Natuurkunde basisschool en onderbouw · Grades 1–9
22Geleiders en isolatoren
Waarom zijn elektriciteitsdraden van metaal gemaakt — maar in plastic gekleed? Waarom geleidt het bruggetje van de schakelaar de stroom, terwijl zijn omhulsel je vingers veilig houdt? Vorig jaar sloten we lussen; dit jaar vragen we door welke materialen elektriciteit überhaupt kan reizen. Het antwoord sorteert elk materiaal in twee soorten: geleiders en isolatoren.
22.1 De tester
Methode 22.1 (Een tester bouwen)
Bouw de lus van vorig jaar — batterij, draadjes, lampje — maar laat er met opzet één onderbreking in: twee vrije draadeinden, een vingerbreedte uit elkaar.
- raak de twee vrije einden aan elkaar: het lampje brandt — de tester werkt;
- overbrug de onderbreking met het voorwerp dat je onderzoekt, met een metalen uiteinde stevig tegen elk draadje;
- kijk naar het lampje: licht betekent dat de elektriciteit het voorwerp is overgestoken; donker betekent dat het niet lukte.
Het lampje geeft het antwoord: het brandt precies dan als het onderzochte voorwerp de lus sluit.
22.2 Geleiders en isolatoren
Definitie 22.2 (Geleider)
Een geleider is een materiaal dat elektriciteit erdoorheen laat reizen. In de tester sluit een geleider die de onderbreking overbrugt de lus, en brandt het lampje.
Definitie 22.3 (Isolator)
Een isolator is een materiaal dat elektriciteit tegenhoudt. De onderbreking met een isolator overbruggen laat de lus net zo open als daarvoor: het lampje blijft donker.
Voorbeeld 22.4 (Een ochtend proeven)
Uitslagen van een tester in de klas: een stalen paperclip — licht. Een muntje — licht. Aluminiumfolie — licht. Een sleutel — licht. Een plastic liniaal — donker. Een houten potlood — donker. Een glazen knikker — donker. Een rubberen gum — donker. Een strookje papier — donker. Het patroon springt eruit: de voorwerpen die het lampje laten branden zijn allemaal van metaal.
Propositie 22.5 (Metalen geleiden)
Alle metalen geleiden elektriciteit — ijzer, koper, aluminium, goud, stuk voor stuk, en daarom verraste de kieskeurigheid van de magneet over ijzer ons wel, maar zal de tester dat nooit doen. De meeste andere alledaagse vaste stoffen — plastic, hout, glas, rubber, papier, was — zijn isolatoren.
Opmerking 22.6 (Geleider is niet magnetisch)
Verwar de twee talenten van metaal niet. De magneet kiest alleen ijzer en zijn familie; de elektrische stroom is veel minder kieskeurig en reist door elk metaal. Het aluminiumfolie dat je magneet negeerde, draagt de stroom prachtig — twee verschillende spellen, twee verschillende regels.
22.3 Geleiders en isolatoren werken samen
Voorbeeld 22.7 (Anatomie van een draad)
Kijk naar het uiteinde van de kabel van een lamp waar hij de stekker in gaat: binnenin loopt glanzend koper — een geleider, de weg van de stroom; eromheen zit gekleurd plastic gewikkeld — een isolator, het hek langs die weg. Het koper doet het werk; het plastic houdt de stroom binnen en jouw vingers buiten. Elke kabel in je huis combineert de twee: een geleider in een isolator.
Voorbeeld 22.8 (Alledaagse voorwerpen lezen)
Nu verklaren veel ontwerpen zichzelf. De schakelaar: een metalen bruggetje (dat moet stroom dragen) in een plastic behuizing (jouw vinger niet). De schroevendraaier van de elektricien: stalen blad, dikke isolerende greep. Het stopcontact: metaal diep binnenin, plastic aan de buitenkant. Hoogspanningsmasten dragen blote metalen kabels hoog buiten bereik, hangend aan lange isolerende schijven zodat de stroom niet in de mast kan weglekken.
Opmerking 22.9 (Water, mensen, en waarom er regels zijn)
Er moet nog één geleider genoemd worden: vochtige dingen — waaronder vochtige mensenhuid. Wij geleiden slecht, maar het stopcontact duwt zo machtig dat slecht ruimschoots genoeg is. Dat is de diepe reden achter de veiligheidsregels die je kent: prik nooit in stopcontacten, raak nooit iets elektrisch aan met natte handen, en houd föhns ver van het bad. De batterijtester is veilig doordat de duw van een batterij minuscuul is; het stopcontact vergeeft niets.
22.4 Oefeningen
Oefening 22.1 ★
Wat is een geleider? En een isolator? Welke van de twee laat het lampje van de tester branden?
Oefening 22.2 ★
Sorteer in geleiders en isolatoren: een stalen lepel; een kurk; aluminiumfolie; een glas; een koperen muntje; een plastic bouwsteentje.
Oplossing
Oplossing van Oefening 22.2.
Geleiders: de stalen lepel, het aluminiumfolie, het koperen muntje. Isolatoren: de kurk, het glas, het plastic bouwsteentje.
Oefening 22.3 ★
Hoe controleer je vóór elke proef of de tester zelf werkt? Waarom is die controle belangrijk?
Oefening 22.4 ★
Een onderzocht voorwerp laat het lampje donker. Geef twee mogelijke redenen — één over het voorwerp, één over slordig testen.
Oplossing
Oplossing van Oefening 22.4.
Of het voorwerp is een isolator — of er is slordig getest: een draadeinde dat verf, lak of vuil raakt in plaats van stevig tegen het blote materiaal van het voorwerp te drukken (of een verbinding is losgeraakt).
Oefening 22.5 ★
Waarom is een lampkabel vanbinnen koper en vanbuiten plastic? Welke taak heeft elk materiaal?
Oplossing
Oplossing van Oefening 22.5.
Het koper geleidt: het is de weg van de stroom naar de lamp. Het plastic isoleert: het houdt de stroom in de draad en vingers veilig erbuiten.
Oefening 22.6 ★
Welk deel van een schakelaar is een geleider en welk een isolator? Waarom heeft hij allebei nodig?
Oplossing
Oplossing van Oefening 22.6.
Het metalen bruggetje geleidt — het moet de lus sluiten als de schakelaar aanstaat. De behuizing isoleert — er drukken de hele dag vingers op. Zonder bruggetje geen licht; zonder behuizing geen veiligheid.
Oefening 22.7 ★
Aluminiumfolie negeert een magneet volkomen. Laat het het lampje van de tester branden? Welke regel geeft het antwoord, en voor welke verwarring waarschuwt Opmerking 22.6?
Oplossing
Oplossing van Oefening 22.7.
Ja — aluminium is een metaal, en alle metalen geleiden. De waarschuwing: magnetisch zijn en geleiden zijn verschillende talenten; de alleen-ijzerregel van de magneet zegt niets over geleiden.
Oefening 22.8 ★
Een potlood is hout met een grafietstift. De tester van Nino blijft donker over het gelakte hout, maar brandt zwakjes van punt tot punt door het geslepen grafiet. Wat heeft Nino over de twee materialen van het potlood ontdekt?
Oefening 22.9 ★
Waarom hebben schroevendraaiers en tangen van elektriciens dikke plastic grepen? Welk materiaal beschermt wie?
Oplossing
Oplossing van Oefening 22.9.
De isolator beschermt de mens: raakt het metaal van het gereedschap ooit iets elektrisch, dan houdt de dikke plastic greep de stroom tegen op weg naar de hand.
Oefening 22.10 ★★
Een halsketting van schakels geeft “licht” in de tester; een ketting van houten kralen geeft “donker”; een ketting van metalen kralen die op een dik katoenen koord geknoopt zitten geeft ook “donker” — terwijl elke kraal geleidt! Verklaar het derde resultaat door de weg van de stroom van kraal tot kraal te volgen.
Oplossing
Oplossing van Oefening 22.10.
De stroom moet de hele weg afleggen. In de schakelketting raakt de ene metalen schakel de andere: een volledige metalen weg. In de kralenketting ligt tussen de ene metalen kraal en de volgende een stukje katoenen knoop — een isolator — zodat de weg bij elke kraal onderbroken is: donker, ondanks al die geleiders.
Oefening 22.11 ★★
Waarom is het veel gevaarlijker om elektrische dingen met natte handen aan te raken dan met droge? En waarom is de batterijtester veilig voor jouw proeven terwijl het stopcontact dat nooit is? Gebruik Opmerking 22.9.
Oplossing
Oplossing van Oefening 22.11.
Vochtige huid geleidt veel beter dan droge, dus bieden natte handen de stroom een makkelijke weg door het lichaam. De batterijtester is veilig doordat de duw van een batterij minuscuul is; de duw van het stopcontact is honderden keren machtiger — door vochtige huid kan die dodelijk zijn, en daarom staan de regels batterijspelletjes toe en verbieden ze stopcontacten, altijd.