Natuurkunde basisschool en onderbouw · Grades 1–9
23Serieschakelingen
Vorig jaar ging een sliert feestlichtjes donker doordat er één enkel lampje ontbrak — en we beloofden dat die opstelling een naam had. Hier is hij: de serieschakeling, de eenvoudigste manier om veel spelers op één lus te zetten. Ze heeft strenge huisregels, en een zaklamp in je la gehoorzaamt eraan zolang je hem hebt.
23.1 Eén lus, meerdere spelers
Definitie 23.1 (In serie)
Spelers in een stroomkring staan in serie als ze op één enkele lus zitten, de een na de ander, als kralen aan één ketting: de weg van de stroom loopt door de eerste, dan door de tweede, dan door de derde, zonder ergens te vertakken. Een kring die zo gebouwd is, is een serieschakeling.
Methode 23.2 (De schakeling bouwen)
Met één batterij, twee lampjes, een schakelaar en draadjes:
- begin bij de pool van de batterij met een draadje naar de schakelaar;
- leg een draadje van de schakelaar naar het eerste lampje, en van het eerste lampje naar het tweede;
- sluit de lus: van het tweede lampje terug naar de pool van de batterij;
- klik de schakelaar om en kijk naar beide lampjes tegelijk.
Volg de lus met je vinger voordat je inschakelt: als je vinger ergens tussen twee wegen moet kiezen, is het geen serieschakeling.
23.2 De huisregels
Propositie 23.3 (Regels van de enkele lus)
In een serieschakeling geldt:
- alles of niets: één onderbreking waar dan ook — een open schakelaar, een kapot lampje, een los draadje — en elke speler valt meteen stil;
- de volgorde doet er niet toe: verwissel de lampjes, verplaats de schakelaar naar de andere kant van de lus — alles gedraagt zich precies zoals daarvoor;
- delen: hoe meer lampjes op de lus, hoe zwakker elk ervan gloeit; de duw van de batterij wordt over de hele ketting verdeeld.
Voorbeeld 23.4 (De regels zien)
Bouw de kring met twee lampjes en toets elke regel. Draai een van beide lampjes los: allebei gaan ze uit — regel één (de losse fitting is een onderbreking). Verwissel de twee lampjes, of zet de schakelaar ertussen: geen enkel verschil — regel twee. Bouw nu opnieuw met één lampje: alleen schijnt het merkbaar feller dan met zijn partner erbij — regel drie, in omgekeerde richting.
Voorbeeld 23.5 (De feestverlichting, opgelost)
Het oude raadsel is nu geen raadsel meer: de feestlampjes staan in serie, tientallen kralen aan één ketting. Eén ontbrekend lampje is een onderbreking, en regel één maakt de hele sliert donker. Het schuldige lampje zoeken door ze een voor een te proberen leerde generaties gezinnen regel één op de harde manier — moderne slierten zijn anders gebouwd, zoals volgend jaar zal laten zien.
Opmerking 23.6 (De schakelaar commandeert iedereen)
Regel twee heeft een handig gevolg: één enkele schakelaar, waar dan ook op de lus, commandeert elke speler erop. Daarom kan één wandschakelaar een hele rij plafondlampen bedienen — en daarom kun je, om dezelfde reden, niet één enkel lampje van een serieketting uitzetten zonder ze allemaal te doven.
23.3 Meer batterijen aan de ketting
Voorbeeld 23.7 (Kop aan staart)
Ook batterijen kunnen in serie in de rij gaan staan — maar ze zijn kieskeuriger dan lampjes: ze moeten kop aan staart staan, met de van elke batterij tegen de van de volgende. Twee batterijen die zo in de rij staan duwen samen, en het lampje schijnt duidelijk feller dan met één. Draai één batterij om — kop aan kop — en de twee duwen vechten met elkaar: het lampje geeft niets.
Voorbeeld 23.8 (In de zaklamp)
Maak een zaklamp open: de batterijen schuiven de een achter de ander in een koker — een kant-en-klare rij kop aan staart — en dan maken het lampje en de drukschakelaar één enkele lus door de behuizing compleet. Een zaklamp is een serieschakeling in je zak. En nu weet je waarom hij donker blijft als er één batterij verkeerd om in zit: kop aan kop heffen de duwen elkaar op.
23.4 Oefeningen
Oefening 23.1 ★
Wat betekent “in serie”? Welk beeld uit het dagelijks leven gebruikt het hoofdstuk daarvoor?
Oplossing
Oplossing van Oefening 23.1.
De spelers zitten op één enkele lus, de een na de ander, zonder vertakking — als kralen geregen aan één ketting.
Oefening 23.2 ★
Noem de drie huisregels van de serieschakeling.
Oplossing
Oplossing van Oefening 23.2.
Alles of niets (één onderbreking legt iedereen stil); de volgorde doet er niet toe (spelers verwisselen verandert niets); delen (meer lampjes op de lus betekent dat elk zwakker gloeit).
Oefening 23.3 ★
In de kring met twee lampjes wordt lampje 2 losgedraaid. Wat gebeurt er met lampje 1, en waarom? Welke regel is aan het werk?
Oplossing
Oplossing van Oefening 23.3.
Lampje 1 gaat ook uit. De lege fitting is een onderbreking in de enkele lus, en regel één — alles of niets — legt elke speler meteen stil.
Oefening 23.4 ★
Zoe verplaatst de schakelaar van vóór lampje 1 naar achter lampje 2. Wat verandert er aan het gedrag van de kring? Welke regel zegt dat?
Oplossing
Oplossing van Oefening 23.4.
Er verandert niets: de schakelaar commandeert beide lampjes precies zoals daarvoor. Regel twee — de volgorde op de lus doet er niet toe.
Oefening 23.5 ★
Eén batterij laat één lampje mooi branden. Voorspel de felheid bij: twee lampjes in serie; drie lampjes in serie. Wat wordt er gedeeld?
Oefening 23.6 ★
Hoe moeten twee batterijen staan om samen te duwen? Teken de rij met en op elke batterij aangegeven.
Oplossing
Oplossing van Oefening 23.6.
Kop aan staart: de van de ene tegen de van de volgende, zodat allebei dezelfde kant op duwen rond de lus. Tekening: in één rij.
Oefening 23.7 ★
Volg de lus van een zaklamp: noem de spelers die de stroom aandoet van de van de batterij terug naar haar .
Oplossing
Oplossing van Oefening 23.7.
Vanaf : via het metalen strookje van de behuizing naar de drukschakelaar, door de schakelaar naar het lampje, door het gloeidraadje van het lampje, en dan terug door de koker — door de tweede batterij, kop aan staart — naar de van de eerste batterij. Eén lus, geen vertakking.
Oefening 23.8 ★
Een deurbelkring heeft een batterij, een knop en de bel in serie. Waar zou je een tweede knop kunnen toevoegen zodat de bel alleen rinkelt als beide knoppen worden ingedrukt?
Oplossing
Oplossing van Oefening 23.8.
Waar dan ook op dezelfde lus — bijvoorbeeld direct na de eerste knop. In serie moeten beide knoppen gesloten zijn om de ene weg compleet te maken, dus rinkelt de bel alleen als ze allebei tegelijk zijn ingedrukt.
Oefening 23.9 ★
Een sliert van tien feestlichtjes in serie is donker. De lampjes zien er allemaal goed uit. Beschrijf een geduldig plan, met één lampje waarvan je zeker weet dat het goed is, om het kapotte te vinden.
Oplossing
Oplossing van Oefening 23.9.
Vervang het eerste lampje door het goede; gaat de sliert branden, dan was het verwijderde lampje de schuldige. Zo niet, zet het originele terug en ga naar de tweede fitting, en zo verder langs de sliert. Bij een van de fittingen gaat de sliert branden — het zojuist verwijderde lampje is de kapotte kraal.
Oefening 23.10 ★★
De zaklamp van Tom werkt op twee batterijen en schijnt fel. Nadat hij in het donker de batterijen heeft verwisseld, geeft hij niets meer — terwijl beide nieuwe batterijen vol zijn, het lampje in orde is en geen enkel draadje los zit. Wat heeft Tom gedaan, en waarom blijft de zaklamp donker? (Zie Voorbeeld 23.7.)
Oplossing
Oplossing van Oefening 23.10.
In het donker heeft Tom één batterij verkeerd om ingeschoven. Kop aan kop vechten de duwen van de twee batterijen in plaats van in de rij te gaan staan, en krijgt het lampje niets — een gelijkspel op volle kracht is nog steeds een gelijkspel. Eén batterij omdraaien herstelt de rij kop aan staart, en het licht.
Oefening 23.11 ★★
Een ingenieur moet één noodstopschakelaar plaatsen voor een machine waarvan de motor op één enkele lus met zijn batterij zit. Ze zegt: “Waar dan ook op de lus is prima.” Heeft ze gelijk? En waarom zou haar plan mislukken als de kring van de machine vertakte wegen had? (Het hoofdstuk van volgend jaar heeft de naam daarvoor.)
Oplossing
Oplossing van Oefening 23.11.
Ze heeft gelijk: op één enkele lus commandeert een schakelaar waar dan ook alles — de volgorde doet er niet toe. Bij vertakte wegen zou de stroom om haar schakelaar heen kunnen via een andere tak, en zou de motor kunnen doordraaien; vertakte kringen vragen om een zorgvuldiger plaatsing van de schakelaar (dat zijn de parallelschakelingen van volgend jaar).