Paragraaf 3 elektrische energie opwekken en paragraaf 4 elektrische energie vervoeren

• Natuurkunde
• Middelbare school
• vmbo t
• Leerjaar 4

paragraaf 3 en paragraaf 4

spanning opwekken: 

dynamo, spoel, permanente magneet en weekijzer

wisselspanning en wisselstroom vs gelijkspanning

generator

transformator, primaire- en secundaire spoel

hoogspanning 

spanningsbronnen

Een spanningsbron is een object dat zelf spanning opwekt. Spanning is een verschil in elektrische lading (verschil in + en - deeltjes).  Spanning opwekken kan op verschillende manieren:

> met een chemische (scheikundige) reactie --> accu of batterij (levert gelijkspanning)

> met een spoel en permanente magneet --> dynamo, generator (levert wisselspanning) (windmolen, waterkrachtcentrale of energiecentrale)

spanning opwekken

Je kunt een spanning opwekken met een permanente magneet en een spoel door de magneet heen en weer te bewegen in de spoel. 

De (vrije) elektronen die zich in het metaal van de spoel bevinden worden namelijk in beweging gebracht door een magnetische kracht. Wanneer de magneet niet meer beweegt, dan verandert het magneetveld niet langer en verplaatsen de elektronen zich 1-malig onder invloed van deze magnetische kracht, daarna gebeurd er niets meer. De magneet moet dus voortdurend in beweging zijn om het magneetveld te laten veranderen van richting.

dynamo (of generator)

Een dynamo bestaat uit 

* een permanente magneet, 

* een wijkijzeren kern en 

* een spoel. 

De magneet zit vast aan een tandwieltje dat rond kan draaien, hierdoor draait ook de magneet rond. de permanente magneet magnetiseert de weekijzeren kern die door de spoel heen zit. de wijkijzere kern wordt door het rond draaien van de permanente magneet steeds wisselend gemagnetiseerd, waardoor het magneetveld steeds veranderd en de elektronen in beweging blijven.

Een dynamo levert wisselspanning.

Dynamo

Wisselspanning

wisselspanning

Een dynamo levert wisselspanning, dit houd in dat de waarde van de spanning wisselend is. Deze loopt steeds van 0V naar een maximum spanning en kan dus alle tussen liggende waarden hebben. Ook wisselen de plus- en minpool steeds van kant. hierdoor verandert ook de stroom steeds van richting er ontstaat een wisselstroom.

symbool voor wisselspanning/wisselstroom:

gelijkspanning

Gelijkspanning houdt in dat de spanningsbron een vaste pluspool en een vaste minpool heeft. Ook is de waarde van de spanning die geleverd wordt constant gelijk, vandaar het woord gelijkspanning. 

Een batterij levert gelijkspanning. wanneer je een batterij bekijkt, dan zie je dat deze een vaste pluspool heeft (het uitstulpseltje) en een vaste minpool (de plattekant). Ook staat er op een batterij welke spanning deze levert, bijv. continue 1,5V. Een vaste spanning dus.

symbool voor gelijkspanning:

veldlijnen permanente magneet

Weekijzer: ijzer bewerkt, zodat het gemakkelijker en sneller magnetisch wordt respectievelijk juist sneller het magneetveld kwijt raakt.

energie opwekken in een energiecentrale

1.) In energiecentrales worden fossiele brandstoffen (steenkool of aardgas) verbrand om water te verhitten tot stoom. 

2.) Deze stoom zorgt voor een hoge druk die vervolgens een stoomturbine laat draaien. 

3.) Deze stoomturbine zit vast aan een generator (soort grote dynamo) waarin elektrische (wissel)spanning wordt opgewekt. Deze wisselspanning is tussen de 10.000-20.000V.

Deze spanning moet naar huishoudens en bedrijven worden vervoerd. Hoe hoger de spanning, des te minder energieverlies er optreed. om deze reden moet deze spanning omhoog worden getransformeerd naar 400.000V.

4.) spanning wordt met behulp van een transformator verhoogd van 10.000 a 20.000V naar 400.000V. Deze spanning wordt hoogspanning genoemd.

transformator

Een transformator is een apparaatje dat het voltage van wisselspanning kan verhogen of verlagen. 

Een transformator bestaat uit een weekijzeren kern, een primaire en een secundaire spoel.

Bij energiecentrales wordt de opgewekte wisselspanning van 10.000 a 20.000V met behulp van een transformator verhoogt tot een hoogspanning van 400.000V.  Bij verdeelstations wordt deze hoogspanning weer omlaag gebracht tot 10.000V en vervolgens in transformatorenhuisjes in woonwijken wordt de spanning weer omlaag gebracht tot netspanning (230V).

transformator

werking transformator

1.) Wanneer men een wisselspanning aan sluit op de uiteinden van de primaire spoel, dan loopt er een wisselstroom door de spoel en wordt de primaire spoel afwisselend wel/niet magnetisch.

2.) De weekijzeren kern neemt dit wisselende magneetveld over. 

3.) De wijkijzeren kern loopt door zowel de primaire spoel als de secundaire spoel. Er ontstaat dus ook in de secundaire spoel  een magneetveld. Hierdoor wordt er een wisselspanning opgewekt in de secundaire spoel en gaat er een wisselstroom lopen door de secundaire spoel.

Spanning is een maat voor de energie die geleverd wordt. Energie gaat niet verloren, dus in theorie komt de elektrische energie die in de primaire spoel wordt opgenomen in de secundaire spoel weer vrij. 

omhoog/omlaag transformeren

Het aantal wikkelingen van de spoel bepaald de hoogte van de spanning.

veel wikkelingen = hoge spanning (lage stroom)

weinig wikkelingen = lage spanning (hoge stroom)

spanning wordt omlaag getransformeerd (Up > Us):

wanneer de primaire spoel meer windingen heeft dan de secundaire spoel (Np > Ns)

spanning wordt omhoog getransformeerd (Us > Up):

wanneer de secundaire spoel meer windingen heeft dan de primaire spoel (Ns > Np)

formule transformator

Up = primaire spanning 

Us = secundaire spanning

Np = aantal wikkelingen van de primaire spoel

Ns = aantal wikkelingen van de secundaire spoel

Up x Ns = Us x Np

​(Us)​​(Up)​​=​(Ns)​​(Np)​​

Filmpje spijker door branden met een transformator

https://m.youtube.com/watch?time_continue=183&v=mINNsGD0eFE

voorbeeldsom

Een deurbel sluit je aan op netspanning (230V), dit is de opgenomen spanning in de primaire stroomkring. Echter is de opgenomen spanning veel te hoog voor een deurbel om goed op te kunnen werken. Er wordt gebruik gemaakt van een transformator om de spanning omlaag te transformeren. de transformator heeft een primaire spoel met 350 wikkelingen. de secundaire spoel heeft 15 wikkelingen. 

Bereken de spanning waarop de deurbel werkt.

rendement van een transformator

Transformatoren hebben een rendement dat rond de 99% ligt. Dit houd in dat 99% van alle energie die wordt opgenomen in de primaire spoel wordt omgezet in energie die wordt afgegeven door de secundaire spoel. slechts 1% of minder van alle energie wordt omgezet in warmte. Dit is verwaarloosbaar. Bij alle opdrachten mag je er dan ook vanuit gaan dat een transformator een ideale energie-omzetter is. 

ideale transformator:

100% van alle elektrische energie opgenomen = 100% elektrische energie afgegeven

                        primaire spoel                                          secundaire spoel

energie

voor een ideale transformator geldt:

E primair = E secundair

E = P x t

t = voor de primaire en secundaire spoel gelijk. De tijd die de transformator werkt zijn namelijk zowel de primaire als secundaire spoel aan het werk.

je kunt dus ook zeggen dat voor een ideale transformator geldt:

P primair = P secundair 

ideale transformator

voor een ideale transformator geldt:

P primair = P secundair

P = U x I, dus geldt:

Up x Ip = Us x Is

Wanneer U groot is, dan is I dus klein en andersom!!!!

voorbeeldsom

Een lasapparaat wordt aangesloten op een stopcontact (230V). De transformator in de adapter van het lasapparaat heeft een primaire spoel met 1200 wikkelingen. De secundaire spoel heeft 50 wikkelingen.  De stroomsterkte in de secundaire stroomkring is 13A

A.) Bereken de secundaire spanning

B.) Bereken de primaire stroomsterkte.

Een batterij en accu leveren

1. gelijkspanning
2. wisselspanning

je kunt wisselspanning opwekken met....

1. een week ijzeren kern en een spoel
2. met een permanente magneet en een spoel
3. een week ijzeren kern en een permanente magneet
4. geen van de bovenstaande

Opgewekte spanning in energiecentrales wordt verhoogt voordat het vervoert wordt met behulp van ...

1. een generator
2. een stoomturbine
3. een transformator
4. een adapter

Een transformator heeft een primaire spoel met 1500 wikkelingen en een secundaire spoel met 200 wikkelingen. De secundaire spanning is 24V. Bereken de primaire spanning. rond indien nodig af op een heel getal. geen eenheid noteren!

Een telefoon wordt met een adapter aangesloten op het lichtnet (230V) om op te laden. De spanning die door de telefoon via de secundaire spoel wordt opgenomen is 5,7V. De secundaire spoel heeft 5 wikkelingen. Hoeveel windingen heeft de secundaire spoel.

Een deurbel wordt aangesloten op het lichtnet (230V). De primaire spoel heeft 180 wikkelingen. De secundaire spoel heeft 8 wikkelingen. De stroomsterkte in de primaire stroomkring is 3,4A. Bereken de stroomsterkte in de secundaire stroomkring. (bereken eerst de secundaire spanning) noteer alleen het getal, geen eenheid. rond indien nodig af op 1 decimaal.