Les 1: Elektrische energie vervoeren

De lesstof:

Elektriciteit

Elektriciteit is overal om ons heen, en de energie die we thuis gebruiken kan op verschillende manieren worden opgewekt. In Nederland komt het grootste deel van onze elektriciteit nog steeds uit gewone elektriciteitscentrales, maar ook windturbines en zonnepanelen spelen een steeds grotere rol. Laten we eens kijken hoe een gewone elektriciteitscentrale werkt.

Hoe werkt een elektriciteitscentrale?

• Brandstof Verbranden: In een elektriciteitscentrale wordt brandstof, zoals aardgas of steenkool, verbrand. De warmte die hierbij vrijkomt, wordt gebruikt om water in een grote ketel te verhitten. Hierdoor ontstaat stoom, een soort hete waterdamp, die wel 500°C kan worden en onder hoge druk staat.

• Stoom Aandrijft de Turbine: De stoom wordt met hoge snelheid tegen de bladen van een turbine geblazen. Dit zorgt ervoor dat de turbine gaat draaien.

• Generator Maakt Elektriciteit: Aan de turbine zit een generator vast, een apparaat dat beweging omzet in elektriciteit. Wanneer de turbine draait, wekt de generator elektrische energie op.

• Stoom Wordt Weer Water: De stoom die overblijft, is inmiddels afgekoeld en heeft minder druk. Deze stoom gaat naar een condensor, waar het weer condenseert tot water. Dit water wordt daarna teruggepompt naar de ketel om opnieuw gebruikt te worden.

Koelwater

In de condensor wordt koelwater gebruikt om de stoom weer in water te veranderen. Dit koelwater komt meestal uit een rivier of meer. Als er geen voldoende water in de buurt is, wordt het koelwater hergebruikt met behulp van koeltorens, waarin het water wordt afgekoeld door de buitenlucht.

Energieverlies

Wanneer elektriciteit door een kabel stroomt, wordt een deel van de energie omgezet in warmte. Dit betekent dat er energie verloren gaat, en er minder overblijft voor de apparaten thuis. Om dit energieverlies te beperken, wordt elektriciteit bij een heel hoge spanning vervoerd. Hoe hoger de spanning, hoe minder warmteverlies er is in de kabels.

Het Elektriciteitsnet

Bij de elektriciteitscentrale wordt de spanning van de opgewekte elektriciteit verhoogd, zodat het efficiënt over lange afstanden kan worden vervoerd. In Nederland gebruiken we daarvoor een hoogspanning van 380.000 volt (380 kV). Deze elektriciteit reist via bovengrondse hoogspanningsleidingen naar verdeelstations, waar de spanning weer wordt verlaagd naar 10.000 volt (10 kV). Daarna gaat de elektriciteit via ondergrondse kabels naar woonwijken en fabrieken.

Netspanning

In je woonwijk vind je transformatorhuisjes. Hier wordt de spanning verder verlaagd naar 230 volt, de spanning die we thuis gebruiken voor al onze apparaten.

De spanning van het lichtnet

In tegenstelling tot een batterij, die altijd dezelfde spanning levert, is de spanning van het lichtnet wisselspanning. Dit betekent dat de spanning voortdurend op en neer gaat, van +325 volt naar -325 volt, en dit 50 keer per seconde. Deze wisselspanning heeft een frequentie van 50 Hz.

Effectieve Spanning

Voor veel apparaten, zoals een waterkoker, maakt het niet uit of ze werken op wisselspanning van het lichtnet of op gelijkspanning van 230 volt. Dit komt omdat de effectieve spanning van het lichtnet 230 volt is. Vaak wordt gewoon gezegd dat het lichtnet 230 volt levert.

Transformator: omhoog en omlaag transformeren

Niet alle apparaten kunnen direct op het lichtnet worden aangesloten, bijvoorbeeld een deurbel of een ledlamp. Deze apparaten hebben een lagere spanning nodig, en hiervoor gebruiken we een transformator. Een transformator kan de spanning verhogen of verlagen, afhankelijk van de behoefte van het apparaat.

Hoe werkt een transformator?

Een transformator bestaat uit twee spoelen van koperdraad die om een ijzeren kern gewikkeld zijn. De primaire spoel is verbonden met het lichtnet, en de secundaire spoel met het apparaat.

Wanneer de transformator aan staat, loopt er een wisselstroom door de primaire spoel. Hierdoor ontstaat een wisselend magneetveld in de ijzeren kern.

Verbinding met het Apparaat

Het wisselende magneetveld wekt een spanning op in de secundaire spoel, die vervolgens het apparaat van stroom voorziet.

Of de spanning omhoog of omlaag gaat, hangt af van het aantal windingen in de primaire en secundaire spoel. De verhouding tussen de spanningen in de spoelen wordt bepaald door het aantal windingen: 

Up / Us = Np / Ns

Hierbij zijn Up en Us de spanningen in de primaire en secundaire spoel, en Np en Ns het aantal windingen in de primaire en secundaire spoel.

Les 2: Vermogen en energie

De lesstof:

Elektrisch vermogen

Op elk elektrisch apparaat kun je zien hoeveel energie het per seconde gebruikt. Dit noemen we het vermogen van het apparaat. Het vermogen wordt gemeten in watt (W). Als een apparaat verschillende standen heeft, zoals een mixer, wordt vaak het hoogste vermogen aangegeven.

Spanning en stroomsterkte

Het vermogen van een apparaat hangt af van twee dingen: de spanning (hoeveel stroom er "geduwd" wordt) en de stroomsterkte (hoeveel stroom er "vloeit"). 

• Stel dat je een lampje hebt dat werkt op 6,0 volt (V) en waar 1,0 ampère (A) stroom doorheen gaat.

•  Als je een tweede lampje in serie erbij zet (achter elkaar), en je wilt dat beide lampjes even fel branden, dan moet je de spanning verdubbelen naar 12 V. Elk lampje krijgt dan weer 6,0 V. Als de spanning verdubbelt, verdubbelt ook het vermogen.

• Als je de twee lampjes parallel aansluit (ieder een eigen weg naar de batterij), en de spanningsbron is 6,0 V, gaat door elk lampje weer 1,0 A stroom. De totale stroomsterkte door de draad naar de batterij is dan 2,0 A. Ook hier zie je dat als de stroomsterkte verdubbelt, het vermogen verdubbelt.

Elektrisch vermogen berekenen

Het vermogen kun je berekenen met de formule:

P = U x I

Hierbij is:

P het vermogen in watt (W);

U de spanning in volt (V);

I de stroomsterkte in ampère (A).

Energieverbruik berekenen

Een apparaat kan een groot vermogen hebben, maar als je het weinig gebruikt, valt het energieverbruik wel mee. Een apparaat met een klein vermogen kan juist veel energie verbruiken als het lang aanstaat. Om het energieverbruik te berekenen, vermenigvuldig je het vermogen met de tijd dat het apparaat aanstaat:

E = P x t

Hierbij is:

E de energie in joule (J);

P het vermogen in watt (W);

t de tijd in seconde (s).

Energie Meten in kWh

Hoewel de officiële eenheid van energie de joule (J) is, zie je op elektriciteitsrekeningen vaak een andere eenheid: kilowattuur (kWh). Dit is ook de eenheid die op de energiemeter in huis staat. 

Als je in de formule E = P x t het vermogen P invult in kilowatt (kW) en de tijd (t) in uren (h), dan krijg je het energieverbruik in kilowattuur (kWh).

Een kWh is gelijk aan 3,6 miljoen joules (3,6 MJ). Bijvoorbeeld, als een apparaat van 1 kW (1000 W) precies 1 uur (3600 s) aanstaat, dan verbruikt het:

E = P x t = 1 kW x 1 h = 1 kWh

Dit is ook gelijk aan:

E = P x t = 1000 W x 3600 s = 3,6 10^6 J = 3,6 MJ

Les 3: Elektriciteit in huis

De lesstof:

Elektriciteit in je huis

In de muren en plafonds van je huis zitten allemaal elektriciteitsdraden. Deze draden zorgen ervoor dat je overal in huis elektriciteit hebt. De elektriciteit komt je huis binnen via de hoofdkabel, meestal bij de voordeur. Daarna splitst de elektriciteit zich op in verschillende groepen, meestal vier tot zes, al kunnen het met alle elektrische laadpalen, keukenapparatuur er meer zijn. 

Wat is een groep?

Een groep bestaat uit meerdere vertakkingen van elektriciteitsdraden, die naar stopcontacten en lampen in je huis gaan. Elk stopcontact en elke lamp krijgt dezelfde spanning van 230 volt. Dit betekent dat als je iets inplugt, zoals een lamp of een oplader, het altijd dezelfde hoeveelheid stroom krijgt. Een standaard groep heeft een maximale stroomsterkte van 16A. Dit betekent dat elke apparaat in een groep 230V krijgt en je verschillende apparaten kunt aansluiten. Elke apparaat vraagt zijn eigen stroomsterkte. Wanneer je deze stroomsterktes bij elkaar optelt, dan mag dat niet groter zijn dan 16A. 

Schakelaars en veiligheid

Elke groep heeft een eigen schakelaar in de meterkast. Hiermee kun je de elektriciteit van die groep uitzetten, bijvoorbeeld als je een stopcontact wilt vervangen of iets veilig wilt repareren.

Als je een apparaat aanzet, zoals een lamp, dan gaat er stroom door de draad die naar dat apparaat loopt. Hoe krachtiger het apparaat, hoe meer stroom erdoorheen gaat. De totale hoeveelheid stroom die door alle apparaten in een groep gaat, kun je bij elkaar optellen.

Hoeveel stroom gebruiken je apparaten?

Niet alle apparaten die in dezelfde groep zitten, staan tegelijk aan. Maar als je wilt weten hoeveel elektriciteit ze samen gebruiken, kun je het totale vermogen uitrekenen. Dit doe je door de vermogens van alle apparaten bij elkaar op te tellen. Het vermogen is hoeveel energie een apparaat per seconde verbruikt en wordt gemeten in watt (W).

Je kunt het totale vermogen ook uitrekenen met een andere formule. Je vermenigvuldigt de spanning (230 volt) met de totale stroom die door de groep gaat. Dit geeft je ook het totale vermogen.

Fasedraad en nuldraad

Elk stopcontact heeft twee draden: een bruine (fasedraad) en een blauwe (nuldraad). De bruine draad heeft een spanning van 230 volt, en die moet je niet aanraken, want dat kan gevaarlijk zijn. De blauwe draad heeft geen spanning en zorgt ervoor dat de stroomkring teruggaat naar de meterkast.

Als je met elektriciteit werkt, moet je altijd voorzichtig zijn. Zelfs als de blauwe draad geen spanning heeft, kan het nog steeds gevaarlijk zijn als de draden per ongeluk zijn omgewisseld. Schakel altijd de elektriciteit uit in de meterkast voordat je met draden aan de slag gaat.

Overbelasting

Elke groep in je huis kan maar een bepaalde hoeveelheid stroom aan, meestal niet meer dan 16 ampère. Als er te veel stroom door een groep gaat, bijvoorbeeld omdat er te veel apparaten tegelijk aanstaan, kan dat gevaarlijk worden. De draden kunnen heet worden en er kan brand ontstaan. Dit noemen we overbelasting.

Om te voorkomen dat dit gebeurt, mag het totale vermogen van alle apparaten in een groep niet meer zijn dan 3,7 kilowatt (kW). Dat is gelijk aan 3.680 watt.

Kortsluiting

De draden in je huis zijn gemaakt van koper, dat elektriciteit heel goed geleidt. De weerstand in deze draden is heel laag, wat betekent dat stroom er makkelijk doorheen kan. De apparaten die je gebruikt, zoals een lamp of een stofzuiger, hebben een hogere weerstand. Dit betekent dat ze niet zoveel stroom nodig hebben om te werken.

Maar als er iets misgaat, bijvoorbeeld als twee draden elkaar per ongeluk raken, kan er kortsluiting ontstaan. De stroom kiest dan de weg van de minste weerstand, en dat kan ervoor zorgen dat er te veel stroom door de draden gaat. Dit is erg gevaarlijk en kan brand veroorzaken. Daarom zijn er in je meterkast zekeringen of automaten die de stroom automatisch uitschakelen als er kortsluiting is.

Les 4: Elektriciteit en veiligheid

De lesstof:

Gevaren van elektriciteit

Elektriciteit is heel handig, maar het kan ook gevaarlijk zijn. Er zijn twee belangrijke gevaren waar je op moet letten:

• Brandgevaar: Als er te veel stroom door de elektriciteitsdraden gaat, kunnen ze heet worden en kan er brand ontstaan. Dit kan gebeuren door overbelasting (te veel apparaten tegelijk aanzetten) of door kortsluiting.

• Elektrische schokken: Als je per ongeluk een voorwerp aanraakt dat onder spanning staat, kun je een schok krijgen. Denk bijvoorbeeld aan het aanraken van een schrikdraad rond een weiland. Dan gaat er een stroom door je lichaam, en dat voelt heel vervelend.

Wat gebeurt er bij een stroomstoot?

Als er een kleine stroom door je lichaam gaat, kun je het voorwerp dat onder spanning staat meestal meteen loslaten. Maar als de stroom groter is of langer aanhoudt, kunnen je spieren samentrekken en kun je het voorwerp niet meer loslaten.

Hoeveel stroom er door je lichaam gaat, hangt af van de spanning en van de weerstand van je lichaam. Je lichaam kan stroom redelijk goed geleiden, vooral als je huid nat is, dan is de weerstand lager. De grootste weerstand zit bij de plekken waar de stroom je lichaam in- en uitgaat, dit heet de contactweerstand. Met droge huid is de contactweerstand hoger, maar met natte huid is het veel lager.

Isolatie van draden

De elektriciteitsdraden in je huis hebben een kern van koper, dat stroom heel goed geleidt. Om ervoor te zorgen dat de stroom niet zomaar uit de draad komt en dat je geen schok krijgt als je de draad aanraakt, zit er een isolatielaag omheen. Deze isolatie is meestal gemaakt van kunststof zoals pvc. Sommige apparaten hebben zelfs een dubbele isolatie, wat betekent dat er twee lagen bescherming zijn. Vaak is de buitenkant van zo’n apparaat gemaakt van niet-geleidend materiaal zoals kunststof.

Zekeringen en installatieautomaten

In de meterkast van je huis zijn er zekeringen die ervoor zorgen dat de stroom uitschakelt als er te veel stroom door een groep gaat. Dit voorkomt dat de draden zo heet worden dat er brand kan ontstaan. De meeste huizen hebben installatieautomaten, dit zijn speciale zekeringen die een hendeltje omklappen als de stroom te hoog wordt. Zo kun je meteen zien waar het probleem zit, en als het is opgelost, kun je de stroom weer inschakelen door het hendeltje terug te zetten.

Aardlekschakelaar

Naast zekeringen heb je in je meterkast ook een of meer aardlekschakelaars. Deze controleren of de hoeveelheid stroom die door de bruine draad gaat, gelijk is aan de stroom die terugkomt via de blauwe draad. Als er een verschil is van 30 milliampère (mA) of meer, schakelt de aardlekschakelaar de stroom direct uit. Dit beschermt je tegen gevaarlijke elektrische schokken.

Randaarde en extra veiligheid

Veel apparaten hebben een aarddraad die verbonden is met de buitenkant van het apparaat en het stopcontact. Dit heet de randaarde. Deze draad leidt stroom veilig af naar de aarde, zodat je geen schok krijgt als er iets misgaat. De aarddraad is verbonden met een aardelektrode, een metalen pin die diep in de grond is geslagen.

Als er een probleem is en de buitenkant van een apparaat onder spanning komt te staan, zorgt de aarddraad ervoor dat de aardlekschakelaar de stroom uitschakelt voordat iemand het apparaat kan aanraken. Dit biedt extra veiligheid.

Vroeger, toen er nog geen aardlekschakelaars waren, zorgden alleen de zekeringen voor veiligheid. Maar dat werkte niet altijd goed, want bij een kleine lekstroom sloeg de zekering niet door. Een aardlekschakelaar reageert al bij een heel kleine lekstroom van 30 mA en zorgt zo voor veel meer veiligheid.