H1 elektriciteit

• Natuurkunde
• Middelbare school
• havo
• Leerjaar 3

Hoofdstuk 1 elektriciteit

Opwekken energie:

1. elektriciteitscentrale
2. kerncentrale
3. windturbine
4. zonnepanelen
5. getijde-energie 

Door transport van energie ontstaat er energieverlies door warmte, hoge spanning geeft minder energieverlies.

Elektrische energie

Elektrische energie (elektriciteit) is het vervoeren van energie naar een apparaat, door verplaatsen van elektronen.

De eenheid van energie is J (Joule) of kiloWattuur (kWh).

Elektriciteitsnet:

• Als stroom door een kabel gaat, wordt de kabel warm.

          Energieverlies: minder elektrische engergie over voor 

                                           eindgebruikers

• Voor de minste energieverlies moet stroom over zo hoog mogelijke spanning vervoerd worden (minder warmte).

Elektriciteitcentrale

Transformators

380kV

10kV

230 V

Soorten spanning

• Het lichtnet heeft geen gelijkspanning (zoals in batterijen en accu's) maar wisselspanning (wat voortdurend op en neer gaat/ 50 keer per seconde, frequentie is 50 Hz)

Werking van een transformator

Transformator bestaat uit twee spoelen van geisoleerde koperdraad om een weekijzeren kern.

• Primaire spoel wordt verbonden met het 

       lichtnet, secundaire spoel met het apparaat.

• Wisselstroom gaat door de primaire spoel, 

       die wordt een elektromagneet.

• Weekijzere kern wordt hierdoor gemagnetiseerd.

Werking van een transformator (2)

• Gevolg - er ontstaat in de 

secundaire spoel een 

veranderende magneetveld, 

wat een lagere wisselspanning 

opwekt.

Formule (aantekening)

​U​s​​​​U​p​​​​​​​=​N​s​​​​N​p​​​​

      = spanning primaire spoel

      = spanning secundaire spoel

      = aantal windingen

          primaire spoel

      = aantal windingen

          secundaire spoel

U​p​​

U​s​​

N​p​​

N​s​​

Waarom wordt de spanning verhoogd als het over lange afstanden vervoerd wordt?

1. Voor veiligheid
2. Om energieverlies te voorkomen
3. Om een frequentie van 50 hz te krijgen
4. Dat is wat apparaten nodig hebben

Wat is de spanning van de elektriciteit in onze huizen?

1. 20 kV
2. 380 kV
3. 10 kV
4. 230 V

Hoe zijn de spoelen aan elkaar gekoppeld?

1. Magnetisch
2. Elektrisch

Theorievraag #1

Leg met behulp van de volgende vier onderdelen uit hoe een elektriciteitscentrale werkt:

branders, turbine, generator, condensor

branders verbranden brandstof (denk aan video van mega oven)

• warmte verhit ketel
• stoom onder zeer hoge druk tegen turbine aangeperst
• as gaat draaien, drijft generator (dynamo) aan
• afgekoelde stoom condenseert in condensor, wordt teruggepompt naar ketel
  

Rekenvraag #1

Een adapter transformeert de Amerikaanse lichtnetspanning van 120 V naar de Europese 230 V. De secundaire spoel van de transformator heeft 100 wikkelingen. Hoeveel keer zit de koperdraad om de primaire spoel gewikkeld?

Up = 120 V, Us = 230 V, Ns = 100

Up/Us = 0.52

Np/Ns = Np/100 = 0.52 --> Np = 52

Theorievraag #2

Waarom wordt elektrische energie bij een zo hoog mogelijke spanning vervoerd?

Om energieverlies te beperken, zodat meer voor burgers overblijft

Rekenvraag #2

Een transformator heeft een primaire spoel met 5 wikkelingen en een secundaire spoel met 500 wikkelingen.

Transformeert deze omhoog of omlaag?

Np = 5, Ns = 500

Np/Ns = 0,01

Dus Up/Us = 0.01, Us = 100×Up, dus omhoog

Theorievraag #3

Van welk materiaal wordt de kern van een transformator gemaakt, en waarom wordt dit gekozen?

Weekijzer, want dat kan gemagnetiseerd worden

Rekenvraag #3

Marijke sluit een ideale transformator op het lichtnet aan. Er loopt 2,3 A door de primaire spoel. Wat is het afgegeven vermogen van de secundaire spoel?

Pp = Up × Ip = 230 × 2,3 = 529 W

Pp = Ps

Huiswerk

Bekijk 1.2 in je boek en maak de opdrachten:

1 t/m 12

elektrische energie

E = P x t

Met: E = elektrische energie in Joule (J)

P = vermogen in Watt (W)

t = tijd in seconden (s)

Eenheid energie en warmte

Joule
(J)

1kJ (kilo) = 1000 J

1MJ (Mega)= 1.000.000 J

1kWh = 3,6 MJ

Formules combineren

uit 1.1 weten we:   E = P x t

Uit 1.3 weten we:  P = U x I

Je kunt dus ook schrijven:  E = ( U x I ) x t

Nadat je thuiskomt van school om 16:00 kijk je 2 uur tv. Je tv heeft een vermogen van 350 W. Hoeveel energie heb je verbruikt in deze tijd? Geef je antwoord in kWh.

Je telefoon heeft op een dag 14 uur aangestaan, in deze tijd heeft hij 756.000 J verbruikt. Wat is het gemiddelde vermogen van je telefoon deze dag? Geef je antwoord in W

In je kamer staat een lamp met daarin een gloeilamp. Deze gloeilamp zet van elke 150 J die aangevoerd wordt 10 J om naar licht, de rest wordt omgezet naar warmte. Wat is het rendement van de gloeilamp?

1. 15%
2. 6,67%
3. 3,33%
4. 0,667%

Het rendement van een zonnepaneel is 95%. Als een zonnepaneel in een week 15 kWh aan energie heeft geleverd. Hoeveel kWh heeft het zonnepaneel dan in totaal opgenomen? Geef je antwoord tot op 1 cijfer achter de komma

Theorievraag #1

We hebben het gehad over de volgende grootheden:

spanning, stroomsterkte, weerstand, vermogen & energie

Schrijf van elke grootheid het symbool, de bijbehorende eenheid en het symbool van die eenheid op.

spanning U in Volt V

stroomsterkte I in Ampère A

weerstand R in Ohm \Omega

vermogen P in Watt W

energie E in Joule J of kilowattuur kWh

Rekenvraag #1

Een waterkoker wordt op het lichtnet aangesloten. Er loopt een stroom van 5 A doorheen. Wat is het vermogen van de waterkoker?

P = U×I=230×5=1150 W

Theorievraag #2

Door welke twee factoren wordt het energieverbruik van een elektrisch apparaat bepaald?

P=U×I

Stroom door en spanning over apparaat

Rekenvraag #2

Een lamp met een vermogen van 23 W brandt 1250 uur per maand. Elektrische energie kost € 0,20 per kWh. Hoeveel kost de energie die de lamp in een jaar gebruikt?

P = 23 W

t = 1250 × 12 = 15000 h

E = P×t = 23*15000 = 345 kWh

Kosten = 0,20×345 = €69

Theorievraag #3

Hoe reken je een energie in J om naar een energie in kWh?

1 kWh = 3,6 MJ

P = 1 kW, t = 1 h

1 kWh = E = P×t = 1000 W × 3600 s = 3,6 MJ

Rekenvraag #3

Gekookte pasta heeft een energiewaarde van 450 kJ per 100 g.

Een wielrenner verbruikt gemiddeld 250 W. Ze maakt een rondje van een uur. Hoeveel pasta moet ze eten om alle verbruikte energie weer aan te vullen?

Everbruikt = P×t = 250×3600 = 900 kJ

900 / 450 = 2

2×100 g = 200 g pasta

huisinstallatie

• De hoofdleiding splitst achter de meter in groepen.
• Elke groep heeft een spanning van 230 V en een maximale stroomsterkte van 16 A, met een eigen groepsschakelaar.
• het maximale vermogen per groep: P = U x I

                                                                                  P = 230 x 16 = 3680 Watt

aardlekschakelaar

De aardlekschakelaar vergelijkt de stroomsterkte in de fasedraad met de stroomsterkte in de nuldraad.

De aardlekschakelaar slaat uit als de stroomsterkte niet gelijk is (verschil groter dan 30 mA)

oefenopgave

Met een flessenverwarmer wordt een babyfles met 60 mL water verwarmd. De begintemperatuur is 20 graden Celcius. De flessenverwarmer heeft een transformator met 400 windingen primair en 8 windingen secondair en een stroomsterkte van 500 mA. Het rendement van de flessenverwarmer is 80%. Bereken de eindtemperatuur van het water in de fles. Je verwarmt de fles 10 minuten.

0