Thomas Alva Edison was een Amerikaanse uitvinder en zakenman, die uitvindingen opkocht en de octrooien dan op zijn naam vastlegde. Zo is bekend dat Edison niet de uitvinder is van de gloeilamp, maar dat hij wel zelf gloeilampen heeft gebouwd.
Om zijn gloeilamp bekend te maken liet hij op oudejaarsavond 1879 rondom Menlo Park in New Jersey tientallen gloeilampen branden als feestversiering. Snel daarna werd zijn gloeilamp een commercieel succes en begon de grootschalige serieproductie.
Opgaven
a) Maak de volgende zin compleet door de juiste grootheden in te vullen.
Zodra de gloeilamp op een geschikte ....... wordt aangesloten, gaat door de gloeidraad een ....... lopen, waardoor de gloeidraad een zeer hoge ....... bereikt, zodat de gloeidraad licht gaat uitzenden.
In figuur 1 is de octrooiaanvraag uit 1880 van de gloeilamp van Edison te zien. Hij gebruikte in zijn gloeilamp een verkoolde bamboevezel als gloeidraad.
In de octrooiaanvraag staan drie figuren:
- figuur 1: een tekening van de hele gloeilamp;
- figuur 2: een tekening van de bamboe gloeidraad (cc') voordat hij tot een spiraal gewikkeld werd;
- figuur 3: een tekening van de gloeidraad als spiraal gewikkeld.
De lengte van de gloeidraad is op ware grootte getekend. De doorsnede van de gloeidraad waar de stroom doorheen gaat is 2,0 * 10-3 mm2. De weerstand van de gloeidraad is 1,0 kΩ.
b) Bepaal met behulp van figuur 1 de soortelijke weerstand van de verkoolde bamboevezel.
De lamp wordt aangesloten op een spanningsbron. We vergelijken de stroomsterkte door de gloeidraad vlak na het inschakelen van de lamp met de stroomsterkte door de gloeidraad als de lamp al een tijdje brandt.
Een verkoolde bamboevezel heeft dezelfde eigenschappen als een NTC-weerstand.
c) Is de stroomsterkte door de gloeidraad het grootst bij het inschakelen of als de lamp al een tijdje brandt? Licht je antwoord toe.
Edison maakte in 1880 een lamp van 16 W die 1500 uur kon branden.
d) Bereken de totale elektrische energie in J die de lamp dan heeft gebruikt.
Als de gloeidraad doorbrandt, is dat op de plek waar de gloeidraad dun is geworden.
e) Leg uit dat op die plek de warmteontwikkeling per seconde het grootst is. Gebruik in je antwoord P = I2R .
Uitwerkingen
Open het antwoord op de vraag van jouw keuze.
Uitwerking vraag (a)
Zodra de gloeilamp op een geschikte spanning wordt aangesloten, gaat door de gloeidraad een stroom lopen, waardoor de gloeidraad een zeer hoge temperatuur bereikt, zodat de gloeidraad licht gaat uitzenden.
Uitwerking vraag (b)
Voor de weerstand vaan een draad geldt:
R = ρ l / A
Hierin is:
- R de weerstand, in dit geval 1,0 kΩ;
- ρ de soortelijke weerstand in ρm, hier gevraagd;
- l de lengte van de draad. Deze is uit figuur 1 te bepalen. Deze is 6,1 cm.
- A de doorsnede van de draad. Deze is 2,0 * 10-3 mm2, oftewel 2,0 * 10-9 m2.
Voor de soortelijke weerstand vind je dan:
ρ = R A / l = 1,0 * 103 * 2,0 * 10-9 / 0,061 = 3,3 * 10-5 ρm
Uitwerking vraag (c)
Voor een NTC geldt dat de weerstand kleiner wordt wanneer de temperatuur groter wordt. Als de lamp een tijdje brandt, wordt de temperatuur groter en de weerstand kleiner.
Een kleinere weerstand geeft bij dezelfde spanning een grotere stroomsterkte (U = I*R).
De stroomsterkte is het grootst als de lamp al een tijdje brandt.
Uitwerking vraag (d)
E = P * t = 16 * (1500 * 3600) = 8,6 * 107 J
Uitwerking vraag (e)
Als de draad dunner wordt, wordt de weerstand groter. De stroomsterkte is overal in de draad gelijk. Als de weerstand groter wordt, neemt de warmteontwikkeling volgens P = I2R ook toe.
De warmteontwikkeling per seconde is het grootst op de plek waar de draad het dunst is.
