Elektrische spanning

Leerdoelen

•Je kunt uitleggen wat elektrische spanning (U) is en de formule U=\frac{\Delta E}{Q}U=\frac{\Delta E}{\placeholder{}}U=\Delta EU=\Delta E/ gebruiken.

•Je kunt verschillende spanningsbronnen benoemen en onderscheiden.

•Je kunt uitleggen wat de capaciteit (C) van een spanningsbron is.

•Je kunt uitleggen wat gelijkspanning en wisselspanning is.

•Je kunt uitleggen wat de eigenschappen van én verschillen tussen een serie- en parallelschakeling zijn.

•Je kunt uitleggen hoe je spanningsbronnen in serie moet schakelen.

Stroomsterkte en spanning

Stroomsterkte (I)

De stroomsterkte (I), gemeten in ampère (A), geeft aan hoeveel elektronen er per tijdseenheid (seconde) op een bepaald punt in een stroomdraad voorbijkomen. De eenheid ampère is gelijk aan coulomb per seconde (C/s).

De formule voor stroomsterkte is: I=\frac{\Delta Q}{t}I=\frac{\Delta Q}{\placeholder{}}I=\Delta QI=\Delta Q/

Waarbij:

I = stroomsterkte (A)

ΔQ = verplaatsing van elektrische lading (C)

t = tijd (s)

Een ampèremeter meet de stroomsterkte en wordt altijd in serie in de stroomkring geschakeld. Een ideale ampèremeter heeft geen weerstand, zodat het de stroom niet belemmert.

Spanning (U)

De elektrische spanning (U), gemeten in volt (V), vertelt hoeveel elektrische energie elk elektron met zich meebrengt. De eenheid volt is gelijk aan joule per coulomb (J/C). Dit betekent dat een spanning van 1 volt inhoudt dat elke coulomb lading 1 joule aan energie vervoert.

De formule voor spanning is: U=\frac{\Delta E}{Q}U=\frac{\Delta E}{\placeholder{}}U=\Delta EU=\Delta E/

Waarbij:

U = spanning (V)

ΔE = elektrische energie (J)

Q = elektrische lading (C)

Een voltmeter meet de spanning en wordt altijd parallel over het te meten onderdeel (bijvoorbeeld een lampje) geschakeld. Een ideale voltmeter heeft een oneindig hoge weerstand, zodat er geen stroom door de meter zelf loopt.

Een spanningsbron van 10 V geeft aan elke coulomb lading (een zeer grote hoeveelheid elektronen) een energie van 10 joule mee. Elektronen worden niet verbruikt; ze transporteren de energie. Ze ontvangen energie van de spanningsbron, leveren deze af aan een apparaat (dat de energie omzet, bijvoorbeeld in licht en warmte), en keren dan terug naar de spanningsbron om opnieuw energie op te nemen.

Rekenvoorbeeld spanning en energie

Hoeveel elektrische energie levert een batterij van 7,5 V als deze 45 minuten lang een stroom van 380 mA levert?

Gegevens:

U = 7,5 V

t = 45 minuten = 45\cdot60=2700s4560=2700s

I = 380 mA = 0,38 A

Gevraagd: ΔE

Formules:

U=\frac{\Delta E}{Q}U=\frac{\Delta E}{\placeholder{}}U=\Delta EU=\Delta E/ => \Delta E=U\cdot Q\Delta E=UQ

I=\frac{Q}{t}I=\frac{Q}{\placeholder{}}I=QI=Q/ => Q=I\cdot tQ=I\cdotQ=IQ=I\times

Combineer de formules om Q te elimineren: \Delta E=U\cdot(I\cdot t)\Delta E=U\cdot(I\cdot)\Delta E=U\cdot(I\cdot T)\Delta E=U\cdot(IT)\Delta E=U\cdot(I\times T)\Delta E=U(I\times T)

\Delta E=7,5V\cdot0,38A\cdot2700s\Delta E=7,5V0,38A\cdot2700s\Delta E=7,5V\times0,38A\cdot2700s\Delta E=7,5V\times0,38A2700s

(afgerond op twee significante cijfers)

\Delta E=7,7\cdot10^3J\Delta E=7,710^3J\Delta E=7,7\times10^3J\Delta E=7,7\times10^{\placeholder{}}J\Delta E=7,7\times10J\Delta E=7,7\times10^J

Verschillende spanningsbronnen

Spanningsbronnen kunnen worden onderverdeeld in twee hoofdtypen:

Gelijkspanningsbronnen

Leveren een gelijkspanning, wat betekent dat de elektronen altijd in dezelfde richting stromen (van de minpool naar de pluspool). De spanning is constant.

Voorbeelden: Batterijen, accu's, zonnecellen, waterstofcellen.

Symbool: Lang streepje (+) en kort dik streepje (-).

UT-diagram: Een horizontale lijn, wat aangeeft dat de spanning constant is over tijd.

Capaciteit (C): De capaciteit van een batterij of accu wordt vaak uitgedrukt in milliampère-uur (mAh) of ampère-uur (Ah). Het geeft aan hoeveel stroom de bron gedurende een bepaalde tijd kan leveren.

Voorbeeld: Een batterij met een capaciteit van 1800 mAh kan 1 uur lang een stroom van 1800 mA leveren, of 2 uur lang een stroom van 900 mA.

2. Wisselspanningsbronnen (AC)

Leveren een wisselspanning (AC), waarbij de elektronen continu van richting veranderen. De spanning wisselt periodiek van positief naar negatief.

Voorbeelden: Dynamo's, generatoren, het stopcontact in huis.

Symbool: Een cirkel met een golfje of S-vorm erin.

UT-diagram: Een golfbeweging (sinusvormig), waarbij de spanning varieert tussen een positieve en negatieve waarde.

Werking dynamo: Een dynamo wekt wisselspanning op door bewegingsenergie om te zetten. Een draaiende magneet in de nabijheid van een spoel (rond een weekijzeren kern) zorgt voor een veranderend magnetisch veld. Dit wekt een spanning op in de spoel, waardoor er stroom kan gaan lopen in een gesloten stroomkring.

Wisselspanning in huis: De wisselspanning uit een Europees stopcontact heeft een effectieve spanning van 230 V en een frequentie van 50 Hz. Dit betekent dat de spanning 50 keer per seconde van richting wisselt (50 keer naar plus, 50 keer naar min). De piekspanning is hoger dan de effectieve spanning (ongeveer 325 V).

Overeenkomsten en verschillen gelijk- en wisselspanning

Overeenkomsten:

•Beide transporteren elektrische energie.

•Beide bronnen leveren een bepaalde spanning en kunnen een stroomsterkte veroorzaken.

•Een gesloten stroomkring is altijd nodig om daadwerkelijk stroom te laten lopen.

Verschillen:

•Gelijkstroom: Elektronen bewegen altijd in dezelfde richting. Bronnen hebben een vaste plus- en minpool.

•Wisselstroom: Elektronen veranderen continu van richting. De polen wisselen van lading, er is een nulpool en een wisselende pool.

Serie- en parallelschakeling

Elektrische componenten kunnen op verschillende manieren worden aangesloten.

Serieschakeling

Apparaten zijn achter elkaar geschakeld, waardoor de stroom maar één pad heeft.

Stroomsterkte (I): De stroomsterkte is overal in de schakeling gelijk. De stroom die uit de spanningsbron komt, is dezelfde door elk apparaat. I_{bron}=I_1=I_2=I_3I_{bro}=I_1=I_2=I_3I_{br}=I_1=I_2=I_3I_{b}=I_1=I_2=I_3I_{b}r=I_1=I_2=I_3I_{b}ro=I_1=I_2=I_3I_{b}ron=I_1=I_2=I_3I_{b}ron=I_{\placeholder{}}=I_2=I_3I_{b}ron=I=I_2=I_3I_{b}ron=I\_=I_2=I_3I_{b}ron=I\_{1}=I_2=I_3I_{b}ron=I\_{1}=I_{\placeholder{}}=I_3I_{b}ron=I\_{1}=I=I_3I_{b}ron=I\_{1}=I\_=I_3I_{b}ron=I\_{1}=I\_{2}=I_3I_{b}ron=I\_{1}=I\_{2}=I_{\placeholder{}}I_{b}ron=I\_{1}=I\_{2}=II_{b}ron=I\_{1}=I\_{2}=I\_

Spanning (U): De spanning van de bron verdeelt zich over de aangesloten apparaten. Elk apparaat verbruikt een deel van de energie. U_{bron}=U_1+U_2+U_3{}U_{bro}=U_1+U_2+U_3{}U_{br}=U_1+U_2+U_3{}U_{b}=U_1+U_2+U_3{}U_{b}r=U_1+U_2+U_3{}U_{b}ro=U_1+U_2+U_3{}U_{b}ron=U_1+U_2+U_3{}U_{b}ron=U_{\placeholder{}}+U_2+U_3{}U_{b}ron=U+U_2+U_3{}U_{b}ron=U\_+U_2+U_3{}U_{b}ron=U\_{1}+U_2+U_3{}U_{b}ron=U\_{1}+U_{}+U_3{}U_{b}ron=U\_{1}+U_{\circ}+U_3{}U_{b}ron=U\_{1}+U_{\placeholder{}}+U_3{}U_{b}ron=U\_{1}+U+U_3{}U_{b}ron=U\_{1}+U\_+U_3{}U_{b}ron=U\_{1}+U\_{2}+U_3{}U_{b}ron=U\_{1}+U\_{2}+U_{\placeholder{}}{}U_{b}ron=U\_{1}+U\_{2}+U{}U_{b}ron=U\_{1}+U\_{2}+U\_{}

Werking: Als één onderdeel in een serieschakeling kapotgaat (of wordt uitgeschakeld), wordt de gehele stroomkring onderbroken en werken alle andere onderdelen ook niet meer. (Denk aan oude kerstverlichting.)

Parallelschakeling

Apparaten zijn naast elkaar geschakeld, waardoor de stroom zich kan vertakken en meerdere paden kan volgen.

Stroomsterkte (I): De stroom die uit de spanningsbron komt, verdeelt zich over de parallel geschakelde onderdelen. De totale stroom is de som van de stromen door de afzonderlijke paden. I_{bron}=I_1+I_2+I_3I_{bron}=I_1I_2+I_3I_{bron}=I_1=I_2+I_3I_{bron}=I_1=I_2I_3I_{bron}=I_1=I_2=I_3I_{bron}=I_1=I_2I_3

Spanning (U): De spanning is overal gelijk over de parallel geschakelde onderdelen. Elk apparaat ontvangt de volle bronspanning. U_{bron}=U_1=U_2=U_3{}U_{bron}=U_1U_2=U_3{}U_{bron}=U_1+U_2=U_3{}U_{bron}=U_1+U_2U_3{}

Werking: Als één onderdeel in een parallelschakeling kapotgaat of wordt uitgeschakeld, blijven de andere onderdelen werken, omdat de andere stroompaden intact blijven. (Denk aan de elektrische installatie in huis.)

Spanningsbronnen in serie schakelen

Spanningsbronnen, zoals batterijen, kunnen ook in serie worden geschakeld om een hogere totale spanning te creëren. De spanningen tellen dan op.

Stel elke batterij levert 2,5 V:

Tussen A en B: De drie batterijen zijn correct in serie geschakeld (minpool aan pluspool, etc.). De totale spanning is

Tussen C en D: Eén batterij is omgedraaid. De spanningen tellen op, maar de omgedraaide batterij telt negatief. Als C en D de uiteinden zijn van (2,5V)-(2,5V)-(2,5V omgedraaid), dan is de spanning .

Tussen E en F: Spanning tussen E-F is 0 V. De punten E en F zijn verbonden.

Gemengde schakelingen

Het is ook mogelijk om gemengde schakelingen te maken, waarbij serieschakelingen en parallelschakelingen gecombineerd worden.

Bij het analyseren van gemengde schakelingen moet je de regels voor serie- en parallelschakelingen toepassen op de relevante delen van de schakeling.