2.1 paragraaf 2 spanning transformeren deel 1

• Natuurkunde
• Middelbare school
• vmbo t
• Leerjaar 4

paragraaf 2 spanning gebruiken (transformeren)

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 permanente magneet zit vast aan een tandwieltje dat rond kan draaien, hierdoor draait ook de permanente magneet rond wanneer je wiel draait. De permanente magneet magnetiseert de spoel waar een weeskinderen kern door  heen zit. De spoel  wordt door het rond draaien van de permanente magneet steeds wisselend gemagnetiseerd, waardoor het magneetveld steeds veranderd en de elektronen in beweging blijven. De weeskinderen kern versterkt dit effect.

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

Let op! Veldlijnen (pijlen) lopen van Noord (N) naar zuid (S).

Veldlijnen lopen in grote bogen uit elkaar. Ze beginnen gecentreerd bij de Noordpool en spreiden zich zodra dit kan zo ver mogelijk uit.

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 elektronisch onderdeel dat spanning 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.

1 = een spoel

2 = permanente magneet

1 = een spoel

2 = permanente magneet

1 = een spoel

2 = permanente magneet

De lader werkt op wisselspanning

De lader levert gelijkspanning

De secundaire spoel heeft meer windingen

Bij een ideale transformator geld: Pp = Ps

Pp = 0,8W

Ps = ?W

Us = 1,2V

Is = 4,5mA = 0,0045A

Ps = Us x Is

Ps = 1,2 x 0,0045 

Ps = 0,0054W

De transformator is dus niet ideaal, omdat Ps (0,0054W) niet gelijk is aan Pp (0,8W)

Pop = 85W

Paf = 45W

Rendement = paf / Pop x 100%

Rendement = 45 / 85 x100% 

Rendement = 52,9%

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.