Kun jij metaal besturen net zoals Magneto?

• Natuurkunde
• Middelbare school
• vwo
• Leerjaar 5,6

Introduction

Kun jij metaal besturen zonder het aan te raken? In dit hands-on practicum gaan leerlingen aan de slag met elektrische ladingen en onderzoeken ze hoe elektrostatische krachten invloed kunnen uitoefenen op metaal. Door zelf te experimenteren ontdekken ze hoe ladingen zich gedragen en hoe elektrische krachten een metalen structuur in beweging kunnen brengen.

Instructions

Voorkennis van leerlingen

De les vraagt geen specifieke voorkennis van leerlingen.

Voorbereiding van de docent

Neem de les een keer door.

Zorg voor alle materialen voor het practicum:

• een blikje
  
• een pvc-buis
• kleding of doek, liefst van wol
• een telefoon of camera om een video op te nemen
• pen, stiften en papier

Leerdoelen/vaardigheden

De leerling kan de werking van ladingen uitleggen in dagelijkse toepassingen;

De leerling kan experimenteren met de elektrostatische werkingen op een metaalstructuur.

Aansluiting curriculum

Deze les sluit aan bij de domeinen van natuurkunde:

Domein D – Lading en veld

Subdomein D2 – Elektrische en magnetische velden

Het practicum kan ook worden gecombineerd met andere practica van 4TU.Schools. Zo kun je verschillende practica naast elkaar aanbieden in de vorm van een practicumcarrousel.

Feedback

De makers van deze les willen graag weten wat je van de les vond. Ga daarvoor naar de (korte) vragenlijst. Heel veel dank!

ut.onl/docent4tu

Ondertitel

Practicum Elektrische Velden

Kun jij metaal besturen net zoals Magneto?

Les 1. Wat is creativiteit?

Informatie voor de docent

Benodigdheden

Zet het vinkje 'toon bij leerling' aan

Toon notities bij elke dia

Navigeren door de les

Vooraf

Verdeel de leerlingen in groepjes van 2 leerlingen.

Alle materialen voor het practicum

Een camera voor iedere groep

Pen, stiften en papier

Materialenlijst (per groep)

• Een blikje
• Een pvc-buis

• Een doek, liefst van wol

Les 1. Wat is creativiteit?

Leerdoelen

Na deze les...

• kun je de werking van ladingen uitleggen in dagelijkse toepassingen;
• kun je experimenteren met de elektrostatische werkingen op een metaalstructuur.

Les 1. Wat is creativiteit?

Ladingen en kracht

Het is bekend dat ladingen, afhankelijk van hun polariteit, elkaar aantrekken of afstoten. Gelijke ladingen stoten elkaar af, terwijl tegenovergestelde ladingen elkaar aantrekken.

Dit komt door de elektrische veldpatronen die elke lading maakt. Gelijke velden willen elkaar wegdrukken en veroorzaken een kracht tussen de twee geladen deeltjes. Tegenovergestelde velden doen dit dus precies andersom, een maken een aantrekkingskracht.

Maak duidelijk aan de leerlingen dat een rode deeltje positief en een groen deeltje negatief. Dit houden wij aan voor de rest van de presentatie.

Les 1. Wat is creativiteit?

En een 'nul'-lading?

Een deeltje met een nul-lading is dus een deeltje wat geen elektrisch veld patroon maakt. Deze heeft dus geen invloed op alle andere gelade deeltjes in zijn omgeving. Aldus: geen aantrekking of afstoting.

Wij zien dat deze effecten van gelade deeltjes ook getrokken kunnen worden naar een grotere schaal. Maar hoe werkt dat?

Les 1. Wat is creativiteit?

Alles is groter nu

Wanneer wij kijken naar de objecten om ons heen zijn deze op een atomische schaal gemaakt van atomen die met elkaar verbonden zijn om moleculen te maken. Deze banden proberen zo veel mogelijk elektronen te delen, waardoor het gehele ladingsverschil (tussen protonen en elektronen) naar nul trekt.

Zo zien wij dat de meeste objecten in ons dagelijks leven geen effecten tonen zoals elektrische ladingen zouden doen. Maar zijn er uitzonderingen?

Hierbij uitleggen dat dingen zoals batterijen en oude CRT televisies (bij gebruik) elektrische velden aanmaken.

Les 1. Wat is creativiteit?

Metalen: de

elektron snelweg

Metalen zijn een speciaal soort materiaal, waar de banden die metaalatomen maken zorgen voor een vrije beweging van elektronen. Zij delen hun elektronen niet door directe banden met elkaar te maken, maar door hun te verdelen het in de gehele structuur van het metaal.

Les 1. Wat is creativiteit?

Metalen: de

elektron snelweg

Onder een sterk elektrisch veld, oftewel een potentiaal verschil, zullen deze elektronen willen bewegen alsof het vrije deeltjes zijn met een min lading. Dit is hoe elektriciteit door een metaal wordt geleid en dus ook hoe elektriciteit wordt geleid in elektrische circuits.

Les 1. Wat is creativiteit?

Statische velden

Statische elektrische velden kunnen ook voorkomen in grotere objecten. Stel je wrijft met een doek of jouw kleding over een bepaald materiaal, dan geeft de ene elektronen af en neemt de andere het op. Hierdoor wordt de ene negatief geladen en de ander positief.

Bepaalde materialen geven dus elektronen af, en anderen nemen het op. Bijvoorbeeld, in het geval van bepaalde kunststoffen worden elektronen van het doek naar de kunststof verplaatst. Dit zie je ook als je met een ballon over je haar heen wrijft.

Can Can GO!

Les 1. Wat is creativiteit?

Wat heb je nodig?

1. Jouw eigen kleding of een doek, liefst van wol
2. Een leeg blikje frisdrank
3. Een pvc-buis
4. Een camera/ telefoon voor video-opname

Water heeft niet-gelijkwaardig verdeelde elektronen tussen waterstof en zuurstof. Er ontstaat in de molecuul een dipool (ladingsverschil) aan beide kanten. Dit zorgt voor het bindkracht in water: de waterstofbrug.
De Opmaak van Water
Het plaatje bovenaan laat een dipool zien van water. Omdat het zuurstofdeeltje meer elektronen behoudt drukt het de meer positief geneigde waterstofdeeltjes naar een kant. Dit veroorzaakt een ladingsverschil, waar de kant van het zuurstofdeeltje meer negatief geladen is. Zo kan water met elkaar binden, de elektrische velden zijn sterk genoeg om ze zonder een atoombinding te verbinden.

Les 1. Wat is creativiteit?

De Control Casus

1. Leg het blikje op zijn zijkant zodat het kan rollen
2. Pak de pvc-buis en houd hem in de buurt van het blikje
3. Gebeurt er iets? Neem op het in een filmpje
   
4. Als er iets interessants gebeurt, mag je dit met een tekening uitleggen, en deze uitleg met de video opnemen

Water heeft niet-gelijkwaardig verdeelde elektronen tussen waterstof en zuurstof. Er ontstaat in de molecuul een dipool (ladingsverschil) aan beide kanten. Dit zorgt voor het bindkracht in water: de waterstofbrug.
De Opmaak van Water
Het plaatje bovenaan laat een dipool zien van water. Omdat het zuurstofdeeltje meer elektronen behoudt drukt het de meer positief geneigde waterstofdeeltjes naar een kant. Dit veroorzaakt een ladingsverschil, waar de kant van het zuurstofdeeltje meer negatief geladen is. Zo kan water met elkaar binden, de elektrische velden zijn sterk genoeg om ze zonder een atoombinding te verbinden.

Les 1. Wat is creativiteit?

CAN CAN Go!

1. Leg het blikje nogmaals op de zijkant
2. Wrijf nu eerst over met een doek of jouw kleding over de pvc-buis
3. Houd de pvc-buis in de buurt van het blikje
4. Wat gebeurt er nu? Neem het op in een filmpje
5. Maak een tekening van wat jij denkt dat er gebeurt.
6. Doe dit op eventueel op een atomaire schaal
7. Neem een filmpje op van jezelf dat je de uitleg geeft

Bonus activiteit

Heeft iedereen zijn blikje rollend? Organiseer een wedstrijd met een paar mensen waar je kijkt wie het snelst zijn blikje over de tafel kan laten rollen. Je blikje aanrakken is strafpunten!

Water heeft niet-gelijkwaardig verdeelde elektronen tussen waterstof en zuurstof. Er ontstaat in de molecuul een dipool (ladingsverschil) aan beide kanten. Dit zorgt voor het bindkracht in water: de waterstofbrug.
De Opmaak van Water
Het plaatje bovenaan laat een dipool zien van water. Omdat het zuurstofdeeltje meer elektronen behoudt drukt het de meer positief geneigde waterstofdeeltjes naar een kant. Dit veroorzaakt een ladingsverschil, waar de kant van het zuurstofdeeltje meer negatief geladen is. Zo kan water met elkaar binden, de elektrische velden zijn sterk genoeg om ze zonder een atoombinding te verbinden.

Uitleg

Practicum

Les 1. Wat is creativiteit?

Het blik op metalen

Zoals eerder uitgelegd hebben metalen vrij-bewegende elektronen die, onder invloed van een sterk elektrisch veld, ook verplaatst kunnen worden.

Wanneer wij uitzoomen en kijken naar het blikje in zijn geheel kunnen wij inbeelden dat de elektronen worden verschoven naar een uiteinde van het blikje. Het blikje heeft dus nu een positief en negatief geladen kant, maar is in zijn geheel nog steeds een netto nul geladen object.

Water heeft niet-gelijkwaardig verdeelde elektronen tussen waterstof en zuurstof. Er ontstaat in de molecuul een dipool (ladingsverschil) aan beide kanten. Dit zorgt voor het bindkracht in water: de waterstofbrug.
De Opmaak van Water
Het plaatje bovenaan laat een dipool zien van water. Omdat het zuurstofdeeltje meer elektronen behoudt drukt het de meer positief geneigde waterstofdeeltjes naar een kant. Dit veroorzaakt een ladingsverschil, waar de kant van het zuurstofdeeltje meer negatief geladen is. Zo kan water met elkaar binden, de elektrische velden zijn sterk genoeg om ze zonder een atoombinding te verbinden.

Les 1. Wat is creativiteit?

De negatieve pvc-buis

Bij het wrijven over de pvc-buis met een doek of jouw kleding worden er ladingen uitgedeeld tussen de twee objecten. Dit veroorzaakt een netto negatieve lading in de pvc-buis. Dit komt door iets wat wij het tribo-elektrisch effect noemen. Dit effect is vooral voorkomend in materialen die als isolator werken, zoals vele kunststoffen.

De pvc-buis heeft nu een statisch elektrisch veld. Deze kan invloed hebben op andere objecten alsof het een groter geladen deeltje is.

Water heeft niet-gelijkwaardig verdeelde elektronen tussen waterstof en zuurstof. Er ontstaat in de molecuul een dipool (ladingsverschil) aan beide kanten. Dit zorgt voor het bindkracht in water: de waterstofbrug.
De Opmaak van Water
Het plaatje bovenaan laat een dipool zien van water. Omdat het zuurstofdeeltje meer elektronen behoudt drukt het de meer positief geneigde waterstofdeeltjes naar een kant. Dit veroorzaakt een ladingsverschil, waar de kant van het zuurstofdeeltje meer negatief geladen is. Zo kan water met elkaar binden, de elektrische velden zijn sterk genoeg om ze zonder een atoombinding te verbinden.

Les 1. Wat is creativiteit?

De buis en het blikje

De negatief geladen pvc-buis werkt precies zoals een grote lading in de buurt van het blikje. Zo kunnen wij inbeelden dat de elektronen worden weggeduwd naar een uiteinde van het blikje. Dit laat een positief geladen oppervlakte op het blikje. Omdat de buis een negatieve lading heeft, trekt dit dus de positief geladen oppervlakte aan en rolt het blikje.

Maar waarom duwen de elektronen niet terug?

Vind het uit!

De elektronen zijn in de metaalstructuur verder verwijderd van de pijp. De elektrostatische kracht tussen deeltjes neemt met het quadraat af naar mate de deeltjes verder van elkaar verwijderd worden. Aldus, de positief geladen deeltjes in het blikje zijn veel dichter bij dus de aantrekkingskracht is sterker dan de afstotingskracht.

Water heeft niet-gelijkwaardig verdeelde elektronen tussen waterstof en zuurstof. Er ontstaat in de molecuul een dipool (ladingsverschil) aan beide kanten. Dit zorgt voor het bindkracht in water: de waterstofbrug.
De Opmaak van Water
Het plaatje bovenaan laat een dipool zien van water. Omdat het zuurstofdeeltje meer elektronen behoudt drukt het de meer positief geneigde waterstofdeeltjes naar een kant. Dit veroorzaakt een ladingsverschil, waar de kant van het zuurstofdeeltje meer negatief geladen is. Zo kan water met elkaar binden, de elektrische velden zijn sterk genoeg om ze zonder een atoombinding te verbinden.

Les 1. Wat is creativiteit?

Geïnspireerd

Wellicht vond je dit een interessante les. 

Klik dan eens op onderstaande vervolgopleidingen:

Technische natuurkunde

<div><a href="https://www.utwente.nl/en/education/bachelor/programmes/applied-physics/">Applied Physics</a> - Universiteit Twente</div><a href="https://www.tudelft.nl/onderwijs/opleidingen/bachelors/tn/bsc-technische-natuurkunde">Technische Natuurkunde</a>&nbsp;- TU Delft<div><a href="https://www.tue.nl/studeren/bachelor-college/bachelor-applied-physics">Applied Physics</a> - TU Eindhoven</div><div><br></div><div><div></div></div>

Electrical Engineering

<div><a href="https://www.utwente.nl/en/education/bachelor/programmes/electrical-engineering/">Electrical Engineering</a> - UTwente</div><a href="https://www.tue.nl/studeren/bachelor-college/bachelor-electrical-engineering">Electrical Engineering</a> - TU Eindhoven<div><a href="https://www.tudelft.nl/onderwijs/opleidingen/bachelors/ee/bsc-electrical-engineering">Electrical Engineering</a> - TU Delft</div>

Toelichting

Deze dia is bedoeld om leerlingen te helpen zich te oriënteren op vervolgopleidingen, hoewel dat vaak nog een ver-van-mijn-bed-show is. Onbekend maakt onbemind en op deze manier maken ze kennis met wellicht onbekende studierichtingen.

Les 1. Wat is creativiteit?

Gefeliciteerd!

Nu kun je...

...de werking van ladingen uitleggen in dagelijkse toepassingen;

...experimenteren met de elektrostatische werkingen op een metaalstructuur.

Les 1. Wat is creativiteit?

De makers van deze les willen graag weten wat je van de les vond. Ga daarvoor naar de (korte) vragenlijst. Heel veel dank!

Feedback gevraagd

Klik hier om naar de vragenlijst voor leerlingen te gaan

Link naar vragenlijst voor leerlingen: 

ut.onl/leerling4tu 

Les 1. Wat is creativiteit?

De makers van deze les willen graag weten wat je van de les vond. Ga daarvoor naar de (korte) vragenlijst. Heel veel dank!

Feedback gevraagd

Vragenlijst voor docenten

ut.onl/docent4tu

Les 1. Wat is creativiteit?

Check www.4tuschools.nl voor meer inspirerende lessen!