Deel 1: Elektrische energie

Samenvatting Elektrische Stromen 3e klas
Deel 1: Elektrische energie
Energie stelt je in staat om dingen te doen, bv. dingen te verplaatsen, dingen te verwarmen, licht te geven, etc.
Het is een grootheid die we kunnen meten. De standaard eenheid van energie in het Système International (SI) is
de Joule (J). Bij elektrische energie hebben we ook als standaard-eenheid de Joule.
Elk elektrisch apparaat krijgt zijn elektrische energie van een spanningsbron (batterij / elektriciteitscentrale).
Niet elk apparaat verbruikt in dezelfde tijd evenveel energie. Als je bv. naar één seconde kijkt, gebruikt een
normale lamp bv. 60 (J), terwijl een wasmachine al gauw 1000 (J) verbruikt. Het verbruik aan elektrische
energie in één seconde wordt vermogen genoemd:
Vermogen = hoeveelheid verbruikte of omgezette energie per seconde.
Hierbij staat ‘omgezette’ want eigenlijk wordt energie niet verbruikt, maar omgezet in andere soorten, bv. bij een
lamp wordt elektrische energie omgezet in licht en warmte, en bij een wasmachine wordt elektrische energie
omgezet in warmte (water verwarmen) en bewegingsenergie (draaien van de trommel).
De SI-eenheid van vermogen is Joule per seconde, of afgekort (J/s). Een andere naam voor (J/s) is de Watt (W):
1 Watt = 1 Joule per seconde
( 1 W = 1 J/s)
We kunnen het energie verbruik van een lamp uitrekenen als we het vermogen en de tijdsduur weten:
Voorbeeld Een lamp met een vermogen van 60 (W) brandt gedurende 3 uur lang. Bereken het energieverbruik.
60 (W) betekent dat de lamp elke seconde 60 (J) elektrische energie verbruikt. 3 uur = 3 x 60 (min) x 60 (s) =
10800 (s). Dus in 3 uur verbruikt de lamp: 10800 x 60 = 648.000 (J)
Je kunt het energieverbruik dus uitrekenen met de formule:
Energieverbruik (in J) = vermogen (in W) x tijdsduur (in s)
E =
P
x
t
Vanwege het feit dat bij elektrisch energieverbruik vrijwel altijd zeer grote getallen uitkomen, heeft men voor
elektrische energie ook een andere eenheid bedacht: de kilowattuur (kWh). Deze is als volgt gedefinieerd:
1 (kWh) = de elektrische energie die een apparaat met een vermogen van 1 (kW) verbruikt als dit één uur
(h = hour) aanstaat.
We kunnen berekenen hoeveel (J) overeenkomt met 1 (kWh) met behulp van de definitie:
Berekening: Een apparaat van 1 (kW) = 1000 (W) verbruikt elke seconde 1000 (J). Dus gedurende één uur =
3600 (s) verbruikt hij 3600 x 1000 = 3.600.000 (J). Dus:
1 (kWh) = 3.600.000 (J) = 3.600 (kJ) = 3,6 (MJ) = 3,6 .106 (J)
Hierbij zijn de volgende afkortingen gebruikt: k = kilo = 1000 en M = Mega = 1.000.000
Wil je nu gelijk het aantal (kWh) berekenen dat verbruikt is, kun je dezelfde formule gebruiken alleen moet je nu
andere eenheden invullen:
Energieverbruik (in kWh) = vermogen (in kW) x tijdsduur (in uren)
Bij het voorbeeld van de lamp van 60 (W):
Berekening in (kWh): Eerst berekenen we het vermogen in (kW). 60 (W) = 60/1000 (kW) = 0,060 (kW). Het
energieverbruik in 3 (uren) is nu: 0,060 (kW) x 3 (h) = 0,18 (kWh)
Dit is hetzelfde als het eerder berekende totaal aantal Joule, want:
0,18 (kWh) = 0,18 x 3.600.000 = 648.000 (J).
Deel 2: Elektrische schakelingen
2A Spanning, stroomsterkte en elektrisch vermogen.
Een elektrische schakeling is altijd een gesloten kring met een spanningsbron en een of meer ‘gebruikers’. De
spanningsbron geeft een hoeveelheid lading (mannetjes) energie (vulling van de rugzakjes) mee, die lading gaat
dan naar de gebruiker, geeft de energie af en loopt zelf terug zonder energie (lege rugzak) naar de
spanningsbron. Hiermee kun je de begrippen uitleggen die te maken hebben met elektriciteit:
De spanning U is de hoeveelheid energie die elke hoeveelheid lading
meekrijgt van de spanningsbron of afgeeft in de ‘gebruiker’ (de inhoud van
de rugzak). De eenheid van hoeveelheid lading is de Coulomb (C). De
eenheid van spanning is dus (J/C) ofwel afgekort Volt (V).
De stroomsterkte I is de hoeveelheid lading die gedurende één seconde
ergens passeert (aantal mannetjes). De eenheid van stroomsterkte is dus
Coulomb per seconde (C/s) ofwel afgekort Ampère (A).
Het elektrisch vermogen P dat de gebruiker ontvangt (hoeveelheid elektrische energie die per seconde wordt
omgezet) is te berekenen met de formule P = U . I (dus spanning x stroomsterkte). Dit kun je inzien door te
kijken naar het volgende: stel de batterij is 3 (V) en de stroomsterkte is 2 (A). Dat betekent dat elke Coulomb
(mannetje) krijgt van de bron 3 (J) energie mee voor de gebruiker en de gebruiker krijgt elke seconde de energie
van 2 (C) (mannetjes). Dus de energie die de gebruiker krijgt is 3 x 2 = 6 (J) per seconde, ofwel 6 (W).
2B Weerstand
Elke kring heeft weerstand tegen een stroom lading die erdoor wil. De hoeveelheid tegenwerking wordt
aangegeven in Ohm ) en kan worden uitgerekend met de formule van Ohm:
R
U
I
Hierin is R de weerstand in ), U de spanning in (V) en I de stroomsterkte in (A).
Is er meer dan één weerstand kun je die vervangen door één
weerstand, de vervangingsweerstand RV 
U batt
I batt
De vervangingsweerstand Rv is zo groot dat de batterij met dezelfde
spanning in de tweede schakeling precies evenveel stroom levert als in
de eerste.
2C Serie- en parallelschakeling
Je kunt in één schakeling meer dan één ‘gebruiker’ of weerstand
opnemen. Dat kun je op twee manieren doen: in een serie- of een
parallelschakeling.
Kenmerk van serieschakeling: Alle weerstanden staan in dezelfde stroomkring, dus de stroomsterkte is even
groot in elk van de weerstanden. De elektrische energie wordt verdeeld, dus ook de spanning (elektrische energie
per hoeveelheid lading). De vervangingsweerstand is gewoon de som van de afzonderlijke weerstanden. Door
weerstanden serie te schakelen maak je de totale weerstand groter. In formulevorm:
I 1  I 2  I batt
U 1  U 2  U batt
Rv  R1  R2
Kenmerk van parallelschakeling: De stroom kan kiezen door welke weerstand hij zal gaan. Daarbij zal de
meeste stroom kiezen voor de makkelijkste weg met de minste weerstand. De stroomsterkte wordt dus verdeeld.
De spanning over de weerstanden is echter gelijk aan de spanning van de batterij. Door weerstanden parallel te
schakelen, maak je de totale weerstand kleiner. De vervangingsweerstand volgt uit een formule.
I 1  I 2  I batt
U 1  U 2  U batt
1
1
1


Rv R1 R2
Als serie- en parallelschakelingen gecombineerd voorkomen, moet je stap voor stap de vervangingsweerstand
berekenen (Zie onderstaand voorbeeld).
Berekening vervangingsweerstand:
10 en 15 () staan parallel, dus
1
1
1


 0,1666
Rv 10 15
Dus Rv = 1/0,1666 = 6 ().
Daarmee in serie staan 2 en 5 (), dus totale weerstand is
Rv = 2 + 5 + 6 = 13 ).
EXTRA STOF voor de liefhebbers:
2D Weerstand van een draad
Je kunt de weerstand van een metaaldraad berekenen met de formule:
Rdraad  
l
A
Hierin is
 de soortelijke weerstand van de draad (in  mm² / m)
l de lengte van de draad in (m)
A de dwarsdoorsnede van de draad in (mm²).
Om de dwarsdoorsnede te berekenen is er de formule: A = r². Hierin is r de
straal van de cirkelvormige doorsnede van de draad (zie tekening). Vaak is
echter de diameter d gegeven (die is makkelijker te meten). De diameter is gelijk
aan 2 x de straal r (d = 2 r).
Voorbeeld berekening: Een ijzerdraad heeft een dikte van 0,1 (mm) en een lengte van 25 (cm). De soortelijke
weerstand van ijzerdraad is 0,105 ( mm² / m). Bereken de weerstand.
Stap 1: A berekenen: d=0,1 (mm), dus r = 0,05 (mm)
A = r² = (0,05)² = 0,00785 (mm²)
Stap 2: l berekenen in (m): l = 25 (cm) = 0,25 (m)
Stap 3: R berekenen: R = 0,105 x 0,25 / 0,00785 = 3,35 ()
2E Kleurcodes van weerstanden
Omdat er op weerstanden weinig ruimte is om de weerstandswaarde aan te geven en het gevaar bestaat dat door
slijtage zo’n getal makkelijk onleesbaar wordt heeft men een kleurcodering verzonnen voor weerstanden.
De meeste coderingen bestaan uit vier gekleurde ringen (heel soms 3 of 5)
De betekenis van deze kleuren zie je in de onderstaande tabel:
Kleur
Zwart
Bruin
Rood
Oranje
Geel
Groen
Blauw
Violet
Grijs
Wit
Goud
Zilver
Geen
1e cijfer
0
1
2
3
4
5
6
7
8
9
2e cijfer
0
1
2
3
4
5
6
7
8
9
Factor
1
10
100
1000
10.000
105
106
107
108
109
0,1
0,01
Tolerantie
1%
2%
0,5 %
5%
10 %
20 %
Bepalen kleurcode: stel de ringen zijn
geel – violet – bruin – goud
Dan betekent dat: geel = 4, violet = 7
Bruin = vermenigvuldigingsfactor 10 dus de waarde is
47 . 10 = 470 ()
De laatste band geeft de tolerantie aan. Dat betekent dat
de werkelijke waarde van de weerstand een verschil kan
hebben van 5 % (goud = 5) met de opgegeven waarde.
Dus de waarde van de gegeven weerstand kan liggen
tussen 447 () en 494 ().
Heeft een weerstand 5 ringen dan is de 3e ring ook nog
een cijfer (net zoals kolom 1 en 2 hiernaast)
Heeft de weerstand maar 3 ringen dan is de vierde ring
‘geen kleur’ en dat betekent dat de tolerantie 20% is.
Voorbeeld: Wat is de waarde van een weerstand met kleur rood grijs oranje zilver? Antw: (28000 + 10%) 
2F Speciale weerstanden
Er zijn weerstanden waarbij de waarde van de weerstand kan veranderen door licht of temperatuur of met een
knopje (schuif):
- NTC (Negatieve Temperatuur Coëfficiënt) is een weerstand waarbij de weerstand afneemt als de
temperatuur hoger wordt.
- LDR (Light Dependent Resistor) is een weerstand waarbij de weerstand afneemt als er meer licht op valt.
- Regelbare weerstand: je kunt de weerstandswaarde hiervan veranderen door aan een knop of schuif te
draaien.
De schakelsymbolen zijn:
= NTC
= LDR
= Regelbare weerstand
2G Andere schakelelementen
Er zijn in een ingewikkelde schakeling nog veel meer soorten schakelelementen te zien. Een aantal voorbeelden
daarvan staan hieronder en is alleen ter informatie. Ze zullen niet op de toets gevraagd worden. Je komt ze in de
bovenbouw wel tegen.
Schakelsymbool
Naam
Schakelsymbool
Naam
Diode (stroom doorlaten
in één richting)
Spoel (met kern) (vele
toepassing bij wisselstromen)
LED (diode die licht geeft
als hij stroom doorlaat)
Transformator (met kern)
(verandert spanning van bv
230 V in 6 V)
Condensator (opslag voor
lading)
Transistor (elektronische
schakelaar)