De fietsketting als model voor een elektrische stroom

Inleiding
Uit de woordkeus van veel scholieren blijkt vaak, dat er een onjuist idee bestaat
over de elektrische stroom.
Voorbeeld l) "de stroom begint bij de pluspool en eindigt bij de minpool."
Voorbeeld 2) "Eerst passeert de stroom het lampje en dan de schakelaar."
Voorbeeld 3: "Er staat stroom op."
Om deze onjuiste gedachtes uit te bannen — en, liever nog, om onmiddellijk
een flink stuk beter inzicht aan te brengen — is het volgende model ontworpen.





De fietsketting

Een ronddraaiende fietsketting is een zeer geschikt model voor een elektrische stroom.
De ketting kan worden aangedreven óf door de fietspedaal óf door een elektromotor.

In elk punt van de gehele kring is er tegelijkertijd een stroom aanwezig:
overal in de kring bewegen de schakels.
Elke schakel presenteert een zelfde hoeveelheid elektrische lading, een aantal coulomb.

De nagebootste spanningsbron
Een deel van de ketting is bedekt door een paneel dat de vorm heeft van een accu.
De ketting gaat er bij de ene pool in en bij de andere eruit.

Wisselstroom, gelijkstroom en pulserende gelijkstroom
  • Door de zwengel of fietspedaal heen en weer te bewegen, simuleert men een wisselstroom.
  • Door de zwengel met constante snelheid rond te draaien
    wordt de illusie van een gelijkstroom gedemonstreerd.
    Let op de draairichting: buiten de accu loopt de stroom
    van de positieve pool(rood) naar de negatieve.
  • Door met variërende snelheid steeds dezelfde kant op te draaien,
    laat men een pulserende gelijkstroom zien. Deze is minder bekend.
    Denk aan de pulserende bloedstroom ten gevolge van de hartslag.
Stroomsterkte
Achtergrondkennis: de elektrische stroomsterkte is een aantal ampère.
Dat is een aantal coulomb per seconde.
Als de leraar vertelt, dat elke schakel een bepaalde hoeveelheid lading voorstelt
kan hij de stroomsterkte ook heel goed uitleggen.
Hij kan - waar hij maar wil - tellen hoeveel schakels er per minuut bij een gekozen plek passeren.
Het aantal schakels per seconde is dan het model van de stroomsterkte.
Het tellen wordt enigszins vergemakkelijkt doordat de schakels een kleur hebben gekregen.
Optioneel is de mogelijkheid een mechanische teller aan te brengen, die de schakels tellen kan.
Of de leerling óf de mechanische teller staat model voor een ampèremeter.

Achtergrondkennis
de geleidingselektronen in een metaal bewegen met een snelheid die een orde van grootte heeft van 100 km/s.
De richting verandert steeds door botsingen tegen de trillende metaalionen
waardoor ze gemiddeld niet erg 'opschieten'. Als een draad een stroom geleidt
is de gemiddelde opschuifsnelheid, de 'driftsnelheid' slechts millimeters per seconde.
Daarom is het gerechtvaardigd om de ketting slechts zeer langzaam te laten bewegen.
Dat maakt het tellen van de schakels ook een stuk gemakkelijker.

Stroomregel
Regel: de sterkte van de stroom is in elk punt dezelfde.
Dat is goed controleerbaar. Laat drie leerlingen tegelijkertijd het aantal schakels tellen.
Ze zullen, als ze zich niet vergissen, op hetzelfde bedrag uitkomen.
Het voordeel van tegelijkertijd ten opzichte van na elkaar is,
dat een eventuele variatie in de draaisnelheid geen invloed heeft.
Het tellen van de schakels kan ook met drie mechanische tellers. Dat heeft duidelijk voorkeur.

Het effect van een elektrische weerstand
De elektrische weerstand wordt nagebootst met een mechanische wrijvingsrem.
Duidelijk wordt met het fietskettingmodel geïllustreerd, dat het remmen een lokaal gebeuren is,
terwijl de invloed op de snelheid van alle schakels plaatsvindt,
dus op de stroomsterkte in de gehele kring.

Warmteontwikkeling
Door het aanbrengen van een thermometertje in de rem, de weerstand dus,
kan men de lokale temperatuurstijging vaststellen.

Beperking
Met dit model is geen vertakking van stromen te demonstreren.

Fysica Wetenschappen