Natuurkunde basisschool en onderbouw · Grades 1–9
54De elektrische stroom en zijn werkingen
De stroom is vijf jaar lang naamloos nuttig door de schakelingen gemarcheerd: draden die oplichten, motoren die draaien, zoemers die klinken. Dit jaar wordt de elektriciteit kwantitatief — meters, eenheden en wetten — en we openen met de inventaris: wat kan een stroom precies doen? Drie werkingen, blijkt, en de hele elektrische wereld is eruit opgebouwd.
54.1 De drie werkingen
Propositie 54.1 (De werkingen van de elektrische stroom)
Een stroom die door materie loopt, laat zich door drie werkingen zien:
- de warmtewerking: elke stroom verwarmt de geleider die hij doorkruist — zachtjes in goede draden, heftig in dunne of overbelaste, met opzet witheet in gloeidraden en broodroosters;
- de magnetische werking: een stroom maakt zijn omgeving magnetisch — een draad laat een kompasnaald in de buurt uitslaan, en een opgewonden draad wordt een echte magneet met polen, naar believen schakelbaar;
- de chemische werking: bij het doorkruisen van bepaalde vloeistoffen drijft een stroom chemische verandering aan — water splitsen in twee gassen, lepels verzilveren, en elke batterij laden en ontladen.
Voorbeeld 54.2 (De warmtewerking aan het werk)
Met opzet: de gloeiende staven van het broodrooster, de verborgen spiraal van de waterkoker, de witte gloeidraad van de oude lamp, de zekering die gebouwd is om als eerste te smelten. Ongewenst: warme telefoonladers, hete laptoponderkanten — en de dreiging van de kortsluiting, die je als handtekening van de schurk hebt bestudeerd. Eén werking, dienaar en gevaar, gedoseerd door hoe hard de stroom loopt — een dosis die we in het volgende hoofdstuk leren meten.
54.2 De stroom maakt magneten
Voorbeeld 54.3 (Het kompas verraadt de draad)
Twee eeuwen geleden merkte een natuurkundige tijdens een college dat een kompasnaald elke keer opsprong wanneer hij op de tafel ernaast een kring sloot. Die schok — nauwelijks meer dan het trillen van een naald — was de eerste brug die ooit werd gezien tussen elektriciteit en magnetisme, twee wetenschappen die tot dan toe zo gescheiden waren als het weer en de muziek. Leg een kompas naast een draad en zet de stroom aan: de naald zwaait opzij; keer de stroom om, en ze zwaait de andere kant op. De stroom schept magnetisme om zich heen, met een richting.
Definitie 54.4 (Elektromagneet)
Een elektromagneet is een spoel van geïsoleerde draad — vaak om een ijzeren kern gewikkeld — die een magneet wordt zolang er stroom doorheen loopt: noordpool, zuidpool, ijzergrijpende kracht en al. Anders dan welke stenen magneet ook gehoorzaamt hij een schakelaar: stroom aan, magneet aan; stroom uit, magneet weg; stroom omgekeerd, polen verwisseld.
Voorbeeld 54.5 (Schakelbaar magnetisme bestuurt de wereld)
De kraan op het sloopterrein grijpt een auto met een elektromagneet en laat hem vallen door een schakelaar te openen — probeer dat maar eens met een stenen magneet. Elektrische deursloten, de klik van een relais, de hamer van de deurbel (een elektromagneet die hem tegen de bel rukt, zijn eigen stroom afsnijdt en terugveert: geratel tot wet verheven), de leeskop van oude telefoons en — bovenal — elke elektrische motor: door stroom gemaakt magnetisme dat tegen magneten duwt, duizenden keren per seconde. De magnetische werking is de spier van het elektrische tijdperk.
Methode 54.6 (Een elektromagneet wikkelen)
- wikkel een meter of twee dunne geïsoleerde draad in strakke, nette windingen om een grote ijzeren spijker of bout, en laat twee vrije uiteinden over;
- verbind de uiteinden via een schakelaar met een batterij (nooit lang rechtstreeks — de spoel is bijna een kortsluiting en wordt warm: de warmtewerking houdt toezicht op het experiment);
- sluit de schakelaar kort: de spijkerkop grijpt paperclips; open hem: ze vallen;
- toets met een kompas: de twee uiteinden van de spoel gedragen zich als N- en Z-pool — en wisselen om wanneer je de batterij omkeert.
Meer windingen, sterkere greep: doseer het magnetisme met wikkelen.
54.3 De chemische werking
Voorbeeld 54.7 (Stroom door water)
Dompel twee potloodstiften die aan een batterij zijn gedraad in water dat een beetje geleidend is gemaakt (een lepel soda helpt), en kijk: uit beide stiften stroomt een sliert piepkleine bellen — twee verschillende gassen, geboren uit het water zelf, tweemaal zoveel volume bij de ene stift als bij de andere. De stroom haalt water uit elkaar in zijn twee onzichtbare bestanddelen. Deze deur tussen elektriciteit en scheikunde — elektrolyse — verzilvert goedkope lepels, wint aluminium uit erts en hoort vooral bij je scheikundecursus; de natuurkunde groet haar en loopt door.
Voorbeeld 54.8 (Elke batterij is de werking achterstevoren)
Binnen in elke batterij duwt de scheikunde de stroom voort: opgeslagen chemische energie drijft de mars aan en geeft zichzelf daarbij uit — de leegloop die je kent sinds de zaklamp doofde. Oplaadbare cellen sluiten de cirkel: de lader dwingt de stroom er achterstevoren doorheen, en de chemische werking bouwt de voorraad weer op. Chemisch naar elektrisch, elektrisch naar chemisch: één werking, beide richtingen, de hele batterij-industrie.
Opmerking 54.9 (Werkingen als detectoren)
De drie werkingen beantwoorden een vraag waar je als leerling van de tester op vastliep: hoe zie je een stroom — een onzichtbare mars in een ondoorzichtige draad? Aan zijn daden. Een warm wordende draad, een opspringend kompas, een sliert bellen: elk verraadt de mars. Elk stroommeetinstrument dat ooit is gebouwd, leest een van de drie werkingen af — en het instrument dat in het volgende hoofdstuk wacht, leest de magnetische schok, verfijnd tot een wijzerplaat met getallen.
54.4 Oefeningen
Oefening 54.1 ★
Noem de drie werkingen van de elektrische stroom, elk met één dienstbare toepassing.
Oplossing
Oplossing van Oefening 54.1.
Warmte (het broodrooster, de waterkoker, de gloeidraad); magnetisch (de elektromagneet, de motor, de deurbel); chemisch (galvaniseren, water splitsen, batterijen laden).
Oefening 54.2 ★
Welke werking, in elk tafereel: een zekering die smelt; een deurbel die hamert; bellen bij de potloodstiften; de gloed van een broodrooster; de greep van een sloopkraan?
Oefening 54.3 ★
Wat onthulde het opspringende kompas naast de collegetafel? Wat gebeurt er met de schok wanneer de stroom omkeert?
Oplossing
Oplossing van Oefening 54.3.
Dat een stroom om zijn draad heen magnetisme schept — de eerste brug tussen elektriciteit en magnetisme. De stroom omkeren keert de uitslag om.
Oefening 54.4 ★
Geef drie vermogens die een elektromagneet heeft en die geen stenen magneet kan evenaren.
Oplossing
Oplossing van Oefening 54.4.
Hij kan worden uitgeschakeld, ingeschakeld en van polen worden gewisseld naar believen — en zijn sterkte kan worden gedoseerd (meer windingen, meer stroom). Een stenen magneet kan niets hiervan.
Oefening 54.5 ★
Waarom moet de draad in de wikkelmethode geïsoleerd zijn? En waarom mag de spoel niet lang aangesloten blijven zonder werkende belasting?
Oplossing
Oplossing van Oefening 54.5.
Blote windingen die elkaar raken zouden de stroom over de wikkeling laten kortsluiten in plaats van de spoel rond te reizen — de isolatie dwingt de lange magnetiserende weg af. En de spoel alleen verzet zich nauwelijks tegen de mars: aangesloten gelaten is ze bijna een kortsluiting, die spoel en batterij verwarmt — de warmtewerking houdt toezicht.
Oefening 54.6 ★
Hoe laat de kraanmachinist de auto los? Zet dat af tegen wat een stenen magneet van gelijke sterkte zou vergen.
Oplossing
Oplossing van Oefening 54.6.
Door een schakelaar te openen: stroom weg, magnetisme weg, auto losgelaten. Een stenen magneet van die sterkte zou eeuwig vasthouden — de auto loslaten zou machines vergen om hem los te scheuren.
Oefening 54.7 ★
Welke energieomzetting vindt er binnen in een batterij in gebruik plaats? En binnen in een oplaadbare batterij aan de lader?
Oefening 54.8 ★
Waarom zijn de drie werkingen kostbaar als detectoren? Welke werking zal het instrument van het volgende hoofdstuk tot een getal verfijnen?
Oplossing
Oplossing van Oefening 54.8.
Omdat de mars zelf onzichtbaar is: alleen zijn daden verraden hem. Warm worden, opspringen, bellen blazen zijn de enige handtekeningen van de stroom — en het instrument van het volgende hoofdstuk verfijnt de magnetische schok tot een aflezing in getallen.
Oefening 54.9 ★★
De deurbel: een elektromagneet rukt de hamer naar de bel toe, maar de bewegende hamer verbreekt zijn eigen kring; een veer brengt hem terug en herstelt het contact — enzovoort. Loop één volledige kringloop door en leg uit waarom het ontwerp wel moet ratelen in plaats van vast te houden.
Oplossing
Oplossing van Oefening 54.9.
Knop ingedrukt: er loopt stroom, de elektromagneet rukt de hamer aan, ding — maar de zwaai van de hamer opent een contact in zijn eigen toevoer; het magnetisme sterft, de veer brengt de hamer terug en herstelt het contact; de stroom keert terug, opnieuw een ruk — en zo verder, vele keren per seconde. Vasthouden is door het ontwerp onmogelijk: de ruk snijdt altijd zijn eigen oorzaak af — en het geratel is het bellen.
Oefening 54.10 ★★
Een relais is een schakelaar die door een elektromagneet wordt gesloten: een kleine stroom in de spoel sluit contacten die een grote stroom in een andere kring dragen. Leg uit waarom een tere thermostaat hierdoor veilig een gulzige elektrische kachel kan aansturen — en welke twee kringen elkaar nooit raken.
Oplossing
Oplossing van Oefening 54.10.
De tere contacten van de thermostaat dragen alleen de kleine stroom van de spoel; het magnetisme van de spoel sluit stevige contacten die de gulzige stroom van de kachel in een aparte kring dragen. Klein commandeert groot, en de twee kringen raken elkaar nooit — de tere hand trekt aan een hefboom, niet aan de last.
Oefening 54.11 ★★
Je kompasnaald springt op zodra een verborgen draad in de muur stroom voert. Ontwerp uit dat feit een muurdraadzoeker: protocol, wat een sterke uitslag betekent, en één eerlijke beperking van het instrument (denk aan wat er nog meer kompasnaalden beweegt).
Oplossing
Oplossing van Oefening 54.11.
Protocol: houd het kompas plat tegen de muur, ver van ijzeren meubels; veeg langzaam; waar de naald opspringt terwijl het verdachte apparaat aan en uit wordt gezet, loopt een stroomvoerende draad. Een sterke uitslag betekent een nabije of sterke stroom. Eerlijke beperking: naalden antwoorden ook op ijzeren buizen, magneten en de Aarde zelf — dus alleen een uitslag die het aan en uit schakelen volgt, bewijst een stroom.
Oefening 54.12 ★★★
Een elektrische motor, in grote lijnen: een spoel op een draaias zit tussen de polen van een magneet; stroom maakt van de spoel een magneet; het duwen en trekken van de polen draait de draaias — en precies wanneer de spoel uitgelijnd tot rust zou komen, wordt de stroom erdoorheen omgekeerd, zodat ze de uitlijning eeuwig moet najagen. Leg pool voor pool uit waarom die omkering onmisbaar is — wat zou de motor zonder haar doen? (Je hebt zojuist verklaard waarom motoren een omkeercontact bevatten — en de helft van hoe het elektrische tijdperk zijn wielen laat draaien.)
Oplossing
Oplossing van Oefening 54.12.
Stroom maakt van de spoel een magneet; ongelijke polen van spoel en frame trekken elkaar aan, gelijke polen stoten elkaar af, en de spoel draait naar de uitlijning toe. Zonder omkering zou ze de uitlijning bereiken en stoppen — een halve slag, dan een schokje tot rust: een deurdranger, geen motor. De stroom omkeren op het uitgelijnde moment verwisselt de polen van de spoel: de aantrekking van zojuist is nu afstoting, de uitlijning wordt de slechtste plek om te zijn, en de spoel moet een doel blijven najagen dat elke halve slag wegklapt — eeuwige achtervolging, oftewel: rotatie.
54.5 Probleem: het atelier van de uitvinder
Probleem 54.1
Weekendprobleem — één batterij, drie werkingen, vijf uitvindingen; een avond in het atelier van de uitvinder
Op de werkbank liggen batterijen, draad, ijzeren spijkers, een kompas, twee potloodstiften, een pot sodawater — en een schrift vol halfgebouwde uitvindingen om te beoordelen.
Deel I — De inventaris opmaken.
- Schets de driewerkingentestbank van het atelier: beschrijf voor één batterij en één schakelaar een opstelling die alle drie de werkingen tegelijk toont (een dunne draad om warm te worden, een kompas naast een draad, de pot in de kring). In welke schakeling moeten de drie demonstraties staan — serie of parallel — om ze met één schakelaar te bedienen?
- De dunne demonstratiedraad wordt warm maar de dikke toevoerdraden blijven koel, in dezelfde kring. Welk feit uit het eerste hoofdstuk over de seriekring maakt dit interessanter dan het lijkt — wat is er in beide draden gelijk, en wat verschilt?
- Het kompas slaat naar het oosten uit wanneer de schakelaar sluit. Welke twee veranderingen, samen aangebracht, zouden de uitslag precies laten zoals hij was?
- Uit de ene potloodstift stromen de bellen twee keer zo snel als uit de andere. Wat suggereert dit over de twee bestanddelen van water? (De scheikunde zal de verhouding bevestigen.)
Deel II — De uitvindingen beoordelen.
- Uitvinding: “de stille deurbel” — een elektromagneet die één keer aan een zachte vilten hamer trekt en die vasthoudt tot de knop wordt losgelaten. Welk onderdeel van het klassieke deurbelmechanisme moet de uitvinder weghalen, en wat zal de bezoeker horen?
- Uitvinding: “de magnetische sorteerder” — schroot op een lopende band gaat onder een elektromagneet door die ijzer en staal eruit tilt. Wat gebeurt er bij de stortbak, en waarom laat de sorteerder aluminium blikjes op de band liggen (twee magneetfeiten uit eerdere jaren geven het antwoord)?
- Uitvinding: “de poolomkeerder” — een kompas boven een spoel, dat elke keer omslaat wanneer een verborgen schakelaar de batterij omkeert. Welke eigenschap van door stroom gemaakt magnetisme wordt hier uitgebuit?
- Uitvinding: “de eeuwige verzilveraar” — verzilveren op stroom van een batterij die “zichzelf oplaadt uit het verzilveren”. Spreek je veto uit, met een beroep op de twee batterijrichtingen van dit hoofdstuk en een oudere wet over energie.
Deel III — Het meesterwerk van de avond. De uitvinder besluit met een grijpspel voor de kermis: een joystick, een kleine elektromagneet aan touwtjes, een bak met ijzeren prulletjes.
- Schrijf de winnende zet in werkingstaal: wat gebeurt er bij het “grijpen”, tijdens de zwaai en bij het “loslaten”?
- Kermisgangers klagen dat de kraan midden in de zwaai prijzen laat vallen zodra de oude batterij verzwakt. Welke eigenschap van de elektromagneet — deugd en zwakte in één — ligt hier ten toon?
- De uitvinder verdubbelt het aantal windingen van de spoel om te helpen. Voorspel het effect op de greep, en noem de andere dosis (aan de batterijkant) die we in het volgende hoofdstuk in getallen mogen uitdrukken.
- Laatste bladzijde van het schrift: schrijf de samenvatting van het atelier — één zin per werking, elk met de mooiste dienstbare uitvinding van de avond erbij.
Oplossing
Oplossing van Probleem 54.1.
1. Alle drie de demonstraties in serie op één kring met de schakelaar: één mars bedient dan achtereenvolgens de warme draad, de kompasdraad en de pot — één schakelaar, drie werkingen. 2. De seriewet: dezelfde stroom doorkruist dikke en dunne draad. Wat verschilt is alleen de weg — de dunne draad lijdt meer onder de mars en wordt warm: dezelfde dosis, een andere patiënt. 3. Keer de batterij om en leg de draad aan de andere kant van het kompas (of draai het kompas om): twee omkeringen heffen elkaar op, en de uitslag blijft naar het oosten. 4. Dat de twee bestanddelen van water in een verhouding van twee op één aanwezig zijn — twee keer zoveel gas uit de ene stift als uit de andere. 5. Haal het zelfonderbrekende contact weg (het onderdeel dat de zwaai van de hamer opent): de elektromagneet houdt de vilten hamer dan in stilte tegen de bel — de bezoeker hoort één zachte “doem” en verder niets. 6. Bij de bak opent de bediener de schakelaar van de spoel: het magnetisme verdwijnt, het ijzer valt. Het aluminium rijdt door omdat magneten — stenen of door stroom gemaakte — alleen de familie van het ijzer grijpen, en aluminium heeft nooit geantwoord. 7. Dat de polen van een door stroom gemaakte magneet de richting van de stroom volgen: keer de een om, en de ander keert mee. 8. Een batterij drijft het verzilveren aan door haar chemische voorraad uit te geven; een voorraad weer opbouwen vereist energie die van buitenaf naar binnen wordt geperst. Een batterij die zichzelf bijvult uit precies het werk dat ze betaalt, is opnieuw de eeuwigdurende machine — de energierekening kan zichzelf niet betalen. 9. Grijpen: schakelaar sluit, spoel wordt magnetisch, prul vastgehouden. Zwaai: stroom gehandhaafd, greep gehandhaafd — de magnetische werking in dienst. Loslaten: schakelaar opent boven de koker, magnetisme sterft, prijs valt. 10. Dat de elektromagneet van zijn stroom leeft: verzwakkende batterij, zwakkere mars, zwakkere greep — de prijs van schakelbaarheid is afhankelijkheid. (De stenen magneet verzwakt nooit — en laat ook nooit los.) 11. Meer windingen, sterkere magneet bij dezelfde stroom: een vastere greep. De andere dosis is de sterkte van de stroom zelf — de stroomsterkte, gemeten in het volgende hoofdstuk. 12. Bijvoorbeeld: “Warmte: de zekering, die als eerste en trouw sterft. Magnetisch: het grijpspel, dat op commando grijpt en loslaat. Chemisch: de verzilverpot, die lepels verzilvert met het geduld van een batterij.”