5. Elektriciteit in huis Beknopt

• Natuurkunde / Scheikunde
• Middelbare school
• vmbo b, g, t
• Leerjaar 3

Elektriciteit is een vorm van energie

1

Heel veel van onze apparaten werken op elektriciteit

2

Al deze elektrische energie moet worden opgewekt

3

Voor het opwekken van elektrische energie is altijd een andere energiebron nodig

4

• Niet vernieuwbaar
• Raakt dus op
• Niet duurzaam
• Vervuilend

• Fossiele brandstoffen
  
• Aardgas, aardolie en steenkool
• CO2-uitstoot
• Klimaatverandering
• opwarming van de aarde

• Kernenergie
  
• Stralingsgevaar

"Oude" energie

1

2

"Nieuwe" energie

• Vernieuwbaar
  
• raakt nooit op
• Duurzaam
• Niet (minder) milieubelastend

zon

wind

water

aardwarmte

getijden

kernfusie

Elektriciteitverbruik

• Elektrische apparaten verbruiken elektrische energie
  
• Elektrische apparaten leveren andere energiesoorten
• Elektrische apparaten zetten energie om
  bv.
• Een mixer zet elektrische energie om in beweging
• Een waterkoker zet elektrische energie om in warmte
• Een lamp zet elektrische energie om in licht
• Een luidspreker zet elektrische energie om in geluid
• etc.
  
  
• Bij iedere energieomzetting gaat er energie "verloren"
• Meestal in de vorm van warmte
• energieomzettingen
• veerenergie

Vermogen en energie

• De hoeveelheid energie die een apparaat per seconde opneemt noemen we vermogen
  
• De hoeveelheid energie drukken we uit in Joule
• Het vermogen drukken we uit in Watt
• 1 Watt = 1 joule per seconde

• Een rekenvoorbeeld:
  Een magnetron heeft een vermogen van 600 W
  De magnetron staat 30 seconde aan om een klontje boter te laten smelten.
  
• Hoeveel energie wordt er verbruikt?

• Energie = vermogen x tijd
• dus
  Energie = 600 W x 30 s
  
• dus
  Energie = 1800 Ws = 1800 J

energie

vermogen

tijd

Meer vermogen en energie

• Nog een rekenvoorbeeld
  
• Een koelkast heeft een vermogen van 50W
  de koelkast slaat gemiddeld per dag 12 uur aan
  Hoeveel energie verbruikt de koelkast per jaar?

• Energie = vermogen x tijd
• de tijd is 365 dagen x 12 uur x 3600s = 15.768.000s
• dus
  Energie = 50W x 15.768.000 = 788.400.000 Joule
• da's best veel en een onhandig getal:
• Daarom doen we dit anders
• E = P x t
• dus
  E = 0,05 kW en t = 365 x 12 = 4380 uur
  
  E = 0,05 kW x 4380 h = 219 kWh
  
  
• animatie

Nog meer vermogen en energie

• In de natuurkunde zijn de S.I. eenheden voor
  energie, vermogen en tijd:
  Joule (J), Watt (W) en seconde (s)
• In het dagelijks leven zijn andere eenheden "handiger":
  kilowattuur (kWh) kilowatt (kW) en uur (h)

• 1 uur = 3600 seconden
• 1 kilowatt = 1000 Watt
• 1 kilowattuur = 3.600.000 Joule

De kosten van Elektrische energie

• De prijs van een kWh is op dit moment ongeveer € 0,25
  

• Terug naar ons rekenvoorbeeld?
• Een koelkast heeft een vermogen van 50W
  de koelkast slaat gemiddeld per dag 12 uur aan
  Hoeveel energie verbruikt de koelkast per jaar?
• E = P x t
  dus
  E = 0,2 kW en t = 365 x 12 = 4380 uur
  E = 0,05 kW x 4380 h = 219 kWh
• Totale kosten zijn dan:
  219 x € 0,25 = € 54,75

.... en dat is alleen nog maar de koelkast.

Rendement

• Energie is dus duur en het is daarom belangrijk het zo efficiënt mogelijk te gebruiken.
  
• Hoe goed een apparaat dat doet geven we aan met het rendement
• Ieder apparaat kan slecht een deel van de energie die erin gaat omzetten in de vorm die je wilt hebben
• Ouderwetse gloeilampen zetten maar 5% van de energie die erin gaat om in licht
• Gloeilampen zijn daarom tegenwoordig verboden.
  Ook halogeenlampen zijn per
  1 september 2018 verboden

Rekenen met rendement

het rendement is de verhouding tussen de energie die je ergens instopt en de nuttige energie die je daarvoor terug krijgt

• Een auto met een verbrandingsmotor rijdt op benzine
• de benzine bevat chemische energie
• deze wordt in de motor omgezet in beweging en warmte
• om de warmte heb je niet gevraagd, dat is dus geen nuttige energie
• Stel:
  er gaat 100.000 joule chemische energie in
  je krijgt daarvoor 30.000 joule bewegingsenergie terug.
  Wat is het rendement? 

het rendement is de verhouding tussen de energie die je ergens instopt en de nuttige energie die je daarvoor terug krijgt

• E_in,totaal = 100.000 joule
• E_uit,nuttig = 30.000 joule
  
  
• rendement = (30.000 : 100.000)  x 100%
• rendement = 30%

Spanning

Bouw van de materie

1

3

2

dus...

4

5

6

7

Spanningsbronnen

phet

dus..

• Een spanningsbron "pompt" elektronen door een circuit
• De hoogte van de spanning bepaalt hoeveel energie elk elektron meekrijgt
• De spanning geven we aan in de eenheid Volt

Spanningsbronnen (2)

• Het stopcontact of lichtnet
  
• Wisselspanning
• 230 V (in andere landen vaak 110 V)

• Batterijen en accu's
• Gelijkspanning
• altijd 1,5 V of een veelvoud daarvan

• Batterijen schakelen
• Serie

• Totale spanning is de optelsom

• Parallel

• Spanning blijft hetzelfde

Elektrische stroom

• Als gevolg van een spanning kan
  er een (elektronen-)stroom gaan lopen
  
  
• Hiervoor is een gesloten circuit nodig
  
  
• De spanningsbron geeft energie mee
  aan de elektronen
  (hoe groter de spanning, hoe meer energie)
  
  
• De elektronen geven de energie onderweg
  af aan bv een lamp
  
  
• In de lamp wordt de elektrische energie
  omgezet in stralings-energie (licht en warmte)

Geleiders en isolatoren

Een isolator is een stof waarin de elektronen niet kunnen stromen

1

Een geleider is een stof waarin de elektronen kunnen stromen

2

De elektronen "springen" als het ware van het ene atoom naar het andere

3

Stroomsterkte

• De stroomsterkte is de hoeveelheid lading
  die per seconde door de kring stroomt.
• We meten de stroomsterkte in Ampère (A)
• 1 Ampère = 1 Coulomb per seconde
• 1 Coulomb = 6,3 x 10^19 elektonen
• da's 63.000.000.000.000.000.000
• da's best veel
  
  
• De stroomsterkte wordt door 2 factoren bepaald.

1. De Spanning
   Hoe groter de spanning, hoe groter de stroom
2. De weerstand
   Hoe gemakkelijker de elektronen door de kring kunnen, hoe groter de stroom

Phett

Meters aansluiten

Schakelsymbolen

• Het is lastig om steeds lampjes, batterijen, koelkasten en elektromotoren te tekenen.
• Daarom gebruiken we daarvoor symbolen
  
  
  
  
• In dit plaatje de belangrijkste
• In je BINAS staan er nog veel meer
  
  
  
  
• Dat waren er wel heel erg veel
• Gelukkig hoef je die niet allemaal uit je hoofd te kennen

Schakelschema's

teken met potlood de basis.

een mooie rechthoek

1

teken de batterij

2

teken het lampje

3

teken de schakelaar

4

nu alleen nog de aansluitdraden

5

Teken een batterij, een lamp en een schakelaar in serie

Iets lastiger

Teken een parallelschakeling van een weerstand en een lampje,

waarin de stroom door het lampje wordt gemeten

Begin weer met de basis

1

In de opdracht staat geen batterij, maar zonder spanning geen stroomkring dus ...

2

Teken de lamp en de weerstand in aparte stroomkringen

3

Teken de stroommeter in de kring van het lampje

4

en als laatste weer de draadjes.

5

Rekenen met spanning en stroom

• Wet van Ohm (phett) (edumedia)    
  
    
• Ken je er twee dan kun je de derde uitrekenen 
   
• Door een weerstand van 100 Ohm loopt een stroom van 2,3 Ampère.
  Hoe groot is de spanning?
  
  
• Op een batterij van 12 V wordt een weerstand aangesloten van 8 kOhm.
  Hoe groot wordt de stroom? 
  
  
• Jan meet een spanning van 24 V en een stroom van 6 mA.
  Hoe groot is de weerstand? 

Vervangingsweerstand 1

Hoe groot is de vervangingsweerstand van 

R1 en R2 samen?

• gegeven
• U = 12 V en I = 3 A
  
  
• gevraagd
• Rv
  
  
• uitwerking
• U = I x R
• R = U : I
• R = 12 V : 3 A 
• Rv = 4 ohm
  
  
• Hoe groot R1 en R2 afzonderlijk zijn weet je niet .

Vervangingsweerstand 2

Hoe groot is weerstand R2?

• gegeven
• U = 6 V, I = 3mA = 0,003A, R1 = 12 ohm
  
  
• gevraagd 
• R2
  
  
• uitwerking
• Rv = R1 + R2
• Rv = U : I 
• Rv = 6 : 0,003
• Rv = 200 ohm
  
  
• 200 = R1 + R2
• 200 = 12 + R2
• R2 = 200 - 12 = 188 ohm 

Vervangingsweerstand 3

Hoe groot is de spanning van de batterij?

• gegeven
• R1 = 6 ohm, R2 = 12 ohm, I = 20 mA = 0,02 A
  
  
• gevraagd
• U 
  
  
• uitwerking 
• U = I x Rv
  
• tussenvraag: hoe groot is Rv?
• in parallelschakeling geldt:
• 1/Rv = 1/R1 + 1/R2
• 1/Rv = 1/6  + 1/12 = 2/12 + 1/12 = 3/12
  dus
• 1/Rv = 3/12  dan Rv = 12/3 = 4 ohm
  dus
• U = 0,02 x 4 = 0,08V
• batterij van niks! vervangen maar. 

Elektriciteit handig ..

... maar

• Een AA-batterijtje is niet gevaarlijk.
• De spanning en het vermogen zijn gering
• Anders wordt het met zwaardere batterijen en accu's

Oppassen dus ... en

veiligheidsmaatregelen nemen

Zorg ervoor dat de ontwikkelde warmte weg kan.

Als er teveel warmte wordt ontwikkeld of de warmte niet weg kan

Zorg ervoor dat de stroom niet te groot kan worden

Zorg ervoor dat de stroom niet te groot kan worden.

Verdeel daarvoor de stroom over meerdere groepen.

Aardlekschakelaar