Elektrische energie (Natuurkunde havo), les 1: Uitleg

• newEditor
• Natuurkunde
• Middelbare school
• havo
• Leerjaar 4,5

Introduction

Uitleg over elektrische energie: vermogen en energie in J en kWh, rendement van lampen en apparaten, generator en centrales, zonnecel, brandstofcel, duurzaamheid en energiedichtheid, opslag en transport. Havo natuurkunde, syllabus G1.3 tot en met G1.5, met foto's, twee animaties en checks.

Windturbines, Kopenhagen, 2022 (foto: Kritzolina, CC BY-SA 4.0)

EXAMENSTOF · G1 · ELEKTRICITEIT

Elektrische energie

Examenstof natuurkunde havo

Les 1 van 3: uitleg. Les 2 is de examentraining, les 3 de terugblik met quiz. Syllabus: G1.3, G1.4, G1.5. Image credit: Kritzolina / Wikimedia Commons, CC BY-SA 4.0

EXAMENSTOF · G1 · ELEKTRICITEIT

Wat ga je kunnen?

Ik kan rekenen aan elektrisch vermogen en energie in J en kWh, rendementen vergelijken, opwekkingsvormen vergelijken op duurzaamheid en energiedichtheid en opslag en transport van elektriciteit beschrijven.

Wat heb je thuis aan elektrische energie nodig en waar komt die vandaan?

Verwacht: lampen, laders, koelkast, wasmachine; stopcontact, centrale, zonnepanelen, windmolens, accu. Gebruik deze woorden in de les en haal ze later terug. Syllabus G1.3 tot en met G1.5.

EXAMENSTOF · G1 · ELEKTRICITEIT

Elektrisch vermogen

• P = U·I: het elektrisch vermogen in W, met U in V en I in A (informatieboek).

• Een apparaat op 230 V met 2,0 A neemt P = 230 × 2,0 = 4,6·10² W op.

• Vermogen is energie per seconde: 1 W = 1 J/s.

• E = P·t: de energie in J, met P in W en t in s (informatieboek).

• Een lamp van 40 W gebruikt in 1,0 s dus 40 J elektrische energie.

Syllabus G1.3: het vermogen van energieomzettingen in een stroomkring; formules P = U·I en E = P·t (informatieboek). Controle: 230 × 2,0 = 460 W = 4,6·10² W. Spanning, stroomsterkte en weerstand komen uit Stroomkringen; hier gaat het om vermogen en energie. Veelgemaakte fout: P = U/I of I vergeten, en het verschil tussen vermogen (W) en energie (J) niet kennen.

Telwerk van een oude kWh-meter, 1957 (uitsnede, foto: Hannes Grobe, CC BY-SA 4.0)

EXAMENSTOF · G1 · ELEKTRICITEIT

Kilowattuur en kosten

• Kilowattuur (kWh): de energie van 1 kW gedurende 1 uur. De kWh-meter telt dit voor je huis.

• 1 kWh = 3,6·10⁶ J, want 1000 W × 3600 s. Rekenen in kWh: P in kW en t in h.

• Kosten = verbruik in kWh × prijs per kWh. De prijs staat in de opgave.

• Oven van 2,0 kW, 1,5 h aan: 3,0 kWh. Bij 0,30 euro per kWh kost dat 0,90 euro.

Syllabus G1.3: berekeningen aan elektrische energie in joule en in kilowattuur, context kWh-meter, energiegebruik in huis. De foto toont het telwerk van een oude kWh-meter uit 1957; een moderne meter toont hetzelfde getal digitaal. De prijs van 0,30 euro per kWh is een aangenomen voorbeeldprijs, geen actuele prijs; op het examen staat de prijs in de opgave. Controle: 1000 × 3600 = 3,6·10⁶; 2,0 × 1,5 = 3,0; 3,0 × 0,30 = 0,90. Ook een apparaat op standby telt mee: klein vermogen, maar de hele dag aan. Kijkvraag: welke eenheid staat er op het telwerk? Veelgemaakte fout: P in kW combineren met t in s, of de tijd in minuten invullen. Image credit: Hannes Grobe / Wikimedia Commons, CC BY-SA 4.0

Een föhn neemt 1,2 kW op en staat 5,0 minuten aan. Hoeveel energie in J?

A

3,6·10⁵ J

B

3,6·10² J

C

6,0·10³ J

D

0,10 J

P = 1,2 kW = 1200 W en t = 5,0 min = 300 s. E = P·t = 1200 × 300 = 3,6·10⁵ J. Afleiders: kW niet omgerekend (3,6·10²), minuten niet omgerekend (6,0·10³: 1200 × 5,0) en de uitkomst in kWh (0,10) met de verkeerde eenheid. Controle: 1200 × 300 = 360 000. Syllabus G1.3.

Vul in

Een kilowattuur is een grotere eenheid dan de joule, en de kWh-meter telt hem in huis.

kilowattuur

kWh-meter

kilowatt

watt-meter

Syllabus G1.3: kilowattuur en kWh-meter. Een kilowatt is een vermogen, geen energie.

Animatie: gloeilamp en LED-lamp met evenveel licht (voorbeeldwaarden)

EXAMENSTOF · G1 · ELEKTRICITEIT

Gloeilamp, spaarlamp, LED

• Een lamp zet elektrische energie om in licht en warmte. Elk blokje is een deel van de energie.

• Gloeilamp: 1 van 20 blokjes wordt licht, de rest warmte (grijs): η = 1/20 = 0,05.

• LED-lamp: 1 van 4 blokjes, η = 0,25. Spaarlamp en LED-lamp hebben een hoger rendement.

• Evenveel licht met minder vermogen betekent minder kWh: energiebesparing.

Syllabus G1.3: lichtbronnen gloeilamp, spaarlamp en LED, rendement, energiegebruik en energiebesparing. De aantallen blokjes zijn voorbeeldwaarden om de verhouding te laten zien en geen meetgegevens van echte lampen; rendementscijfers staan in de opgave als ze nodig zijn. Controle: 1/20 = 0,05; 1/4 = 0,25; 20/4 = 5, dus evenveel licht met 5 keer minder energie. Kijkvraag: hoeveel blokjes worden warmte bij de gloeilamp, en hoeveel bij de LED-lamp? (19 en 3.) Veelgemaakte fout: denken dat de LED-lamp minder licht geeft omdat hij minder vermogen opneemt. Image credit: Eigen animatie

EXAMENSTOF · G1 · ELEKTRICITEIT

Rendement van apparaten

• η = Enuttig/Ein = Pnuttig/Pin: nuttig gedeeld door wat erin gaat. η heeft geen eenheid.

• Elektromotor: de nuttige energie is kinetische energie, de rest is warmte.

• Verwarmingselement: warmte is juist het doel, dus bijna alle elektrische energie is nuttig.

• Pnuttig = η·Pin: een lamp van 12 W met η = 0,25 geeft 3,0 W aan licht.

• Zie ook Energie en rendement. Bij een lager η heb je meer Pin nodig voor dezelfde Pnuttig.

Syllabus G1.3: vermogen en rendement van energieomzettingen in een stroomkring, apparaten elektromotor en verwarmingselement; formule η = Enuttig/Ein = Pnuttig/Pin (informatieboek). De rendementsformule zelf komt uit het onderwerp Energie en rendement; hier pas je hem toe op elektrische apparaten. Controle: 12 × 0,25 = 3,0 W. Veelgemaakte fout: bij een verwarmingselement denken dat er veel energie verloren gaat, terwijl de warmte juist nuttig is.

Een LED-lamp op 230 V neemt 0,040 A op en geeft 2,3 W aan licht. Bereken η.

A

4,0

B

0,25

C

0,010

D

0,75

Pin = U·I = 230 × 0,040 = 9,2 W. η = Pnuttig/Pin = 2,3/9,2 = 0,25. Afleiders: Pin/Pnuttig (4,0), 2,3/230 zonder P = U·I (0,010) en het deel dat warmte wordt (0,75). Controle: 0,25 × 9,2 = 2,3. Syllabus G1.3.

Waarom is een LED zuiniger dan een gloeilamp?

Goed antwoord: een LED heeft een hoger rendement, dus voor evenveel licht is minder vermogen nodig en wordt minder warmte. Verwachte fout: alleen 'hij verbruikt minder' zonder het rendement te noemen. Syllabus G1.3.

Waterkrachtcentrale, Nevada, 2012 (foto: BuzzWeiser196, CC BY-SA 4.0)

EXAMENSTOF · G1 · ELEKTRICITEIT

De generator

• Een generator zet kinetische energie om in elektrische energie.

• Waterkrachtcentrale: zwaarte-energie van water wordt kinetische energie in een turbine.

• De turbine drijft de generator aan, die elektrische energie levert.

• Windturbine: de kinetische energie van de wind draait de rotor en de generator.

Syllabus G1.4: apparaat generator, opwekkingsvormen waterkrachtcentrale en windturbine. De werking van de generator hoef je niet te kennen (geen inductie bij havo): het gaat om het natuurkundig gebruik, kinetische energie wordt elektrische energie. Op de foto staan de generatoren van een waterkrachtcentrale in Nevada. Kijkvraag: wat laat de generator draaien? Veelgemaakte fout: generator en elektromotor omdraaien. Image credit: BuzzWeiser196 / Wikimedia Commons, CC BY-SA 4.0

Animatie: energiestroom in een centrale (voorbeeldwaarden)

EXAMENSTOF · G1 · ELEKTRICITEIT

Energiestroom in een centrale

• Fossiele centrale: chemische energie wordt warmte. Kerncentrale: kernenergie wordt warmte.

• Daarna wordt warmte kinetische energie in de turbine en elektrische energie in de generator.

• Elk blokje is een deel van de energie. Bij elke stap gaat een deel als warmte weg (grijs).

• In dit voorbeeld blijven 4 van de 10 blokjes over: η = 4/10 = 0,40.

Syllabus G1.4: energieomzetting bij opwekkingsvormen kerncentrale en conventionele (fossiele) centrale, apparaat generator. De getallen (2, 3 en 1 blokje warmte per stap, 4 van de 10 over) zijn voorbeeldwaarden om het idee van opeenvolgende omzettingen te laten zien. Controle: 10 - 2 - 3 - 1 = 4; 4/10 = 0,40. Kijkvraag: waar gaat de energie die niet elektrisch wordt naartoe? (Warmte naar de omgeving.) Veelgemaakte fout: denken dat de energie verdwijnt in plaats van warmte te worden. Image credit: Eigen animatie

Zonnepanelen op een Nederlands dak, 2015 (foto: Steven Lek, CC BY-SA 4.0)

EXAMENSTOF · G1 · ELEKTRICITEIT

Zonnecel en brandstofcel

• Zonnecel: stralingsenergie wordt direct elektrische energie, zonder generator.

• Een zonnecel levert alleen stroom bij licht, een windturbine alleen als het waait.

• Brandstofcel: chemische energie van waterstof en zuurstof wordt elektrische energie en warmte.

• Bij een brandstofcel op waterstof ontstaat als afvalproduct water.

Syllabus G1.4: opwekkingsvormen zonnecel en waterstof-/brandstofcel. Een brandstofcel is geen energiebron: de waterstof moet eerst gemaakt worden (zie elektrolyse). Kijkvraag: welke energieomzetting vindt plaats in de zonnepanelen op de foto? (Stralingsenergie naar elektrische energie.) Veelgemaakte fout: denken dat een zonnecel een generator heeft. Image credit: Steven Lek / Wikimedia Commons, CC BY-SA 4.0

Welke omzetting vindt plaats in een generator?

A

Elektrische energie wordt kinetische energie

B

Stralingsenergie wordt elektrische energie

C

Chemische energie wordt elektrische energie

D

Kinetische energie wordt elektrische energie

Een generator zet kinetische energie om in elektrische energie. Afleiders: de omgekeerde omzetting (elektromotor), de zonnecel en de brandstofcel. Syllabus G1.4.

Zet op volgorde in een fossiele centrale

1

Kinetische energie van de turbine

2

Warmte in de ketel

3

Elektrische energie uit de generator

4

Chemische energie in de brandstof

Brandstof (chemisch), ketel (warmte), turbine (kinetisch), generator (elektrisch). Syllabus G1.4.

Kerncentrale Doel, België, 2018 (foto: Trougnouf, CC BY 4.0)

EXAMENSTOF · G1 · ELEKTRICITEIT

Opwekkingsvormen vergelijken

• Duurzaam is een bron die niet opraakt en weinig uitstoot of afval geeft.

• Fossiel raakt op en geeft koolstofdioxide. Kern geeft geen koolstofdioxide, wel radioactief afval.

• Waterkracht, wind en zon raken niet op. Wind en zon leveren niet altijd stroom.

• Energiedichtheid: energie per kg (J/kg) of per m³ (J/m³). Kernbrandstof scoort veel hoger dan kolen.

Syllabus G1.4: opwekkingsvormen vergelijken ten aanzien van duurzaamheid en energiedichtheid; vorm kerncentrale in de context. De omschrijving van duurzaam is een eigen omschrijving voor deze les, de syllabus geeft geen definitie. Beoordeel antwoorden op een gegeven argument: er zijn meer goede keuzes mogelijk. Kijkvraag: welk voordeel en welk nadeel heeft de kerncentrale op de foto? Energiedichtheden staan in de opgave of in je informatieboek. Veelgemaakte fout: 'duurzaam' gelijkstellen aan 'geen afval'. Image credit: Trougnouf / Wikimedia Commons, CC BY 4.0

EXAMENSTOF · G1 · ELEKTRICITEIT

Opslag, transport en capaciteit

• Opslag: batterij en accu (chemische energie), waterstof en andere brandstoffen.

• Elektrolyse van water gebruikt elektrische energie om waterstof te produceren.

• Transport: elektriciteitskabels (een deel wordt onderweg warmte) en vervoer van waterstof en brandstoffen.

• Capaciteit: de lading of energie die een accu kan opslaan, bijvoorbeeld in Ah of kWh.

• Accu van 12 V en 50 Ah: E = U·I·t = 12 × 50 × 3600 = 2,2·10⁶ J.

Syllabus G1.5: opslagvormen (batterij, accu, waterstof en andere brandstoffen), vormen van transport (elektriciteitskabels, vervoer van waterstof en andere brandstoffen), elektrolyse van water, vakbegrippen energiedichtheid en capaciteit. De omschrijving van capaciteit is een eigen omschrijving (de syllabus noemt alleen het vakbegrip): capaciteit wordt bij accu's als lading (Ah of mAh) of als energie (Wh, kWh) opgegeven, in de opgave staat welke. E = U·I·t volgt uit P = U·I en E = P·t. Controle: 12 × 50 = 600; 600 × 3600 = 2,16·10⁶ J, dus 2,2·10⁶ J (0,60 kWh). Een kabel heeft weerstand, daardoor wordt een deel van de elektrische energie warmte. Veelgemaakte fouten: denken dat elektrolyse elektriciteit opwekt, mAh en A door elkaar halen of de 3600 s per uur vergeten.

Waarvoor gebruikt elektrolyse van water elektrische energie?

A

Om waterstof te produceren

B

Om water te verwarmen

C

Om stroom op te wekken

D

Om een accu op te laden

Bij elektrolyse wordt elektrische energie gebruikt om water te splitsen en waterstof te maken. Afleiders: verwarmen, opwekken (dat doet de brandstofcel, de omgekeerde richting) en een accu laden. Syllabus G1.5.

Leg energiedichtheid uit in één zin.

Goed antwoord: de energie per kg of per m³ van een brandstof of opslagvorm. Verwachte fout: energie per seconde (dat is vermogen). Syllabus G1.5.

Wat vond je het lastigst in deze les?

1

Rekenen met kWh en kosten

2

Rendement van apparaten

3

Opwekkingsvormen vergelijken

4

Opslag, transport en energiedichtheid

Bespreek het meest gekozen onderdeel kort na.

Welke opwekkingsvorm kies je? Geef één reden.

Elke keuze is goed zolang de reden klopt, bijvoorbeeld duurzaamheid (wind, zon, waterkracht) of hoge energiedichtheid (kern, fossiel). Syllabus G1.4.

EXAMENSTOF · G1 · ELEKTRICITEIT

Begrippen (1/2)

• vermogen: energie per seconde in W: P = U·I

• kilowattuur: energie van 1 kW gedurende 1 uur; 1 kWh = 3,6·10⁶ J

• kWh-meter: meter die de elektrische energie in kWh telt

• rendement: nuttige energie gedeeld door de energie die erin gaat: η = Enuttig/Ein

• generator: apparaat dat kinetische energie omzet in elektrische energie

EXAMENSTOF · G1 · ELEKTRICITEIT

Begrippen (2/2)

• zonnecel: zet stralingsenergie direct om in elektrische energie

• brandstofcel: zet chemische energie van waterstof en zuurstof om in elektrische energie

• energiedichtheid: energie per kg of per m³ van een brandstof of opslagvorm

• capaciteit: de lading of energie die een accu kan opslaan

• elektrolyse: water splitsen met elektrische energie om waterstof te maken