Elektriciteit: basisbegrippen die je moet kennen
Elektrische klussen vergen een zekere voorkennis. We helpen je alvast met een stukje theorie. Wat zijn stroom, spanning en weerstand nu ook weer? Wat is het verschil tussen serie- en parallelschakeling? Wat is energie en het joule-effect?
Spanning, weerstand en vermogen
Het mechanisme van elektrische spanning, stroom en weerstand kan goed worden geïllustreerd met de werking van een waterleiding. De spanning U van een elektrische bron (met een plus- en een minpool) valt te vergelijken met de druk op het water die door een pomp veroorzaakt wordt.
De elektrische weerstand R geeft aan hoe groot de weerstand is die een materiaal biedt aan de elektrische stroomdoorgang. De weerstand kan je vergelijken met de werking van een kraan. Wanneer die helemaal openstaat, is er zo goed als geen weerstand en stroomt het water vlot door. Wanneer de kraan halfdicht wordt gedraaid, kan er minder water doorstromen en wordt de weerstand dus hoger.
Elektrische stroomsterkte
Elektrische stroom gaat in principe van de pluspool naar de minpool. Materialen die goed elektriciteit geleiden, hebben een lage weerstand (koper, ijzer, aluminium). Materialen die de stroom niet geleiden, hebben een zeer hoge weerstand (plastic, rubber).
De stroomsterkte I wordt bepaald door de spanning U en de weerstand R. Deze begrippen verhouden zich als volgt:
Stroomsterkte I = Spanning U / Weerstand R
Stroomsterkte wordt uitgedrukt in ampère (A), spanning in volt (V) en weerstand in ohm (Ω).
Elektrisch vermogen
Een lampje zet elektrische energie om in lichtenergie en warmte-energie. Een elektrisch verwarmingstoestel zet elektrische energie om in warmte-energie.
Het vermogen P is de hoeveelheid energie die in het toestel wordt omgevormd, en dat wordt uitgedrukt in watt. Zo heeft een lamp van 30 watt een hoger vermogen dan een lamp van 10 watt, die dan ook minder licht zal produceren dan de lamp met een vermogen van 30 watt.
Het vermogen P wordt berekend door de stroomsterkte (I) te vermenigvuldigen met de spanning (U).
AC en DC
In onze huiskamer komt elektriciteit binnen in de vorm van wisselstroom (AC: Alternating Current) van 220 volt. Hoge wisselstroom is goedkoper en gemakkelijker op te wekken dan gelijkstroom (DC: Direct Current) en kan met weinig verlies door een transformator naar een lagere of hogere waarde worden getransformeerd.
Wisselstroom is ook gemakkelijker te transporteren over grote afstanden zonder veel verlies. Verschillende elektrische apparaten, zoals een computer, werken op gelijkstroom. Een interne transformator zet de wisselstroom dan om in gelijkstroom.
Op de figuur links werd een lamp als verbruiker in een kring geschakeld met een batterij. De batterij levert de spanning (U) en veroorzaakt in een gesloten elektrische kring een elektrische stroom (I). Deze opstelling wordt technisch uitgetekend in een schema zoals weergegeven op de figuur rechts. De elektronenstroom loopt van de negatieve pool naar de positieve pool. De richting van de elektrische stroom (I) is hier echter aan tegengesteld. De stroom vloeit van de positieve pool over de verbruiker naar de negatieve.
Arbeid en energie
Met een kracht F (Newton) kan je een slee voorttrekken over een afstand S van bijvoorbeeld 20 m. Die inspanning wordt arbeid genoemd en wordt uitgedrukt in newtonmeter of in joule, de eenheid van energie. Energie is het potentieel om arbeid te verrichten. Zo heeft een steen die op je hand rust potentiële energie in zich. Wanneer je die laat vallen, zet die zich om in kinetische (bewegings)energie en wanneer die neerploft op de aarde, wordt die omgezet in arbeid (vervorming van aarde).
Energie kan je niet opgebruiken. Ze wordt steeds omgezet in andere vormen. In een elektriciteitscentrale wordt chemische energie omgezet in thermische, vervolgens in mechanische en daarna in elektrische energie.
Elektrische energie
Wanneer we een lampje op een spanningsbron aansluiten, gaat er stroom door het lampje, maar ook elektrische energie. In het lampje wordt de elektrische energie dan omgezet naar licht en warmte. De energie die per seconde omgevormd wordt in het lampje, noemen we het elektrische vermogen P. Op verbruikers wordt meestal het vermogen aangegeven (bv. een gloeilamp van 100 watt).
Elektrische arbeid
De elektrische arbeid is het vermogen in een bepaalde tijdseenheid. De arbeid W is daarom gelijk aan de spanning U x de stroomsterkte I x de tijd (in seconden) en wordt uitgedrukt in wattseconde of joule.
Om praktische redenen wordt deze waarde vaak uitgedrukt in kWh. Als we rekenen in seconden, wordt het getal erg groot. Daarom rekenen we voor het gemak per uur (= 3.600 seconden).
Rendement
Niet alle energie die we ergens in stoppen, wordt omgevormd tot de energie die we voor ogen hadden. Het komt vaak voor dat er energie verloren gaat in andere vormen van energie. Zo produceert een gloeilamp tot 95% warmte-energie en slechts 5% lichtenenergie. We spreken van een laag rendement.
Gebruiker van energie
In een weerstand (eender welke verbruiker, bv. een lamp, televisie, boor, enz.) wordt elektrische energie omgezet in warmte-energie. Zo kan je elektrisch verwarmen. Hoe heftiger elektronen in een lichaam bewegen en botsen, hoe hoger de temperatuur van dat lichaam oploopt.
Een weerstand waar geen stroom door gaat, neemt de temperatuur van de omgeving aan. Wanneer we wel elektrische stroom door de weerstand sturen, zullen de elektronen binnenin heviger botsen en zal de temperatuur van de weerstand stijgen. Op die manier kan de weerstand warmte afgeven aan de omgeving.
Het joule-effect
Elektrische energie die door een weerstand gaat, wordt deels omgezet in warmte. Dat noemen we het joule-effect. Je gebruikt het voor elektrische verwarming, een waterkoker enz. Met thermostaten houd je de temperatuur onder controle. Vanaf een gewenste temperatuur zullen die de kring onderbreken. Voor veel apparaten is de omzetting naar warmte niet nuttig. Om energieverlies te vermijden, wordt de weerstand dan zo laag mogelijk gehouden (bv. een tv). Nog een illustratie is de elektrische kabelhaspel. Je rolt die het best volledig af voor gebruik, zodat de warmte die door de weerstand ontstaat, kan ontsnappen en er geen oververhitting optreedt.
Serie- en parallelschakeling
Serieschakeling
I = I1 = I2 = I3
U = U1 + U2 + U3
R = R1 + R2 + R3
In serie wordt het uiteinde van de ene weerstand verbonden met het begin van de volgende. Op elk punt van de kring zal de stroomsterkte gelijk zijn. Je kan de stroomsterkte dus op elk punt in de kring meten. De aangesloten spanning is de som van alle deelspanningen over de individuele weerstanden. De totale weerstand is gelijk aan de som van alle deelweerstanden die in serie geschakeld zijn.
De kerstboomverlichting is een goed voorbeeld van in serie geschakelde weerstanden. Het zijn veel lampjes die de totale netspanning van 230 V verdelen. Een andere toepassing is een voorschakelweerstand. Dit is een weerstand die gebruikt wordt om de spanning voor een bepaald apparaat te verlagen. Er bestaat ook een regelbare weerstand (= potentiometer), die haar toepassing vindt in bv. dimmers en volumeregelaars, en toelaat om de spanning die een bepaald apparaat voedt, te versterken of af te zwakken.
Parellelschakeling
I = I1 + I2 + I3
U = U1 = U2 = U3
1/R = 1/R1 + 1/R2 + 1/R3
In een parallelschakeling staan alle beginaansluitingen van de verbruikers (weerstanden) met elkaar in verbinding en zijn ook alle eindaansluitingen met elkaar verbonden. De totale stroomsterkte is bij parallelschakelingen gelijk aan de som van alle individuele stroomsterktes. De spanning is overal in de kring gelijk. Je kan met de wet van Ohm telkens de deelstroomsterktes berekenen (I1=U/R1, I2=U/R2 ...). Bij de verbruiker met de kleinste weerstand hoort de grootste stroomsterkte. Je berekent de weerstand in de kring als volgt: 1/Rv(totale vervangingsweerstand)= 1/R1 + 1/R2 + ... + 1/Rn.
Het beste voorbeeld van een parallelschakeling vind je in huis, waar verschillende gebruikers, zoals het koffiezetapparaat, de stofzuiger of de televisie, parallel op de netspanning aangesloten zijn. Elk stopcontact levert immers een gelijke spanning van 230 volt.
