Stroomkringen en schakelingen met twee lampjes
Stel je voor dat je twee lampjes hebt en een batterij. Hoe sluit je ze aan zodat ze allebei branden? In de natuurkunde leer je over stroomkringen, waarin je componenten zoals lampjes in serie of parallel schakelt. Een stroomkring is een gesloten lus van draden verbonden met een spanningsbron, zoals een batterij met een plus- en minpool. De stroom loopt altijd van de pluspool naar de minpool. Zonder componenten is het een simpel circuit, maar voeg lampjes of weerstanden toe, die je in schema's ziet als een rechthoek met R, en het wordt interessant. Een schakelaar bepaalt of de stroom door kan lopen; open betekent geen stroom, dicht wel. Lampjes teken je als een cirkel met een kruis erin.
De wet van Ohm: stroomsterkte, spanning en weerstand
Weerstand bepaalt hoe moeilijk het is voor stroom om door een component te gaan. De wet van Ohm geeft de relatie: R = U / I. Hierin is R de weerstand in ohm (Ω), U de spanning in volt (V) en I de stroomsterkte in ampère (A). Stroomsterkte I is de lading Q die per tijdseenheid t passeert, dus I = Q / t, waarbij 1 A gelijk is aan 1 coulomb per seconde. Lading is de elektrische energie in een stof. Bij ohmse weerstand blijft R constant: verdubbel je U, dan verdubbelt I ook.
Om dit te meten, gebruik je een ampèremeter in serie met het lampje, die heeft geen weerstand en telt lading per seconde. Een voltmeter meet spanning parallel over het lampje, die heeft een heel hoge weerstand en registreert het energieverschil ervoor en erna. Zo kun je in een schakeling met twee lampjes alles uitrekenen of opmeten.
Serieschakeling: lampjes achter elkaar
In een serieschakeling staan je twee lampjes achter elkaar, zonder vertakkingen. De stroomsterkte is overal gelijk, want er is maar één pad: I_totaal = I1 = I2. Als één lampje kapotgaat, dooft alles, omdat de kring onderbroken is. De spanning van de bron verdeelt zich: U_totaal = U1 + U2. De deelspanningen hangen af van de weerstanden: U1 : U2 = R1 : R2. De vervangingsweerstand van de hele kring is gewoon de som: R_totaal = R1 + R2.
Neem twee lampjes met elk 5 Ω en een bron van 6 V. Dan is R_totaal 10 Ω, I = 6 V / 10 Ω = 0,6 A door beide. Elk lampje krijgt U = 0,6 A × 5 Ω = 3 V, dus ze branden zwakker dan alleen. Meer lampjes in serie maken de kring moeilijker voor stroom, lampjes dimmen.
Parallelschakeling: lampjes naast elkaar
Schakel je twee lampjes parallel, dan heb je vertakkingen. Nu blijft de spanning overal gelijk: U_totaal = U1 = U2. De stroomsterkte splitst zich: I_totaal = I1 + I2. De takstromen hangen af van de geleidbaarheid: I1 : I2 = G1 : G2, waarbij G = 1/R. Kapot lampje één? Het andere brandt door.
Voor de vervangingsweerstand geldt 1/R_totaal = 1/R1 + 1/R2. Bij twee lampjes van 5 Ω elk is 1/R_totaal = 1/5 + 1/5 = 0,4, dus R_totaal = 2,5 Ω. Met 6 V is I_totaal = 6 / 2,5 = 2,4 A, elk tak 1,2 A. Lampjes branden feller, gelijk aan alleen op de bron.
Voeg een derde lampje toe, dan daalt R_totaal verder. Meer parallelle takken betekent meer stromenpaden, dus makkelijker voor elektronen, net als extra wegen voor verkeer. Een hoge R in een tak helpt weinig, lage R verlaagt R_totaal sterk.
Geleidbaarheid: het omgekeerde van weerstand
Geleidbaarheid G maakt parallelle berekeningen simpeler: G = 1/R, in siemens (S). Hoge G betekent goede geleider, lage G slechte. In parallel telt G_totaal = G1 + G2 +..., dus meer takken verhogen totale geleidbaarheid en verlagen R_totaal.
Onthoud het verschil: in serie gelijk I, verdeelde U; in parallel gelijke U, verdeeld I. Zo herken je op het examen direct het type schakeling.
Speciale weerstanden: PTC en NTC
Bij ohmse weerstanden blijft R constant, ideaal voor berekeningen. Maar sommige veranderen met temperatuur. Een PTC-weerstand (positieve temperatuurcoëfficiënt) neemt toe in R als het warmer wordt, denk aan een gloeilamp die heter wordt en meer weerstand krijgt. Een NTC-weerstand (negatieve temperatuurcoëfficiënt) daalt juist in R bij hogere temperatuur. Deze gebruik je in regelaars, maar voor basisoefeningen met lampjes focus je op ohmse.
Met deze kennis los je oefenopgaven op over twee lampjes: bereken R_totaal, I of U, en vergelijk serie met parallel. Oefen met getallen om het examen te rocken!