Natuurkunde basisschool en onderbouw · Grades 1–9

55Stroomsterkte en de ampèremeter

“Sterke stroom, zwakke stroom” — zo praten we al jaren, terwijl we helderheid en greep op gevoel doseren. Vandaag gaat het gevoel met pensioen. De sterkte van de stroom krijgt een naam, een eenheid en een instrument; en het eerste wat het instrument bewijst, is een wet die je allang vermoedde maar nooit één keer hebt gemeten.

55.1 Stroomsterkte en haar eenheid

Definitie 55.1 (Stroomsterkte)

De stroomsterkte $I$ van een elektrische stroom meet hoe sterk de mars is: hoeveel elektrische lading er elke seconde langs een punt van de kring paradeert — het debiet van de stroom, zoals dat van een rivier water-per-seconde is. Haar eenheid is de ampère ( $\mathrm{A}$ ), ter ere van een groot pionier van de wetten van de elektriciteit; alledaagse schakelingen spreken vaak in milliampère: $1\,\mathrm{mA} = 0.001\,\mathrm{A}$ , een duizendste.

Voorbeeld 55.2 (Ampères om op het zicht te kennen)

Een klein controlelampje nipt ongeveer $0.02\,\mathrm{A}$ — $20\,\mathrm{mA}$ ; een zaklamplampje rond de $0.3\,\mathrm{A}$ ; de grote lamp van een autokoplamp $5\,\mathrm{A}$ ; een waterkoker op volle kracht $10\,\mathrm{A}$ ; een startende automotor slokt $100\,\mathrm{A}$ uit zijn accu; een bliksemschicht ramt gedurende zijn milliseconde tienduizenden ampère door zijn kanaal. En de gevarenschaal is ontnuchterend: stromen van enkele honderdsten van een ampère door een menselijk lichaam kunnen al dodelijk zijn — respect begint ver onder één ampère.

Opmerking 55.3 (De persoon en de eenheid)

Voluit geschreven is de eenheid kleingeschreven — “een stroom van twee ampère” — terwijl het woord met hoofdletter de persoon benoemt, zoals bij elke eenheid die een wetenschapper eert. Het symbool $\mathrm{A}$ blijft een hoofdletter. Je komt deze afspraak binnenkort nog twee keer tegen.

55.2 De ampèremeter

Definitie 55.4 (Ampèremeter)

Een ampèremeter meet de stroomsterkte. Hij telt de mars die door hemzelf gaat — dus moet hij in serie worden opgenomen, in precies de kring die hij meet, als een tolhuisje langs de weg. Hij is gebouwd om de mars zo weinig mogelijk te storen en verzet zich vrijwel niet tegen de stroom — en daarom is een ampèremeter die per ongeluk rechtstreeks over een batterij wordt gezet een kortsluiting met een wijzerplaat: de klassieke manier om er een te slopen.

Methode 55.5 (Een stroomsterkte meten)

zet de kring uit; verbreek de lus daar waar de stroom geteld moet worden;
plaats de ampèremeter in de opening: stroom naar binnen via zijn $\mathrm{A}$ -klem, naar buiten via zijn gemeenschappelijke klem, zodat de conventionele richting door de voordeur van de ampèremeter binnenkomt;
begin bij een ampèremeter met meerdere bereiken op het grootste bereik en stap dan omlaag tot de aflezing comfortabel op de schaal valt — dat beschermt de ampèremeter tegen verrassingen;
sluit de schakelaar, lees af — en schrijf de eenheid erbij.

Een omgekeerde aansluiting slaat bij een naaldmeter de naald tegen zijn aanslag; digitale meters tonen slechts een minteken en vergeven dagelijks leerlingen.

De ampèremeter neemt zijn plaats in de lus in: een tolhuisje in serie, dat de mars telt die de lamp verlicht.

De werkelijkheid op de werkbank: één instrument, twee meetpennen, en de stroom van de schakeling wordt een getal op het scherm.

55.3 De eerste gemeten wet

Propositie 55.6 (Eén lus, één stroomsterkte)

In een serieschakeling is de stroomsterkte in elk punt van de lus gelijk. Verplaats de ampèremeter waarheen je wilt — voor de lamp, erna, naast de batterij: de aflezing verandert niet. Wat vijf jaar even helder brandende lampjes suggereerden, stelt de ampèremeter nu in getallen vast: onderweg wordt niets verbruikt; één weg, één mars, één $I$ .

Drie tolhuisjes op één lus: voor, tussen en na de lampen meldt elke ampèremeter dezelfde 0.30\, A. — Drie tolhuisjes op één lus: voor, tussen en na de lampen meldt elke ampèremeter dezelfde $0.30\,\mathrm{A}$ .

Voorbeeld 55.7 (De kleine lettertjes van de wet)

De wet zegt langs één lus, niet wat je ook met de lus doet. Zet er een tweede lamp in serie bij en de mars verzwakt overal tegelijk — misschien zakt $0.30\,\mathrm{A}$ naar $0.17\,\mathrm{A}$ — maar hij verzwakt overal even veel: de drie tolhuisjes zijn het ook over het nieuwe getal eens. Eén lus, één stroomsterkte — welke stroomsterkte dat op dat moment ook is.

Voorbeeld 55.8 (Een blik op het knooppunt)

Zet in plaats daarvan tolhuisjes op een parallel paar: hoofdweg $0.50\,\mathrm{A}$ ; tak één $0.30\,\mathrm{A}$ ; tak twee $0.20\,\mathrm{A}$ . De veelzeggende som is geen toeval — de marsen een knooppunt in en eruit moeten in evenwicht zijn, want lading wordt bij een splitsing van de weg niet geschapen en niet vernietigd. De volledige wet, met haar partner voor de spanning, houdt over twee hoofdstukken zitting; je meters hebben haar al ontmoet.

Opmerking 55.9 (De multimeter)

De gele baksteen van het werkplaats — de multimeter — vouwt de ampèremeter en verscheidene andere instrumenten in één doos met een keuzeknop. Knop op $\mathrm{A}$ of $\mathrm{mA}$ , snoeren in de gemerkte bussen, en hij is je ampèremeter, serieregels en al. Twee hoofdstukken van dit boek wonen er al in; een derde trekt volgend hoofdstuk in — met, pas op, tegengestelde aansluitregels.

55.4 Oefeningen

Oefening 55.1 ★

Wat meet de stroomsterkte, in riviertaal? Geef haar eenheid en symbool, en reken $250\,\mathrm{mA}$ om naar ampère.

Oplossing

Oplossing van Oefening 55.1.

Het debiet van de stroom — lading die per seconde passeert, zoals een rivier water per seconde telt. Eenheid: de ampère, $\mathrm{A}$ ; $250\,\mathrm{mA} = 0.25\,\mathrm{A}$ .

Oefening 55.2 ★

Koppel de stroomsterkte aan haar tafereel: $0.02\,\mathrm{A}$ ; $0.3\,\mathrm{A}$ ; $10\,\mathrm{A}$ ; $100\,\mathrm{A}$ — waterkoker, controlelampje, startende motor, zaklamplampje.

Oplossing

Oplossing van Oefening 55.2.

$0.02\,\mathrm{A}$ : controlelampje. $0.3\,\mathrm{A}$ : zaklamplampje. $10\,\mathrm{A}$ : waterkoker. $100\,\mathrm{A}$ : startende motor.

Oefening 55.3 ★

Waarom moet een ampèremeter in serie worden opgenomen? Waartegen is hij gebouwd zich vrijwel niet te verzetten, en welk ongeluk maakt dat mogelijk?

Oplossing

Oplossing van Oefening 55.3.

Hij telt alleen de mars die door hemzelf gaat, dus moet hij op de weg staan — in serie. Hij verzet zich vrijwel niet tegen de stroom; rechtstreeks over een batterij aangesloten wordt hij daardoor een kortsluiting met een wijzerplaat.

Oefening 55.4 ★

Noem de vier stappen van een fatsoenlijke stroomsterktemeting. Waarom begin je op het grootste bereik?

Oplossing

Oplossing van Oefening 55.4.

Schakelaar uit en de lus verbreken; de ampèremeter opnemen met de stroom binnenkomend via de $\mathrm{A}$ -klem en vertrekkend via de gemeenschappelijke; beginnen op het grootste bereik en omlaag stappen; aanzetten, aflezen, de eenheid opschrijven. Eerst het grootste bereik, zodat een onverwacht sterke stroom de stevigste stand treft in plaats van een tere te slopen.

Oefening 55.5 ★

Formuleer de wet van één lus, één stroomsterkte. Welke oude waarneming over gelijke helderheid heeft ze in getallen omgezet?

Oplossing

Oplossing van Oefening 55.5.

In een serieschakeling is de stroomsterkte in elk punt van de lus gelijk. Ze zette de oude waarneming in getallen om dat twee identieke lampjes in serie precies even fel gloeien, waar ze ook zitten.

Oefening 55.6 ★

Een ampèremeter vóór een motor in serie leest $0.45\,\mathrm{A}$ . Wat zal hij ná de motor lezen? En naast de batterij?

Oplossing

Oplossing van Oefening 55.6.

$0.45\,\mathrm{A}$ , en $0.45\,\mathrm{A}$ : één lus, één stroomsterkte.

Oefening 55.7 ★

Een tweede lamp voegt zich bij een serielus en de $0.30\,\mathrm{A}$ van de ampèremeter wordt $0.17\,\mathrm{A}$ . Heeft de wet gefaald? Leg de kleine lettertjes uit.

Oplossing

Oplossing van Oefening 55.7.

Nee. De wet belooft één waarde rond de lus op een gegeven moment, niet dezelfde waarde nadat de lus is verbouwd. De tweede lamp verzwakte de mars — overal even veel: alle tolhuisjes zijn het nu eens over $0.17\,\mathrm{A}$ .

Oefening 55.8 ★

Een digitale ampèremeter leest $-0.25$ $\mathrm{A}$ . Wat heeft de leerling gedaan, en hoe ernstig is het?

Oplossing

Oplossing van Oefening 55.8.

De ampèremeter omgekeerd aangesloten — de stroom komt binnen via de gemeenschappelijke klem. Bij een digitale ampèremeter onschuldig: het minteken is de hele straf (een naaldmeter zou tegen zijn aanslag zijn geslagen).

Oefening 55.9 ★★

Hoofdweg $0.60\,\mathrm{A}$ ; tak één $0.35\,\mathrm{A}$ . Wat voert tak twee, en op grond van welke redenering? Wat leest het tolhuisje bij het tweede knooppunt?

Oplossing

Oplossing van Oefening 55.9.

$0.60 - 0.35 = 0.25\,\mathrm{A}$ — het knooppunt moet in evenwicht zijn: wat erin stroomt, stroomt eruit. Het tolhuisje bij het tweede knooppunt leest de herenigde $0.60\,\mathrm{A}$ .

Oefening 55.10 ★★

Een leerling sluit de ampèremeter parallel aan de lamp aan “om ze te vergelijken”. Voorspel de twee gevolgen — voor de lamp, en voor de ampèremeter — en noem de schurk die de leerling per ongeluk heeft gebouwd.

Oplossing

Oplossing van Oefening 55.10.

Parallel is de bijna moeiteloze ampèremeter een sluiproute: de lamp, in de steek gelaten, dooft tot niets, terwijl de ampèremeter een razende stroom voert die door vrijwel niets wordt beperkt — een kortsluiting door het instrument, die met wat geluk zijn interne zekering doorbrandt. De leerling heeft de schurk uit het veiligheidshoofdstuk gebouwd.

Oefening 55.11 ★★

Twee identieke lampjes parallel voeren elk $0.30\,\mathrm{A}$ . Hoeveel voert de hoofdweg van de batterij? Een derde identiek lampje komt er parallel bij: voorspel de nieuwe last op de hoofdweg, en noem wat er sneller leegloopt.

Oplossing

Oplossing van Oefening 55.11.

De hoofdweg voert de som: $0.60\,\mathrm{A}$ . Een derde identieke tak brengt hem op $0.90\,\mathrm{A}$ — en de batterij, die drie volledige marsen bedient, loopt het snelst van alle leeg.

Oefening 55.12 ★★★

Ontwerp het volledige meetplan voor een parallelschakeling met twee takken (lamp en motor): hoeveel ampèremeterposities er nodig zijn om elke stroom in de schakeling te kennen; het minimum aantal metingen dat volstaat (één mag worden afgeleid — door welk evenwicht?); en de volgorde van handelingen die nooit een ampèremeter gevaarlijk aangesloten laat staan.

Oplossing

Oplossing van Oefening 55.12.

Te kennen stromen: de $I$ van de hoofdweg, en die van elke tak ( $I_1$ , $I_2$ ) — drie in totaal (de lusstukken voorbij de knooppunten herhalen deze). Twee metingen volstaan: meet er twee, en het evenwicht van het knooppunt $I = I_1 + I_2$ overhandigt de derde. Veilige volgorde: kring uit; ampèremeter in de gekozen weg opnemen; grootste bereik; aan; aflezen; uit voor je de ampèremeter verplaatst — en de ampèremeter overbrugt op geen enkel moment twee punten van verschillende wegen.

55.5 Probleem: de meetbank

Probleem 55.1

Weekendprobleem — examendag in de elektronicawerkplaats; vier posten, per post één ampèremeter; het diploma van de leerling

Om werkplaatsrechten te verdienen doet elke leerling vier meetposten aan. Neem het hoofdstuk mee.

Deel I — Post één: de eenvoudige lus. Batterij, schakelaar, één lamp.

Beschrijf stap voor stap hoe je de ampèremeter opneemt om de stroom door de lamp te meten.
De aflezing: $280\,\mathrm{mA}$ . Druk die uit in ampère.
De examinator verplaatst je ampèremeter naar de andere kant van de batterij. Voorspel de aflezing, met een beroep op de wet.
“En als ik twee ampèremeters tegelijk in deze lus had?” Waar zouden ze kunnen staan, en wat zouden ze tonen?

Deel II — Post twee: het seriepaar. Twee verschillende lampen, A helderder dan B, in serie.

Een leerling voorspelt: “De helderdere A voert meer stroom dan de doffe B.” Toets de voorspelling aan de wet — en breng de gelijke stromen in overeenstemming met de ongelijke helderheid (wat moet er tussen de lampen verschillen?).
De ampèremeter leest $150\,\mathrm{mA}$ tussen A en B. Schrijf elke andere stroom in de lus op.
Lamp B wordt door een krokodillensnoer kortgesloten. Voorspel de nieuwe aflezing en het gedrag van beide lampen.
De examinator vraagt één zin over waarom de werkplaats krokodillensnoeren over de batterij verbiedt maar de demonstratie over B toestaat.

Deel III — Post drie: het knooppunt. Een lamptak en een motortak parallel.

Hoofdweg: $0.52\,\mathrm{A}$ ; lamptak: $0.30\,\mathrm{A}$ . De stroom in de motortak, volgens het evenwicht?
De motor loopt vast (nog aangesloten, niet draaiend) en zijn tak klimt naar $0.40\,\mathrm{A}$ . Wat voert de hoofdweg nu, aangenomen dat de lamptak zijn $0.30\,\mathrm{A}$ houdt — en welke bewaker van de werkplaats luistert mee?
De lamp wordt losgedraaid. Voorspel alle drie de aflezingen van de tolhuisjes.
Waarom loopt de batterij het snelst leeg met beide takken gezond — waar wordt de vrijgevigheid betaald?

Deel IV — Het diploma.

Schrijf de belofte van de leerling: drie regels — waar een ampèremeter thuishoort en nooit thuishoort; wat één lus garandeert; wat een knooppunt in evenwicht brengt.

Oplossing

Oplossing van Probleem 55.1.

1. Uit; de lus tussen lamp en batterij verbreken; de ampèremeter opnemen, stroom naar binnen via $\mathrm{A}$ , naar buiten via de gemeenschappelijke; grootste bereik, omlaag stappen; aan; aflezen; de eenheid opschrijven. 2. $0.28\,\mathrm{A}$ . 3. Opnieuw $280\,\mathrm{mA}$ — één lus, één stroomsterkte: het tolhuisje telt aan beide kanten dezelfde mars. 4. Overal op de lus — allebei in serie, op welke plek dan ook: beide tonen $280\,\mathrm{mA}$ . 5. De wet spreekt haar veto uit over de voorspelling: lampen in serie voeren dezelfde stroom. Het verschil zit in de lampen zelf — ongelijke bouw maakt van dezelfde mars ongelijk licht (de volgende hoofdstukken benoemen wat er verschilt). 6. Elk punt van de lus: $150\,\mathrm{mA}$ — vóór A, na B, naast de batterij. 7. B sterft (in de steek gelaten door de sluiproute) en de lus, die één tegenstander kwijt is, voert een sterkere mars: de ampèremeter klimt — en lamp A wordt navenant helderder. 8. “Over B laat de sluiproute lamp A nog steeds als bewaker van de lus staan; over de batterij zou ze helemaal niets overlaten — en een onbewaakte mars is het brandhoofdstuk, geen demonstratie.” 9. $0.52 - 0.30 = 0.22\,\mathrm{A}$ . 10. $0.40 + 0.30 = 0.70\,\mathrm{A}$ — en de zekering (of automaat) die de leiding van de motor bewaakt, luistert aandachtig mee: vastgelopen motoren zijn precies waarmee bewakers hun brood verdienen. 11. Lamptak: $0\,\mathrm{A}$ ; motortak: zijn eigen $0.40\,\mathrm{A}$ onveranderd (parallelle onafhankelijkheid); hoofdweg: $0.40\,\mathrm{A}$ . 12. De vrijgevigheid wordt bij de batterij betaald: twee gezonde takken drinken twee volledige marsen, en de opgetelde stroom op de hoofdweg leegt de voorraad het snelst. 13. Bijvoorbeeld: “Een ampèremeter staat op de weg, nooit eroverheen. Eén lus garandeert één stroomsterkte — overal, altijd. En een knooppunt houdt zijn boeken in evenwicht: marsen erin is marsen eruit, tot op de milliampère.”

Begrippen gedefinieerd in dit hoofdstuk

Bekijk alle 393 begrippen in de begrippenlijst