H1 Elektriciteit VWO3

• Natuurkunde / Scheikunde
• Middelbare school
• vwo
• Leerjaar 3

Elektriciteit

Hoofdstuk 1

Elektrische energie opwekken

§1

Leerdoelen

1.1.1 Je kunt de onderdelen van een energiecentrale veschrijven en hun functie benoemen.

1.1.2 Je kunt uitleggen op welke manier een inductiespanning in een dynamo wordt opgewekt.

1.1.3 Je kunt toelichten wat er wordt bedoeld met elektrisch vermogen

1.1.4 Je kunt energieverbruik van een elektrisch apparaat berekenen in de eenheid Joule.

1.1.5 Je kunt kleine, alledaagse en zeer grote hoeveelheden energie weergeven in Joule met voorvoegsels of met machten van 10.

De Elektriciteitscentrale

Dit zijn de branders. Hier wordt een brandstof verbrand en water verwarmd. Dit water wordt stoom met een hoge temperatuur en druk.

1

Dit is de condensor. Hier komt de stoom terecht om weer afgekoeld te worden tot water. Dit water kan dan weer opnieuw gebruikt worden.

4

Dit is de turbine. Hier komt de stoom met een hoge druk tegen de schoepen. De as van de turbine gaat hierdoor draaien.

2

De as van de turbine staat aangesloten op de generator. Dit is eigenlijk een grote dynamo waar elektrische energie wordt opgewekt.

3

Dynamo en inductiespanning

• Werkt ongeveer hetzelfde als een generator van de elektriciteitscentrale.
• Voor een eenvoudige dynamo heb je maar 2 onderdelen nodig: een spoel en  een permanente magneet. *

Dynamo en inductiespanning

Er wordt een magneet in de spoel geschoven. De stroommeter slaat uit naar rechts.

Geen beweging dus ook geen stroom.

De magneet wordt uit de inductiespanninge spoel gehaald. Stroommeter gaat naar links

Dynamo en inductiespanning

• Het magneetveld veranderd in een spoel.
• Hierdoor ontstaat er een steeds veranderende wisselspanning.
• Als je hier een apparaat aan koppelt verandert de stroom ook van richting en ontstaat er wisselstroom. *

Vermogen

• Recht evenredig met spanning en stroomsterkte.
• Eenheid = Watt.
• vermogen (W) = spanning (V) x stroomsterkte (A) *

P=U⋅I

De formule moet je ook kunnen omvormen!

Energie en vermogen

• Formule van elektrisch vermogen wordt vaak samen gebruikt met de formule van elektrische energie.
• elektrische energie (J) = vermogen (W) x tijd (s) 
• J = Ws
• In de volgende oefening zullen we beiden combineren. *

P=U⋅I

E=P⋅t

Keano heeft een proef uitgevoerd met een ventilator uit een computer. Als de ventilator op de juiste spanning (4,3 V) werkt, geeft de stroommeter een stroomsterkte aan van 48 mA.

Bereken hoeveel elektrische energie de ventilator in één minuut verbruikt.

Gegevens

•  
•  
•  

Gevraagd

•  

Oplossing

Conclusie:

Joule en Kilowattuur

• De Kilowattuur (kWh) is eigenlijk overbodig.
• Toch nog veel gebruik bij bijvoorbeeld bedrijven en thuis.
• 1kWh staat gelijk aan 3,6 MJ
• 1 MJ staat gelijk aan 1 miljoen J *

                                                           x 3,6

                                                            : 3,6

kWh

MJ

Leerdoelen

1.1.1 Je kunt de onderdelen van een energiecentrale veschrijven en hun functie benoemen.

1.1.2 Je kunt uitleggen op welke manier een inductiespanning in een dynamo wordt opgewekt

1.1.3 Je kunt toelichten wat er wordt bedoeld met elektrisch vermogen

1.1.4 Je kunt energieverbruik van een elektrisch apparaat berekenen in de eenheid Joule.

1.1.5 Je kunt kleine, alledaagse en zeer grote hoeveelheden energie weergeven in Joule met voorvoegsels of met machten van 10

Huiswerk: lezen en maken

• Bladzijde 10 t/m 20

• V3K → Woesndag 6 december

Huiswerk Controle!

Leg jullie boeken open op blz. 16

Elektrische energie opwekken

§2

Leerdoelen

1.2.1 Je kunt uitleggen waarom op het elektriciteitsnet verschillende spanningen worden gebruikt.

1.2.2 Je kunt kenmerken van de netspanning die het lichtnet levert noemen en toelichten

1.2.3 Je kunt uitleggen hoe een transformator spanningen omhoog of omlaag transformeert.

1.2.4 Je kunt op basis van het aantal windingen berekenen hoeveel een transformator de spanning verhoogt of verlaagt.

1.2.5 Je kunt primaire en secundaire stroomsterkten en spanningen berekenen, uitgaand van een ideale transformator.

De transformator

• Bestaat uit 2 spoelen en een week-ijzeren kern.
• Er loopt een wisselspanning door de eerste (primaire) spoel.
• De weekijzeren kern wordt gemagnetiseerd. Hierdoor verandert 100 x per minuut de richting van het magneetveld.
• Dit magneetveld veranderd ook bij de tweede (secundaire) spoel.
• Dit zorgt ervoor dat de spanning veranderd. 
• Een kleine hoeveelheid energie gaat verloren aan trillingen en warmte.

Omhoog transformeren

spoel met laag aantal windingen

60 windingen

spoel met hoog aantal windingen

600 windingen

10x meer windingen

120V → 1200V

Omlaag transformeren

spoel met hoog aantal windingen

600 windingen

spoel met laag aantal windingen

6 windingen

100x minder windingen

120V → 1,2V

Verband tussen aantal windingen en de spanningEnergie en vermogen

• aantal windingen primaire spoel →
  
• aantal windingen secundaire spoel  →
  
• spanning (V) van primaire spoel →
  
• spanning (V) van secundaire spoel→         *

n​p​​

n​s​​

U​p​​

U​s​​

​U​s​​​​U​p​​​​=​n​s​​​​n​p​​​​

De transformator van een deurbel heeft een primaire spoel met 800 windingen en een secundaire spoel met 32 windingen. De primaire spoel is aangesloten op het lichtnet (230 V).

Bereken de secundaire spanning.

Gegevens

•  
•  
•  

Gevraagd

•  

Oplossing

Conclusie:

De ideale transformator

• Een ideale transformator verliest geen energie aan trillingen of warmte.
• Hierbij geld dat het vermogen van de primaire spoel altijd even groot is als het vermogen van de secundaire spoel.

Pp=Ps

P=U⋅I

Up⋅Ip=Us⋅Is

Het elektriciteitsnet

• De kabels worden warm. Dit komt doordat elektrische energie in de kabel wordt omgezet door warmte. Hierdoor krijg je Energieverlies. 
• Des te hoger de spanning des te minder energieverlies.
• Daarom wordt bij de elektriciteitscentrale de energie omhoog getransformeerd naar een hoogspanning van 380kV (kilovolt).
• Vervolgens wordt in verdeelstation de spanning lager naar 10kV.
• In de woonwijken wordt in een transformatorhuisje de spanning naar 230V gebracht. Dit wordt de netspanning genoemd. *

Gelijkspanning en Wisselspanning

• Een gelijkspanning heeft overal dezelfde spanning.
• Een wisselspanning heeft een wisselende spanning
• Hoe vaak per seconde je een golf hebt wordt hertz (Hz) genoemd
  
• Een wisselspanning van 50 golven per seconde = 50 Hz

Leerdoelen

1.2.1 Je kunt uitleggen waarom op het elektriciteitsnet verschillende spanningen worden gebruikt.

1.2.2 Je kunt kenmerken van de netspanning die het lichtnet levert noemen en toelichten

1.2.3 Je kunt uitleggen hoe een transformator spanningen omhoog of omlaag transformeert.

1.2.4 Je kunt op basis van het aantal windingen berekenen hoeveel een transformator de spanning verhoogt of verlaagt.

1.2.5 Je kunt primaire en secundaire stroomsterkten en spanningen berekenen, uitgaand van een ideale transformator.

Huiswerk: lezen en maken

• Bladzijde 21 t/m 28
• Opdracht 1, 2, 4, 5, 6, 8 en 9

• V3K → Woesndag 13 december
• Woensdag niet aanwezig? Huiswerk controle op maandag 8-1-24

Elektriciteit in huis

§3

Leerdoelen

1.3.1 Je kunt de opbouw van de huisinstallatie beschrijven en de verschillende onderdelen benoemen.

1.3.2 Je kunt de totale stroomsterkte en het totale opgenomen vermogen in een groep berekenen.

1.3.3 Je kunt verschillende draden in een huisinstallatie beschrijven en hun functie toelichten.

1.3.4 Je kunt berekeningen maken met het verband tussen vermogen spanning en stroomsterkte.

1.3.5 Je kunt het verbruik van elektrische energie in huis berekenen en de uitkomst weergeven in kWh of MJ.

De huisinstallatie

• De hoofdleiding komt via de deur binnen.
• De energiemeter meet hoeveel energie er verbruikt wordt.
• Hierna wordt de energieleiding
   gesplitst in 4-6 groepen.
  
• Deze groepen kunnen aan de
   hand van de groepsschakelaar uit
   of aangezet worden. *

Spanning in de huisinstallatie

• Een groep bestaat uit verschillende parralel geschakelde stroomdraden.
• Doordat de stroomdraden parralel geschakeld zijn is de spanning overal hetzelfde. *

Utot=U​1​​=U​2​​=U​3​​=...=230V

Vermogen in de huisinstallatie

• Het totale vermogen van apparaten die aan staan in een groep berekenen door de vermogens op te tellen.

• Je kunt het totale vermogen ook berekenen door eerst de totale stroomsterkte te berekenen en dit keer de netspanning te doen. *

Ptot=P​1​​+P​2​​+P​3​​+...

Ptot=U⋅Itot

Stroomsterkte in de huisinstallatie

• Als een apparaat aan staat loopt er door de energieleiding stroom.
• Als een apparaat een hoog vermogen (  ) heeft dan heeft hij ook een hoge stroomsterkte (  ). 
• De totale stroomsterkte van een groep kun je berekenen door alle stroomsterktes bij elkaar op te tellen. *

Itot=I​1​​+I​2​​+I​3​​+....

P

I

In de woonkamer staat een tv met een stroomsterkte van 6A, een radio met een stroomsterkte van 4A en een koelkast met een stroomsterkte van 10A.
Hoeveel is het totale vermogen van de groep in de woonkamer?

Gegevens

•  
•  
•  

Gevraagd

• 
  
•  

Oplossing

Conclusie:

Fasedraad, nuldraad en schakeldraad

• Op de fasedraad (bruin) staat spanning (230V)
• Op de nuldraad (blauw) staat geen spanning.
• De fasedraad kan ook op een schakelaar zijn aangesloten.
   Uit de schakelaar komt dan een zwarte draad die de schakeldraad heet.
• De schakeldraad is meestal zwart en heeft alleen spanning
   als de schakelaar aan staat. *

Vermogen

• Recht evenredig met spanning en stroomsterkte.
• Eenheid = Watt.
• vermogen (W) = spanning (V) x stroomsterkte (A) *

P=U⋅I

De formule moet je ook kunnen omvormen!

Joule en Kilowattuur

• De Kilowattuur (kWh) is eigenlijk overbodig.
• Toch nog veel gebruik bij bijvoorbeeld bedrijven en thuis.
• 1kWh staat gelijk aan 3,6 MJ
• 1 MJ staat gelijk aan 1 miljoen J *

                                                           x 3,6

                                                            : 3,6

kWh

MJ

Leerdoelen

1.3.1 Je kunt de opbouw van de huisinstallatie beschrijven en de verschillende onderdelen benoemen.

1.3.2 Je kunt de totale stroomsterkte en het totale opgenomen vermogen in een groep berekenen.

1.3.3 Je kunt verschillende draden in een huisinstallatie beschrijven en hun functie toelichten.

1.3.4 Je kunt berekeningen maken met het verband tussen vermogen spanning en stroomsterkte.

1.3.5 Je kunt het verbruik van elektrische energie in huis berekenen en de uitkomst weergeven in kWh of MJ.

Huiswerk: lezen en maken

• Bladzijde 30 t/m 40
• Opdracht 2 t/m 6 ,8 en 9

• V3K → 17 januari

Elektriciteit en veiligheid

§4

Leerdoelen

1.4.1 Je kunt uitleggen welke gevaren het gebruik van elektriciteit met zich meebrengt.

1.4.2 Je kunt uitleggen wat de functie van installatieautomaten (groepszekeringen) is.

1.4.3 Je kunt uitleggen wat wordt bedoeld met 'enkele isolatie' en 'dubbele isolatie'

1.4.4 Je kunt uitleggen wat de functie is van aardlekschakelaars en randaarde.

1.4.5 Je kunt veiligheidsvoorzieningen aanwijzen en benoemen.

Overbelasting

• Als de stroomsterkte in een leiding te groot wordt kan deze te warm worden en brandgevaar als gevolg hebben. 
• In woningen is de maximale stroomsterkte op een groep meestal 16A.
  
  
  
• Als het vermogen op een groep dus meer dan 3,7 kW is dan heb je overbelasting.*

Ptot=U⋅Itot=230⋅16=3680W=3,7kW

Kortsluiting

• Draden en apparaten hebben een weerstand. Deze bepaald hoe makkelijk   stroom er doorheen kan stromen.
• Stroom pakt liever de weg met
   de minste weerstand.
• Een hele kleine weerstand heeft
  een grote stroomsterkte tot gevolg.
• Hierdoor kan kortsluiting
  ontstaan.

Stroom op het lichaam

• De grote van de stroomsterkte hangt af van de weerstand van je lichaam. 
• Dit noemen we de lichaamsweerstand en die is niet groot.

• De contactweerstand is de plaats waar de stroom het lichaam in en uit gaat.
• Hier is de weerstand het grootst.

• Des te hoger de stroomsterkte des te gevaarlijker de schok kan zijn.*

Zekeringen

• Voor elke groep is er een groepszekering.
• Deze schakelt de stroom op een groep uit
   als de stroom te groot wordt (16A). 
• In moderne huisinstallaties wordt gebruik
   gemaakt van installatieautomaten.
• Deze werken met een klepje in plaats van
   zekeringen.

Isolatie

• Apparaten en draden kunnen enkel of dubbel geïsoleerd zijn.
• Isolatie voorkomt kortsluiting en zorgt ervoor dat je een draad kunt vastpakken zonder een schok te krijgen.
• Apparaten kunnen ook dubbel geïsoleerd zijn doordat de stroomdraden aan de binnenkant geïsoleerd is en de buitenkant van een apparaat van een niet-geleidende stof is gemaakt.

De aardlekschakelaar

• In de meterkast zit ook een aardlekschakelaar.
• Deze vergelijkt de stroomsterkte in de fasedraad en de nuldraad.
• Als de stroom even groot is dan laat de aardlekschakelaar de stroom door.
• Als het verschil groter wordt dan 30mA schakelt deze de stroom uit.

Lekstroom

• Als de stroomsterkte over de fasedraad en nuldraad verschilt dan ontsnapt er ergens stroom. Dit wordt de lekstroom genoemd.
•  
• Als het verschil tussen
   de fasedraad en nuldraad

     boven de 30 mA komt
     wordt de stroom
     uitgeschakelt door de
     aardlekschakelaar.

Ilek=Ifasedraad−Inuldraad

Over de fasedraad van een tv staat 0,26 A. Over de nuldraad staat een stroomsterkte van 0,22 A. Je raakt de tv aan. Hoe groot is de lekstroom? Zal de aardlekschakelaar de stroom uitzetten?

Gegevens

•  
•  
•  

Gevraagd

• 
  
•  

Oplossing

Conclusie:

Randaarde

• De randaarde is een extra groengele draad die bij sommige apparaten voor extra veiligheid zorgt.
• Deze kabel maakt contact met de buitenkant van het apparaat.
• Mocht er een lekstroom zijn dan stuurt de randaarde deze naar de meterkast waar de aardlekschakelaar aan gaat.
• Deze stroom wordt dan via een 
   metalen pin de bodem in geleid.
• Deze metalen pin noemen we de
   aardelektrode. 

Leerdoelen

1.4.1 Je kunt uitleggen welke gevaren het gebruik van elektriciteit met zich meebrengt.

1.4.2 Je kunt uitleggen wat de functie van installatieautomaten (groepszekeringen) is.

1.4.3 Je kunt uitleggen wat wordt bedoeld met 'enkele isolatie' en 'dubbele isolatie'

1.4.4 Je kunt uitleggen wat de functie is van aardlekschakelaars en randaarde.

1.4.5 Je kunt veiligheidsvoorzieningen aanwijzen en benoemen.

Huiswerk: lezen en maken

• Paragraaf 3
• Bladzijde 30 t/m 40
• Opdracht 2 t/m 6 ,8 en 9
  
  
• Paragraaf 4
  
• Bladzijde 42 t/m 49
  
• Opdracht 1, 2, 4, 6 t/m 8

• V3K → woensdag 17 januari