Elektriciteitsleer 1 TouchTech by ThiemeMeulenhoff

mb o TOUCHTECH

TouchTech – Techniek die je raakt Dit boek is onderdeel van TouchTech, een complete modulaire methode voor MBO Techniek niveau 3 en 4. Dit standaardboek is opgebouwd uit een aantal opeenvolgende leereenheden van één vakgebied. TouchTech is zowel in boekvorm, als maatwerkreader als ook digitaal beschikbaar. TouchTech heeft een breed aanbod van circa 400 leereenheden voor de vele vakgebieden in de elektrotechniek, werktuigkunde en mechatronica.

Elektriciteitsleer 1

TOUCHTECH

Elektriciteitsleer 1 LEERWERKBOEK

Learning by doing De methode TouchTech helpt de verbinding te maken tussen theorie en praktijk. Elke leereenheid start met kernvragen over het leerdoel, zodat je weet wat je gaat leren. Binnen elke leereenheid wordt beknopte theorie gekoppeld aan praktijkvoorbeelden. Na de theorie volgen korte verwerkings- en toepassingsopdrachten om de lesstof eigen te maken en de relatie met de praktijk te leggen.

LEERWERKBOEK NIVEAU 3&4

Anytime/anywhere Met de nieuwe methode Techniek is de benodigde theorie anytime/anywhere beschikbaar. De theorie is beschikbaar in leereenheden op onderwerp, zodat je eenvoudig kunt beschikken over alleen de theorie die je op dat moment nodig hebt tijdens lessen, praktijkopdrachten en projecten. De leereenheden/onderwerpen zijn snel op te zoeken voor docent én student Bewezen didactiek De didactische opbouw van elke leereenheid is gebaseerd op het zes-leerfasen model: na een introductie vanuit de praktijk volgt de theorie, verduidelijkt met praktijkvoorbeelden. In het tweede deel gaat de student aan de slag met verwerkingsvragen, toepassingsvragen en tenslotte de evaluatie en reflectie. Diversiteit aan leermiddelen TouchTech is leverbaar op papier of digitaal in een volgorde die jij wilt. De op zichzelf staande leereenheden zijn samen te stellen tot maatwerkreaders, maar ook als standaardboek (leerwerkboek) met vaste volgorde per vakgebied te bestellen. Digitaal is de methode als licentie beschikbaar voor scholen, waarbij de docent zelf een curriculum kan samenstellen uit het brede aanbod van leereenheden. TouchTech bevat leereenheden die geschikt zijn voor de kwalificaties: - Middenkader Engineering - Elektrotechnische installaties - Mechatronica - Human Technology - Werktuigkundige installaties, enz.

Auteurs: H. Frericks S.J.H. Frericks Eindredactie: H. Frericks S.J.H. Frericks

9 789006 840759

9789006840759_Elektriciteitsleer_omslag.indd All Pages

20/05/19 11:04

9789006840759_Elektriciteitsleer.indb 228

17/05/19 08:38

â&#x20AC;&#x201A;

Elektriciteitsleer 1

9789006840759_Elektriciteitsleer.indb 1

TOUCHTECH

17/05/19 08:35

Colofon Over ThiemeMeulenhoff ThiemeMeulenhoff ontwikkelt zich van educatieve uitgeverij tot een learning design company. We brengen content, leerontwerp en technologie samen. Met onze groeiende expertise, ervaring en leeroplossingen zijn we een partner voor scholen bij het vernieuwen en verbeteren van onderwijs. Zo kunnen we samen beter recht doen aan de verschillen tussen lerenden en scholen en ervoor zorgen dat leren steeds persoonlijker, effectiever en efficienter wordt. Samen leren vernieuwen. www.thiememeulenhoff.nl ISBN 978 9006 84075 9 1e druk, 1e oplage, 2019 � ThiemeMeulenhoff, Amersfoort, 2019

Alle rechten voorbehouden. Niets uit deze uitgave mag worden verveelvoudigd, opgeslagen in een geautomatiseerd gegevensbestand, of openbaar gemaakt, in enige vorm of op enige wijze, hetzij elektronisch, mechanisch, door fotokopieën, opnamen, of enig andere manier, zonder voorafgaande schriftelijke toestemming van de uitgever. Voor zover het maken van kopieën uit deze uitgave is toegestaan op grond van artikel 16B Auteurswet 1912 j° het Besluit van 23 augustus 1985, Stbl. 471 en artikel 17 Auteurswet 1912, dient men de daarvoor wettelijk verschuldigde vergoedingen te voldoen aan Stichting Publicatie- en Reproductierechten Organisatie (PRO), Postbus 3060, 2130 KB Hoofddorp (www.stichting-pro.nl). Voor het overnemen van gedeelte(n) uit deze uitgave in bloemlezingen, readers en andere compilatiewerken (artikel 16 Auteurswet) dient men zich tot de uitgever te wenden. Voor meer informatie over het gebruik van muziek, film en het maken van kopieen in het onderwijs zie www.auteursrechtenonderwijs.nl. De uitgever heeft ernaar gestreefd de auteursrechten te regelen volgens de wettelijke bepalingen. Degenen die desondanks menen zekere rechten te kunnen doen gelden, kunnen zich alsnog tot de uitgever wenden.

Deze uitgave is volledig CO2-neutraal geproduceerd. Het voor deze uitgave gebruikte papier is voorzien van het FSC®-keurmerk. Dit betekent dat de bosbouw op een verantwoorde wijze heeft plaatsgevonden.

9789006840759_Elektriciteitsleer.indb 2

17/05/19 08:35

Inhoudsopgave 1 ELE01 Elektrische grootheden

Introductie 8 Theorie 9 Kernvragen 9 Elektrische spanning 9 Hoe ontstaat spanning? 10 Elektrische lading 15 Elektrische stroom 16 Elektrisch vermogen 18 Elektrische energie 21 Andere soorten vermogen en energie of arbeid 24 Rendement 25 Samenvatting 27 Video 28 Begrippen 28 Theorieopdrachten 29 Opdrachten uit de praktijk 30 Evaluatie en reflectie 34 Checklist 34 Zelftoets 34

2 ELE02 Weerstand en geleiding

Introductie 40 Theorie 41 Kernvragen 41 Weerstand tegen stroom 41 Geleiderweerstand: doorsnede en lengte 41 Geleiderweerstand: materiaalsoort 43 Soortelijke geleiding 46 Temperatuurcoëfficiënt 47 Lineaire en niet-lineaire verandering 50 Samenvatting 52 Video 53 Begrippen 53 Theorieopdrachten 54 Opdrachten uit de praktijk 55 Evaluatie en reflectie 59 Checklist 59 Zelftoets 59

3 ELE03 Basisnetwerken

Introductie 64 Theorie 65 Kernvragen 65 Basisnetwerken 65 Afspraken en regels voor netwerken: stroomafspraken 65 Afspraken en regels voor netwerken: spanningsafspraken 67 Onbelaste en belaste spanning 69 Bijzondere energiebronnen en weerstandswaarden 69 Wet van Ohm 72

9789006840759_Elektriciteitsleer.indb 3

17/05/19 08:35

Eerste wet van Kirchhoff 74 Tweede wet van Kirchhoff 76 Samenvatting 78 Video 79 Begrippen 79 Theorieopdrachten 80 Opdrachten uit de praktijk 82 Evaluatie en reflectie 85 Checklist 85 Zelftoets 85

4 ELE04 Weerstandsnetwerken 1

Introductie 90 Theorie 91 Kernvragen 91 Weerstandsnetwerken 91 Serieschakeling van weerstanden 91 Spanningsdeler en stroomregeling 96 Samenvatting 101 Video 102 Begrippen 103 Theorieopdrachten 104 Opdrachten uit de praktijk 105 Evaluatie en reflectie 113 Checklist 113 Zelftoets 113

5 ELE05 Weerstandsnetwerken 2

117

Introductie 118 Theorie 119 Kernvragen 119 SMD-weerstanden 119 Parallelschakeling van weerstanden 119 Gemengde schakelingen met weerstanden 123 Belastinglijn en instelpunten 128 Samenvatting 132 Video 133 Begrippen 133 Theorieopdrachten 134 Opdrachten uit de praktijk 135 Evaluatie en reflectie 146 Checklist 146 Zelftoets 146

6 ELE06 Netwerken met energiebronnen 1

149

Introductie 150 Theorie 151 Kernvragen 151 Belaste en onbelaste spanningsbron 151 Het vermogen van een spanningsbron 155 Serieschakeling van ideale spanningsbronnen 156 Serieschakeling van niet-ideale spanningsbronnen 157 Samenvatting 160

9789006840759_Elektriciteitsleer.indb 4

17/05/19 08:35

Video 161 Begrippen 161 Theorieopdrachten 162 Opdrachten uit de praktijk 163 Evaluatie en reflectie 167 Checklist 167 Zelftoets 167

7 ELE07 Netwerken met energiebronnen 2

171

Introductie 172 Theorie 173 Kernvragen 173 Parallelschakeling van spanningsbronnen 173 Parallelschakeling met stroombronnen 179 Spanningsbron omzetten naar een stroombron 181 Van stroombron naar spanningsbron 183 Samenvatting 183 Video 184 Theorieopdrachten 185 Opdrachten uit de praktijk 186 Evaluatie en reflectie 194 Checklist 194 Zelftoets 194

8 ELE08 Wisselstroombegrippen

197

Introductie 198 Theorie 199 Kernvragen 199 Wisselspanning en wisselstroom 199 Periodiek veranderende spanningen en stromen 200 Sinusvormige wisselstroom en wisselspanning 203 Spanningswaarden en stroomwaarden 203 Cirkelfrequentie 208 Fasehoek 210 Berekening met vectoren 211 Samenvatting 214 Video 214 Begrippen 215 Theorieopdrachten 216 Opdrachten uit de praktijk 217 Evaluatie en reflectie 220 Checklist 220 Zelftoets 220 Register 225

9789006840759_Elektriciteitsleer.indb 5

17/05/19 08:35

9789006840759_Elektriciteitsleer.indb 6

17/05/19 08:35

ELE01

Elektrische grootheden

Auteur H. Frericks Eindredactie S.J.H. Frericks

9789006840759_Elektriciteitsleer.indb 7

17/05/19 08:35

ELE01 Elektrische grootheden Introductie

Introductie Podiumbelichting Een poppodium of een podium bij een ander evenement ziet er vaak fantastisch uit. Geweldige belichting met allerlei lichteffecten en keiharde muziek zijn daarbij de hoofdonderdelen. De artiesten die daar optreden zijn natuurlijk het belangrijkste, daarvoor ga je naar zo’n concert. Maar als je er bent raak je toch ook wel onder de indruk van zo’n prachtige lichtshow eromheen. Waar halen ze alle (elektrische) energie vandaan om dat voor elkaar te krijgen? Wie bedenkt wat voor, en hoeveel, spanning, stroom en vermogen daarvoor nodig is?

Figuur 1 Belichting bij een popconcert (Bron: Getty images)

Oriënterende vragen

• •

Hoe hoog is de netspanning thuis, en zal die voor de belichting van een popconcert even hoog zijn? Hoeveel vermogen staat er vanavond bij jou thuis ingeschakeld, en hoeveel bij zo’n concert?

9789006840759_Elektriciteitsleer.indb 8

17/05/19 08:35

ELE01 Elektrische grootheden Theorie

Theorie Kernvragen • Op welke manieren kun je elektrische spanning opwekken en met welke apparaten • •

gebeurt dat dan? Wat is elektrische lading en wat is er nodig om een elektrische stroom te krijgen? Waarom staat op apparaten het elektrisch vermogen aangegeven en niet de elektrische energie of arbeid?

Elektrische spanning Als je je wilt bezighouden met elektrotechniek, moet je bij het begin beginnen: de spanningsbronnen. Als we geen spanning konden opwekken, zou het vak elektrotechniek niet bestaan. Elektrische spanning kun je vergelijken met de waterdruk op de kraan of de luchtdruk in een fietsband. Elektrische spanning is de druk die een elektrische stroom laat lopen. Spanning wordt aangegeven met de letter U en uitgedrukt in volt, afgekort V. De spanning meet je met een voltmeter. In de praktijk wordt de netspanning ook vaak gemeten met een spanningstester.

Figuur 2 Meten van de netspanning (Bron: Shutterstock)

9789006840759_Elektriciteitsleer.indb 9

17/05/19 08:35

ELE01 Elektrische grootheden Theorie

Hoe ontstaat spanning? Spanning kun je op verschillende manieren opwekken:

• • • • •

met magnetisme met een chemische reactie met warmte met licht met drukverandering

Afhankelijk van de manier waarop spanning opgewekt wordt, ontstaat er een gelijkspanning of een wisselspanning. Bij gelijkspanning is het ene aansluitpunt altijd positief en het andere altijd negatief. Je zegt dan dat de polariteit van de aansluitpunten hetzelfde blijft. Bij wisselspanning verandert deze polariteit steeds: een aansluitpunt is wisselend positief of negatief ten opzichte van het andere. Ook verandert bij wisselspanning steeds de grootte van de spanning. Een spanningsbron wordt in vaktaal ook wel een voeding genoemd. In figuur 3 zie je de symbolen van een ideale gelijk- en wisselspanningsbron.

–

a gelijkspanningsbron

b wisselspanningsbron

Figuur 3 Symbolen ideale spanningsbronnen (Bron: Tiekstramedia)

Spanning opwekken met magnetisme De meeste energie wordt opgewekt met magnetisme. Dit gebeurt dan met een generator of dynamo, bijvoorbeeld in windmolens en (kern)centrales, of met een aggregaat. Dit is een generator die aangedreven wordt door een verbrandingsmotor (diesel of benzine).

Figuur 4 Aggregaat voor festivals (Bron: Getty Images)

Voor deze manier van energie opwekken heb je een magneet, een spoel en beweging nodig. Zie figuur 5: beweeg je de magneet naar de spoel toe, dan ontstaat een spanning in de spoel. Deze spanning wordt inductiespanning genoemd. De wijzer van de meter 10

9789006840759_Elektriciteitsleer.indb 10

17/05/19 08:36

ELE01 Elektrische grootheden Theorie

slaat naar één kant uit. Beweeg je de magneet van de spoel af, dan slaat de wijzer naar de andere kant uit. Laat je de magneet langs de spoel ronddraaien, dan krijg je een wisselspanning. spoel magneet N

voltmeter

Figuur 5 Inductiespanning (Bron: Tiekstramedia)

Spanning opwekken met een chemische reactie In een batterij en een accu wordt spanning opgewekt met behulp van een chemische reactie. Een ontwikkeling die sterk in opkomst is, is het opwekken van spanning met een brandstofcel. Ook daarbij berust de werking op een scheikundig proces. De scheikundige werking van een batterij berust op de eigenschap dat er tussen een metaal en een vloeistof altijd een elektrische spanning bestaat.

elektrolyt

kathode

anode

elektroden

Figuur 6 Spanning door een chemische reactie (Bron: Tiekstramedia)

Ieder metaal heeft ten opzichte van een geleidende vloeistof (elektrolyt) een andere spanning. In figuur 6 zijn twee plaatjes van verschillend metaal in een elektrolyt geplaatst. Daardoor ontstaat tussen de plaatjes (elektroden) een gelijkspanning. De ene elektrode heeft altijd een positieve polariteit en de andere altijd een negatieve. De positieve elektrode noem je de anode en de negatieve elektrode noem je de kathode. Als zo’n spanningsbron niet oplaadbaar is, noem je dit een primaire cel. Als je de bron na gebruik weer kunt opladen, spreek je van een secundaire cel of accu. Daarnaast is er onderscheid tussen droge cellen (zoals de batterij) en natte cellen (zoals de accu). De hoeveelheid energie die in een spanningsbron is opgeslagen, wordt opgegeven in A h (spreek uit ampère-uur) of de kleinere eenheid mAh (milli-ampère-uur).

9789006840759_Elektriciteitsleer.indb 11

17/05/19 08:36

ELE01 Elektrische grootheden Theorie

Spanning opwekken met warmte Om rechtstreeks met behulp van warmte spanning op te wekken heb je twee verschillende metalen nodig. In figuur 7 zie je zo’n thermokoppel. koper

mV T2 constantaan T1

Figuur 7 Thermokoppel (Bron: Tiekstramedia)

De metalen zijn in dit geval draden van koper en constantaan. In één punt zijn de uiteinden van de twee draden aan elkaar gesmolten (T2  ). Door dat punt te verwarmen ontstaat er een spanningsverschil tussen de andere uiteinden van de draden (T1  ). Het spanningsverschil is nu een maat voor de temperatuur van de warme las. De ‘koude’ uiteinden moeten dan wel op een constante, bekende temperatuur gehouden worden. De grootte van de spanning is afhankelijk van:

• •

de gebruikte metalen het temperatuurverschil tussen het verwarmde laspunt en de koude uiteinden

De praktische uitvoering van een spanningsbron die volgens dit principe werkt noem je een thermo-element of thermokoppel. In tabel 1 staat een aantal combinaties van metalen die een thermokoppel vormen, met de spanningsveranderingen per graad Celsius en de maximale temperaturen waarbij je ze kunt gebruiken. Tabel 1 Spanning bij thermokoppels

Thermokoppel

Spanning (µV / ° C)

Bruikbaar tot circa (° C)

Koper-constantaan

40-60

400

IJzer-constantaan

50-70

750

Chroomnikkel-nikkel

20-40

1100

Platina/rhodium-platina

5-12

1600

Platina-iridium

ca. 6

1600

Thermokoppels worden toegepast in de waakvlam-beveiliging van de geiser of de cv-ketel. In de industrie worden ze gebruikt voor temperatuurmeting en temperatuurbewaking, bijvoorbeeld voor oppervlakte-temperatuurmeting, in stoomturbines of in de voedselindustrie.

Figuur 8a Thermokoppel voor oppervlakte-temperatuurmeting (Bron: Tiekstramedia)

9789006840759_Elektriciteitsleer.indb 12

17/05/19 08:36

ELE01 Elektrische grootheden Theorie

Figuur 8b Thermokoppel voor oppervlakte-temperatuurmeting (Bron: Tiekstramedia)

Spanning opwekken met licht Voor het opwekken van spanning met behulp van licht wordt halfgeleidermateriaal gebruikt. Valt er licht op dit materiaal, dan ontstaat er een spanningsverschil. Dit principe wordt toegepast in de fotocel. De spanning en de energie die een enkele fotocel afgeeft, is beperkt. Door meerdere fotocellen met elkaar te verbinden krijg je voldoende spanning en vermogen voor diverse toepassingen. In figuur 9 zie je de opbouw van een zonnepaneel bestaande uit meerdere fotocellen.

frame glas uv film zonnecellen film rug aansluitingskast

Figuur 9 Opbouw zonnepaneel (Bron: Tiekstramedia)

Figuur 10 toont een smartphone die werkt op fotocellen.

Figuur 10 Smartphone met aan achterzijde zonnecellen (Bron: Shutterstock)

9789006840759_Elektriciteitsleer.indb 13

17/05/19 08:36

ELE01 Elektrische grootheden Theorie

Spanning opwekken met drukverandering In sommige materialen ontstaat een spanningsverschil als de druk op het materiaal verandert. Dit noem je het piëzo-elektrisch effect. Voorbeelden van zulke materialen zijn bariumtitanaat en bepaalde polymeren. In figuur 11 zie je een stukje piëzomateriaal in een houtklem. Als je de druk verhoogt door de klem aan te draaien, neemt het spanningsverschil over het materiaal toe. Als je de klem losser draait, dan neemt het spanningsverschil af en draait de wijzer van de meter de andere kant op. De werking van een piëzo-element berust op dit principe.

houtklem

piëzomateriaal

Figuur 11 Piëzo-element (Bron: Tiekstramedia)

Een toepassing van het piëzo-element is het produceren van een vonk in een aansteker of een gastoestel. Een mechanisme ‘slaat’ daarbij hard tegen een piëzo-element, waardoor een hoge spanning ontstaat die een vonk veroorzaakt. Een andere, heel belangrijke toepassing van deze elementen is als sensor in de regeltechniek. De drukverandering op de sensor kan daarbij veroorzaakt worden door mechanische bewegingen van pompen, generatoren, geluid, vloeistofstromen, niveauverandering, enzovoort. Diverse fabrikanten ontwerpen elementen voor specifieke doeleinden, zoals die in figuur 12a en figuur 12b voor een piëzoschakelaar.

Figuur 12a Piëzosensor als schakelaar (Bron: langirele.com)

9789006840759_Elektriciteitsleer.indb 14

17/05/19 08:36

ELE01 Elektrische grootheden Theorie

behuizing uit een stuk piëzo module

vulling van hard epoxy

Figuur 12b Piëzosensor als schakelaar (Bron: Tiekstramedia)

Elektrische lading Je weet nu hoe een elektrische spanning kan ontstaan. Om te begrijpen wat er gebeurt als je deze spanning aansluit op een elektrisch apparaat, moet je weten wat voor deeltjes daarbij een rol spelen. Uit de natuurkunde weet je al dat ieder materiaal opgebouwd is uit moleculen. Ieder molecuul is weer opgebouwd uit atomen. Zo’n atoom is weer opgebouwd uit een kern met daaromheen elektronen die in banen (schillen) om deze kern cirkelen. De kern ten slotte is opgebouwd uit protonen en neutronen. In figuur 13 zie je het atoommodel. – elektron

–

– +

kern

–

Figuur 13 Atoommodel (Bron: Tiekstramedia)

In figuur 14 is de bouw van een atoom schematisch weergegeven. De elektrische lading is erbij gezet: de kern is positief geladen en de elektronen negatief. De kern is positief, omdat de protonen positief geladen zijn en de neutronen neutraal zijn. Bij elkaar opgeteld zijn de elektronen even negatief geladen als de protonen positief geladen zijn. Daardoor is het atoom als geheel elektrisch neutraal. elektronen (– )

atoom

protonen

(•)

kern

( + ) = positief geladen ( – ) = negatief geladen ( • ) = neutraal

(+ )

neutronen (•)

Figuur 14 Deeltjes met hun lading (Bron: Tiekstramedia)

Als er een elektron bij een atoom weggetrokken wordt, is wat er achterblijft positief geladen. Dit noem je een positief ion. Als er te veel elektronen aan een atoom zijn toegevoegd, ontstaat een negatief ion. De elektronen in de buitenste schil van een atoom, die het gemakkelijkst loslaten of worden opgenomen, noem je de valentieelektronen. 15

9789006840759_Elektriciteitsleer.indb 15

17/05/19 08:36

ELE01 Elektrische grootheden Theorie

Met de eigenschappen van de elektrische lading (of kortweg lading) van de delen van een atoom zijn allerlei verschijnselen in de elektrotechniek te verklaren. De kracht waarmee de kern de elektronen aantrekt, bepaalt of een materiaal in de elektrotechniek gebruikt wordt als geleider of als isolator. Als die kracht klein is, kunnen de elektronen loskomen van de kern en heb je een geleider. Als de elektronen sterk door de kern aangetrokken worden, is het materiaal een isolator. Gelijknamige ladingen (+ en +; – en –) stoten elkaar af en ongelijknamige ladingen (+ en –) trekken elkaar aan. Lading wordt aangegeven met de letter Q en uitgedrukt in coulomb, afgekort C.

Elektrische stroom Als je spanning aansluit op een elektrisch apparaat, ontstaat een gesloten elektrische stroomkring. Er gaat nu een elektrische stroom vloeien. spanningsbron

spanningsbron

–

apparaat (lamp)

schakelaar

a gesloten kring: wel stroom

apparaat

b open kring: geen stroom

Figuur 15 Elektrische stroomkring (Bron: Tiekstramedia)

Om je daarvan een voorstelling te kunnen maken, is in figuur 16 een gedeelte van de stroomkring zodanig vergroot dat je de atomen kunt zien. (Dit kan in werkelijkheid niet.)

– +

–

– – +

–

– – +

– –

– +

–

Figuur 16 ‘Uitvergroting’ stroomkring (Bron: Tiekstramedia)

Aan het uiteinde zie je de + (plus) en de – (min) van de spanningsbron. De valentieelektronen kunnen in de geleider loskomen van het atoom. Een elektron wordt door de + van de spanningsbron aangetrokken, waardoor het achterblijvende atoom een positief ion wordt. Dit ion trekt op zijn beurt weer een elektron van het volgende atoom aan. Er ontstaat dan weer een nieuw ion, dat een volgend elektron aantrekt, enzovoort. Het ‘laatste’ positieve ion trekt een elektron uit de – van de spanningsbron en zo is de kring rond. De elektronenstroom die zo ontstaat, gaat dus van – naar +. Van deze atoomtheorie was nog niets bekend toen de stroomrichting van elektrische stroom bepaald werd. In die tijd werd aangenomen dat de elektrische stroom van hoog naar laag loopt, dus van + naar –, net als bij water. Daarom is de afspraak: De elektrische stroom loopt van + naar –. Met stroom wordt altijd de elektrische stroom bedoeld, en niet de elektronenstroom. Stroom wordt aangeven met de letter Ien uitgedrukt in ampère, afgekort A. 16

9789006840759_Elektriciteitsleer.indb 16

17/05/19 08:36

ELE01 Elektrische grootheden Theorie

Stroom meet je met een ampèremeter, zoals de paneelmeter in figuur 17.

Figuur 17 Ampèremeter (Bron: Shutterstock)

Als je wilt weten hoe snel elektrische stroom vloeit, moet je je realiseren dat de snelheid van de elektronen (driftsnelheid) in een geleider maar ± 0,5 m / his. Toch is de voortplantingssnelheid van elektriciteit gelijk aan de lichtsnelheid (300.000 km / s). Met deze voortplantingssnelheid heb je te maken als je bijvoorbeeld over grote afstand een apparaat inschakelt. Je kunt dit begrijpen door je de vrije elektronen voor te stellen als knikkers die in een hele lange slang geperst zijn, zoals in figuur 18. Als je er een nieuwe knikker induwt, valt er aan de andere kant direct een knikker uit (voortplantingssnelheid). De knikkers zelf hebben zich echter nauwelijks verplaatst (driftsnelheid). knikker

tuinslang knikker

Figuur 18 Voorstelling verschil driftsnelheid en voortplantingssnelheid (Bron Tiekstramedia)

Een stroom is dus een ladingverplaatsing. De totale lading die zich verplaatst, hangt af van de grootte van de stroom en de tijd dat de stroom vloeit. In formulevorm: Q = I · t Q I T

lading in C stroom in A tijd in s 17

9789006840759_Elektriciteitsleer.indb 17

17/05/19 08:36

ELE01 Elektrische grootheden Theorie

Hieruit blijkt dat je de lading ook kunt uitdrukken in As (ampère-seconde): 1 As = C Wist je dat… • je wel spanning kunt hebben zonder stroom, maar nooit stroom zonder spanning? • de begrippen spanning en stroom door veel mensen door elkaar gebruikt worden: ‘de stroom valt uit’?

Praktijkvoorbeeld: Lading Hoeveel lading verplaatst een stroom van 1 Ain vijf minuten? Gegeven I = 1 A t = 5 min  = 5 × 60 s = 300 s Gevraagd Q Oplossing Q = I · t Q = 1 A · 300 As = 300 C Als je de tijd uitdrukt in uur (hour), wordt de eenheid Ah (ampère-uur): 1 Ah = 1 A × 3600 s = 3600 As = 3600 C

Elektrisch vermogen Op de meeste elektrische apparaten staat het elektrisch vermogen aangegeven. Deze grootheid zegt iets over de prestatie die dat apparaat kan leveren (zie figuur 19a, figuur 19b, figuur 20a en figuur 20b).

Figuur 19a Super Star ledlampen (Bron: Shutterstock)

9789006840759_Elektriciteitsleer.indb 18

17/05/19 08:36

ELE01 Elektrische grootheden Theorie

Figuur 19b Philips ledlamp (Bron: Shutterstock)

Een elektrisch apparaat haalt zijn vermogen uit de spanningsbron. Apparaten die je op het lichtnet aansluit, krijgen allemaal dezelfde spanning. De factor die het verschil in vermogen bepaalt, is dan de stroom: door een apparaat met een 2 keer zo groot vermogen vloeit 2 keer zoveel stroom.

Figuur 20a Groot elektrisch vermogen (Bron: surplec.com)

9789006840759_Elektriciteitsleer.indb 19

17/05/19 08:36

ELE01 Elektrische grootheden Theorie

Figuur 20b Klein elektrisch vermogen (Bron: Shutterstock)

Vermogen wordt aangegeven met de letter P (van power), en uitgedrukt in watt (W). In formule: P = U · I P U I

vermogen in W spanning in V stroom in A

Het vermogen wordt gemeten met een wattmeter zoals in figuur 21.

Figuur 21 Wattmeter (Bron: sunwe.com.tw)

9789006840759_Elektriciteitsleer.indb 20

17/05/19 08:36

ELE01 Elektrische grootheden Theorie

Praktijkvoorbeeld: Verband tussen vermogen, spanning en stroom Hoe groot is de stroomsterkte door een citruspers van 60 W-lamp als je deze op de netspanning van 230 V aansluit? Gegeven P = 60 W U = 230 V Gevraagd I Oplossing 60 W P P = U · I ⇒ I =  ___    =  _____     = 0,261A   U 230 V

Elektrische energie Als je arbeid verricht, verbruik je energie en lever je een prestatie. Die prestatie of hoeveelheid arbeid hangt af van twee factoren:

• •

jouw vermogen om te presteren de tijd dat je aan het werk bent

Figuur 22 Even de arbeid berekenen (Bron: Shutterstock)

Zo hangt de arbeid die een apparaat levert ook af van het vermogen dat dat apparaat heeft en de tijd dat het ingeschakeld is. Als het apparaat veel vermogen heeft, kan het veel arbeid leveren. De factor die bepaalt hoeveel elektrische energie het apparaat verbruikt en hoeveel arbeid het apparaat uiteindelijk levert, is de tijd dat het apparaat is ingeschakeld. De elektrische energie is recht evenredig met het vermogen dat het apparaat opneemt en de tijd dat het ingeschakeld is.

9789006840759_Elektriciteitsleer.indb 21

17/05/19 08:36

ELE01 Elektrische grootheden Theorie

In formule: W = P · t = U · I · t W P t U I

energie in J vermogen in W tijd in s spanning in V stroom in A

Energie en arbeid worden aangegeven met de letter W (work) en uitgedrukt in joule (J). Voor energie wordt ook de term verbruik gebruikt. Het elektriciteitsbedrijf rekent de elektrische energie die ze levert niet af in joule, maar in kilowattuur (afgekort k Wh). Hierbij geldt: 1 kWh = 1000 Wh = 1000 W × 3600 s = 3.600.000 Ws = 3.600.000 J = 3,6 MJ. Dus 1 kWh = 3,6 MJ In figuur 23 zie je de kWh-meter waarmee het energieverbruik bij je thuis gemeten wordt.

Figuur 23 Een kWh-meter (Bron: Shutterstock)

9789006840759_Elektriciteitsleer.indb 22

17/05/19 08:36

ELE01 Elektrische grootheden Theorie

Voor alle eenheden die je gebruikt kun je voorvoegsels zetten, zie tabel 2. Tabel 2 Voorvoegsels

Voorvoegsel

Symbool

Factor

tera

1012

giga

109

mega

106

kilo

103

hecto

102

deca

101

deci

10−1

centi

10−2

milli

10−3

micro

10−6

nano

10−9

pico

10−12

Praktijkvoorbeeld: Berekening van verbruikte energie Op een kamer branden twee ledspots van 3,5 Wen een leeslamp van 11 Wgedurende drie uur. Hoeveel elektrische energie is er dan verbruikt? Druk dit uit in Jen in kWh. Gegeven P1   = 2 × 3,5 W = 7 W P2    =  11 W t = 3 h = 3 × 3600 s = 10.800 s Gevraagd W in Jen in kWh. Oplossing Voor de energie geldt: W = P · t P = P1    + P 2 = 7 W + 11 W = 18 W Dus: W = P · t = 18 W × 10.800 s = 194.400 J = 194 kJ of: W = P · t = 18 W × 3 h = 54 Wh = 0,054 kWh

9789006840759_Elektriciteitsleer.indb 23

17/05/19 08:36

ELE01 Elektrische grootheden Theorie

Praktijkvoorbeeld: Gebruik van voorvoegsels voor eenheden Met hoeveel Ven hoeveel kVkomt 20 MV overeen? Gegeven Zie tabel 2. Gevraagd 20 MV = … V = … kV Oplossing 20 MV = 20 · 10 6 V  =  20  · 10  3  · 10  3 V  =  20.000  · 10  3 V = 20.000 kV

Andere soorten vermogen en energie of arbeid Uit de natuurkunde zijn behalve voor elektrische ook voor andere soorten vermogen en energie of arbeidde formules bekend. Tabel 3 geeft daarvan een overzicht. Tabel 3 Overzicht soorten vermogen en energie of arbeid

Vermogen

Algemeen

Elektrisch

Mechanisch

P in watt (W)

P = U · I

P = F · v

P U I

in W in V in A

P F v

Thermisch

in W in N in m / s

nog veel gebruikt: 1 pk = 736 W Energie of Arbeid

in joule (J) W W = P · t

W P t

in J in W in s

W = U · I · t

W U I t

in J in V in A in s

bijzondere eenheid: 1 kWh = 3,6 MJ

W = F · s

W F s

in J in N in m

W = m · c · ∆ T

W m c

in J in kg in J / kg · K

∆ T in ° C bijzondere eenheid: 1 cal = 4,2 J

9789006840759_Elektriciteitsleer.indb 24

17/05/19 08:36

ELE01 Elektrische grootheden Theorie

Rendement Bij het omzetten van energie van de ene vorm in de andere gaat er altijd energie verloren. Bij een elektromotor wordt een kracht opgewekt en krijg je mechanische energie. Deze afgegeven of nuttige energie is altijd kleiner dan de toegevoerde elektrische energie. In de motor zelf gaat dus energie verloren. Deze energie komt vrij in de vorm van warmte die ontstaat door wrijving (zie figuur 24). draaiende as Waf

Wtoe

Wverlies

Figuur 24 Omzetten van energie (Bron: Tiekstramedia)

Altijd geldt: Wtoegevoerd    = Wafgegeven    + Wverlies   Dit is de wet van behoud van energie. De afgegeven energie is de energie die nuttig is. Een van de eigenschappen van apparaten is hoeveel van de toegevoerde energie ze nuttig gebruiken. De verhouding tussen deze energiehoeveelheden wordt het rendement genoemd en dit wordt aangegeven met de Griekse letter η(èta). Een andere term voor rendement is nuttigheidsgraad. afgegeven energie

______________     rendement =     toegevoerde energie W 

af η =  ____     W  toe

Vaak wordt het rendement gegeven in procenten. Dan vermenigvuldig je de uitkomst met 100: W 

af η  ____    × 100 in %   W  toe

W Omdat geldt P =  ___   blijkt dat bij invulling in de formule voor het rendement ook geldt: t  P 

af η =  ____    × 100 in %   P  toe

Het omzetten van de ene vorm van energie in een andere vorm van energie vindt bijvoorbeeld plaats in een boiler. Het toegevoerde vermogen bij elektrische apparaten is altijd ‘elektrisch’ en kun je dus berekenen met de formule P = U · I. Het rendement kan nooit hoger worden dan 100% of 1, omdat er altijd verlies optreedt. Er zijn echter altijd mensen geweest die geprobeerd hebben een apparaat te ontwerpen dat evenveel nuttige energie gaf als er aan energie werd ingestopt. Dat is dus nooit gelukt. Zo’n apparaat wordt een perpetuum mobile (eeuwigdurende beweging) genoemd.

9789006840759_Elektriciteitsleer.indb 25

17/05/19 08:36

mb o TOUCHTECH

Elektriciteitsleer 1

TOUCHTECH

Elektriciteitsleer 1 LEERWERKBOEK

LEERWERKBOEK NIVEAU 3&4

Auteurs: H. Frericks S.J.H. Frericks Eindredactie: H. Frericks S.J.H. Frericks

9 789006 840759

9789006840759_Elektriciteitsleer_omslag.indd All Pages

20/05/19 11:04