Hoofdstuk 2

Paragraaf 2.1 elektrische energie produceren

Hoe werkt een elektriciteitscentrale:

1. De branders verbranden aardgas, steenkool of een andere brandstof. De vrijkomende warmte verhit het water in de ketel. Hierdoor ontstaat stoom (hete waterdamp) met een temperatuur van ong. 500 °C en een zeer hoge druk.
2. De stoom spuit met grote snelheid tegen de schoepen van een turbine. Daardoor gaat de as van de turbine ronddraaien.
3. De as van de turbine drijft een generator aan die elektrische energie produceert.
4. De afgewerkte stoom, die nu een veel lagere temperatuur en druk heeft, wordt naar een condensor geleid. Daar wordt de stoom door koelwater afgekoeld en condenseert tot water.
5. Een pomp pompt het water dan terug naar de ketel.

Het koelwater wordt meestal uit een rivier of meer gepompt en later weer iets warmer terug. Als er geen rivier of meer beschikbaar is, wordt het koelwater in een koeltoren afgekoeld. Bij een kerncentrale wordt de energie opgewekt door het splijten van kernen van zware atomen, hier komt energie bij vrij.

Het verschil tussen een kerncentrale en een gewone centrale is de energieopwekking.

Dynamo of generator: zet bewegingsenergie om in elektrische energie. Het principe van een dynamo is:

• In figuur a schuif je een magneet in een spoel. Een spoel is een gewikkeld stuk metaaldraad. De spanningsmeter slaat naar rechts uit.
• In figuur b ligt de magneet in de spel zonder te bewegen. De spanningsmeter staat dan op 0 volt (V).
• In figuur c trek je de magneet uit de spoel. De spanningsmeter slaat uit naar links.

Als het magnetisch veld in de spoel verandert, ontstaat er dus een spanning tussen de uiteinden van de spoel. Dat verschijnsel heet inductie. De opgewekte spanning noem je een inductiespanning.

Als het magnetische veld in de spoel verandert van grootte en richting ontstaat er een inductiespanning over de uiteinden van de spoel. Die spanning verandert voortdurend. Bij een constant toerental van de magneet ontstaat er een regelmatig patroon. Zo’n spanning noem je een wisselspanning.

De hoeveelheid geleverde energie per seconde noem je het vermogen. Het vermogen hangt af van de geleverde spanning U en de stroom I. In formulevorm:

P = U × I

Je vult de spanning in in volt V en e stoom in ampère A, hierdoor vind je het vermogen in watt W.

Het energiegebruik van een apparaat wordt bepaald door het vermogen (P) en door de tijd (t) dat het energie gebruikt. In formulevorm:

E = P × t

Je vult het vermogen in in W en de tijd in s, hierdoor vind je het energiegebruik in joule (J).

Je gebruikt meestal kilojoule (kJ) en megajoule (MJ), omdat joule (J) te klein is.

In huis wordt het elektriciteitsgebruik niet gemeten in joule (J), maar in kilowattuur (kWh). De meter die het gebruik aan elektrische energie meet heet daarom een kWh-meter. 

Je kunt de formule E = P × t op twee manier invullen:

• Het vermogen P in W en de tijd t in s, dan vind je het energiegebruik E in J.
• Het vermogen P in kW en de tijd in h, dan vind je het energiegebruik E in kWh.

Paragraaf 2.2 elektrische energie vervoeren

Als een grote stroom door kabels loopt, worden die kabels warm. Daardoor gaat er bij elk transport een deel van de elektrische energie verloren. Dat energieverlies hangt af van de weerstand van de kabels en van de stroomsterkte. Je berekent het energieverlies met de formule:

P = I2 × R

Je vult de stroomsterkte (I) in in A en de weerstand in ohm  (Ω), hierdoor vind je het energieverlies per seconde (P) in W.

Vanuit de centrales wordt de elektrische energie met hoogspanning van 380 kV over grote afstanden vervoerd door bovengrondse kabels. De generatoren in centrales leveren een spanning van 20 kV en die moet dus eerst omhoog worden gebracht naar 380 kV. Ondergrondse kabels vervoeren de elektrische energie met een spanning van 10 kV naar woonwijken en industrieterreinen. De bekendste transformatorhuisjes brengen de spanning daar verder omlaag naar de netspanning (= spanning van 230 V, zoals in huis) van 230 V voor de eindgebruikers.

Als de spanning van het lichtnet voor sommige apparaten te hoog is (tv, computer, enz.), hebben die apparaten een ingebouwde transformator die de spanning nog verder naar beneden brengt.

Het lichtnet geeft geen onveranderlijke gelijkspanning (=Spanning die onveranderlijk is, zoals de spanning van een batterij of accu), maar een wisselspanning (frequentie is 50 Hz).

Effectieve spanning= De 'gemiddelde' spanning van een wisselspanning. Als je met een wisselspanning moet rekenen, bijvoorbeeld om het vermogen uit te rekenen, gebruik je de effectieve spanning.

Met een transformator kun je een lage wisselspanning omzetten in een hogere of andersom (figuur is van huis). Het apparaat bestaat uit twee spoelen van geïsoleerd koperdraad om een weekijzeren kern. De primaire spoel wordt hier verbonden met het lichtnet, de secundaire spoel met het apparaat.

• Als de transformator in gebruik is, loopt er een wisselstroom door de primaire spoel. Die wordt daardoor een elektromagneet (= Een elektrisch onderdeel, zoals een spoel, dat zich onder invloed van een elektrische stroom als een magneet gaat gedragen).
• De weekijzeren kern wordt hierdoor gemagnetiseerd. De magnetisering verandert mee met het magneetveld van de primaire spoel: 100 keer per seconde draait de richting van het magneetveld om, net als de wisselstroom door de primaire spoel.
• Het magneetveld in de secundaire spoel verandert dus ook voortdurend. Door inductie ontstaat er dan een wisselspanning tussen de uiteinden van de secundaire spoel.

Er loopt geen stroom door de primaire naar de secundaire spoel. De energie wordt van de primaire naar de secundaire spoel vervoerd door het magneetveld.

Een transformator zeg elektrische energie met een hoge spanning om in elektrische energie met een lage spanning, of omgekeerd (weinig verlies van energie, dus geen rekening mee houden). Bij een ideale transformator is er helemaal geen energieverlies. Het opgenomen vermogen in de primaire spoel is dan gelijk aan het afgestane vermogen door de secundaire spoel. Formulevorm: