Elektriciteit

Les 1: Stroom & spanning

De lesstof:

Een gesloten stroomkring maken

In een auto zitten veel elektrische onderdelen, zoals de koplampen, de ruitenwissers en de startmotor. Al deze onderdelen hebben elektrische energie nodig. Daarom heeft een auto een uitgebreid elektrisch systeem met meterslange kabels.

Veel van deze onderdelen kun je zelf bedienen met schakelaars op het dashboard. Als je bijvoorbeeld de achterruitverwarming aanzet, maak je een gesloten stroomkring. Dit betekent dat er een complete verbinding is van de accu naar het apparaat en weer terug. Zo werkt elk elektrisch apparaat: het heeft een gesloten stroomkring nodig om te functioneren.

Er zijn verschillende schakelaars in een auto. De schakelaar van de achterruitverwarming blijft bijvoorbeeld aan staan tot je hem weer uitzet. De claxon werkt met een drukknop: hij stopt zodra je hem loslaat. Sommige onderdelen schakelen zichzelf automatisch in en uit.

De stroomrichting

Een auto-accu lijkt op een oplaadbare batterij en levert een constante spanning. Dit noem je gelijkspanning. Een standaard auto-accu bestaat uit zes cellen die samen een spanning van 12 volt leveren (6 × 2 V).

Net als een batterij heeft een accu een pluspool en een minpool. De stroom loopt van de pluspool naar de minpool. Sommige onderdelen, zoals diodes, werken alleen als je ze op de juiste manier aansluit.

Een diode laat stroom maar in één richting door. Sluit je haar goed aan (in de doorlaatrichting), dan heeft ze een lage weerstand en kan de stroom erdoorheen. Sluit je haar verkeerd aan (in de sperrichting), dan blokkeert ze de stroom.

Een led (light emitting diode) is een diode die licht geeft. Een led moet in de juiste richting worden aangesloten, anders werkt hij niet. De langste poot van een led is de pluskant, en de kortere poot is de minkant.

Capaciteit van een accu

Een accu kan niet onbeperkt energie leveren. Daarom heeft een auto ook een dynamo. Als de motor draait, wekt de dynamo stroom op en laadt hij de accu bij. Zo raakt de accu niet snel leeg.

De capaciteit van een accu geeft aan hoeveel energie hij kan leveren. Dit wordt uitgedrukt in ampère-uur (Ah). Een accu met een capaciteit van 60 Ah kan bijvoorbeeld:

• 60 uur lang 1 ampère leveren,

• 30 uur lang 2 ampère leveren,

• 10 uur lang 6 ampère leveren.

De formule hiervoor is:

C = I × t

Waarin:

• C de capaciteit is (Ah),

• I de stroomsterkte is (A),

• t de tijd is (h).

Batterijen hebben een kleinere capaciteit dan accu’s. Daarom wordt hun capaciteit meestal in milliampère-uur (mAh) aangegeven.

Elektrisch vermogen

Het elektrisch vermogen van een apparaat geeft aan hoeveel energie het per seconde verbruikt. Dit bereken je met de formule:

P = U × I

Waarin:

• P het vermogen is (W),

• U de spanning is (V),

• I de stroomsterkte is (A).

Deze formule wordt vaak gecombineerd met:

E = P × t

Hiermee kun je berekenen hoeveel energie een apparaat in totaal verbruikt.

De accu van een auto moet veel onderdelen tegelijk van energie voorzien, zoals koplampen, ruitenwissers en de ventilator. Het totale vermogen dat de accu levert, is de som van het vermogen van al deze apparaten. Als de dynamo meewerkt, blijft de accu langer vol.

Les 2: Spanning transformeren

De lesstof:

Het elektriciteitsnet

Elektriciteitscentrales en windmolens wekken wisselspanning op, net als een dynamo. Het voordeel van wisselspanning is dat je de spanning gemakkelijk kunt verhogen of verlagen met een transformator.

Bij een elektriciteitscentrale wordt de spanning verhoogd tot 400.000 volt. Hierdoor gaat er minder energie verloren tijdens het transport. De elektriciteit wordt via hoogspanningsleidingen naar verdeelstations gebracht. Daar wordt de spanning verlaagd tot 10.000 volt en via ondergrondse kabels naar woonwijken en fabrieken geleid.

In woonwijken staan transformatorhuisjes die de spanning verder verlagen tot 230 volt. Dit is de netspanning die je thuis gebruikt.

De netspanning

Thuis krijg je een wisselspanning van 230 volt met een frequentie van 50 hertz. Dit betekent dat de spanning vijftig keer per seconde verandert. De effectieve waarde van deze wisselspanning is 230 volt, wat betekent dat je een gelijkspanning van 230 volt zou kunnen gebruiken zonder verschil te merken.

Veel apparaten hebben een lagere spanning nodig, zoals telefoons, laptops en elektrische tandenborstels. Hiervoor gebruik je een adapter met een transformator die de spanning verlaagt naar bijvoorbeeld 6, 9 of 12 volt. Sommige apparaten, zoals computers, hebben een ingebouwde transformator. Vaak bevat een adapter ook een gelijkrichter, die wisselspanning omzet in gelijkspanning met behulp van diodes.

De transformator

Een transformator werkt met een veranderend magneetveld:

• De primaire spoel krijgt wisselspanning, waardoor er een wisselstroom loopt en een wisselend magneetveld ontstaat.

• De weekijzeren kern wordt hierdoor gemagnetiseerd en draagt dit magneetveld over naar de secundaire spoel.

• Dit zorgt ervoor dat er in de secundaire spoel ook een wisselspanning ontstaat.

De energie wordt via het magneetveld overgedragen, zonder dat er direct stroom van de ene naar de andere spoel loopt. Dit heet magnetische koppeling.

Spanning verhogen of verlagen

Of een transformator de spanning verhoogt of verlaagt, hangt af van het aantal windingen van de spoelen:

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

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

De relatie tussen windingen en spanning is:

Up / Us = Np / Ns

Waarin:

• Up de primaire spanning is (V),

• Us de secundaire spanning is (V),

• Np het aantal windingen van de primaire spoel,

• Ns het aantal windingen van de secundaire spoel.

Rendement van een transformator

Transformatoren zijn zeer efficiënt: ze verliezen weinig energie als warmte. Grote transformatoren hebben een rendement van meer dan 99%. Bij berekeningen wordt vaak aangenomen dat een transformator ideaal is, dus een rendement van 100% heeft.

Voor een ideale transformator geldt:

Pp = Ps

Oftewel:

Up × Ip = Us × Is

Waarin:

• Pp en Ps het opgenomen en afgegeven vermogen zijn (W),

• Up en Us de primaire en secundaire spanning zijn (V),

• Ip en Is de primaire en secundaire stroomsterkte zijn (A).

Als de spanning stijgt, daalt de stroomsterkte, en omgekeerd. Bijvoorbeeld: als Us vijf keer groter is dan Up, dan is Is vijf keer kleiner dan Ip.

Les 3: Serie- en parallelschakelingen

De lesstof:

Twee soorten schakelingen

Elektrische onderdelen kunnen op twee manieren worden aangesloten: serie of parallel.

• Serieschakeling: Er is één stroomkring. De stroom loopt achtereenvolgens door elk onderdeel. Als één onderdeel uitvalt (bijvoorbeeld een kapot lampje), stopt de hele stroomkring met werken.

• Parallelschakeling: Elk onderdeel heeft zijn eigen stroomkring. Hierdoor blijven de andere onderdelen werken als er één uitvalt.

Waarom gebruiken we parallelschakelingen?
Elektrische apparaten in huis en in een auto worden altijd parallel geschakeld. Dit heeft twee voordelen:

1. Elk onderdeel krijgt dezelfde spanning. In huis is dat 230 V en in een auto 12 V.

2. Elk onderdeel kan apart worden in- en uitgeschakeld. Denk aan lampen, ruitenwissers en de airconditioning in een auto: je bedient ze los van elkaar.

Serieschakelingen worden ook gebruikt, bijvoorbeeld in schakelaars. Een schakelaar staat in serie met het apparaat dat hij bedient. Als je de schakelaar uitzet, stopt de stroom door dat apparaat.

Regels voor een serieschakeling

1. De stroomsterkte (I) is overal hetzelfde. Er zijn geen vertakkingen waarin de stroom zich splitst.

2. De spanning (U) wordt verdeeld over de onderdelen.

   • Bij gelijke weerstanden krijgt elk onderdeel de helft van de spanning.

   • Bij verschillende weerstanden geldt: U1=I x R1, U2=I x R2

   • De totale spanning is de som van de spanningen over elk onderdeel: Utot=U1+U2+.....

3. De totale weerstand (Rv) bereken je door de weerstanden op te tellen: Rv=R1+R2+...

Hiermee kun je de stroomsterkte berekenen met de wet van Ohm: R = U : I

Regels voor een parallelschakeling

1. De spanning (U) is overal gelijk. Alle onderdelen zijn direct op de spanningsbron aangesloten.

2. De stroomsterkte (I) splitst zich over de vertakkingen.

   • De stroom door elk onderdeel wordt berekend met: I1 = U x R1, I2 = U x R2

   • De totale stroomsterkte is de som van de stroom door elk onderdeel: Itot = I1 + I2 + ...

3. De vervangingsweerstand (Rv) bereken je met de formule: 1/Rv = 1/R1 + 1/R2 + ...

Let op: De vervangingsweerstand is altijd kleiner dan de kleinste weerstand in de schakeling.

Formules combineren

Vaak combineer je deze formules met andere, zoals:

• Elektrisch vermogen: P = U x I

• Energieverbruik: E = P x t

Controleer altijd goed om welk onderdeel van de schakeling een vraag gaat, en gebruik de juiste gegevens.

Les 4: Elektriciteit & veiligheid

De lesstof:

De meterkast en elektriciteit in huis
In elk huis komt elektriciteit binnen via een kabel in de meterkast. Hier bevinden zich een paar belangrijke onderdelen:

• De huisaansluitkast: Bevat de hoofdzekering die het hele huis beveiligt.

• De energiemeter (kWh-meter): Meet het elektriciteitsverbruik.

• Aardlekschakelaars: Schakelen de stroom uit bij gevaar.

• De groepenkast: Verdeelt de elektriciteit over verschillende stroomgroepen, elk met een eigen zekering.

Leidingen en materialen

Elektriciteitsdraden lopen vanuit de groepenkast naar stopcontacten en lampen. Ze zijn gemaakt van koper (geleider) met een isolatielaag van kunststof (zoals pvc).

Waarom koper en kunststof?

• Koper: Geleidt elektriciteit goed en wordt niet snel warm.

• Kunststof (pvc): Isoleert elektriciteit, is sterk en gaat lang mee.

Andere isolatiematerialen zijn rubber, glas en lucht.

Gevaren van elektriciteit

Elektriciteit kan gevaarlijk zijn op twee manieren:

1. Brandgevaar: Als er te veel stroom door draden loopt, worden ze te heet.

2. Elektrische schokken: Als je een draad of apparaat aanraakt dat onder spanning staat.

Om deze gevaren te voorkomen:

• Zijn alle draden en apparaten geïsoleerd.

• Wordt overbelasting en kortsluiting voorkomen met zekeringen.

Kortsluiting
Als de isolatie van een draad of apparaat kapotgaat, kan de stroom een andere (snellere) route nemen met weinig weerstand. Hierdoor wordt de stroomsterkte te groot, wat gevaarlijk is.

Overbelasting
Als te veel apparaten tegelijk aanstaan, wordt de stroomsterkte in een groep te hoog.

Veiligheidsmaatregelen

• Zekeringen
  Elke groep heeft een zekering (meestal 16 A). Als de stroomsterkte te hoog wordt, schakelt de zekering de stroom uit.

• Aardlekschakelaar
  Deze controleert of er ergens stroom weglekt, bijvoorbeeld door een beschadigd apparaat. Bij een lek groter dan 30 mA schakelt hij binnen 0,2 seconden de stroom uit.

• Randaarde
  Sommige apparaten hebben een metalen buitenkant die onder spanning kan komen te staan. Daarom hebben ze een aardedraad (groen/geel), die spanning veilig naar de grond afvoert.
  
  

Hoe werkt randaarde?

• De metalen buitenkant is verbonden met een aardedraad.

• De draad loopt via het stopcontact naar een aardrail in de meterkast.

• De aardrail is verbonden met een metalen pin in de grond.

• Als er spanning op de buitenkant komt, gaat de stroom via de aarde weg en schakelt de aardlekschakelaar de stroom uit.

Extra veiligheid: laagspanning en dubbele isolatie

1. Laagspanning
   Sommige apparaten werken met een lagere spanning (bijv. 12 V) om risico’s te verminderen.
   Voorbeeld: Een elektrische tandenborstel wordt opgeladen via een transformator, zonder direct contact met 230 V.
   
   

2. Dubbele isolatie
   Apparaten met dubbele isolatie hebben een extra beschermlaag:

• De eerste laag is om de elektrische onderdelen.

• De tweede laag is vaak de kunststof buitenkant van het apparaat.

• Deze apparaten zijn te herkennen aan een speciaal symbool.