Inductie en wisselstromen

Beoordeling 7.4
Foto van een scholier
  • Samenvatting door een scholier
  • 6e klas vwo | 1602 woorden
  • 31 maart 2015
  • 18 keer beoordeeld
Cijfer 7.4
18 keer beoordeeld

Taal
Nederlands
Vak
Methode

5.1 Magnetische flux

De magnetische flux (ɸ) is een maat voor het aantal veldlijnen dat door een oppervlak gaat.

Het aantal veldlijnen hangt af van:

- De oppervlakte (A) die door het draadraam omsloten wordt.

- De grootte van de magnetische inductie (B). Hoe groter de magnetische inductie, hoe groter de veldlijnen dichtheid.

De algemene formule voor de magnetische flux door een oppervlak luidt:

Hierin is Bn de component van de magnetische flux die loodrecht op het oppervlak (A) staat.

1 Wb = 1 T x m2

5.2 Inductiewet van Faraday

Door een magneet tussen twee spoelen te laten ronddraaien, ontstaat er een spanning over die spoelen. Dit verschijnsel heet (elektromagnetische) inductie. Als de door een spoel omvatte magnetische flux verandert, ontstaat er over de aansluitpunten van die spoel een spanning.

Als je de staafmagneet naar de spoel toe of van de spoel af beweegt, verandert het aantal door de spoel omvatte veldlijnen en dus de door de spoel omvatte magnetische flux. Over de aansluitpunten van de spoel ontstaat dan een spanning.

Een spanning die ontstaat doordat de omvatte flux verandert, noemen we een inductiespanning. De stroom die dan kan optreden, wordt een inductiestroom genoemd.

Het verschijnsel inductie is in 1831 door Faraday ontdekt. De inductiewet van Faraday luidt: Als de door een spoel omvatte magnetische flux verandert, ontstaat over de uiteinden van die spoel een spanning. Hierbij geldt voor de grootte van de inductiespanning:

- Door een staafmagneet sneller te bewegen, vindt eenzelfde fluxverandering (Δɸ) in kortere tijd (Δt) plaats. Er ontstaat een grotere inductiespanning en daardoor een grotere inductiestroom.

- Hoe meer staafmagneten er worden gebruikt, hoe groter het aantal magnetische veldlijnen, omvatte flux neemt toe, dus ook de fluxverandering wordt groter. Er ontstaat een grotere inductiespanning en daardoor een grotere inductiestroom.                                              1 Wb = 1 V·s

5.3 Wet van Lenz

Verandert het aantal door een spoel omvatte magnetische veldlijnen en maakt de spoel deel uit van een ‘gesloten keten’, dan ontstaat in die keten een inductiestroom.

Als het aantal omvatte magnetische veldlijnen toeneemt, dan wekt de spoel een inductiestroom op waarvan de magnetische veldlijnen tegengesteld zijn aan de oorspronkelijke magnetische veldlijnen. Er ontstaat een ‘tegenflux’.

Als het aantal omvatte magnetische veldlijnen afneemt, dan wekt de spoel een inductiestroom op waarvan de magnetische veldlijnen in dezelfde richting werken als de oorspronkelijke magnetische veldlijnen. Er ontstaat een ‘meeflux’.

Het optreden van de inductiestroom heeft tot gevolg dat het naar de spoel toe of van de spoel af bewegen van de magneet wordt tegengewerkt.

De wet van Lenz: De inductiestroom heeft een zodanige richting, dat hij de oorzaak van zijn ontstaan tegenwerkt.

Wet van behoud van energie: bijv. Ez (m · g · h) = Eelektrisch + Ekinetisch (0,5m · v2)

Toepassing: de aardlekschakelaar

De twee hoofdleidingen noemen we F (fasedraad) en N (nuldraad). Deze twee leidingen gaan naar de aardlekschakelaar. Wanneer ergens een stroom naar de aarde lekt (bijv. door aanraken van een fasedraad), ontbreekt de aardlekschakelaar onmiddellijk de stroomvoorziening. De fasedraad en de nuldraad gaan door een ijzeren ring.

Als er geen stroom naar de aarde lekt, zal de stroomsterkte in de nuldraad gelijk zijn aan de stroomsterkte in de fasedraad. De stroomsterkten zullen in tegengestelde richting lopen, waardoor de verschilstroom nul ampère is. Beide stroomsterkten zullen een magnetisch veld opwekken, maar deze zijn even groot en tegengesteld aan elkaar gericht. Het resulterende magneetveld in de ijzeren ring is dan nul tesla.

Als er wel stroom naar de aarde lekt, zal de stroomsterkte in de nuldraad niet meer gelijk aan de stroomsterkte in de fasedraad. Er is een verschilstroom. Er ontstaat nu een resulterend magnetisch veld in de ijzeren ring. Hierdoor ontstaat er in de spoel P (figuur 5.21b) een inductiestroom, die ervoor zorgt dat het relais de stroomvoorziening onderbreekt.

5.4 Wisselspanning en wisselstroom

Bij een dynamo wordt de mechanische energie omgezet in elektrische energie. Bij een elektromotor wordt de elektrische energie omgezet in mechanische energie.

Wisselstroomdynamo: Een spoel wordt in een magnetisch veld rondgedraaid. Het aantal door de spoel omvatte magnetische veldlijnen veranderd voortduren. Oftewel de magnetische flux verandert voortdurend, waardoor er voortdurend een inductiespanning wordt opgewekt. De inductiespanning is afwisselend positief en negatief. Dit betekend dat nu eens de ene aansluitklem van het draadraam de ‘pluspool’ is, dan weer de andere. We spreken daarom van een wisselspanning.

Voor een sinusvormige wisselspanning/wisselstroom geldt:

U(t)= spanning op bepaald tijdstip (V)                 I(t) = stroomsterkte op bepaald tijdstip (A)

Umax = de maximale spanning (V)                         Imax = de maximale stroomsterkte (A)

f = aantal omwentelingen per seconde/de frequentie; met f = 1/T  (Hz)

t = de tijdsduur dat het draadraam draait (s)

(Formule geldt alleen als op t=0 het opp. van het draadraam loodrecht op het magnetisch veld staat).

Bij sinusvormige wisselspanningen en wisselstromen bestaat het volgende verband tussen effectieve waarde en maximale waarde: 

Door uit te gaan van effectieve waarden, kun je wisselstromen en wisselspanningen ‘behandelen’ alsof het constante gelijkstromen en constante gelijkspanningen zijn.

De ‘netspanning’ is een sinusvormige wisselspanning, waarvan de frequentie 50 Hz is en de effectieve waarde 230 V.

5.5 Transformator

Met behulp van een transformator kan de netspanning worden verlaagd of verhoogd. Een transformator bestaat uit twee spoelen die om een gesloten weekijzeren kern zijn gewikkeld.

Als je een transformator gaat gebruiken, sluit je één van de spoelen op een wisselspanningsbron aan - primaire spoel. De andere spoel - secundaire spoel - verbind je met het apparaat waarover een bepaalde spanning moet komen te staan. Er gebeurt dan het volgende:

- Er ontstaat een wisselspanning over de primaire spoel: de primaire spanning (Up).

- Er loopt een wisselstroom door de primaire spoel: de primaire stroom (Ip).

- De stroom wekt in de primaire spoel een magneetveld op. Omdat het een wisselstroom betreft, keert de magnetische inductie (B) steeds van richting om en veranderd voortdurend van grootte.

- De magnetische flux in de primaire spoel veranderd voortdurend.

- Door de gesloten weekijzeren kern lopen de magnetische veldlijnen van de primaire naar de secundaire spoel.

- Over de secundaire spoel komt een inductiespanning te staan: de secundaire spanning (Us).

De verhouding van primaire spoel en secundaire spoel is gelijk aan de verhouding van het aantal windingen op de primaire spoel en het aantal windingen op de secundaire spoel.

Uit deze formule volgt:

- Is Ns groter dan Np, dan is Us groter dan Up: wisselspanning wordt omhoog getransformeerd.

- Is Ns kleiner dan Np, dan is Us kleiner dan Up: wisselspanning wordt omlaag getransformeerd.

We noemen een transformator ideaal, als in die transformator geen energieverliezen optreden. Dus: voor een ideale transformator geldt, dat primair en secundair vermogen even groot zijn. In formule:

Wordt met behulp van een ideale transformator de spanning met een factor n omhoog getransformeerd (bijv. Us = 10 x Up), dan wordt de stroomsterkte met een factor n omlaag getransformeerd (Is = 0,10 x Ip) en omgekeerd.

5.6 Toepassingen van transformatoren

Een transformator kan ook gebruikt worden om twee stroomkringen elektrisch van elkaar te scheiden: scheidingstransformator. Aan de primaire kant zijn de aansluitdraden de nuldraad en de fasedraad. Aan de secundaire kant kun je geen onderscheid maken tussen de twee draden (nuldraad en fasedraad). Het is niet gevaarlijk om één van de twee draden aan te raken, wel om ze beiden tegelijk aan te raken.

Door de draad van de secundaire spoel dunner te maken dan die van de primaire spoel, wordt de weerstand van de secundaire stroomkring erg groot. Volgens de wet van Ohm (Us = Is x Rs) is de stroomsterkte in de secundaire stroomkring dus heel klein. Het geleverde maximale vermogen is dan ook klein (P = U x I).

Draad van secundaire spoel dikker - weerstand klein - stroomsterkte groot - maximale vermogen groter.

Transport van elektrische energie: hoge spanning en laag energieverlies

De generatoren (dynamo’s) in een centrale leveren elektrische energie onder een spanning die meestal 21 kV bedraagt. In het transformatorenstation, dat dichtbij de centrale staat, wordt de spanning omhoog gebracht naar 150 kV of zelfs 380 kV. Daarna wordt de elektrische energie, via hoogspanningsleidingen, naar steden en dorpen getransporteerd. In de buurt van steden en dorpen wordt de spanning in een onderstation omlaag gebracht naar bijv. 10 kV. Vervolgens wordt de elektrische energie naar transformatorhuisjes vervoerd, daar wordt de spanning omlaag gebracht naar 230 V. Op deze spanning zijn de verbruikers aangesloten.

5.7 In- en uitschakelverschijnselen bij gebruik van spoelen in schakelingen: zelfinductie

Komen er in een stroomkring één of meer spoelen voor, dan treedt bij een verandering van de stroomsterkte een inductiespanning op. In deze situatie spreken we van een ‘zelfinductiespanning’. De zelfinductiespanning werkt de stroomsterkteverandering tegen (wet van Lenz).

Bijv. lampje in serie met spoel: De stroom wekt in de spoel een magnetisch veld op. Doordat de stroomsterkte toeneemt, neemt het aantal magnetische veldlijnen in de spoel toe - door spoel omvatte flux neemt toe - ontstaat inductiespanning over de spoel. Dit alles speelt zich in dezelfde stroomkring af, daarom spreken we van zelfinductie en van een zelfinductiespanning. De zelfinductiespanning is tegengesteld gericht aan de spanning die door de spanningsbron geleverd wordt. Hierdoor zal het een tijdje duren voordat het lampje volop brand.

REACTIES

Log in om een reactie te plaatsen of maak een profiel aan.