Stroomsterkte en spanning

Bij het bestuderen van elektrische schakelingen komen er twee begrippen elke keer terug: stroomsterkte en spanning.

Stroomsterkte

De natuurkundige grootheid stroomsterkte zegt iets over hoeveel elektronen er per seconde door een punt in de schakeling gaan. Het symbool van stroomsterkte is I (hoofdletter i). Je kunt de stroomsterkte meten door een stroommeter (ook wel: ampèremeter) in de schakeling te zetten. Deze 'telt' hoeveel elektronen er elke seconde langs komen. De stroomsterkte wordt gemeten in ampère (A). Het maakt niet uit of de stroommeter vóór of na het lampje staat, want alle elektronen doorlopen de hele stroomkring. De grootte van de stroomsterkte hangt af van wat voor lampjes of apparaten er aangesloten zijn. Een stroomsterkte I = 1 A komt overeen met ruim 6 miljard miljard elektronen per seconde die het punt passeren!

De richting van de stroom is altijd van de plus van de spanningsbron naar de min. Je kunt deze richting aangeven met een pijltje in de schakeling. Dat is tegengesteld aan de bewegingsrichting van de elektronen.

Stroomsterkte in een serieschakeling

Wanneer er meerdere lampjes of andere componenten in serie geschakeld zijn, dan is de stroomsterkte in de schakeling overal gelijk. Dit komt doordat álle elektronen die van de spanningsbron af komen overal doorheen moeten om terug te komen aan de andere kant van de spanningsbron. Er verdwijnen onderweg geen elektronen!

Stroomsterkte in een parallelschakeling

In een parallelschakeling van lampjes of apparaten wordt de elektrische stroom gesplitst. Een deel van de elektronen kiest de ene route, een ander deel kiest de andere route. De totale stroomsterkte wordt dus verdeeld over de lampjes of de apparaten.

Stroomsterkte in een gemengde schakeling

Wanneer de schakeling een combinatie is van in serie en parallel geschakelde componenten kun je de bovenstaande regels gebruiken om op andere plekken in de schakeling de stroomsterkte te berekenen. Zie het onderstaande voorbeeld, controleer zelf of het klopt!

Stroomsterkte meten

Een stroommeter (of: ampèremeter) 'telt' als het ware hoeveel elektronen er per seconde voorbij komen. De meeste stroommeters meten de stroomsterkte in A of mA (milli-ampère). Vaak kun je het meetbereik instellen: dat geeft aan wat de maximale waarde is die de meter kan meten. Hoe kleiner het meetbereik, hoe nauwkeuriger je kunt meten. Wanneer je niet van tevoren weet hoe groot de stroomsterkte ongeveer zal zijn kun je het beste met een groot meetbereik beginnen en daarna, als dat mogelijk is, het meetbereik verlagen.

Spanning

Elektronen in een stroomkring krijgen energie mee van een spanningsbron, en geven die energie af aan de lampjes of apparaten die ze in de stroomkring tegenkomen. De natuurkundige grootheid spanning (U) zegt iets over hoeveel energie elk elektron krijgt of afgeeft: het is een maat voor het energieverschil per elektron tussen twee punten in een schakeling. Voor lampjes geldt dat ze feller branden wanneer de spanning hoger is. Om spanning te kunnen meten moet je dus naar twee punten 'kijken' en op elk punt kijken hoeveel energie elk elektron heeft. Het verschil daartussen is de spanning. De eenheid van spanning is volt (V). De spanning op het stopcontact is bijvoorbeeld U = 230 V, die van een AA-batterij is U = 1,5 V. Je meet spanning met een spanningsmeter (ook wel: voltmeter), die aan twee kanten van bijvoorbeeld het lampje of de bron aangesloten moet worden. Een multimeter kan ook als spanningsmeter gebruikt worden.

Spanning in een serieschakeling

In een serieschakeling wordt de spanning over de lampjes verdeeld, want elk elektron geeft een deel van zijn energie af bij het eerste lampje, een deel van zijn energie bij het tweede lampje enzovoorts. Alle energie die het elektron gekregen heeft bij de spanningsbron wordt verdeeld over de verschillende lampjes. Dus: de totale spanning = de spanning over lampje 1 + de spanning over lampje 2 + … . De totale spanning die de spanningsbron levert wordt ook wel de bronspanning genoemd. Hoeveel spanning elk lampje of apparaat krijgt hangt af van wat voor lampen of apparaten je aansluit.

Drie verschillende lampjes in serie aangesloten op een gelijkspanningsbron van 3,0 V. De spanning die de spanningsbron levert wordt verdeeld over de drie lampjes.

Spanning in een parallelschakeling

In een parallelschakeling is de spanning over elk lampje of apparaat gelijk, en gelijk aan de totale spanning (de bronspanning). Dit komt doordat elk elektron al zijn energie afgeeft aan één lampje, ongeacht de route die hij neemt. Dus: de totale spanning = de spanning over lampje 1 = de spanning over lampje 2 = ….

In een parallelschakeling is de spanning overal gelijk.

Spanningsbronnen

De spanning in een schakeling wordt geleverd door een spanningsbron. Een spanningsbron zorgt voor de elektrische energie waar een lampje of apparaat op werkt. Er zijn veel verschillende soorten spanningsbronnen. Sommige bronnen leveren een gelijkspanning, andere bronnen een wisselspanning.

Gelijkspanningsbronnen

Batterijen, accu's en zonnecellen zijn voorbeelden van bronnen die een gelijkspanning leveren. Je kunt deze herkennen doordat één kant altijd de positieve pool (+) is en de andere kant altijd de negatieve pool (-). Wanneer je een gelijkspanningsbron aansluit op een stroomkring dan loopt de stroom altijd in dezelfde richting, we noemen dat dan ook gelijkstroom.

Een batterij of accu wordt ook wel een chemische spanningsbron genoemd. Hierin wordt de spanning opgewekt door een scheikundige reactie. Voor die scheikundige reactie heb je nodig: twee elektroden (die gemaakt zijn van twee verschillende geleidende stoffen) en een elektrolyt (een geleidende vloeistof). Wanneer de stoffen die in de batterij reageren op zijn levert de batterij geen spanning meer, hij is dan 'leeg'. Omdat batterijen giftige stoffen bevatten die slecht voor het milieu zijn is het goed dat steeds meer batterijen en accu's oplaadbaar zijn waarna de reactie die de spanning levert opnieuw plaats kan vinden.

De meest gebruikte batterijen leveren een spanning van 1,5 volt. Om een grotere spanning te krijgen kunnen er in de schakeling meerdere batterijen achter elkaar opgenomen worden. Wanneer je bijvoorbeeld 4 batterijen van 1,5 volt in de juiste richting (dus de + van de ene batterij tegen de - van de andere) achter elkaar legt krijg je een spanning van 1,5+1,5+1,5+1,5=6,0 volt.

Wisselspanningsbronnen

Er zijn ook spanningsbronnen waarbij de + en de - steeds (bijvoorbeeld 50 keer per seconde) van kant wisselen. We noemen dat een wisselspanning. Een wisselspanningsbron zorgt in een stroomkring dan ook voor een wisselstroom: de elektrische stroom verandert telkens van richting. Een wisselspanning wordt opgewekt door magneten langs spoelen te laten draaien. In het klein gebeurt dat bijvoorbeeld in een fietsdynamo. In de elektriciteitscentrale wordt de spanning opgewekt met behulp van generatoren, een soort hele grote dynamo's. Daarom staat er op de stopcontacten in huis ook een wisselspanning, van ongeveer 230 volt.

Een fietsdynamo levert wisselspanning.

Online lab