Elektriciteit

Inleiding

Wat gebeurt er als er in Nederland de stroom uit valt?
Dat is niet zo lang geleden gebeurt in Dordrecht.
Alles wat elektriciteit nodig had stopte met werken.
De kassa’s in de winkels, de pinautomaten, de machines in de fabrieken, alle computers op de kantoren, niets deed het meer.
Thuis dus ook niets, wasmachines, drogers, stofzuigers, computers, TV’s, radio’s en Combiketels, alle dingen die we “gewoon” vinden doen het niet meer.
Maar wat is elektriciteit nu?
Hier probeer ik via dit werkstuk meer over te kunnen vertellen.
Veel plezier er mee.

Hoofdstuk 1:

Elektriciteit

Elektriciteit is een vorm van energie die van de ene plaats naar de andere kan worden gebracht. Bijv. naar je huis, waar ze de televisie laat werken.

De meeste elektriciteit wordt opgewekt in elektriciteitscentrales door water in een stoom ketel te verwarmen. Zie schema op volgende bladzijde:
In de elektriciteitscentrale(2) wordt door de verbranding van fossiele brandstoffen(1) (steenkool, olie of aardgas of door atoomsplijting) stoom gevormd die onder hoge druk door een turbine wordt geperst. In de turbine gaat een as draaien en brengt op deze manier een generator op gang, die elektriciteit produceert.

Er zijn verschillende elektriciteitscentrales die op deze manier werken zoals:
• Kolencentrale
• Gascentrale
• Kolen/gascentrale
• STEG-centrale (stoom en gas)
• Oliecentrale
• Kerncentrale
• Vuilverbrandingcentrale

Zonlicht, water en wind kunnen eveneens elektriciteit leveren.
Deze centrales werken op een andere manier zoals:
• Windturbines/windmolens
• Waterkrachtcentrales
• Zonnepanelen
• Getijdencentrale
• Spaarbekkencentrale
• Golfslagcentrale

De generator(3).
De generator is een draaiende magneet in een spoel van koperdraad en wekt zo elektriciteit op. Net zoals de dynamo op een fiets.
De draaiende magneet veroorzaakt een beweging van de elektronen in het koperdraad. Hoe sneller de magneet draait, hoe meer elektrische stroom wordt geleverd.

Krachtcentrales(2) kunnen niet overal worden gebouwd waar elektriciteit nodig is. Daarom wordt de elektriciteit via kabels boven of onder de grond naar de bestemming gebracht. Een druk op de knop levert de stroom waar die nodig is. Maar het vervoeren van elektriciteit is gevaarlijk. De energie reist met een snelheid van ongeveer 250.000 km per seconde door de kabels. Dat is bijna even snel als het licht! Voordat het door de kabels stroomt veranderen transformatoren(4 en 6) de sterkte van de elektrische stroom en ondersteunen hoogspanningsmasten (5) de kabels die deze sterke stroom vervoeren. In steden worden elektrische kabels onder de grond gelegd en maakt een onderstation (7) de elektriciteit veilig voor gebruik in huis(8).

Hoofdstuk2

Elektrische stroom

Vroeger dacht men dat elektriciteit stroomt zoals water. Daarom spreekt men van ‘stroom’. Nu weet men dat het zich door een kabel verplaatst als ballen die worden doorgegeven. Ik zal het uitleggen:

Een atoom ziet er uit als een soort zonnestelseltje. Binnen in zit een positieve kern, er omheen cirkelen negatieve elektronen. De positieve kern trekt de negatieve elektronen aan. Elektronen die het verst van de kern af zijn, merken het minst van deze aantrekkingskracht.
Elektronen kunnen zich makkelijk door metalen bewegen. Dat komt door de bijzondere opbouw van metaalatomen. Een aluminium-atoom heeft in de buitenste ‘ring’ 3 elektronen. Deze buitenste ring zit ver van de kern af, daardoor kunnen deze 3 elektronen zich makkelijk verplaatsen naar een atoom ernaast. En nog verder en verder…

Eind vorige eeuw wist men nog niets over de stroomrichting van elektronen. Men heeft toen een afspraak gemaakt dat de stroom van plus naar min gaat. Maar in werkelijkheid gaan de elektronen van min naar plus!

Gelijkstroom.
Bij gelijkstroom is de richting en ook de sterkte van de stroom constant. Gelijkspanningsbronnen zijn batterijen, accu’s (zie foto) en zonnecellen. De elektronen stromen allemaal in 1 richting. Er is een elektronenverschil tussen de pluspool en de minpool. Een chemisch proces houdt dit elektronenverschil in stand. Als dit chemisch proces is uitgeput, is de batterij, accu of zonnecel ‘leeg’. D.w.z. dat er geen elektronen meer aangetrokken worden door de pluspool en
de spanningsbron levert geen stroom meer.

Thomas Edison gebruikte gelijkstroom voor de uitvindingen van b.v.de telefoon en de telegraaf.

Wisselstroom.
Wisselstroom is een vorm van elektriciteit die je overal via stopcontacten binnen krijg. Deze vorm van elektriciteit wisselt telkens van stroom richting. Dit is dus ook de tegenhanger van gelijkstroom.
Nikola Tesla (zie foto) zorgde dat wisselstroom via het elektriciteitsnet gebruikt kon worden.

Als je naar het stopcontact kijkt, zie je twee gaatjes.
Een van de gaatjes is aan gesloten op een draad waar spanning op staat. Elektronen worden hier wisselend aangetrokken of afgestoten. Dat wisselt erg snel: 50 keer per seconden.
Aan een lamp of computer merk je niets van het wisselen.
Alleen als je heel snel met je ogen knippert in een TL lamp.

Wat is watt?
De snelheid waarmee verschillende machines de elektrische energie gebruiken, wordt uitgedrukt in watt.
Zoals bijv. een elektrische klok,deze verbruikt 10 watt; een stofzuiger 1000 watt en een lasapparaat 10.000 watt.
James Watt (zie foto) Is de uitvinder van de stoommachine en de bedenker voor de waarde van het gebruik van energie.

Hoofdstuk 3

De stroomkring

Om een lamp te laten branden, een computer te gebruiken of een ander werking te zetten heb je een stroomkring nodig.
Een stroomkring bestaat uit:
1. een spanningsbron, zoals het lichtnet(stopcontact), een batterij of zonnepaneel
2. een apparaat, zoals een lamp, een computer of broodrooster
3. een materiaal dat elektrische stroom geleidt en waarmee je de spanningsbron met het apparaat verbind. Bijv. elektriciteitssnoeren, maar ook de uitstekende lipjes (polen) van de platte batterij.

1. De batterij
Een batterij bestaat uit een oplossing (drab) en 2 verschillende metalen, zoals koper en zink. Deze 2 metalen zitten elk vast aan een pool van de batterij.
Zodra de stukjes metaal met elkaar verbonden worden via snoertjes vindt er een chemische reactie plaats in de batterij. Aan de plus kant ontstaat een te kort aan elektronen. Met als gevolg dat er een spanningsverschil ontstaat, waardoor de elektronen van de min kant door de snoertjes naar de andere kant stromen.
Door een lampje tussen de snoeren te plaatsen kan je de stroom aantonen, want deze gaat branden.
Op een batterij staat meestal aan gegeven waar de pluspool en waar de minpool zit. Batterij verschillen in de spanning die ze leveren. Deze spanning wordt aangegeven met Volt.

De zonnecel
Een zonnecel bestaat uit 3 lagen: een bovenlaag met een overschot aan elektronen, een onderlaag met een te kort aan elektronen en daar tussen een sperlaag die elektronen alleen vanaf onder naar boven door laat en niet andersom.
Zodra er licht op de boven kant valt krijgt een deel van de elektronen energie om los te komen. Los van de positieve kern waar ze bij horen. Deze negatieve elektronen worden aangetrokken door de positieve onderkant van de zonnecel.
Ze kunnen zich alleen verplaatsen via een stroomkring.
De elektronen stromen via de sperlaag weer terug naar de bovenkant.
De zonnecel werkt als er licht op valt en als er een stroomkring is, als een soort elektronenpomp. De stroom raakt nooit op.

Een zonnecel is gemaakt silicium (grijs). De bovenkant is bedekt met blauwe kleurstof om te voorkomen dat het invallende licht wordt teruggekaatst. Voor de geleiding aan de onderkant is een grijze laag metaal aangebracht. Op de bovenkant liggen dunne contactlijntjes. Hier door kunnen de elektronen zich verplaatsen. Dwars op deze lijntjes ligt een brede contactlijn.

2. De gloeilamp
In een lamp zit een heel dun metalen draadje van wolfraam: de gloeidraad. Gaat er hier elektrische stroom doorheen, dan wordt het draadje heet, omdat wolfraam een metaal is dat de elektronen minder makkelijk doorlaat. Zo heet dat het gaat gloeien. Het gloei draadje maakt deel uit van de stroomkring.

Kortsluiting
Een stroomkring zonder apparaatje heeft kortsluiting. Bij kortsluiting gaat de stroom alleen maar door het snoer. De stroom kiest de makkelijkste weg. De batterij zal snel uitgeput zijn en de draden kunnen oververhit raken, waardoor brandt zou kunnen ontstaan.
Daarom is een elektrisch circuit (via stopcontact) meestal beveiligd met een zekering. Een zekering is een opzettelijk aangebrachte zwakke plek, in de vorm van een dun metalen draadje, in de stroomkring. Bij kortsluiting krijgt het dunne draadje teveel stroom en smelt door. Gevolg: de stroomkring is verbroken. Een zekering in het elektrische circuit van een huis heet een smeltveiligheid (een stop).

3. geleiders
Materialen die elektriciteit goed geleiden heten geleiders. Hierin zitten elektronen die zich makkelijk kunnen verplaatsen.
Voorbeelden van geleiders zijn metalen (vooral koper en zilver), grafiet (potlood) en vloeistoffen (water).
Materialen die elektrische stroom slecht geleiden heten isolatoren. Hierin zitten elektronen die zich (bijna) niet kunnen verplaatsen. Voorbeelden daarvan zijn kunststoffen (plastic), hout, papier, glas, aardewerk en textiel.
Veel elektrische apparaten zijn gemaakt van een combinatie van geleidende en isolerende delen om oververhitting of kortsluiting te voorkomen.
Ook verbindingssnoertjes bestaan uit deze 2 materialen: een kern van meerdere koperdraadjes met daar omheen kunststof. Bij zonnecellen worden de dunne contactlijntjes met elkaar en onderkant verbonden met vertind koperband.

Weerstand
Stoffen die stroom goed geleiden hebben een lage weerstand. Stoffen die de stroom slecht geleiden hebben een hoge weerstand.
Hoe groter de weerstand, hoe minder stroom er door de stroomkring gaat.
Ook elk apparaat heeft een bepaalde weerstand, afhankelijk van welk materiaal het gemaakt is.
De grootte van weerstanden wordt aangegeven met de eenheid Ohm Ω.
Om een apparaat te beschermen tegen een teveel aan stroom, gebruikt men weerstanden.