Elektriciteit en magnetisme

Waarom dit ertoe doet

Een lampje laten branden met een batterij en een paar draadjes is een klassieker in de lagere school, en het is een ideaal onderwerp voor onderzoekend leren. De minimumdoelen van de derde graad vragen dat leerlingen de elektrische schakeling en stroomkring, geleiders en isolatoren en de symbolen voor een eenvoudige schakeling kennen (energiebron, verbruiker, geleider, schakelaar), met de begrippen spanning en stroomsterkte 1. In de tweede graad staat magnetisme op het programma: polen, noordpool en zuidpool, magnetische kracht, magnetisch veld, kompas en de aarde als magneet 1.

Elektrische stroom en de stroomkring

Elektrische stroom is het transport van elektrische lading. In een metalen draad gebeurt dat doordat elektronen door de geleider bewegen 2.

Stroom kan alleen lopen in een gesloten stroomkring: er moet een ononderbroken weg zijn waarlangs de stroom van de ene pool van de bron via de verbruiker terug naar de andere pool kan 3.

• Gesloten kring: de kring is rond, er loopt stroom, het lampje brandt.
• Open kring: de kring is ergens onderbroken (draad los, schakelaar open, lampje kapot): er loopt geen stroom.

Een eenvoudige stroomkring bestaat uit vier soorten onderdelen:

Schakelsymbolen

Om een schakeling eenvoudig en eenduidig te tekenen, gebruikt men schakelsymbolen. Internationaal zijn die vastgelegd in een norm (IEC 60617) 4. De symbolen die de minimumdoelen vragen 1:

Andere veelgebruikte symbolen zijn een cirkel met een M (motor) en een cirkel met een V of A (voltmeter, ampèremeter). In een schakelschema teken je verbindingen altijd als rechte lijnen met rechte hoeken; de tekening hoeft er niet uit te zien als de echte opstelling.

Geleiders en isolatoren

• Een geleider laat elektrische stroom goed door. Metalen hebben een hoge elektrische geleiding 5: koper, ijzer, aluminium, zilver, goud. Ook grafiet (de stift van een potlood) is een relatief goede geleider, hoewel het geen metaal is 6.
• Een isolator blokkeert elektrische stroom, omdat de weerstand van het materiaal zeer hoog is 7: kunststof, rubber, glas, porselein, droog hout, papier, lucht.

Isolatoren zijn essentieel voor de veiligheid: elektrische draden hebben een koperen kern (geleider) en een kunststof mantel (isolator) 7.

Spanning en stroomsterkte

• Spanning (symbool U) is als het ware de "duw" die de bron aan de stroom geeft. De eenheid is de volt (V) 8. Je meet ze met een voltmeter 8. Een gewone batterij levert enkele volt; het stopcontact thuis levert een netspanning van ongeveer 230 V (tussen 220 en 240 V) 9.
• Stroomsterkte (symbool I) is hoeveel elektrische lading er per seconde door de draad stroomt. De eenheid is de ampère (A), een van de SI-basiseenheden 10,2. Je meet ze met een ampèremeter (stroommeter) 2.

Serie- en parallelschakeling

Dit staat niet expliciet in de minimumdoelen, maar je hebt het nodig om vragen van leerlingen te beantwoorden.

• Serieschakeling: de lampjes staan na elkaar in één kring. Door elk lampje gaat dezelfde stroom; de spanning wordt over de lampjes verdeeld 11. Valt één lampje uit, dan is de kring open en gaan alle lampjes uit. Bij kerstboomverlichting worden vaak veel lampjes in serie geschakeld 11.
• Parallelschakeling: elk lampje heeft een eigen aftakking naar de bron. Over elk lampje staat dezelfde spanning; de stroom wordt verdeeld 12. Valt één lampje uit, dan blijven de andere branden. De stopcontacten en lampen in een huis zijn parallel geschakeld.

Veiligheid

• Een kortsluiting is een verbinding met een zeer lage weerstand die normaal niet aanwezig is. Worden de polen van een spanningsbron kortgesloten, dan gaat er een zeer grote stroom lopen 13; draden worden heet en er kan brand ontstaan. Een zekering of installatieautomaat onderbreekt de stroom bij kortsluiting 13.
• Experimenteer in de klas alleen met batterijen, nooit met het stopcontact (ongeveer 230 V is levensgevaarlijk) 9.
• Verbind de twee polen van een batterij nooit rechtstreeks met een draad.
• Lege batterijen horen niet bij het restafval: lever ze in bij een inzamelpunt, zodat ze gerecycleerd kunnen worden 14.

Magnetisme

Een magneet is een voorwerp dat een magnetisch veld opwekt 15. Kenmerken:

• Een magneet heeft twee polen, een noordpool en een zuidpool, waar de magnetische werking het sterkst is 15.
• Gelijke polen stoten elkaar af, ongelijke polen trekken elkaar aan 15.
• Een magneet trekt ijzer, nikkel en kobalt aan (en legeringen zoals staal), maar niet koper, aluminium, hout of kunststof 15.
• Het magnetisch veld is de zone rond de magneet waarin de magnetische kracht werkt. Je kan het zichtbaar maken met ijzervijlsel op een blad papier boven de magneet 16. De magnetische kracht werkt ook door papier, hout of water heen.
• Ook een elektrische stroom wekt een magnetisch veld op: een spoel van koperdraad om een ijzeren kern wordt een elektromagneet zolang er stroom door loopt 17.

Het kompas en de aarde als magneet

De aarde gedraagt zich als een grote magneet: ze is omringd door het aardmagnetisch veld 18. Een kompas bestaat uit een vrij draaibare magneetnaald die zich onder invloed van het aardmagnetisch veld richt, zodat ze het magnetische noorden aanwijst 19.

Samengevat

• Stroom loopt alleen in een gesloten stroomkring: bron, geleiders, verbruiker en terug naar de andere pool. Een schakelaar opent of sluit de kring.
• Schakelsymbolen: batterij (lang dun streepje = plus, kort dik = min), lamp (cirkel met kruis), draad (rechte lijn), schakelaar (open of gesloten).
• Geleiders (metalen, grafiet) laten stroom door; isolatoren (kunststof, rubber, glas, droog hout, lucht) niet.
• Spanning in volt (V), stroomsterkte in ampère (A). Stopcontact: ongeveer 230 V, dus nooit mee experimenteren.
• In serie gaan alle lampjes uit als er één uitvalt; parallel blijven de andere branden.
• Een magneet heeft een noord- en een zuidpool; gelijke polen stoten af, ongelijke trekken aan. Alleen ijzer, nikkel en kobalt worden aangetrokken.
• De aarde is een grote magneet; de noordpool van een kompasnaald wijst naar het (magnetische) noorden.