Fundamental · Oplossingen · 18. De elektrische kring StemExpert · Brecht Corbeel · schoolium.me
SE
StemExpert
F18. De elektrische kring — oplossingen
FFundamental · deel F5 · Elektriciteit
Oplossingen · hoofdstuk 18De elektrische kring
Bron, verbruiker, draad en schakelaar: van zaklamp tot trappenhuis
Uitgewerkte oplossingen bij de 15 opdrachten van het werkboek. Voor de leerkracht, en voor wie zichzelf wil verbeteren nadat hij het eerst zelf probeerde.
Waarom is een snoer gemaakt uit twee verschillende soorten materiaal?
De koperen kern moet de stroom geleiden; de kunststof mantel isoleert, zodat je het snoer kan vastnemen en de draden elkaar niet raken (geen kortsluiting).
18.3
Van opstelling naar schema
Oefenen2Tekenen12 min
Een leerling bouwt een alarm met licht en geluid: een batterij, een schakelaar, een lamp en een zoemer.
De opstelling, zoals ze op tafel ligt.
a
Teken het schakelschema met de juiste symbolen.
Eén lus: cel (of batterij), schakelaar, lamp en zoemer achter elkaar, met rechte draden. De volgorde van schakelaar, lamp en zoemer mag verschillen, zolang alles in één lus zit.
b
Wat gebeurt er met de lamp als de zoemer stukgaat (de kring door de zoemer is onderbroken)? Leg uit.
De lamp gaat ook uit: alles zit in één kring, en die is nu open. Er loopt nergens meer stroom.
18.4
Brandt het lampje?
Oefenen2Begrijpen12 min
Zes kringen, telkens met één cel. Let op de standen van de schakelaars en op de knooppunten.
Zes kringen A tot F.
a
Vul de tabel in.
A: ja, gesloten kring door de lamp. B: nee, de schakelaar is open. C: nee, kortsluiting: de draad naast de lamp is een weg zonder verbruiker; de cel wordt warm. D: nee, de led staat omgekeerd: ze laat alleen stroom door in de richting van het driehoekje. E: nee, plastic is een isolator: de kring is open. F: ja, de draad onder de schakelaar overbrugt de open schakelaar: de lamp brandt, maar de schakelaar werkt niet meer.
18.5
Welke schakelaar?
Oefenen2Begrijpen8 min
Schakelaar, drukknop met maakcontact, drukknop met verbreekcontact of wisselschakelaar?
a
Vul in.
(a) drukknop, maakcontact; (b) schakelaar; (c) drukknop, verbreekcontact (de dichte deur duwt de knop in en opent de kring); (d) twee wisselschakelaars; (e) drukknop, maakcontact; (f) drukknop, verbreekcontact.
Toepassen
Toepassen
meerdere stappen, in een context
18.6
Labo: de testkring
Toepassen3Labo40 min
Bouw de testkring uit het handboek en onderzoek minstens tien voorwerpen of stoffen uit je omgeving: ook dingen die je niet zeker weet, zoals een sleutel met een plastic kop, een blikje (met en zonder verf), een stuk krijt of een blad van een plant.
a
Teken het schema van je testkring.
Cel of platte batterij, lampje en twee klemmen in één lus, met de ruimte voor het testvoorwerp tussen de klemmen.
b
Noteer je resultaten.
Bijvoorbeeld: sleutel (metaal) geleidt, de plastic kop niet; krijt geleidt niet; een vers blad geleidt heel zwak (led gloeit soms zwak).
c
Een blikje met verf: waar moet je de klemmen zetten om te zien of het metaal geleidt? Wat leer je daaruit over verf?
Op de verf geleidt het niet; op een geschraapt stukje of aan de open rand, waar het blanke metaal bloot ligt, wel. Verf en lak zijn isolatoren: daarom moet je een contact altijd blank maken.
Metalen en grafiet zijn geleiders; kunststof, glas, droog hout, krijt en verf zijn isolatoren; vochtige stoffen geleiden een beetje.
Zo wordt dit beoordeeld
Schema
Bron, lampje (of led) en twee klemmen in één lus; correcte symbolen.
Werkwijze
Kring eerst getest door de klemmen tegen elkaar te houden; lampje én led gebruikt bij twijfel.
Resultaten
Minstens tien voorwerpen, met het materiaal erbij.
Besluit
Metalen en grafiet geleiden; kunststof, glas, hout niet; verf en lak isoleren.
18.7
Foutenjacht in een schema
Toepassen3Analyseren15 min
Een leerling tekende het schema van een lamp en een motor die samen met één schakelaar aan en uit gaan. Er zitten vier fouten in.
Het schema van de leerling.
a
Zoek de vier fouten. Welke zijn tekenfouten, welke zorgen ervoor dat de kring niet werkt zoals bedoeld?
(1) De draad van de bron naar de schakelaar loopt schuin: tekenfout, gebruik rechte lijnen. (2) De lamp is een cirkel zonder kruis: fout symbool (een cirkel zonder kruis kan ook een meter zijn). (3) De draad onder de motor is onderbroken: de kring is open, er loopt nergens stroom. (4) De zekering F1 staat parallel over de schakelaar, in plaats van in serie: de stroom kan om de schakelaar heen, dus S1 kan niets uitzetten, en de zekering beschermt niet de hele kring.
b
Teken het schema correct.
Eén lus met rechte draden: bron, F1, S1, lamp (cirkel met kruis) en M1 achter elkaar, de zekering vlak na de pluspool, zonder onderbrekingen.
18.8
Kortsluiting!
Toepassen3Begrijpen15 min
Twee lampen L1 en L2 staan in serie. Over L2 hangt een drukknop D. A en B zijn twee punten op de draden bij de bron.
Twee lampen in serie, met een drukknop over L2.
a
D is niet ingedrukt. Welke lampen branden?
Beide: de stroom gaat door L1 en L2 (ze branden allebei, eerder zwak, want ze delen de 'duw' van de bron; hoofdstuk 20).
b
Je drukt op D. Wat gebeurt er met L1 en met L2? Leg uit.
L2 gaat uit: de stroom neemt de weg door de drukknop, buiten L2 om (L2 is kortgesloten). L1 blijft branden, en zelfs feller: er zit nu nog maar één lamp in de kring.
c
Iemand legt een draad van A naar B. Wat gebeurt er? Waarom is dat gevaarlijk?
De bron wordt kortgesloten: er is een weg van + naar − zonder één verbruiker. Beide lampen gaan uit, en er loopt een heel grote stroom door de draad en de bron: die worden heet, en de bron kan beschadigd raken of (bij een lithiumbatterij) vuur vatten.
d
Waar zou jij een zekering in deze kring zetten?
Vlak na de pluspool, in serie, vóór punt A: dan onderbreekt ze ook een kortsluiting tussen A en B.
18.9
Zekering: waar en waarom?
Toepassen3Begrijpen12 min
Voor de zekering van deze kring op 12 V zijn er drie voorstellen: plaats A, B of C.
Drie mogelijke plaatsen voor de zekering (gestreepte kaders).
a
Welke plaats is de beste? Leg uit.
A: in serie, vlak na de pluspool. Alles wat erna komt (schakelaar, draden, lamp) is beveiligd.
b
Wat gebeurt er als je de zekering op plaats C zet? Werkt de lamp dan?
Op C staat de zekering parallel over de lamp: ze is een weg zonder verbruiker, dus een kortsluiting over de lamp. De lamp brandt niet, er loopt meteen een grote stroom door de zekering, en die brandt door. Daarna brandt de lamp wel, maar zonder beveiliging.
c
Op B werkt de zekering ook, maar minder goed. Geef een voorbeeld van een kortsluiting die ze op B niet zou opmerken.
Bijvoorbeeld: een beschadigd snoer waarbij de draad van de pluspool (tussen de bron en de schakelaar) de minleiding raakt links van B, tussen B en de minpool. De kortsluitstroom loopt dan niet door B, en B merkt niets.
d
De zekering is doorgebrand. Een klasgenoot wil er een stukje koperdraad in plaats van steken. Wat antwoord je?
Nooit doen: koperdraad smelt pas bij een veel grotere stroom, en dan zijn de draden al heet. Zoek eerst waarom de zekering doorbrandde, en vervang ze door een zekering met dezelfde waarde.
18.10
EN, OF of allebei?
Toepassen3Analyseren15 min
In deze kring staat S1 in serie met twee schakelaars S2 en S3 die parallel staan.
Drie schakelaars en een lamp.
a
Vul de tabel in voor alle acht combinaties (0 = open, 1 = dicht).
De lamp is alleen aan in de laatste drie rijen: 1-0-1, 1-1-0 en 1-1-1. In alle rijen met S1 = 0 is ze uit, en ook bij 1-0-0.
b
Schrijf de regel in één zin met EN en OF.
De lamp brandt als S1 dicht is EN (S2 OF S3) dicht is.
c
Bedenk een toepassing: wat kunnen S1, S2 en S3 in het echt zijn?
Bijvoorbeeld een pomp: S1 is een hoofdschakelaar, S2 een knop 'nu water geven' en S3 een contact van een timer. Of een alarm: S1 is 'alarm ingeschakeld', S2 en S3 zijn contacten aan een deur en een raam.
18.11
De trappenhuisschakeling afwerken
Toepassen3Tekenen20 min
De onderdelen van een trappenhuisschakeling liggen klaar. De rode puntjes zijn de aansluitingen.
Bron, W1, W2 en lamp, zonder draden.
a
Teken de draden, zodat je de lamp met W1 en met W2 kan bedienen.
Bron (+) naar het gemeenschappelijke contact van W1 (links); bovenste uitgang W1 naar bovenste uitgang W2 (schakeldraad 1); onderste uitgang W1 naar onderste uitgang W2 (schakeldraad 2); gemeenschappelijk contact van W2 naar de lamp; lamp terug naar de bron (−). Zie de figuur 'De trappenhuisschakeling' in het handboek.
Een elektricien verbindt per ongeluk de bron met een uitgang van W1 in plaats van met het gemeenschappelijke contact. Wat merk je?
Dan hangt de bron vast aan één schakeldraad, en W1 werkt niet meer als keuzeschakelaar. De lamp brandt alleen als W2 die ene draad kiest; met W1 kan je de lamp in de ene stand niet meer aan- of uitzetten. De schakeling doet het dus maar half.
Uitdagen
Uitdagen
transfer, open problemen, leerlijnen combineren
18.12
Habitat: het schema van de meetkas uitbreiden
Uitdagen4Habitat40 min
Naast de ledstrip komt het waterpompje (12 V) op dezelfde voeding. Eisen: (1) één 12 V-voeding buiten de kas, met één hoofdzekering vlak na de pluspool; (2) de ledstrip heeft een eigen schakelaar; (3) het pompje draait alleen als de pompschakelaar dicht is én een vlotterschakelaar in het reservoir meldt dat er genoeg water is (een pomp die droog draait, gaat stuk); (4) een groene led met voorschakelweerstand brandt zolang de voeding aan staat; (5) ledstrip en pompje werken los van elkaar.
a
Teken het schakelschema. Geef elk onderdeel een naam (F1, S1, S2, ...).
Voeding + → F1 → knooppunt. Vanuit dat knooppunt drie takken naar de minleiding: (1) S1 → ledstrip; (2) S2 (pompschakelaar) → vlotterschakelaar S3 → pompje (motorsymbool M1); (3) weerstand → groene led. Alle takken komen samen in de minleiding, terug naar de minpool van de voeding.
b
Hoe zorg je ervoor dat ledstrip en pompje los van elkaar werken? Waar in het schema zie je dat?
Elke verbruiker krijgt een eigen tak tussen de plus- en de minleiding, met zijn eigen schakelaar. Zo onderbreekt S1 alleen de ledstrip. In hoofdstuk 20 leer je dat dit een parallelschakeling is.
c
Welke schakelaars vormen een EN? Wat gebeurt er als het reservoir leeg raakt terwijl de pomp draait?
S2 en de vlotterschakelaar staan in serie: het pompje draait alleen als beide dicht zijn (EN). Raakt het reservoir leeg, dan opent de vlotterschakelaar en stopt het pompje, ook al staat S2 nog dicht.
d
Noteer in je portfolio: waarom staat de hoofdzekering vóór de eerste splitsing?
Zo gaat alle stroom van de hele kas door de hoofdzekering: een kortsluiting in eender welke tak wordt opgemerkt.
Zo wordt dit beoordeeld
Symbolen en tekenregels
IEC-symbolen, rechte draden, knooppunten bij elke splitsing, namen bij de onderdelen.
Veiligheid
Voeding buiten de kas; hoofdzekering vlak na de pluspool, vóór de eerste splitsing.
Logica
Pompschakelaar en vlotterschakelaar in serie met het pompje (EN); ledstrip en pompje elk in een eigen tak.
Statuslampje
Led met voorschakelweerstand in een eigen tak na de hoofdzekering, zonder schakelaar.
18.13
Ontwerp: een alarm voor een doos
Uitdagen4Ontwerpen40 min
Je wil weten of iemand een doos opent. Een zoemer moet klinken zolang het deksel open is. Je hebt een batterij, een zoemer, een schakelaar en een drukknop (maak- of verbreekcontact, naar keuze). Het alarm moet ook uitgezet kunnen worden, zodat jij de doos kan openen zonder lawaai.
a
Welke drukknop kies je, en hoe plaats je hem zodat het deksel hem indrukt? Leg uit.
Een verbreekcontact: het gesloten deksel drukt de knop in, de kring is open. Gaat het deksel open, dan komt de knop vrij en sluit hij de kring.
b
Teken het schakelschema.
Eén lus: batterij, schakelaar (aan/uit van het alarm), drukknop met verbreekcontact en zoemer in serie.
c
Maak een tabel van alle standen (schakelaar open/dicht, deksel open/dicht) en wat de zoemer doet.
Schakelaar open: nooit geluid. Schakelaar dicht en deksel dicht: stil. Schakelaar dicht en deksel open: de zoemer klinkt.
d
Bouw het alarm en test het. Wat zou je verbeteren?
Bijvoorbeeld: een lampje in serie of parallel erbij, de schakelaar verstoppen of vervangen door een sleutelschakelaar, een zoemer die zuinig is.
Zo wordt dit beoordeeld
Keuze drukknop
Verbreekcontact dat door het gesloten deksel ingedrukt wordt, met uitleg.
Schema
Batterij, schakelaar, drukknop en zoemer in één lus (EN), correcte symbolen.
Tabel
Vier standen, alleen 'schakelaar dicht én deksel open' geeft geluid.
In de proef geleidde zout water beter dan kraanwater. Hangt de geleiding af van hoeveel zout er in het water zit? Gebruik de testkring met de led, of vraag je docent een multimeter in te stellen die de stroom meet (hoofdstuk 19).
a
Formuleer een onderzoeksvraag en een hypothese.
Bv. 'Hoe hangt de stroom door zout water af van de hoeveelheid opgelost zout?' Hypothese: hoe meer zout, hoe groter de stroom.
b
Welke variabele verander je, wat meet je, en wat hou je gelijk? Noem er minstens drie die je gelijk houdt.
Veranderen: de hoeveelheid zout per liter. Meten: de helderheid van de led of de stroom. Gelijk houden: dezelfde klemmen, dezelfde afstand tussen de klemmen, even diep in het water, dezelfde batterij, dezelfde hoeveelheid water, dezelfde temperatuur.
c
Maak oplossingen van 0, 5, 10, 20 en 40 g zout per liter (hoofdstuk 8) en meet.
Typisch: bij 0 g/L (gedestilleerd) niets; met meer zout steeds meer stroom, eerst snel stijgend, bij veel zout minder snel.
d
Formuleer een besluit. Test daarna suikerwater met 40 g suiker per liter. Wat valt op?
Hoe meer zout, hoe beter het water geleidt: de opgeloste zouten dragen de lading. Suikerwater geleidt niet beter dan zuiver water: suiker lost wel op, maar vormt geen geladen deeltjes. Daarom meet men in de hydroponie de hoeveelheid voedingszout met de geleiding (hoofdstuk I13).
18.15
Een lamp van drie plaatsen
Uitdagen4Tekenen25 min
Een lange gang heeft drie deuren. Aan elke deur wil je dezelfde lamp kunnen aan- en uitzetten. Je hebt twee wisselschakelaars en één kruisschakelaar. Een kruisschakelaar heeft vier aansluitingen: in stand 1 verbindt hij de draden rechtdoor, in stand 2 kruist hij ze.
De twee standen van een kruisschakelaar.
a
Teken het schema: waar komt de kruisschakelaar?
De kruisschakelaar komt tussen de twee wisselschakelaars, in de twee schakeldraden: W1 → twee draden → kruisschakelaar → twee draden → W2 → lamp.
b
Hoeveel standen heeft de schakeling in totaal? Ga er vier na, en leg uit waarom elke schakelaar de lamp omzet.
Er zijn 2 × 2 × 2 = 8 standen. Denk aan de twee schakeldraden: W1 zet de stroom op één ervan, de kruisschakelaar laat die draad rechtdoor lopen of wisselt ze om, en W2 kiest één van de twee. De lamp brandt als W2 de draad kiest waarop de stroom aankomt. Voorbeeld: W1 boven, kruis recht, W2 boven: aan. Kruis gekruist: de stroom komt op de onderste draad aan, W2 kiest de bovenste: uit. Daarna W2 onder: aan. Daarna W1 onder: uit. Welke schakelaar je ook omzet, de stroom komt op de andere draad aan of W2 kiest de andere draad: de lamp verandert telkens.
c
Hoeveel kruisschakelaars heb je nodig voor een lamp die je van vijf plaatsen wil bedienen?
Drie: twee wisselschakelaars en daartussen drie kruisschakelaars (aantal plaatsen min twee).
