Er zijn nog weinig zekerheden dit jaar. Vele evenementen zijn uitgesteld of zelfs geschrapt uit je agenda. Maar je hebt het vast en zeker al gemerkt dat Kerst niet één van die evenementen is. Ieder jaar opnieuw wordt de kerstboom vroeger en vroeger van de zolder gehaald (of bij de echte fanatiekelingen die het met niet minder dan een levensechte boom doen, vanop de kerstmarkt). Ook dit jaar is daarop geen uitzondering. Om alle eenzaamheid van deze tweede lockdown tijdens de donkerste dagen van het jaar weg te jagen, hang je er natuurlijk extra veel lichtjes in…als ze nog werken tenminste. Hoe komt het toch dat die lichtkransen zo snel kapot gaan? En hoe kan je het vermijden om elk jaar een nieuwe te moeten kopen? Het antwoord op die vragen krijg je vandaag in deze Kerstspecial over de fysica in kerstverlichting.

Schakelingen

Voordat je volledig kan begrijpen hoe de verlichting werkt, moet je het een en ander weten over schakelingen. Een lampje doen branden kan je vergelijken met het beklimmen van een berg met een rugzak op je rug. Hoe lichter je rugzak is, hoe meer potentiaalenergie je hebt om snel de top te bereiken. Wanneer we praten over schakelingen, noemen we deze potentiaal-energie, spanning U, uitgedrukt in Volt. De snelheid waarmee je klimt, krijgt de term stroom I, uitgedrukt in Ampère. De helling van de berg, wordt de weerstand R, uitgedrukt in Ohm. Deze drie termen tezamen geeft de wet van Ohm:

M.a.w. wanneer de weerstand, de helling stijgt, gaat de stroom, dus de snelheid, naar omlaag. En als je de rugzak verzwaart (en zo de spanning verlaagt) verlaag je ook je klimsnelheid.

Wanneer je de kerstverlichting in het stopcontact steekt, wordt er een spanning van 230 V over de schakeling gezet. Die spanning zorgt ervoor dat de geladen deeltjes binnenin de draad gaan bewegen. De snelheid waarmee deze deeltjes zich verplaatsen, is de stroom. Het lampje zorgt voor wrijving en opwarming en biedt weerstand. Kerstverlichting bestaat natuurlijk uit meer dan één lampje en dat maakt de schakeling iets ingewikkelder. Er zijn twee manieren waarop je zo een schakeling kan samenstellen. De eerste is een parallelschakeling die te zien is links op bovenstaande figuur. Hierbij hebben de lampjes hun eigen stroomkring, met gelijke spanning. Indien de lampjes achter elkaar worden geplaatst, staan ze in serie (rechts op de figuur). De geladen deeltjes kunnen dan slechts langs één pad en verdelen zo de spanning over de lampjes. Dit verklaart waarom de lampjes in kerstverlichting snel stuk gaan. De schakeling in de sfeerlichtjes wordt namelijk in serie geplaatst. Wanneer een lampje kapot gaat brandt het filament door en ontstaat er een onderbreking in de draad. Het is dan onmogelijk voor elektronen om naar de volgende lamp te geraken. Als gevolg blijft héél de slinger donker.

Kunnen we het maken?

Nou en of!

Eerst moet je erachter zien te komen waar dat kapotte lampje zit. De meesten onder ons herinneren zich dat heuse titanenwerk wel nog. Gelukkig werd er een handige scanner ontwikkeld die de elektriciteit meet in de kabel en zo ontdekt waar de onderbreking zit. Daarna is het zo simpel als het lampje vervangen en de kerstverlichting is zo goed als nieuw. Maar we zouden geen echte wetenschappers zijn, als we het zo gemakkelijk op zouden lossen. Wel een korte waarschuwing: wees voorzichtig als je dit proefje zelf wil uitvoeren. Hoge voltages kunnen zeer gevaarlijk zijn. Raak dus zeker niets aan waar mogelijks stroom op staat.

Een tweede manier om je kerstverlichting te maken, is door gebruik te maken van een elektrische aansteker. Binnenin zo een aansteker zit een piëzo-kristal, met een speciale eigenschap. Het kristal wekt een elektrisch veld op als er een grote druk op uitgeoefend wordt. Wanneer beide kanten van het kristal verbonden zijn met een elektrisch geleidende draad is het mogelijk een vonk te creëren die overslaat tussen de uiteindes van de draden. We kunnen nu deze uiteindes als ‘stopcontact’ gebruiken en verbinden met de stekker van de lichtkrans. Je kan nu de vonk een paar keer laten over slaan. Dit zorgt er niet voor dat de kapotte lampjes terug gaan werken. De vonkjes maken het echter wel mogelijk voor de geladen deeltjes om alsnog alle lampjes te bereiken.

Proficiat, de krans is nu gefixt!

Let wel op! Zoals eerder vermeld, staan de lampjes in een serieschakeling en is de spanning over alle lampjes verdeeld. De kapotte lampjes in de serie geven geen weerstand meer en hebben dus ook geen spanning meer nodig. Een groter deel van de totaalspanning verdeelt zich nu over de werkende lampjes. Wanneer er te veel lampjes stuk zijn en een te hoge spanning over de andere staan, zal de verlichting alsnog uitgaan. Het slimste is dus om de doorgebrande lampjes te vervangen. Ze zijn nu veel makkelijker te vinden.

Ten heden dagen

Gelukkig hebben de makers van kerstverlichting onze schreeuw om hulp gehoord. Weg met het vloeken op Kerstdag omdat je een zoveelste lampje moet vervangen. De lampjes staan nog steeds in serie geschakeld (*zucht*) maar tegenwoordig is er een ingebouwde failsafe: de shunt. Wanneer een lampje faalt, wordt via deze by-pass de stroom nog steeds doorgevoerd naar het volgende lampje, waardoor de rest van de slinger intact blijft.

Nu vraag je je natuurlijk nog af hoe zo een lichtkrans kan knipperen. Dit gebeurt aan de hand van een bimetaal dat de verbinding maakt tussen alle verschillende lampjes. Een bimetaalstrip bestaat uit twee verschillende metalen waarbij het ene metaal sneller uitzet bij hogere temperaturen waardoor de strip krom trekt. Op die manier kunnen ze worden gebruikt als schakelaars in stroomketens. Wanneer de lampjes branden en het metaal opwarmt, buigen de strips en worden de verbindingen verbroken. De lichtjes gaan uit. Als gevolg koelt het bimetaal af en trekt het opnieuw recht. De lichtjes gaan weer aan en warmen op. De lichtjes gaan uit. En zo voort en zo verder.

Voor wie nog niet helemaal mee is…

legt deze Iraans-Canadese wetenschapper, elektrotechnisch ingenieur, komiek, en YouTuber Mehdi Sadaghdar, a.k.a. ElectroBOOM, het graag nog eens voor je uit.

Open in Spotify

Bronnen:

• Labo Vekalie (2008) : Hoe werkt kerstverlichting?
• apparata.nl (2020): Zo repareer je kerstverlichting 

door Lore Sterckx