H6 2 vwo samenvatting

6.1 Spanningsbronnen

Elektrische energie

Energiecentrales zetten de energie van onder andere gas, wind kolen, water en zon om in elektrische energie. Het elektriciteitsnetwerk transporteert deze energie naar jouw huis. Dit gebeurt in een turbine dat kun je vergelijken met de dynamo van je fiets. Allebei zetten ze bewegingsenergie om in elektrische energie. De draden aan de hoogspanningsmasten transporteren de elektrische energie. De turbine in de centrale komt in beweging door stroom. De warmte om deze stroom te maken komt helaas nog door gas of steenkolen.

Spanningsbronnen

Een spanningsbron geeft elektrische energie aan elektrische apparaten die daardoor functioneren. voorbeelden:

fietslamp krijgt energie uit een batterij

telefoon krijgt energie uit een accu

Een batterij en een accu zetten opgeslagen chemische energie om in elektrische. Een stopcontact is via het elektriciteitsnetwerk aangesloten op een energiecentrale. Een stopcontact noem je dus een spanningsbron, maar is dus eigenlijk alleen maar een doorgeefluik. 

Een spanningsbron heeft 2 aansluitpunten: polen. Een batterij of accu heeft een pluspool en een minpool. De energie die een spanningsbron aan een apparaat levert, ligt aan de hoogte van de spanning. Bij een hogere spanning levert de bron meer energie en bij een lagere minder. Het symbool voor spanning is U, de eenheid is volt het symbool daarvan is V. Op stopcontacten in de meeste Europese landen staat een spanning van 230V. Hoogspanningsmasten hebben een spanning van enkele duizenden volt. Dat geef je aan in kilovolt (kV) dus: 1 kV = 1000 V. 

Je kunt apparaten niet op elke spanningsbron aansluiten. 

Als je een apparaat op een te lage spanning aansluit, werkt het apparaat niet goed. 

Als je een apparaat op een te hoge spanning aansluit, kan het apparaat stukgaan.

Spanning meten

Je kunt spanning meten met een voltmeter of spanningsmeter. Elke voltmeter bestaat uit een min-aansluitpunt (meestal zwarte rondje) en een plus-aansluitpunt (er zijn meerdere en meestal rode rondjes). je meet de spanning van een spanningsbron door de pluspool met het plus-aansluitpunt te verbinden en de minpool met met het min-aansluitpunt. De maximale waarde die je kunt meten, is het meetbereik. 

Informatieoverdracht

De verbindingen die computers hebben zijn niet bedoeld om energie te transporteren, maar om om informatie over te dragen. Het elektrische signaal draagt de informatie in zich mee. 

Omdat het hierbij niet om energieoverdracht gaat, kan de spanning veel lager zijn. Tegenwoordig zijn veel computer op draadloze netwerk. De informatie wordt dan overgedragen door elektromagnetische straling, die zich net zoals licht van het ene naar het andere apparaat voortplant. Voor het zenden is ook elektrische energie nodig.

6.2 Stroomkringen

Elektrische lading en stroom

Atomen zijn weer opgebouwd uit nog kleinere deeltjes. Deze deeltjes hebben elektrische lading. Er is positieve en negatieve elektrische lading. Als er evenveel positieve als negatieve lading is merk je er niks van en is het helemaal neutraal. De deeltjes waaruit atomen uit bestaan zijn:

protonen zijn zware deeltjes en hebben een positieve lading

neutronen zijn ongeladen en dus neutraal 

elektronen zijn lichte deeltjes en hebben een negatieve lading

In atomen zitten altijd evenveel protonen en elektronen daardoor is die neutraal. 

Een spanningsbron zorgt ervoor dat de elektronen door de koperdraden van de snoer gaan bewegen. De koperdraden geleiden de elektrische stroom. Een elektrische stroom bestaat uit bewegende elektrische lading, in een snoer zijn dit de geladen elektronen. 

Elektrische stroom kan niet door alle stoffen heen. Een geleider is een stof waar geladen deeltjes gemakkelijk doorheen gaan. Metalen is een goede geleider, omdat de elektronen op metalen vrij kunnen bewegen. Drinkwater is ook een geleider, omdat er geladen deeltjes van opgeloste stoffen doorheen kunnen bewegen. Een isolator is een stof waar geladen deeltjes niet kunnen bewegen. voorbeelden: plastic, glas, hout, lucht en zuiver water.

stroomkringen

Lampje, schakelaar, draden en stopcontact vormen samen een stroomkring. Een elektrische stroom loopt alleen als de stroomkring niet onderbroken wordt, dat noem je een gesloten stroomkring. Onderbreek je de stroomkring, dan kan er geen stroom meer lopen en gaat het lampje uit, dat noem je een onderbroken of open stroomkring. 

De elektrische stroom gaat van de pluspool via een koperdraad naar de schakelaar en naar het lampje. Via een andere koperdraad loopt de stroom terug naar de minpool. De stroom in de terugvoerdraad is even groot als in de draad naar het lampje toe. het lampje verbruikt dus geen stroom

Stroomsterkte

De elektrische stroom is een gevolg van de spanning van de bron. De grootte van de elektrische stroom noem je de stroomsterkte. Het symbool voor stroomsterkte is I. De eenheid van stroomsterkte is ampère het symbool daarvan is A. Hoe groter de stroomsterkte door een draad is, hoe meer elektronen  er per seconde doorheen stromen. De stroomsterkte is afhankelijk van de spanning. Het ene apparaat laat de elektrische stroom makkelijker door dan het andere. De stroomsterkte hangt dus af van het apparaat dat je op de spanningsbron aansluit.

Je kunt ampère meten met een stroom- of ampèremeter. Een ampèremeter sluit je aan door de stroomkring te onderbreken en de ampèremeter in de kring op te nemen. De ampèremeter kan je in de stroomkring voor of achter het lampje aansluiten. Op allebei de plekken is de stroom even groot.

Schakelschema

Een schakeling bestaat uit elektrische onderdelen die met elkaar verbonden zijn. Elektrische onderdelen zijn bijv: de spanningsbron, het lampje, of een schakelaar. De draden verbinden deze onderdelen. Om een tekening te maken van een schakeling moet je elektrische symbolen gebruiken voor de elektrische onderdelen. Deze symbolen gebruik je wereldwijd 

Er is ook een figuur: de led. Het bijzondere aan dit lampje is dat de stroom alleen 1 kant op kan stromen. In de doorlaatrichting kan de stroom door de led en geeft ze licht. In de sperrichting loopt er geen stroom en geeft de led geen licht. Als de stroom in dezelfde richting loopt als waar de pijl naar wijst, dan staat de led in de doorlaatrichting.

6.3 Serie en parallel

Serieschakeling

Als je 2 lampen op een batterij wilt aansluiten, kan dat op 2 manieren. De eerste manier: de serieschakeling. De lampen zitten In dezelfde stroomkring. Er is maar 1 route voor de elektrische stroom en er zijn geen vertakkingen. Een serieschakeling heeft 3 eigenschappen:

• Alle lampen zitten in dezelfde stroomkring. Als er 1 lamp uit gaat, gaat de andere ook uit. Dus dan is de stroomkring niet meer gesloten.
• De spanning van de spanningsbron verdeelt zich gelijk over de apparaten.
• De stroomsterkte is door elke lamp even groot

Parallelschakeling

De tweede manier is een parallelschakeling. Daar zit ieder apparaat in een aparte stroomkring. Dus stel de eerste route is van de pluspool van de batterij via het bovenste lamp naar de minpool, de tweede route is hetzelfde maar via de onderste lamp.

Een parallelschakeling heeft 3 eigenschappen:

• Elk apparaat zit in een aparte stroomkring. Als 1 lamp kapot gaat blijft de andere branden.
• Over elk apparaat staat de maximale spanning van de spanningsbron. Dat komt omdat elk apparaat direct is verbonden met de spanningsbron.
• De elektrische stroom heeft meerdere routes. De stroomsterktes in alle route zijn opgeteld net zo groot als de hoofdstroomsterkte.

Meters aansluiten

Omdat in een parallelschakeling de spanning over elke tak van de stroomkring gelijk is, sluit je een voltmeter altijd parallel aan. Omdat de stroomsterkte overal in de kring gelijk is, sluit je een ampèremeter altijd in serie aan. Zie plaatje.

Batterijen schakelen

Ook  batterijen kun je serie of parallel schakelen. Vaak moet je in een apparaat meerdere batterijen stoppen. Het apparaat is zo ontworpen dat de batterijen samen de juiste spanning geven. Zet je batterijen in serie, dan sluit je de plus van de ene batterij aan op de min van de andere batterij. De totale spanning vind je door de spanningen van de batterij apart bij elkaar op te tellen. Het effect van in een serie schakelen is dus een hogere spanning. Sluit je een lamp op 2 serie geschakelde batterijen aan, dan brandt het feller dan wanneer je het op 1 batterij aansluit. Bij parallel schakelen verbindt je de pluspolen en minpolen met elkaar. De spanning blijft dan gelijk. Je hoeft de batterijen minder te vervangen, omdat iedere batterij maar een deel van de benodigde stroom hoeft te leveren. Sluit je een lampje op 2 parallel geschakelde batterijen aan, dan kan een lamp langer met dezelfde lichtsterkte branden dan wanneer je het op 1 batterij aansluit.

Het aantal Ah

Behalve de spanning staat op een batterij ook vaak het aantal Ah (ampère-uur). Het aantal Ah geeft aan hoelang een batterij of accu een stroom kan leveren. Zo kan een accu van 80 Ah 80 uur 1A leveren. Laat je hem 2 A leveren, dan zal hij 40 uur leeg zijn. Dus hoe meer ampère hoe minder. Op batterijen staat vaak het aantal mAh: 1 mAh = 0,001Ah.

6.4 Veiligheid

Gevaar van elektriciteit voor je lichaam

Het aanraken van een draad of apparaat waar 230V op staat, kan gevaarlijk zijn. Je kunt een schok of zelfs dood gaat. Bij veel gebeurtenissen in je lichaam speelt elektriciteit een rol. Je hart bevat zelfs een spanningsbron, die regelmatig pulsen afgeeft en je hartslag regelt. Als stroom meer dan 1 mA door je hart gaat, raakt het hartritme van slag.  

De huisinstallatie

Huisinstallatie is de elektrische installatie in je huis. Het energiebedrijf levert elektrische energie op. Via de hoofdkabel in de meterkast komt deze energie het huis binnen. De energiemeter of kWh-meter is het meetinstrument dat energiegebruik opmeet. Je moet betalen voor het aantal kilowattuur (kWh) energie dat je gebruikt. 

De huisinstallatie is verdeeld in meerdere groepen. Een groep is een verzameling stopcontacten en lichtpunten voor een deel van het huis. Bijvoorbeeld: een aparte groep voor de slaapkamer, verschillende groepen voor de keuken.

Overbelasting, kortsluiting en zekeringen

De huisinstallatie is zo ontworpen dat er door iedere groep een stroomsterkte van maximaal 16 A kan lopen. Als je te veel apparaten aansluit, wordt de stroomsterkte te groot. De groep is dan overbelast. De draden kunnen zo heet worden dat er een brand kan komen.

Iedere groep is beveiligd met een zekering. Dat is een beveiliging die bij een te grote stroomsterkte de stroomkring breekt. Alle apparaten in die groep gaan dan uit. In bedrijven en scholen is de stroomsterkte hoger dan thuis tot wel 24 tot 32 A. De stroomdraden zijn daar op aangepast.

Bij kortsluiting loopt de stroom van de spanningsbron direct terug naar de spanningsbron, dus niet naar een lampje of ander apparaat. Ook bij kortsluiting wordt de stroomsterkte te groot. Een kortsluiting kan ontstaan als de koperdraden in een beschadigd snoer elkaar aanraken.

Lekstroom, aardlekschakelaar en en randaarde

Het kan voorkomen dat je een draad of apparaat aanraakt dat onder spanning staat. Je krijgt dan een schok. De stroom loopt dan via jou (ook via andere voorwerpen) naar de grond. Stroom dat op deze manier de stroomkring verlaat, noem je lekstroom. Om te voorkomen dat je koperdraad onder spanning aanraakt, hebben alle elektriciteitssnoeren dubbele isolatie: zowel iedere afzonderlijke draad als het snoer zelf heeft een plastic omhulsel. De aardlekschakelaar in de meterkast stopt de stroomkring bij een lekstroom. De aardlekschakelaar merkt bij een lekstroom dat de terugkerende hoofdstroom kleiner is dan de heengaande hoofdstroom. Als het verschil (meestal op 30 mA ingesteld) groot genoeg is, onderbreekt de aardlekschakelaar de hoofdstroom. Een aardlekschakelaar is meestal aangesloten aan 4 groepen als 1 van de groepen over 30mA gaat, schakelt de aardlekschakelaar alle 4 de groepen uit.

Een randaarde of aardleiding is een draad, die ervoor zorgt dat een lekstroom via de randaarde de aarde in loopt ipv door een persoon die een apparaat aanraakt. Randaarde werkt alleen als zowel de stekker als het stopcontact met randaarde pinnetjes is uitgevoerd.

6.5 Elektrische energie

Energiegebruik van elektrische apparaten

De hoeveelheid energie die een apparaat per seconde gebruikt, noem je het vermogen. De eenheid van vermogen is watt (W). Het symbool van vermogen is P (engelse woord power).

Energie druk je uit in joule: 1 watt is gelijk aan 1 joule per sec (1 W = 1 J/s). 

Soms is het handiger om kilowatt (kW) te gebruiken ipv watt (W). Een stofzuiger heeft het vermogen van 1400W = 1,4 kW.

Fabrikanten zetten het vermogen van een elektrisch apparaat op de verpakking en in reclames. Klanten vinden dat belangrijk, omdat hetzelfde type apparaat met een grotere vermogen krachtiger is, of omdat ze een apparaat wil kopen dat juist weinig energie gebruikt.

Energiegebruik berekenen

E (energie in joule) = P (vermogen in watt) x t (tijd in sec)

Zo bereken je het energie gebruik.

Rekenen in kilowattuur

Als je de energie in joule wil omrekenen naar kWh.

Er geldt: 1 kWh = 1 kW x 1 h = 1000 W x 3600 s = 3 600 000 J = 3,6 MJ

Als je wilt omrekenen van joule naar kWh moet je delen door 3,6 miljoen. Een energiegebruik van 9 miljoen J dus:

9 000 000

________  = 2,5 kWh.

3 600 000

Als je kWh naar J wil berekenen moet je keren met 3,6 miljoen.

Een energiegebruik van 5 kWh:

5 x 3,6 MJ = 18 MJ

Energiekosten berekenen

1 kWh elektriciteit kost ongeveer 0,23 €. De energiekosten vind je door het aantal kWh energie te vermenigvuldigen met de prijs van 1 kWh:

energiekosten = energie (in kWh) x prijs van 1 kW