Elektriciteit

Les 1: Stroom & spanning

De lesstof:

Een gesloten stroomkring maken 

In een auto zijn er veel elektrische onderdelen, zoals de startmotor, koplampen, ruitenwissers, en boordcomputer, die allemaal van elektriciteit gebruik maken. Deze onderdelen zijn aangesloten op een elektrische installatie, waarbij de kabels vaak tot meer dan 2 km kunnen oplopen. Een schakelaar op het dashboard wordt gebruikt om de stroomkring te openen of te sluiten, zodat stroom door een onderdeel kan stromen, bijvoorbeeld voor de achterruitverwarming.

De stroomrichting

Een auto werkt met gelijkspanning, die een constante spanning levert van bijvoorbeeld 12 volt (door zes in serie geschakelde cellen). De stroom loopt altijd van de pluspool naar de minpool. Bij het aansluiten van onderdelen zoals een diode is het belangrijk om de stroomrichting goed te volgen, omdat een diode alleen stroom in één richting doorlaat. Ledlampen zijn een speciaal type diode die licht uitzendt en moeten ook correct worden aangesloten (langste poot op de plus en kortste op de min).

Capaciteit

De accu van een auto heeft een bepaalde capaciteit, die aangeeft hoe lang de accu energie kan leveren bij een bepaalde stroomsterkte. Dit wordt vaak aangegeven in ampère-uur (Ah). De capaciteit van een batterij kan ook in milliampère-uur (mAh) worden gemeten. De capaciteit kan worden berekend met de formule:
C = I × t,
waarbij C de capaciteit is, I de stroomsterkte in ampère (A) en t de tijd in uren (h).

Elektrisch vermogen

Het elektrisch vermogen van een apparaat is de hoeveelheid energie die het per seconde verbruikt. 

Het kan worden berekend met de formule:
P = U × I,

waarbij:

• P het vermogen in watt (W) is, 

• U de spanning in volt (V) en 

• I de stroomsterkte in ampère (A). 

Deze formule wordt vaak gecombineerd met E = P × t om het energieverbruik over tijd te berekenen.

In een auto voorziet de accu meerdere onderdelen van elektrische energie, en het vermogen van de accu is gelijk aan het totale vermogen van alle aangesloten onderdelen. De accu kan dit vermogen echter vaak maar voor korte tijd leveren, tenzij de dynamo de accu weer oplaadt.

Les 2: Spanning transformeren

De lesstof:

Het elektriciteitsnet 

Generatoren in elektriciteitscentrales of windmolenparken produceren wisselspanning, net als een dynamo. Het voordeel van wisselspanning is dat je de spanning makkelijk kunt verhogen of verlagen. Dit gebeurt met een transformator.

De spanning van de generatoren in een elektriciteitscentrale wordt omhoog getransformeerd naar een hoogspanning van maximaal 400.000 V. Dit zorgt ervoor dat de elektrische energie met minder verlies via de leidingen wordt vervoerd. Hoe hoger de spanning, hoe kleiner het energieverlies.

Bovengrondse hoogspanningsleidingen transporteren de energie naar verdeelstations. Hier wordt de spanning verlaagd naar 10.000 V. Daarna wordt de energie via ondergrondse kabels naar woonwijken en industrieterreinen gebracht.

In woonwijken staan transformatorhuisjes, waarin de spanning verder omlaag wordt getransformeerd naar de netspanning van 230 V die je in huis gebruikt. Van daaruit wordt de energie naar woningen gebracht.

De netspanning Het lichtnet levert wisselspanning met een frequentie van 50 Hz, wat betekent dat de spanning 50 keer per seconde verandert. De effectieve waarde van deze wisselspanning is 230 V. Dit betekent dat je deze wisselspanning kunt vervangen door een gelijkspanning van 230 V zonder verschil te merken.

De netspanning van 230 V is voor veel apparaten te hoog. Apparaten zoals telefoons, laptops, en babyfoons hebben een lagere spanning nodig. Een transformator verlaagt de spanning van 230 V naar bijvoorbeeld 6, 9 of 12 V.

Sommige apparaten, zoals desktopcomputers, hebben een ingebouwde transformator. Meestal zit de transformator in de adapter (netstekkervoeding) van een apparaat. Vaak bevat zo'n adapter ook een gelijkrichter, die wisselspanning omzet naar gelijkspanning met behulp van diodes.

Omhoog of omlaag transformeren 

Of de spanning hoger of lager wordt, hangt af van het aantal windingen in de spoelen:

• Heeft de secundaire spoel meer windingen dan de primaire spoel, dan wordt de spanning verhoogd.

• Heeft de secundaire spoel minder windingen dan de primaire spoel, dan wordt de spanning verlaagd.

De relatie tussen het aantal windingen en de spanning wordt als volgt uitgedrukt:

Up/Us = np/ns

Waarbij:

• np het aantal windingen in de primaire spoel is.

• ns het aantal windingen in de secundaire spoel is.

• Up de spanning in de primaire spoel (in V).

• Us de spanning in de secundaire spoel (in V).

Het rendement van een transformator 

Transformatoren hebben een hoog rendement. Meestal gaat slechts een klein deel van de elektrische energie verloren als warmte. Grote transformatoren hebben een rendement van meer dan 99%.

Bij berekeningen wordt vaak aangenomen dat een transformator 100% rendement heeft. Voor een ideale transformator geldt dan:

Pp = Ps

Waarbij:

• Pp het vermogen is dat de primaire spoel opneemt.

• Ps het vermogen is dat de secundaire spoel afgeeft.

Les 3: Serie- & parallelschakelingen

De lesstof:

Twee soorten schakelingen
Elektrische onderdelen kun je op twee manieren aansluiten: serie of parallel.

• Serieschakeling
  Bij een serieschakeling is er één enkele stroomkring. De stroom gaat achter elkaar door elk onderdeel. Als de stroom ergens wordt onderbroken, stopt de hele schakeling met werken.
  
  

• Parallelschakeling
  Bij een parallelschakeling heeft elk onderdeel een eigen stroomkring. Als één onderdeel uitvalt, blijven de andere onderdelen gewoon werken.

Elektrische apparaten worden altijd parallel aangesloten. 

Dit heeft twee voordelen:

1. Elk apparaat werkt op dezelfde spanning, bijvoorbeeld 230 V in huis of 12 V in een auto.

2. Elk onderdeel kun je apart aan- of uitzetten, bijvoorbeeld de lampen, ruitenwissers en airconditioning van een auto.

Serieschakelingen worden ook vaak gebruikt, zoals:

• Een schakelaar die in serie staat met een apparaat. Als de schakelaar uitstaat, stopt de stroom.

• Weerstanden in serie om een bepaalde totale weerstand te krijgen.

De regels voor een serieschakeling
Een serieschakeling heeft specifieke eigenschappen:

• Stroomsterkte: De stroom is overal even groot, omdat er geen vertakkingen zijn.

• Spanning: De spanning verdeelt zich over de onderdelen.

  • Bij twee lampjes op een batterij van 9 V krijgt elk lampje 4,5 V als ze dezelfde weerstand hebben.

  • Bij verschillende weerstanden wordt de spanning verdeeld volgens:
    U1 = I x R1 en U2  = I x  R2
    De totale spanning is: Utot = U1 + U2

• Weerstand: De totale weerstand bereken je door de weerstanden op te tellen:
  Rv = R1 + R2
  Met de totale weerstand kun je de stroomsterkte berekenen:
  I=U x R

De regels voor een parallelschakeling
Bij een parallelschakeling verdeelt de stroom zich over de verschillende stroomkringen.

• Spanning: Alle onderdelen hebben dezelfde spanning, omdat ze rechtstreeks op de bron zijn aangesloten.

• Stroom: De stroom verdeelt zich over de vertakkingen. 

Voor elke weerstand geldt:
R = U / I
De totale stroomsterkte is de som van de stromen:
Itot=I1+I2+…

• Weerstand: De vervangingsweerstand bereken je met:
  1/Rv =1/R1+1/R2+…
  Let op: bij een parallelschakeling is de vervangingsweerstand altijd kleiner dan de kleinste afzonderlijke weerstand.

Formules combineren
Je kunt de formules voor schakelingen combineren met andere natuurkundige formules, zoals:

• P = U x I

• E = P x t
  Controleer altijd over welk onderdeel van de schakeling de opdracht gaat en welke gegevens je hebt.

Les 4: Elektriciteit & veiligheid

De lesstof:

De meterkast

Elk huis is met een voedingskabel verbonden aan het elektriciteitsnet. Deze kabel komt binnen via de meterkast. In de meterkast vind je:

• De huisaansluitkast: hierin zit de hoofdzekering van je huis.

• De energiemeter: ook wel kWh-meter genoemd. Deze meet hoeveel elektriciteit je gebruikt.

• Aardlekschakelaars: die schakelen de stroom uit bij gevaarlijke lekkages.

• De groepenkast: hier worden de leidingen verdeeld in parallelle groepen. Elke groep heeft een eigen zekering en schakelaar.

De leidingen

Vanuit de groepenkast lopen leidingen naar stopcontacten en lampen in huis. Deze leidingen bestaan uit koperdraad met een laagje isolatie van pvc.

Waarom koper en pvc?

• Koper is een goede geleider. Hierdoor kan stroom makkelijk door de draad lopen zonder veel warmte te produceren.

• Pvc is een goede isolator. Het voorkomt dat je in aanraking komt met stroom. Bovendien is het stevig, goedkoop en gaat het erg lang mee.

Gevaren van elektriciteit

Elektriciteit brengt twee risico’s met zich mee:

1. Brand: dit kan gebeuren als draden te veel stroom verwerken en te heet worden.

2. Schokken: als je een onderdeel aanraakt waar stroom op staat.

Om deze risico’s te verkleinen:

• Zijn alle apparaten en draden goed geïsoleerd.

• Wordt de installatie beschermd met zekeringen en aardlekschakelaars.

Veiligheidsmaatregelen

De huisinstallatie is beveiligd met:

• Zekeringen: deze schakelen de stroom uit als die te hoog wordt (meestal boven 16 ampère).

• Aardlekschakelaars: die schakelen de stroom uit als er stroom weglekt (bij een verschil groter dan 30 mA).

• Randaarde: sommige apparaten hebben een extra aardedraad die de stroom direct naar de grond afvoert bij gevaar.

Extra beveiliging

Sommige apparaten hebben extra maatregelen:

1. Laagspanning:

   • Sommige apparaten werken op een lagere spanning, zoals een elektrische tandenborstel. De oplader gebruikt een transformator om de spanning veilig te verlagen.

2. Dubbele isolatie:

   • Apparaten met dubbele isolatie hebben twee lagen bescherming. De eerste laag is rond de stroom voerende onderdelen, en de tweede laag is vaak de kunststof buitenkant.

   • Deze apparaten zijn te herkennen aan een speciaal symbool.