5.2 Theorie

Kortsluiting tussen twee spijkers.

Je weet waarschijnlijk dat water en elektriciteit slecht samengaan: Als je geluk hebt krijg je een kleine kortsluiting.

Toch is het handig om na te denken over water voor we gaan nadenken over elektriciteit. Water gedraagt zich namelijk vaak hetzelfde als elektriciteit. Als we dus het gedrag van water bekijken, weten we ook veel over elektriciteit.

Als we drie waarnemingen doen aan Lonnie’s waterpistool (zie voorpagina) weten we alles wat we voorlopig nodig hebben om verder te kunnen met elektriciteit.

  • Uit het waterpistool komt een stroom water.
  • Lonnie’s waterpistool heeft druk nodig. Die druk maak je door het waterpistool op te pompen.
  • Ook heeft het waterpistool een trekker. Het pistool schiet water op het moment dat je de trekker overhaalt.

Waterstromen.

Als je de kraan open zet, stroomt er water uit. Om een gieter van 10 liter vol te laten lopen moet je hem een tijdje onder de straal zetten. Iedere seconde komt er dan een hoeveelheid water bij.

Met stroomsterkte wordt bedoeld hoe snel water stroomt.

De hoeveelheid volume die iedere seconde uit de kraan stroomt, noem je stroomsterkte. Hoe je de stroomsterkte kunt berekenen, zie je in het volgende voorbeeld.

Voorbeeld: Stroomsterkte berekenen

Stel, je zet de kraan open. In 20 seconden stroomt er 300 ml water uit. De stroomsterkte is nu 300 / 20 = 15 ml per seconde.

Vervolgens zet je de kraan verder open. In 1,5 minuut stroomt er 4,50 liter water uit. De stroomsterkte is nu hoger (duh!). En dat kun je zien als je de stroomsterkte uitrekent: 4500 ml / 90 seconden = 50 ml per seconde.

Stroomsterkte en evenredigheid

Om te onderzoeken of er nu verbanden waar we gebruik van kunnen maken denken we iets dieper over de situatie na. Het eerste verband dat we onderzoeken is het verband tussen volume en tijd:

Spreektaal Natuurkundiger
Als de kraan dicht is, komt er geen water uitstromen. Een gieter is pas vol als je de kraan een poos open laat staan. De hoeveelheid water (Volume) die in 1 secondes (tijd) uit de kraan stroomt is 0 ml.
Als de kraan twee keer zo lang (tijd) open staat, is er ook twee maal zo veel water (volume) uit gekomen.
Volume en tijd zijn rechtevenredig.
2 maal zoveel tijd; 2 maal zo veel volume.

De kraan speelt een belangrijke rol: Met behulp van de kraan kun je de stroomsterkte regelen:

Spreektaal Natuurkundiger
Als de kraan dicht is, komt er geen water uitstromen. Als je de kraan verder open draait, wordt de straal steeds groter. Een dichte kraan heeft een hele hoge weerstand: hij houdt het water tegen.
Een geopende kraan heeft een lagere weerstand. Hij beperkt nog steeds de stroom water die door de kraan stroomt.
Een kraan die helemaal open staat, heeft geen weerstand. Hij beperkt de waterstroom niet meer.
Weerstand en stroomsterkte zijn omgekeerd evenredig.
2 maal zoveel weerstand; 2 maal zo kleinere stroomsterkte.

Ook druk en stroomsterkte zijn rechtevenredig. In de volgende tabel gebruiken we het waterpistool als voorbeeld:

Spreektaal Natuurkundiger
Als er geen druk in het waterpistool is, komt er geen water uit. Hij doet het een stuk beter als je hem flink hebt opgepompt. Bij een druk van 0 is er geen stroomsterkte.
Als je de druk twee keer zo groot maakt, wordt er ook twee keer zo hard tegen het water geduwd. De stroomsterkte is dan ook twee keer zo groot.
Druk en stroomsterkte zijn rechtevenredig.
2 maal zoveel druk; 2 maal grotere stroomsterkte.

Weerstand

Mechanisme van een kraan.

We hadden het zojuist over een kraan. Als je de kraan ver open zet, houdt hij het water nauwelijks tegen: er stroomt veel water uit. Als je de kraan bijna dicht draait, houdt hij het water juist heel goed tegen. Je zegt dan:

  • Als de kraan dicht is, heeft hij een hoge weerstand.
  • Als de kraan open is, heeft hij een lage weerstand.

Het begrip Weerstand wil dus zeggen hoe een stroom wordt afgeremd.

Weerstand is de mate waarin een stroom wordt afgeremd.

Druk

Een stroom water kun je dus groter en kleiner maken door de weerstand te veranderen. Dat betekent dus dat je de kraan verder opent. Of verder dichtdraait. Maar er is nog een manier om er voor te zorgen dat een stroom groter wordt, of juist kleiner. En dat doe je met druk.

Een makkelijk voorbeeld van druk vind je in een waterpistool die je moet oppompen. Hoe vaker je pompt, hoe harder de straal.

watertorenDat geldt ook voor water. Hoe hoger de druk op de waterleiding, hoe meer water er doorheen kan stromen als je de kraan open zet. Er wordt letterlijk harder tegenaan geduwd!

Druk kun je op verschillende manieren maken. Hiernaast zie je een afbeelding van een watertoren. Die wordt gebruikt om ervoor te zorgen dat er bij iedereen water uit de kraan kan komen. Je kunt ook druk maken met een pomp: die duwt het water letterlijk de buis in.

Een waterstroom kun je dus op twee manieren beinvloeden:

  • Twee keer zo grote weerstand, twee keer zo kleine stroom.
  • Twee keer zo grote druk, twee keer zo grote stroom.

Voorbeeld 1: Druk, weerstand en stroom

Je hebt twee gelijke kranen: A en B. Op kraan A staat twee maal zoveel druk als op kraan B. Je draait kraan A open zodat er 5 ml/sec uit stroomt. Hoe ver moet je kraan B open zetten om dezelfde water stroom uit kraan B te krijgen?

Antwoord: Twee keer zo ver.

Stel, we draaien kraan A en kraan B even ver open. Uit kraan A komt dan het meeste water stromen. Omdat daar het stevigst tegen het water wordt geduwd. Om er voor te zorgen dat B sneller gaat stromen moet je dus de kraan verder open draaien.

Voorbeeld 2: Druk, weerstand en stroom

Voorbeeld 2: Uit kraan A stroomt 50 ml/sec. Kraan B staat twee keer zo ver dicht, maar heeft 4 keer zo veel druk als kraan A. Wat is de stroomsterkte uit kraan B?

In de hele natuurkunde geldt eigenlijk: als het te ingewikkeld wordt, moet je de zaken zo veel mogelijk uit elkaar halen. Dat doen we hier ook. Er zijn hier twee zaken aan de hand:

Kraan B staat twee keer zo ver dicht. Als dat het enige was dat hier aan de hand was, zou er dus 25 ml/sec uit stromen.

We weten nu het effect wat de weerstand van de kraan heeft op de stroomsterkte. Nu gaan we ook rekening houden met de druk.

Kraan B heeft vier keer zo veel druk als kraan A. Dat betekent dus dat er 25 x 4 = 100 ml/sec uit stroomt.