt alles direct.

Een complete stroomkring bestaat uit minimaal deze onderdelen:

  1. Stroombron: Levert de energie en de spanning (bijvoorbeeld een batterij of een stopcontact).
  2. Geleiders: De snoeren of stroomdraden waar de elektriciteit doorheen kan stromen.
  3. Verbruiker: Een apparaat dat de stroom gebruikt om iets te doen, zoals een lampje laten branden of een motor laten draaien.
  4. Schakelaar (optioneel): Hiermee kun je de stroomkring expres 'open' (stroom stopt) of 'dicht' (stroom loopt) maken.

Belangrijk: elektriciteit kiest altijd de makkelijkste weg. Als de kring niet compleet is, stopt de stroom. Dit noem je de weg van de minste weerstand. Daardoor kan je met een schakelaar ook een lamp aan (gesloten stroomkring) of uit (open stroomkring) zetten.

10

Een open stroomkring. Wanneer de schakelaar dichtgaat, sluit de stroomkring en gaat het lampje branden.

Serie- en Parallelschakelingen

We kunnen lampjes en apparaten op twee verschillende manieren met elkaar verbinden in een stroomkring: in serie of parallel. Het is heel belangrijk dat je de verschillen kent, want ze werken allebei totaal anders!

Verschillen Tussen Serie- en Parallelschakelingen

In een serieschakeling zijn componenten achter elkaar geplaatst, zodat de stroom door elk onderdeel moet gaan. Dit betekent dat als één component uitvalt, de hele schakeling niet meer werkt. 

Een voorbeeld is de kerstverlichting in de boom. Wanneer een lampje stuk is gegaan, dan zijn alle lampjes van de verlichting uit.

  • Het nadeel: Als één lampje stuk gaat (de stroomdraad in het lampje breekt), is de stroomkring open en gaan alle lampjes uit!
  • Stroomsterkte ($I$): Is overal in de draad exact hetzelfde.
  • Spanning ($U$): De totale spanning van de batterij wordt netjes verdeeld over alle lampjes.
  • Weerstand ($R$): Elk extra lampje zorgt voor meer weerstand in de draad. De lampjes gaan zwakker branden als je er meer toevoegt.

Bij een parallelschakeling zijn componenten naast elkaar geplaatst. Elke component heeft zijn eigen stroompad, waardoor de stroom zich verdeelt over de verschillende takken. Als hier een component uitvalt, gaat de stroom nog wel door de andere componenten.

Een voorbeeld is de verlichting in huis. Je kunt een lamp uitdoen zonder dat andere lampen ook uitgaan.

  • Het voordeel: Als één lampje stuk gaat, kan de stroom nog gewoon door de andere vertakkingen lopen. De rest blijft dus branden! (Zo is de verlichting in je huis aangesloten).
  • Stroomsterkte ($I$): De hoofdstroom verdeelt zich over de verschillende takken.
  • Spanning ($U$): Elk apparaat krijgt de volle spanning van de batterij.
  • Weerstand ($R$): Hoe meer draden (takken) je toevoegt, hoe makkelijker de stroom uit de batterij kan stromen. De totale weerstand wordt dus juist kleiner.
12

Links: een serieschakeling. Elk lampje is achter elkaar geplaatst op dezelfde stroomdraad.
Rechts: een parallelschakeling. Elk lampje vormt zijn eigen stroomkring met de batterij.

Oefenopgave: 

Je gebruikt een wasmachine. Eerst moet de deur goed dicht zijn, anders werkt de machine niet. Als de deur dicht is, gaan de motor en het verwarmingselement tegelijk aan. 

Welke soorten schakelingen worden hier gebruikt?

Uitwerking:

  • Omdat de wasmachine helemáál niets doet als de deur open is, zit de schakelaar van de deur in serie met de rest. Als die onderbroken is, is de hele stroomkring kapot.
  • De motor en de verwarming werken tegelijk, maar je kunt de verwarming wel uitzetten zonder dat de motor stopt. Deze twee onderdelen zijn dus parallel aan elkaar geschakeld!

Berekeningen en Formules

Bij het rekenen aan serie- en parallelschakelingen gebruiken we verschillende formules:

Voor serieschakelingen:

  1. Stroomsterkte: I1 = I2 = I3 = …
  2. Spanning: Utotaal = U1 + U2 + U3 + …
  3. Weerstand: Rtotaal = R1 + R2 + R3 + ...
  4. Spanning per component: U1 = I × R1

Voor parallelschakelingen:

  1. Stroomsterkte: Itotaal = I1 + I2 + I3 + ...
  2. Spanning: Utotaal = U1 = U2 = U3 = …
  3. Weerstand: 1/Rtotaal = 1/R1 + 1/R2 + 1/R3 + …
  4. Stroom per component: I1 = U/R1

Het is belangrijk om deze formules te oefenen met verschillende voorbeelden om ze goed te begrijpen.

Oefenopgave: 

  1. Er zijn drie lampjes in serie geschakeld. Lampje 1 meet een spanning van 5 V, lampje 2 heeft een spanning van 3 V en lampje 3 heeft een spanning van 4 V. Bereken de totale spanning die de batterij levert.
  2. Twee weerstandjes van allebei 2 Ω (ohm) staan in serie met elkaar. Bereken de totale weerstand van de schakeling.
  3. Een grote parallelschakeling met tien lampjes wordt aangesloten op een accu van 12 V. Wat is de spanning over elk afzonderlijk lampje?

Uitwerking

  1. De spanning bij een serieschakeling wordt berekend met Utotaal = U1 + U2 + U3.
    Dus Utotaal = 5 + 3 + 4 = 12 V.
  2. De weerstand bij een serieschakeling wordt berekend met Rtotaal = R1 + R2.
    Dus Rtotaal = 2 + 2 = 4 Ω
  3. De spanning in een parallelschakeling is voor elke component hetzelfde. Ieder lampje heeft dus een spanning van 12 V. 

Samenvatting

Elektriciteit is het stromen van elektronen door een geleider, van plus naar min. Om stroom te laten lopen, moet je altijd een gesloten stroomkring hebben. In het vak NaSk tekenen we deze kringen met vaste symbolen in een schakelschema. Er zijn twee belangrijke manieren om apparaten aan te sluiten. Bij een serieschakeling staat alles op één draad achter elkaar; gaat er één stuk, dan stopt alles. Bij een parallelschakeling heeft elk apparaat een eigen stroompad en krijgt elk apparaat de volle spanning; als er één stuk gaat, blijft de rest werken. Door de formules voor spanning, stroomsterkte en weerstand goed uit je hoofd te leren, kun je precies berekenen hoe een elektrische schakeling zich gedraagt!

Oefenen met elektriciteit

Klik hier om onze oefentoets te gebruiken over de volgende onderwerpen:

  • Stroomkringen, schakelschema’s
  • Geleiders en isolatoren
  • Serie- en parallelschakelingen
  • Rekenen met capaciteit
  • Elektromagnetisme
  • Rekenen met vermogen, energie en energieverbruik
  • Gevaren van elektriciteit

Wil je ook met andere onderwerpen oefenen? 
Hier vind je alle oefentoetsen over de onderwerpen van NaSk.