Elektriciteit: Uitleg & Oefenen

Elektriciteit is overal om ons heen. Je gebruikt het elke dag: om een lamp aan te doen, je telefoon op te laden of muziek te luisteren. Maar hoe werkt elektriciteit eigenlijk? En waarom is het belangrijk dat je weet wat een stroomkring, een geleider of een isolator is? In dit artikel leer je de basis over elektriciteit. We kijken naar stroomkringen, schakelingen, batterijen, dynamo’s en generatoren. Ook leer je rekenen met spanning, stroom, vermogen en energie. Tot slot bespreken we de gevaren van elektriciteit en hoe je veilig kunt blijven.

Wat is Elektriciteit?

Elektriciteit is de verplaatsing van kleine deeltjes die elektronen heten. Deze elektronen bewegen door materialen, meestal metalen draden. Hierdoor ontstaat elektrische stroom. Deze stroom beweegt van plus naar min.

Zonder elektriciteit zouden apparaten als lampen, computers en telefoons niet werken.

Wat zijn Schakelschema’s?

Een schakelschema is een tekening van een elektrisch circuit met symbolen. Zo kun je eenvoudig zien hoe een stroomkring werkt en onderdelen met elkaar verbinden. Denk aan de symbolen voor een lamp, schakelaar en batterij.

Enkele symbolen staan in de tabel hieronder.

Oefenopgave

Schets een schakelschema met daarin een batterij, twee lampjes en een schakelaar (open).

Uitwerking

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

Wat is een Stroomkring?

Een stroomkring is een gesloten pad waardoor elektriciteit kan lopen. Vergelijk het met een racebaan: als de baan compleet rondgaat, kunnen de auto’s blijven rijden. Als er een gat in de baan zit, stopt alles.

Een stroomkring bestaat uit:

• Stroombron: levert de stroom (bijvoorbeeld een batterij).
• Geleiders: de draden waar de stroom doorheen loopt.
• Schakelaar: zet de stroomkring open of dicht.
• Verbruiker: een apparaat dat stroom verbruikt, zoals een lamp of motor. 

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.

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

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

De deur moet dicht zijn, anders stopt alles. Dat is dus seriegeschakeld met de rest.
De motor en verwarming werken tegelijk, maar kunnen ook los van elkaar uit worden gezet. Deze zijn dus parallel geschakeld.

Wat zijn Geleiders en Isolatoren?

Niet elk materiaal laat stroom even goed door.

Geleiders zijn materialen die stroom goed doorlaten. Voorbeelden zijn koper, aluminium en zilver.

Isolatoren zijn materialen die géén stroom doorlaten. Voorbeelden zijn plastic, rubber, glas en hout.

Daarom hebben elektriciteitsdraden altijd een plastic laagje: dat beschermt tegen gevaarlijke schokken.

Oefenopgave

1. Van welk materiaal zou je het handvat van een zaklamp maken?
2. Je legt een paperclip op een batterij met een lampje. Waarom gaat het lampje branden? 

Uitwerking

1. Het handvat moet geen stroom geleiden. Je hebt dus een isolator nodig, bijvoorbeeld plastic of rubber. Dan kan je het zonder gevaar vastpakken.
2. De paperclip geleidt de stroom. Het is dus gemaakt van een geleidend materiaal, in dit geval staal.

Spanning en Stroomsterkte

Twee belangrijke grootheden in elektriciteit zijn de spanning en de stroomsterkte. Elk elektrisch apparaat heeft een maximale spanning en stroomsterkte waarmee het veilig te gebruiken is.

Spanning (U) is de “duwkracht” die de elektronen laat bewegen. Je meet spanning in volt (V). Hoe hoger de spanning, hoe groter de kracht waarmee elektronen door de draden worden geduwd. Als de spanning te hoog wordt, kan een apparaat beschadigd raken.

Stroomsterkte (I) geeft aan hoeveel elektronen er per seconde door een draad stromen. Je meet dit in ampère (A). Een hogere stroomsterkte betekent dat een apparaat meer energie verbruikt en daardoor warmer kan worden. Te veel stroom kan gevaarlijk zijn en schade veroorzaken.

Om te controleren welke spanning en stroomsterkte door een apparaat gaan, kun je dit meten. Aan de waarden kun je zien of het apparaat nog veilig en goed werkt.

• Met een voltmeter meet je de spanning. Deze sluit je parallel aan over het apparaat.
• Met een ampèremeter meet je de stroomsterkte. Deze sluit je in serie aan met het apparaat.

Weerstand

Weerstand (R) geeft aan hoe moeilijk stroom door een materiaal kan bewegen. Dit meet je in Ohm (Ω). Hoe groter de weerstand, hoe lastiger het voor de stroom is om te lopen. 
Een gloeilamp heeft een weerstand die de stroom begrenst, zodat de lamp goed brandt en de draad niet doorbrandt. Deze energie wordt vervolgens omgezet in licht en warmte.

In elektrische circuits hebben weerstanden verschillende functies:

• Beperken van de stroomsterkte. Er gaan door de weerstand minder elektronen per seconde door de draad heen.
• Verdelen van de spanning.
• Omzetten van elektrische energie in warmte.

De wet van Ohm beschrijft de relatie tussen spanning (U), stroom (I) en weerstand (R):
U = I × R

Oftewel: spanning = stroom × weerstand.

Oefenopgave

1. Een elektrische kachel met een weerstand van 44 Ω heeft een stroomsterkte van 5 A.
   Hoe groot is de spanning van de kachel?
2. Een gloeilamp van 230 V heeft een weerstand van 460 Ω.
   Hoe groot is de stroomsterkte van de gloeilamp?

Uitwerking

1. U = I × R, dus U = 44 × 5 = 220 V.
   De kachel heeft een spanning van 220 V.
2. We schrijven de formule om: U = I × R, dus I = U / R
   I = 230 / 460 = 0,5 A.
   De stroomsterkte van de gloeilamp is 0,5 A.

Serie- en Parallelschakelingen

Er zijn twee manieren om elektrische componenten met elkaar te verbinden: serieschakelingen en parallelschakelingen. Het begrijpen van deze schakelingen is belangrijk voor het ontwerpen en analyseren van elektrische systemen.

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.

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.

Een schakeling kan ook een combinatie van een serie- en een parallelschakeling zijn.

De belangrijkste verschillen tussen de twee schakelingen zijn:

In serie: 

• Dezelfde stroomsterkte door alle componenten. Alle elektronen gaan met dezelfde snelheid door de ene draad in de schakeling.
• Spanningen worden opgeteld. Elke component verbruikt een deel van de totale spanning over de draad.
• Weerstanden worden opgeteld. Elke component zorgt voor een toename in weerstand over de draad.

Parallel: 

• Stroomsterkte wordt opgeteld. Elke afzonderlijke draad in de schakeling heeft een eigen snelheid dat in het totaal van de schakeling wordt opgeteld.
• Dezelfde spanning over alle componenten. Elk apparaat krijgt de volle spanning over de draad waar ze mee verbonden zijn.
• De totale weerstand is kleiner dan de weerstand van de afzonderlijke draden. Hoe meer draden er zijn, hoe makkelijker de stroom door de schakeling loopt.

Deze verschillen hebben grote invloed op hoe de schakeling functioneert en hoe we ermee moeten rekenen.