5.4 Eenvoudige elektrische schakeling bestaande uit weerstanden en een batterij

Blok 1: Opbouw en werking van een eenvoudige elektrische schakeling

Componenten van de schakeling

Definitie

Een eenvoudige elektrische schakeling is een elektrisch systeem bestaande uit een spanningsbron (zoals een batterij), geleidende verbindingsdraden en minstens één weerstand. In haar gesloten vorm laat deze schakeling een continue elektrische stroom toe. De standaardnotatie voor een dergelijke schakeling bestaat uit symbolen: de spanningsbron wordt voorgesteld door “| |”, de geleidende draad door een rechte lijn en de weerstand door het symbool "R".

Belangrijke concepten

De schakeling wordt opgebouwd uit drie kritische componenten:

1. Spanningsbron (batterij): - Notatie: twee parallelle lijnen waarvan de langere lijn de positieve pool en de kortere lijn de negatieve pool voorstelt (“| |”). - Functie: voorziet de schakeling van een elektrische spanning (U), waardoor ladingen onder invloed van het elektrisch veld door de stroomkring bewogen worden. De batterij levert effectieve energie aan de ladingen.

2. Geleidende draad (verbindingsdraad): - Wordt weergegeven als rechte lijnen tussen componenten, vaak genummerd als (1) om verwijzing binnen een schema mogelijk te maken. - Functie: vormt de verbinding tussen de batterij en andere componenten. De geleidende draad zelf heeft een verwaarloosbare weerstand, zodat het spanningsverlies hierop praktisch nul is.

3. Weerstand (R): - Notatie: een rechthoekig blokje of strakke zigzaglijn, aangeduid met de letter "R". - Functie: beperkt de grootte van de elektrische stroomsterkte (I) die door de schakeling vloeit. De weerstand oefent een remmende werking uit op de vrije elektronenstroming en zet gedeeltes van de elektrische energie om in warmte via het joule-effect.

Formules en berekeningen

De belangrijkste formules die van toepassing zijn op deze schakeling:

• Wet van Ohm: $U = R \times I$ _U_ is de spanning over de weerstand (in volt), _R_ de weerstand (in ohm), _I_ de stroomsterkte (in ampère).

• Vermogen ontwikkeld in de weerstand: $P = U \times I = I^2 \times R = \frac{U^2}{R}$ Dit geeft het vermogen aan dat door de weerstand als warmte wordt gedissipeerd.

• Energieomzetting: De elektrische energie die door de batterij geleverd wordt, wordt door de weerstand omgezet in warmte: $E = P \times t$ waarbij _t_ de tijdsduur is.

Praktijkvoorbeelden

Voorbeeld 1: Stroomsterkte door een weerstand Een batterij van 9 volt is aangesloten op een weerstand van 180 Ω. Bepaal de stroomsterkte:

Toepassing van de wet van Ohm: $I = \frac{U}{R} = \frac{9\ \mathrm{V}}{180\ \Omega} = 0{,}050\ \mathrm{A} = 50\ \mathrm{mA}$

Voorbeeld 2: Warmteontwikkeling Dezelfde schakeling als hierboven werkt 15 minuten onafgebroken. Hoeveel warmte wordt er in totaal geproduceerd in de weerstand?

Eerst bepaal je het vermogen: $P = U \times I = 9\,\mathrm{V} \times 0{,}050\,\mathrm{A} = 0{,}45\,\mathrm{W}$

De omgezette energie na 15 minuten (900 s): $E = P \times t = 0{,}45\,\mathrm{W} \times 900\,\mathrm{s} = 405\,\mathrm{J}$

Veel gemaakte fouten

• Verkeerde stroomrichtingsaanduiding: Studenten geven vaak de elektronenstroomrichting aan (van – naar +), terwijl conventioneel de stroomrichting loopt van de positieve pool van de batterij, via de weerstand, terug naar de negatieve pool.

• Verwaarlozen van spanningsverliezen buiten de weerstand: Bij gebruik van ideale geleidende draden kan de spanning over de draden genegeerd worden, maar indien draden niet als ideaal worden beschouwd kan dit tot fouten bij het bepalen van spanningen en energiebalansen leiden.

• Onjuiste toepassing van het vermogen: Studenten vergeten regelmatig onderscheid te maken tussen geleverd vermogen door de batterij en opgenomen vermogen door de weerstand, vooral indien er andere componenten aanwezig zouden zijn (bijvoorbeeld meerdere weerstanden).

Weergave van de stroomkring en richting van stroom

Definitie

De elektrische stroomkring is gesloten wanneer alle componenten via geleidende draden verbonden zijn, zodat ladingen continu kunnen circuleren vanaf de positieve pool van de batterij, door de weerstand, terug naar de negatieve pool. De stroomsterkte (I) geeft de hoeveelheid lading aan die per tijdseenheid door een bepaald punt van de stroomkring passeert.

Belangrijke concepten

• Gesloten kring: Enkel in een gesloten schakeling kan er continu stroom vloeien. Wordt de kring onderbroken (open contact), dan stopt de stroom onmiddellijk.

• Stroomrichting: De pijl die de stroomrichting aanduidt, begint aan de positieve pool van de spanningsbron. Deze pijl loopt via het aansluitdraad naar de weerstand, vervolgens via een tweede draad terug naar de negatieve pool van de batterij.

• Symboolgebruik: In schema’s wordt I als variabele aangeduid langs de pijl die de stroomrichting visualiseert.

Formules en berekeningen

De waarde van de stroomsterkte wordt ook hier vastgelegd door de wet van Ohm:

waarbij U de spanning over de weerstand is en R de waarde van de weerstand.

Praktijkvoorbeelden

Voorbeeld 1: Richting van de stroom aangeven Teken een schakeling met een batterij, twee verbindingsdraden (1 en 2) en een weerstand R. Duid op het schema met een pijl de stroomrichting aan en label de stroomsterkte als I.