NaTech - Parallelproject Elektriciteit

Natuurkunde & Techniek
parallelproject – klas 2
NaTech - Elektriciteit
Leerlingenbundel Techniek
bij: Koppeling, hfst 1&2
les
datum klassikaal/groepje
Vragen
Opdrachten
1
Elektrische apparaten in huis
opdracht 1 t/m 5
1 t/m 5
Werkstukopdracht 1
Elektrische apparaten
Thuisopdracht 1
Elektriciteit in huis
2
Afronding Werkstukopdracht 1
Apparaten: Energieverbruik en veiligheid
8 t/m 13
3
Afronden thuisopdrachten
Elektriciteit in huis
6, 7, 14 t/m 20
4
Afronding werkstukopdracht 2
Spanningsbronnen vergelijken
21 t/m 27
5
De elektriciteitscentrale
Afronding Elektriciteit
St. Bonifatiuscollege, Utrecht
Thuisopdracht 2
Elektriciteit in huis
Werkstukopdracht 2
SPAARLAMPEN
Project NaTech - ‘Natuurkunde & Techniek’
bij lesmethode NoVa (natuurkunde) – uitgeverij Malmberg
en Koppeling (techniek) – uitgeverij NijghVersluijs
Secties Natuurkunde en Techniek - klas 2
St. Bonifatiuscollege, Utrecht
Ontwikkeld door:
Corine Lancel
Kees Hooyman
september 2005
Deelnemende docenten:
Wilma Akkerman
Antoon Boks
Annette de Groot
Kees Hooyman
Corine Lancel
Ad Migchielsen
Aartjan van Pelt
Marjolein Vollebregt
Ron Vonk
Carien Vruggink
Technische ondersteuning:
Marti van IJzendoorn
Project NaTech - Elektriciteit
2
NaTech - Parallelproject Elektriciteit
1 Elektrische apparaten in huis
Elektriciteit is voor ons de normaalste zaak van de wereld. Een groot aantal
apparaten in huis werkt op elektriciteit, maar vraag je je wel eens af wat
elektriciteit eigenlijk is? Wat komt er uit het stopcontact? Waarom gaat de
lamp branden? Hoe werkt een boormachine? Waarom komt er geluid uit de
luidspreker?
Een belangrijke eigenschap van elektriciteit is dat het energie afgeeft in het
apparaat. Die energie komt van de elektriciteitscentrale, of uit de batterij, en
wordt door het apparaat gebruikt om iets mee te doen. We zeggen dan: het
apparaat zet elektrische energie om in een andere soort energie. Deze
paragraaf gaat over het energiegebruik van apparaten. Daarbij zijn de
belangrijkste vragen:
 Wat doet een apparaat met de energie?
 Welke soorten energie kom je in huis tegen?
 Hoeveel energie gebruiken de apparaten?
 Hoe is het apparaat ontwikkeld? Wat gebruikte men vroeger?
1
Energiesoorten
Een gloeilamp werkt op elektriciteit. In de tekening hiernaast zie je
weergegeven dat de lamp elektrische energie omzet in licht en warmte. Dat
is niet helemaal correct weergegeven. De lamp zendt twee soorten straling
uit: licht (zichtbare straling) en infra-rood-straling (onzichtbaar, wordt ook
warmtestraling genoemd). Daarnaast produceert de lamp warmte: de
gloeidraad wordt warm, het glas wordt warm en de fitting (de metalen
schroefdraad) wordt ook warm.
 Welke drie soorten energie komen er uit een gloeilamp?
In een boormachine zit een elektromotor, die elektrische energie omzet in
draaibeweging. Kennelijk is beweging ook een vorm van energie, die we
bewegingsenergie noemen. Daarnaast maakt een boormachine ook veel
herrie, en geluid is ook een vorm van energie.
 Welke drie soorten energie produceert een boormachine?
Met een combi-oven kun je op verschillende manieren voedsel verwarmen:
met hete lucht, met een magnetron en met een grill.
 Welke soorten energie produceert een combi-oven?
Project NaTech - Elektriciteit
3
2
typeplaatje van een
boormachine van het merk
Scintilla.
Energie voor bewegen
Op elk elektrisch apparaat staat aangegeven hoeveel energie het apparaat
gebruikt. Het energieverbruik noemen we het vermogen van het apparaat,
en dat wordt aangegeven met het aantal watt (W).
Op de bovenstaande afbeeldingen zie je de typeplaatjes van drie apparaten
die bewegingsenergie produceren (of beter gezegd: die elektrische energie
omzetten in bewegingsenergie).
 Welke apparaat verbruikt het minste energie?
De stofzuiger en de boormachine hebben allebei een vermogen van 600
watt, maar dat betekent nog niet dat deze apparaten in totaal evenveel
energie gebruiken.
 Welk apparaat zal bij jullie thuis in een jaar de meeste energie gebruiken, de
stofzuiger of de boormachine? Leg uit waardoor het verschil wordt
veroorzaakt.
Het typeplaatje hiernaast is van een elektromotor. Het vermogen van de
elektromotor staat weergegeven in kilowatt: 0,09 kW.
 Hoeveel watt is het vermogen van het apparaat?
Vermogen en kWh
Het vermogen wordt
uitgedrukt in watt of kW.
Het energieverbruik wordt
gemeten in kWh.
Om het energiegebruik van een elektrisch apparaat te berekenen heb je
twee gegevens nodig: het vermogen van het apparaat en de tijd dat het
apparaat gebruikt wordt. Het elektriciteitsbedrijf berekent de energie in kWh
(kilowattuur) door het aantal kW te vermenigvuldigen met het aantal uur dat
het apparaat gebruikt wordt. (kWh betekent dus kW keer uur, en niet kW
per uur zoals soms gedacht wordt).
De stofzuiger van 600 watt wordt per week drie keer een half uur gebruikt.
 Hoeveel kWh gebruikt de stofzuiger dan per week?
Voor het energieverbruik
geldt:
energie = vermogen x tijd
of: kWh = kW x uur
Voorbeeld: als een
apparaat van 1,5 kW
gedurende 3 uur aan
staat dan verbruikt het
apparaat 4,5 kWh.
 Hoeveel kWh gebruikt de stofzuiger per jaar?
De stofzuiger wordt vervangen door een moderne en veel sterkere
stofzuiger. Daardoor gaat het stofzuigen sneller: drie keer 20 minuten per
week. Nadeel is wel dat het vermogen van de stofzuiger veel hoger is: 1600
watt.
 Hoeveel kWh kost het stofzuigen nu per jaar meer dan bij de oude
stofzuiger?
Project NaTech - Elektriciteit
4
3
Toyota Prius
Technische gegevens
Elektromotor
Type: Permanente Magneet
Max. vermogen: 35 kW
Hybride auto
Een bijzonder voorbeeld van elektrische energie voor beweging is te vinden
in een moderne hybride auto. In zo’n auto zit naast een normale
benzinemotor een zeer sterke elektromotor, die gevoed wordt door een
grote batterij. De motor is sterk genoeg om de auto te laten rijden.
 De elektromotor is veel sterker dan de motor van de boormachine. Hoeveel
keer zo groot is het (maximaal) vermogen van de elektromotor?
HV Batterij
Type: Ni-MH
Output: 273.6 V
(38 modules van 7.2 Volt)
Capaciteit: 6,5 Ampère-uur
Gewicht: 60 kg
De elektromotor wordt alleen ingeschakeld als het handig is, bijvoorbeeld bij
het wegrijden. De accu zou anders veel te snel leeg zijn. Als de batterij
volledig opgeladen is zit er 1,8 kWh energie in.
 Bereken hoe lang de elektromotor op maximaal vermogen kan werken.
4
Energie voor verlichting
Op de foto hiernaast zie je een gloeilamp. In huis worden meestal
gloeilampen gebruikt, maar TL-buizen en spaarlampen zijn veel zuiniger met
energie.
 Hoe groot is het vermogen van de gloeilamp?
Het aantal watt van een lamp zegt niet hoeveel licht de lamp geeft, maar
hoeveel elektrische energie een lamp verbruikt. Bij een gloeilamp gaat meer
dan 90% van de energie ‘verloren’ aan warmte en IR-straling. Een
spaarlamp gaat wel 8 keer zo zuinig om met energie. Een spaarlamp van 40
watt zal dus veel meer licht geven, of omgekeerd heb je voor dezelfde
hoeveelheid licht een veel kleiner vermogen nodig.
 Hoe groot zal het vermogen zijn van een spaarlamp die evenveel licht geeft
als de gloeilamp op de foto?
5
Energie voor verwarmen
Hiernaast zie je de gegevens van een wasmachine. Wat opvalt is dat een
wasmachine veel meer energie verbruikt dan een boormachine of een
stofzuiger.
 Welke soorten energie produceert een wasmachine?
Bosch wasmachine
Typ W925 Nr.10 /
33706923
Vol. 5kg CE
~ 230V 50 Hz
2700 W
 Waarom is het energieverbruik zo hoog? Door welke soort energie komt
dat?
Project NaTech - Elektriciteit
5
Werkstukopdracht 1: Elektrische apparaten
Je gaat onderzoek doen naar het nut van een huishoudelijke elektrisch
apparaat. Dit onderzoek doe je in groepen van drie leerlingen. Het
onderzoek bestaat uit drie onderdelen en een nabespreking. Je hoeft het
niet samen te doen, je kunt ook ieder een onderdeel uitwerken. Wel lever je
het samen in, op tijd én gebundeld.
Per onderdeel moet er één A4-tje worden geschreven.
Samen schrijf je een antwoord op de vragen bij onderdeel 4.
Onderdeel 1: Hoe zou het leven zijn zonder dit apparaat?
Het makkelijkst is het bij dit onderdeel om iemand te zoeken die het leven
zonder dit apparaat nog heeft meegemaakt. Door middel van interview –
vraag wel goed door – kom je veel te weten.
Ga ook in op de vraag wat het voor jou zou betekenen als je er geen
beschikking meer over zou hebben.
Onderdeel 2: De ontwikkeling van het apparaat.
Een eerste versie van een apparaat is vaak niet meer te vergelijken met de
versie die nu gebruikt wordt. Geef een samenvatting van de ontwikkeling.
Geef aan wat de belangrijkste veranderingen/verbeteringen waren en plaats
die in de tijd.
Ga ook in op de vraag of alle veranderingen wel verbeteringen zijn.
Onderdeel 3: Energieverbruik en veiligheid.
Zoek uit hoeveel watt of kW het vermogen van het apparaat is. Maak een
schatting van het aantal uur dat het apparaat per jaar gebruikt wordt, en
bereken daarmee hoeveel elektrische energie (in kWh) dit apparaat per jaar
verbruikt. Is dat verbruik constant of hangt het van bepaalde dingen af, zo
ja, waarvan dan?
Zoek uit of er veel verschil zit in het verbruik van verschillende uitvoeringen
van dit apparaat en wat als gemiddeld wordt gehanteerd.
Zit er ook een stand-by stand op het apparaat? Kun je die uitzetten?
Hoeveel verbruikt dit apparaat per jaar in de stand-by stand?
Heeft het apparaat een geaarde stekker? Is de stekker aangeschroefd of
aangegoten? Is de buitenkant van het apparaat van metaal of van
kunststof? Is het apparaat dubbel geïsoleerd? (lees blz. 46 t/m 49 in
Koppeling – informatieboek 2)
Nabespreking (in de volgende les):
Lees en bespreek samen de A4-tjes van jouw groep en schrijf een
gemotiveerd oordeel over de zin of de onzin van dit apparaat.
Zijn er dingen die je opvallen?
Bedenk samen ook minimaal twee dingen die verbeterd zouden kunnen
worden.
Keuze mogelijkheden: in overleg met docent worden de
onderwerpen verdeeld
Wasmachine
Telefoon (mobiel)
Computer
Koelkast
Stofzuiger
Discman
Project NaTech - Elektriciteit
Televisie
Radio
Boormachine
Koffiezetapparaat/machine
Strijkijzer
6
NaTech - Parallelproject Elektriciteit
Thuisopdracht 1 - Elektriciteit in huis
6
De kWh-meter
De kWh-meter houdt het verbruik van elektrische energie bij. In de kWhmeter zit een ronddraaiende schijf. Naarmate er meer energie gebruikt
wordt zal de schijf sneller ronddraaien.
 Lees op de kWh-meter de stand af. Noteer ook de datum (volgende week ga
je nog een keer meten).
 Vraag aan je ouders hoeveel kWh jullie ongeveer per jaar gebruiken.
 Hoeveel kost één kWh bij het energiebedrijf? Kijk zonodig op de internetsite
van het energiebedrijf. Reken ook de BTW, transportkosten en de
energiebelasting mee.
 Zijn er twee tellers op de kWh-meter? Vraag dan aan je ouders waarom er
twee tellers zijn.
7
Geaarde stopcontacten
Er zijn in huis twee soorten wandcontactdozen (die ook wel stopcontact
genoemd worden), met of zonder randaarde. Op de foto hiernaast zie je een
wandcontactdoos met randaarde.
 Onderzoek in huis waar wandcontactdozen met randaarde gemonteerd zijn.
In moderne woningen zijn uit veiligheid alle wandcontactdozen van
randaarde voorzien, maar in (iets) oudere huizen hebben alleen bepaalde
ruimten randaarde.
 Welke ruimten zijn dat?
 Waarom zou er alleen in die ruimten randaarde zijn?
Project NaTech - Elektriciteit
7
NaTech - Parallelproject Elektriciteit
2 Apparaten: Energieverbruik en veiligheid
Afronding Werkstukopdracht Techniek: Elektriciteit
Je hebt onderzoek gedaan naar het nut van een huishoudelijke elektrische
apparaat. Het onderzoek bestond uit drie delen, en iedereen uit jouw groep
heeft één van de drie onderdelen gedaan.
Samenvatting
Noteer hieronder bij elk onderdeel in enkel zinnen een samenvatting.
Onderdeel 1: Hoe zou het leven zijn zonder dit apparaat?
Kort samengevat:
Onderdeel 2: De ontwikkeling van het apparaat.
Kort samengevat:
Onderdeel 3: Het verbruik van elektriciteit.
Kort samengevat:
Nabespreking
Lees en bespreek samen de A4-tjes van jouw groep en schrijf een
gemotiveerd oordeel over de zin of de onzin van dit apparaat.
Zijn er dingen die je opvallen?
Bedenk samen ook minimaal twee dingen die verbeterd zouden kunnen
worden.
8
Maak je eigen Watt-wijzer
In het technieklokaal hangt een Watt-wijzer. Noteer hierin het vermogen van
het apparaat dat jullie onderzocht hebben.
apparaat
watt
apparaat
watt
apparaat
watt
Koelkast
Koffiezetapp.
Radio/CD-speler
Diepvriezer
Afzuigkap
Strijkijzer
Wasmachine
Televisie
Broodrooster
Afwasmachine
Stofzuiger
Boormachine
Scheerapparaat
6W
Computer
El. tandenborstel
1W
Plasma-TV
Broodbakmachine
550 W
Mobiele telefoon
Printer
11 W
Mixer
700 W
Stofzuiger
Gloeilamp
60 W
Spaarlamp
15 W
Discman
Project NaTech - Elektriciteit
8
9
Energieslurpers
Met de hele klas heb je van een groot aantal apparaten het vermogen
opgezocht. Dat zegt iets over het energieverbruik, maar niet alle apparaten
met een hoog vermogen zijn energieslurpers.
 Noem één apparaat met een hoog vermogen dat in een heel jaar toch niet
erg veel energie verbruikt.
Welke apparaten uit de watt-wijzer verbruiken in een jaar het meeste
energie? Dat is voor elk huishouden natuurlijk anders, maar we nemen bij
elk apparaat het gemiddelde gebruik.
 Maak een top-5 van apparaten die de meeste energie in een jaar gebruiken.
Geef bij elk apparaat ook een schatting van het verbruik in kWh per jaar.
TOP-5 ENERGIESLURPERS
apparaat
watt
kWh per jaar
Heb je de juiste apparaten uitgekozen? De uitslag volgt later!
10 Veiligheid bij apparaten
Elektriciteit in huis is niet ongevaarlijk. Je kunt een flinke schok krijgen, of in
het ergste geval zelfs overlijden aan de elektrische stroom. Een ander
gevaar is dat door kortsluiting, vonken of een draad die te warm wordt
brand kan ontstaan.
Daarom zijn er veel zichtbare en onzichtbare veiligheidsmaatregelen
genomen. Een vrij eenvoudige beveiliging is de elektrische stroomdraad (zie
foto).
 Waarom is de buitenkant van de elektriciteitsdraad van kunststof?
 Waarom is de binnenkant van de elektriciteitsdraad van koper?
Toch is deze beveiliging ook kwetsbaar.
 Geef een voorbeeld waarbij de kunststof bescherming niet veilig genoeg
bleek.
Project NaTech - Elektriciteit
9
11 Dubbel geïsoleerd
Sommige elektrische apparaten zijn dubbel geïsoleerd. Dat kun je herkennen
aan het symbool met het dubbele vierkant. Mixers en boormachines zijn
vaak dubbel geïsoleerd.
Lees blz. 48 en 49 uit Koppeling – Informatieboek 2.
 Welke twee eigenschappen heeft een apparaat dat dubbel geïsoleerd is?
 Noem nog twee apparaten die dubbel geïsoleerd zijn.
Aangegoten stekkers met en zonder randaarde
12 Randaarde
Apparaten met een metalen buitenkant zijn meestal voorzien van randaarde.
Dat kun je herkennen aan de stekker van het apparaat.
Lees blz. 46 en 47 uit Koppeling – Informatieboek 2.
 Welk gevaar loop je als je de metalen buitenkant van een apparaat
aanraakt?
 Hoe beveiligt randaarde tegen dit gevaar?
Op de foto zie je een opengeknipte elektriciteitsdraad.
 Waarom zitten er drie koperen draadjes in de elektriciteitsdraad?
 Welke kleur heeft de aardingsdraad?
Project NaTech - Elektriciteit
10
13 Aarding en computer
Een computer heeft vrijwel altijd een metalen buitenkant. Dat is niet alleen
steviger, het beschermt de kwetsbare binnenkant tegen statische en
magnetische velden.
 Heeft de computer een geaarde of een ongeaarde stekker?
Binnen de computer kan vrij makkelijk een draadje losraken, dat vervolgens
tegen de kast van de computer komt. Als je dan de computer zou aanraken
zou je een schok kunnen krijgen.
 Leg uit hoe de randaarde beschermt tegen zo’n schok.
Een computer is aangesloten op een stekkerdoos zonder randaarde. De
nylon vloerbedekking kan makkelijk statische elektriciteit opwekken als je
erover loopt.
 Leg uit wat er in de bovenstaande situatie fout kan gaan als je de kast van de
computer aanraakt.
 Is de computer bij jullie thuis veilig aangesloten?
Project NaTech - Elektriciteit
11
NaTech - Parallelproject Elektriciteit
Thuisopdracht 2 - Elektriciteit in huis
14 De kWh-meter
De kWh-meter houdt het verbruik van elektrische energie bij. In de kWhmeter zit een ronddraaiende schijf. Naarmate er meer energie gebruikt
wordt zal de schijf sneller ronddraaien.
 Lees opnieuw de stand (of standen als er twee tellers zijn) op de kWh-meter
af. Noteer ook de datum.
Vergelijk de stand met het resultaat op blz. 7
 Hoeveel kWh hebben jullie thuis per dag gebruikt sinds de vorige keer dat je
de meter afgelezen hebt?Hoeveel kost dat?
15 De meterkast en groepen
De meterkast is de plek waar de elektrische leidingen het huis binnenkomen.
Vraag eventueel aan je ouders of ze je bij deze opdracht willen helpen.
 In hoeveel groepen is de elektrische installatie verdeeld? Tel daarvoor het
aantal zekeringen.
 Zijn alle zekeringen hetzelfde? Noteer de verschillen en geef ook aan welke
kleur de zekeringen hebben.
 Jouw kamer hoort bij een bepaalde groep. Probeer met je ouders uit te
zoeken welke groep dat is. Met hoeveel ampère is deze groep gezekerd?
 Zijn de zekeringen ouderwetse smeltzekeringen of moderne
tuimelschakelaars?
 Is er een aardlekschakelaar?
Project NaTech - Elektriciteit
12
NaTech - Parallelproject Elektriciteit
3 Elektriciteit in huis
Met de elektrische huisinstallatie bedoelen we alles wat in huis aangelegd is
om de elektrische apparaten te laten werken: meterkast, leidingen,
zekeringen, stopcontacten, schakelaars en wat er al niet meer is. Een
belangrijk deel van de huisinstallatie bestaat uit veiligheidsmaatregelen.
In deze les gaan we een antwoord zoeken op de volgende vragen:
 Welke gevaren zijn er bij elektriciteit in huis?
 Welke beveiligingsmaatregelen zijn er?
 Hoe werken de beveiligingsmaatregelen?
16 Gevaren van elektriciteit
Het grootste risico van werken met elektriciteit is dat je zelf een flinke schok
krijgt, of in een uitzonderlijke situatie kunt overlijden. Bij een moderne
huisinstallatie is de veiligheid zo goed geregeld dat het vrijwel onmogelijk is
dat je zo’n grote schok krijgt dat je daardoor dood zou kunnen gaan.
 Wat is het tweede gevaar van elektriciteit?
 In welke situaties kan dat gevaar ontstaan?
17 Meterkast
Het hart van de huisinstallatie zit in de meterkast. Op de foto hiernaast zie je
zo’n meterkast.
 Waar komt de elektriciteit naar binnen? Geef dat met een pijl aan.
 Waar gaat de elektriciteit verder het huis in?
 Hoeveel groepen zijn er bij de installatie op de foto?
18 Indeling in groepen
De verdeling in groepen is handig als er bijvoorbeeld ergens in huis even
kortsluiting gemaakt wordt, bijvoorbeeld als er een lamp stuk gaat.
 Waarom is het dan handig dat er zoveel verschillende groepen zijn?
 De indeling in groepen is ook handig als je een nieuwe wandcontactdoos
wilt monteren, of een nieuwe lamp wilt ophangen. Waarom?
Project NaTech - Elektriciteit
13
Er is nog een tweede reden waarom een indeling in groepen belangrijk is.
Als er geen groepsindeling zou zijn, dan zou alle stroom in het huis door één
dunne elektriciteitsdraad moeten gaan.
 Wat zou er fout kunnen gaan als alle stroom door één draad moet?
19 Zekeringen
Elke groep heeft een eigen zekering, maar niet elke zekering is hetzelfde. Er
zijn zekeringen van 10 A, 16 A en 25 A. Vaak wordt er in huis een aparte
groep aangelegd voor de wasmachine en de droogmachine. De zekering is
dan meestal 16 A.
 Waarom mogen er geen andere apparaten op deze groep aangesloten
worden?
De zekering valt uit als de stroom te hoog wordt, zoals bij kortsluiting. Dat
kan ook gebeuren als er teveel apparaten op één groep aangesloten
worden. Zo kan het al fout gaan als de stofzuiger, het strijkijzer en de
plasma-TV tegelijk op een groep met een zekering van 10 A aangesloten
zijn. Een mogelijke oplossing is om de zekering te vervangen door een
zwaardere zekering, bijvoorbeeld 16 of 25 A.
 Wat zou er fout kunnen gaan als je de zekering vervangt door een zwaardere
zekering?
20 Aardlekschakelaar
Een speciale beveiliging is de aardlekschakelaar. De normale zekeringen
beveiligen tegen te grote stroomsterktes, maar daar heb je niets aan als je
zelf ‘onder stroom’ komt te staan. De stroom door je lichaam is namelijk
helemaal niet groot, maar zelfs een kleine stroom is al gevaarlijk. Een
stroom van 80 mA kan al dodelijk zijn!
 Reken 80 mA om naar A.
Op blz. 46 in Koppeling wordt uitgelegd hoe een aardlekschakelaar werkt.
In de onderstaande tekening zie je hoe de aardlekschakelaar is aangesloten.
 Leg in je eigen woorden uit hoe een aardlekschakelaar je beveiligt tegen een
te grote schok.
~ 2 30 V
Project NaTech - Elektriciteit
14
Werkstukopdracht 2: SPAARLAMPEN
Je gaat onderzoek doen naar de besparing die mogelijk is door de lampen in
de huiskamer en de keuken te vervangen door spaarlampen. Het onderzoek
bestaat uit drie delen. Je hoeft het niet samen te doen, je kunt ook ieder
een onderdeel uitwerken. Wel lever je het samen èn op tijd, gebundeld in.
Per onderdeel moet er één A4-tje worden geschreven.
Samen schrijf je een antwoord op de vragen bij onderdeel 4.
Om een bijdrage te leveren aan de energiebezuinigingen worden in veel
huishoudens zogenoemde spaarlampen gebruikt. In aanschaf zijn deze
lampen aanmerkelijk duurder dan gloeilampen. Het energieverbruik ligt
echter veel lager en ze gaan veel langer mee.
Onderzoeksvragen:
1. Hoeveel energie (in kWh) wordt er per jaar bespaard als alle
gloeilampen in de huiskamer en de keuken vervangen worden door
spaarlampen die evenveel licht geven?
2. Hoeveel geld kost het aanschaffen van spaarlampen om alle gloeilampen
te vervangen?
3. Hoeveel geld per jaar bespaart of kost het vervangen van de lampen op
lange termijn?
Onderzoeksplan
Om op de drie onderzoeksvragen antwoord te kunnen geven heb je een flink
aantal gegevens nodig. Enkele van die gegevens kun je uit de onderstaande
tabel halen, de overige gegevens zul je thuis moeten verzamelen. Sommige
gegevens kun je opzoeken, andere zul je moeten schatten.
 Bedenk met je groep eerst welke gegevens je thuis moet verzamelen.
Verslag
Iedereen uit je groep maakt een kort verslagje (maximaal 1 A4-tje per
persoon), waarbij je de drie onderzoeksvragen beantwoordt.
Bespreek in de volgende les de verslagen met elkaar, en vergelijk de
resultaten. Wie bespaart het meest?
Vergelijkingsgegevens
gloeilampen en spaarlampen
De spaarlampen geven evenveel licht als de gloeilamp in dezelfde rij.
Spaarlamp 9W
10.000 uur
€ 3,25
Gloeilamp 40 W
1.000 uur
€ 0,97
Spaarlamp 13W
10.000 uur
€ 3,45
Gloeilamp 60 W
1.000 uur
€ 0,82
Spaarlamp 15W
10.000 uur
€ 3,75
Gloeilamp 75W
1.000 uur
€ 0,97
Spaarlamp 20W
10.000 uur
€ 4,25
Gloeilamp 100W
1.000 uur
€ 0,97
Halogeenlampen geven ongeveer evenveel licht als gloeilampen met
hetzelfde vermogen. Een halogeenlamp kost ca. € 2,95 en gaat 3.000 uur
mee.
Project NaTech - Elektriciteit
15
NaTech - Parallelproject Elektriciteit
4 Spanningsbronnen vergelijken
In huis gebruiken we als spanningsbron vaak de netspanning van 230 volt,
maar er worden ook andere spanningbronnen gebruikt. Normale batterijen,
accu’s, adapters en oplaadbare batterijen zijn daarvan enkele voorbeelden.
In deze paragraaf gaan we de eigenschappen van verschillende
spanningsbronnen vergelijken. Daarnaast onderzoeken we bij verschillende
toepassingen welke batterij daar het meest geschikt voor is.
21 Batterij en accu
Bij een batterij en een accu wordt de energie geleverd door een
scheikundige reactie. De stoffen in de batterij of de accu reageren met
elkaar, en daarbij wordt elektriciteit geleverd. Een accu kan opnieuw
opgeladen worden, net als een oplaadbare batterij.
Batterijen zijn er in soorten en maten. Staafbatterijen hebben een spanning
van 1,5 volt, oplaadbare penlights meestal 1,2 volt. De platte batterijen die
4,5 volt leveren bestaan uit drie staafbatterijen.
 Waarom noemen we batterijen ook wel chemische spanningsbronnen?
Het gebruik van batterijen (ook oplaadbare) is behoorlijk schadelijk voor het
milieu.
 Waarom zijn batterijen slecht voor het milieu? Op welk moment zijn
batterijen slecht voor het milieu?
 Waarom zijn oplaadbare batterijen beter voor het milieu dan normale
batterijen?
Er zijn ook spanningsbronnen die hun energie niet uit een chemische reactie
halen, maar uit een andere energiesoort. Een voorbeeld daarvan is de
dynamo.
 Noem nog enkele spanningsbronnen die niet op een chemische reactie
werken.
 Welke energiesoorten worden daarbij gebruikt?
Bij een fietsdynamo moeten jouw spieren uiteindelijk de energie leveren om
de dynamo te laten draaien.
 Leg uit dat je spieren op chemische energie werken
Project NaTech - Elektriciteit
16
22 De capaciteit van een batterij
Een batterij gaat maar een bepaalde tijd mee. Die tijd hangt natuurlijk ook
af van de stroomsterkte die de batterij moet leveren. Hoe groter de
stroomsterkte, des te eerder is de batterij leeg.
De capaciteit van een batterij of accu wordt uitgedrukt in mAh. Dat is een
combinatie van stroom (in milliampère) en de tijd (in uur). Daarvoor kun je
de volgende formule gebruiken:
capaciteit (mAh)  stroomsterkte (mA)  tijd (uur )
Een capaciteit van 2300 mAh betekent dat de batterij gedurende 23 uur een
stroom van 100 mA kan leveren, of bijvoorbeeld 230 uur een stroom van 10
mA.
 Hoe lang kan deze batterij een stroom leveren van 0,50 A?
Een oplaadbare batterij
met een capaciteit van
2300 mAh
Een kwartsklok kan op deze batterij bijna 1 jaar werken (ongeveer 8500
uur).
 Hoe groot is de stroomsterkte door de kwartsklok?
23 Een zaklantaarn
Een normale zaklantaarn werkt op drie D-type batterijen die achter elkaar
(in serie) geschakeld zijn.
 Hoe zijn de batterijen en het lampje met elkaar verbonden? Teken de
verbindingsdraden.
 Hoe groot is de spanning waar het lampje op werkt?
De stroomsterkte door het lampje is 750 mA, en dat betekent dat de stroom
door elke batterij 750 mA bedraagt.
 Hoe groot is de capaciteit van een D-type batterij?
 Hoeveel uur kan het lampje branden op drie batterijen?
Een alkaline knoopcel voor een horloge (zie tabel op blz. 18) levert ook een
spanning van 1,5 volt. Toch is het niet handig om drie knoopcellen te
gebruiken het lampje te laten branden.
 Waarom is het niet handig om drie van dergelijke knoopcellen te gebruiken
om een lampje te laten branden?
 Hoe lang zou het lampje kunnen branden op drie knoopcellen?
Project NaTech - Elektriciteit
17
Voltage (V)
Elektrochemisch
systeem
Capaciteit
(mAh)
Type
6
3
1.5
1.5
1,5
1,2
Lithium
Lithium
Alkaline
Alkaline
Alkaline
Nikkel Metaal Hydride
1400
870
2600
1200
16500
2500
Foto-batterij
Fotobatterij
AA
AAA
D
Oplaadbaar
3
3
1.5
12
14,8
6
Lithium
Lithium
Alkaline
Lood-zuur
Lithium ion (Li-ion)
Nikkel Metaal Hydride
170
90
50
44.000
4000
650
Knoop
Knoop
Horloge
Auto-accu
Notebook-accu
GSM-accu
Maximale
stroomsterkte
Gewicht
Voltage (V)
Elektrochemisch
systeem
Capaciteit
(mAh)
Type
Maximale
stroomsterkte
Gewicht
Project NaTech - Elektriciteit
18
24 Energie en capaciteit
De capaciteit van een batterij geeft aan hoeveel elektrische stroom de
batterij in totaal kan leveren. Dat is niet hetzelfde als de energie die de
batterij levert. De energie hangt ook nog af van de spanning die de batterij
levert (dat komt omdat de stroom dan met meer ‘kracht’ door het apparaat
getrokken wordt).
Als een apparaat heel veel energie verbruikt dan wordt vaak een accu met
een hogere spanning gebruikt.
 Geef een voorbeeld van een apparaat dat veel energie gebruikt, en dat werkt
op een accu met een hoge spanning.
In auto’s komen ook steeds meer elektrische apparaten, en sommige van
die apparaten gebruiken erg veel elektrische energie. Een normale auto-accu
levert een spanning van 12 volt, maar dat is nu eigenlijk te weinig. In de
toekomst zullen we ook accu’s zien die op 42 volt werken.
 Noem één elektrisch apparaat in de auto dat erg veel energie verbruikt.
Toyota Prius
Technische gegevens
Elektromotor
Type: Permanente Magneet
Max. vermogen: 35 kW
HV Batterij
Type: Ni-MH
Output: 273.6 V
(38 modules van 7.2 Volt)
Capaciteit: 6,5 Ampère-uur
Gewicht: 60 kg
De Toyota Prius (de eerste commerciële hybride auto) heeft een wel heel
bijzondere accu, met een spanning van 273,6 volt.
 Waarom heeft deze auto zo’n zware accu nodig?
Deze accu levert wel een extra veiligheidsrisico op voor de gebruiker.
 Wat is het gevaar bij deze accu?
25 Eigenschappen van batterijen
In het schema zijn al enkele eigenschappen van batterijen en accu’s
opgenomen. Om de verschillende soorten batterijen goed met elkaar te
kunnen vergelijken kijken we naar de volgende eigenschappen:

Systeem

Spanning

Capaciteit
Gewicht
 Grootte


Stroom
Welke stoffen en/of chemische reactie leveren de energie?
Is de batterij oplaadbaar of niet?
Hoe groot is de spanning die de batterij levert? Is dat de
juiste spanning voor de toepassing?
Hoe groot is de capaciteit van de batterij? Gaat de batterij
dan lang genoeg mee?
Een zware batterij is in sommige gevallen erg onhandig
Afmetingen spelen vaak ook een rol. Een gehoorapparaat
heeft een andere batterij nodig dan een mobieltje
Elke batterij heeft ook een maximale stroomsterkte, en als
een batterij wel de juiste spanning levert, maar niet
voldoende stroom dan werkt het apparaat niet.
In het lokaal is een groot aantal spanningsbronnen aanwezig. Onderzoek de
spanningsbronnen op de eigenschappen die hierboven staan. Sommige
eigenschappen staan al in de tabel, die hoef je dus niet meer te
onderzoeken (maar als aankomend kritisch wetenschapper wil je dat
misschien wel controleren, vraag je docent) .
Project NaTech - Elektriciteit
19
Type
Systeem
Spanning
(volt)
Capaciteit
(mAh)
Gewicht
(gram)
Afmetingen
(cm)
Max. stroom
(mA)
Lood-accu
Chemische
energie
Aggegraat
Brandstofcel
chemische
energie
Dynamo
bewegingsenergie
GSM-accu
Project NaTech - Elektriciteit
20
26 Toepassingen van batterijen
Batterijen, accu’s en oplaadbare batterijen worden in zeer veel verschillende
apparaten gebruikt. Niet elke batterij is geschikt voor elke toepassing, en de
fabrikant van een apparaat zorgt er wel voor dat de geschikte batterij ook in
het apparaat past. De keuze voor de ene of de andere soort zal afhangen
van de omstandigheden waaronder de spanningsbron gebruikt zal worden.
Daarnaast zijn er speciale accu’s, bijvoorbeeld voor de laptop of de GSM die
speciaal bij één apparaat passen.
Bij de onderstaande vragen moet je nagaan welke spanningsbronnen voor
de genoemde toepassing geschikt zijn. Daarbij kun je kiezen uit de
batterijen van de tabel en de spanningsbronnen in het lokaal,
 Welke spanningsbronnen uit de tabellen kunnen een fietslampje laten
branden?
 Welke spanningsbron is het meest geschikt om in plaats van een dynamo de
lampjes op een fiets te laten branden?Waarom?
 Welke spanningsbron is het meest geschikt om in plaats van een dynamo de
lampjes op een scooter te laten branden?Waarom?
27 INLEVEROPDRACHT: Tuinverlichting
Je wilt zelf een tuinverlichting aanleggen die bestaat uit 10 fietslampjes. In
de tuin is werken met netspanning te gevaarlijk, dus je moet een andere
oplossing bedenken. Verder wil je niet steeds de batterijen moeten
vervangen.
 Hoe zou jij de verlichting ontwerpen? Maak een tekening, en leg uit welke
onderdelen de schakeling bevat. Noteer ook welke eisen je stelt aan deze
onderdelen.
Project NaTech - Elektriciteit
21
28 Horloge
Een horloge werkt op een knoopcel van 3 volt.
 Welke andere spanningsbronnen kunnen het horloge laten werken?
 Waarom is een knoopcel de meest geschikte spanningsbron?
 Waarom is een knoopcel van 3 volt beter dan een even grote knoopcel van
1,5 volt?
29 Feestje vieren
Voor een speciale gelegenheid wil je een feestje vieren in een weiland.
Naast verlichting en geluidsapparatuur moet er een koelkast en een
biertapinstallatie aangesloten kunnen worden.
 Welke spanningsbron is hier het meest geschikt? Waarom?
30 Speciale accu’s
Mobieltjes hebben vaak een speciale platte accu. Elk merk heeft zijn eigen
accu’s, en vaak ook nog verschillende types. Dat heeft uiteraard met
vormgeving te maken, maar de accu’s hebben ook andere eigenschappen
die voor het mobieltje belangrijk zijn.
 Welke eigenschappen van de accu’s zijn belangrijk?
De capaciteit van de GSM-accu’s is vrij laag, en dat betekent dat je niet zo
lang kunt bellen. Waarom nemen ze geen accu’s met een grotere capaciteit?
 Hoe lang kun je bellen met een GSM op een volle accu? Hoe groot is dan
ongeveer de stroomsterkte die de accu moet leveren?
 Ook als je niet belt gebruikt een GSM vrij veel elektrische stroom. Waarom?
Hoe groot is die stroom ongeveer?
De accu van een laptop is vaak groot en zwaar.
 Waarom heeft een laptop zo’n grote accu nodig?
 Welke andere eigenschap(pen) van de laptop-accu is (zijn) verschillend van
de meeste andere oplaadbare batterijen?
Project NaTech - Elektriciteit
22
NaTech - Parallelproject Elektriciteit
5 De elektriciteitscentrale
Op de foto hiernaast zie je een ouderwetse stoomtrein. De eerste
stoomlocomotief ter wereld werd in 1804 in Engeland gebouwd. De eerste
echt praktisch toepasbare stoomlocomotief werd The Rocket, gebouwd door
spoorwegpionier George Stephenson in 1829. In die tijd reden er nog geen
auto’s rond, de eerste auto met een benzinemotor werd door Benz
ontwikkeld in 1886.
Stoomlocomotief
1829: Stephenson’s Rocket
1886: Benz auto met benzinemotor
De stoomlocomotief is verdwenen, maar dat betekent niet dat de
stoommachine verdwenen is! De moderne treinen rijden immers op
elektriciteit, en in vrijwel elke elektriciteitscentrale staat ..... een
stoommachine.
Voor de twee volgende experimenten wordt de klas verdeeld in groepjes van
2 of 3 personen. De helft van de groepjes gaat het experiment met de
stoommachine uitvoeren, de andere helft gaat het experiment met de
dynamo uitvoeren.
Na afloop van het experiment laat je jouw experiment zien aan een groepje
dat het andere experiment gedaan heeft.
31 Experiment 1 - de stoommachine
Je krijgt een schaalmodel van een stoommachine. Bekijk het model eerst
goed, en laat het daarna werken op een brandstoftablet. Volg de
aanwijzingen van de docent.
 Beschrijf in je eigen woorden hoe een stoommachine ‘werkt’.
Project NaTech - Elektriciteit
23
32 Experiment 2 - de dynamo
Je krijgt een schaalmodel van een generator. Door te draaien levert de
generator (of dynamo) elektriciteit.
Lees eerst op blz. 43 in het informatieboek 2 van de methode Koppeling
over de werking van een dynamo.
 Welke twee onderdelen in een dynamo zorgen ervoor dat er een elektrische
spanning ontstaat?
 Welk type lampje kan op deze dynamo branden?
 Hoe groot is de spanning en de stroom die deze generator levert?
 Waarom heeft deze generator een overbrenging met tandwielen?
33 Elektriciteitscentrale
Een elektriciteitscentrale werkt meestal op fossiele brandstof, maar soms
wordt een andere energiebron gebruikt om elektriciteit op te wekken (zon,
wind, water en kernenergie).
Lees blz. 51 t/m 53 uit Koppeling – Informatieboek 2
 Noem drie fossiele brandstoffen.
 Hoe zijn fossiele brandstoffen ontstaan?
Bij fossiele brandstoffen zegt men vaak dat ze ooit uitgeput zullen raken..
 Wat wordt bedoeld met uitputting?
 Welke soort fossiele brandstof zal het minst snel uitgeput raken?
Het broeikaseffect wordt voor een groot deel veroorzaakt door fossiele
brandstoffen.
 Leg uit hoe fossiele brandstoffen het broeikaseffect versterken.
 Noem enkele mogelijke gevolgen van het broeikaseffect.
Project NaTech - Elektriciteit
24
34 Website Energieland van Essent
Bezoek de website Energieland van Essent (via Boni – ELO- natuurkunde 2e
klas – onderwerp 5) en bezoek de centrales.
 Essent heeft vier grote elektriciteitscentrales waar fossiele brandstoffen
worden verstookt. Welke andere soorten centrales heeft Essent nog meer?
(Kijk onder het kopje VAN ESSENT)
 Kijk onder het kopje HOE WERKT HET? en beantwoord daarna de vragen
hierna.
35 Hoe werkt een normale elektriciteitscentrale?
Een normale elektriciteitscentrale bestaat uit vier onderdelen: de ketel, de
turbine, de generator en de condensor. In de ketel wordt water verwarmd
door een brander. De stoom uit de ketel zet een turbine in beweging, en de
turbine laat een generator (een grote dynamo) draaien. In de condensor
wordt de stoom weer omgezet in water. In fig. 13 zie je een schematische
tekening van de centrale.
D=........
C=...........
B=.......
A = condensor
 Noteer in de figuur de namen van de onderdelen B, C en D.
Bij het produceren van elektrische energie wordt de chemische energie van
de brandstof via een aantal tussenstappen omgezet in elektrische energie.
 Beschrijf voor de onderstaande onderdelen van de elektriciteitscentrale de
energieomzetting. Vul op de stippeltjes de energiesoort in:

in de ketel wordt . . . . chemische energie . . . . . .
omgezet in . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

in de turbine wordt . . . . . . . . . . . . . . . .
omgezet in . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

in de generator wordt . . . . . . . . . . . . . . . .
omgezet in . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
In de condensor wordt de stoom uit de turbine gecondenseerd. De warmte
van de stoom wordt omgezet in warmte van het koelwater.
Project NaTech - Elektriciteit
25
36 Soorten elektriciteitscentrales
De meeste elektriciteitscentrales wekken elektriciteitsenergie op door water
in een stoomketel te verwarmen door middel van het verbranden van
(fossiele) brandstoffen . Het water wordt omgezet in stoom en onder hoge
druk door een turbine geperst. De turbine gaat draaien en brengt op deze
manier een generator op gang die elektriciteit produceert.
Er zijn zeer veel verschillende soorten elektriciteitscentrales. De
onderstaande tabel is niet volledig, maar het zijn de meest voorkomende
centrales.
Kolencentrale
Biomassacentrale
Golfslagcentrale
Oliecentrale
Kerncentrale
Gascentrale
Waterkrachtcentrale
Zonne-energie
Getijdencentrale
Vuilverbrandingscentrale
Windturbines
Op blz. 50 en 54 t/m 57 in Informatieboek 2 van de methode
Koppeling vind je veel informatie over elektriciteitscentrales.
 Bij één van de in de bovenstaande tabel genoemde centrales wordt géén
generator gebruikt. Welke is dat?
 Bij welke van de in de bovenstaande tabel genoemde centrales wordt het
principe van een stoommachine gebruikt?
 Bij welke centrales wordt bewegingsenergie als energiebron gebruikt?
 Welke centrales leveren groene stroom?
Project NaTech - Elektriciteit
26
37 Piekvermogen en brandstofverbruik
Als een grote elektriciteitscentrale op piekvermogen werkt, levert hij een
vermogen van 1200 MW (dat is 1.200.000 kW) aan het elektriciteitsnet. Een
doorsnee-huishouden neemt dan gemiddeld over de hele dag een elektrisch
vermogen van 1,8 kW op.
 Bereken hoeveel huishoudens dan door de centrale van elektrische energie
kunnen worden voorzien.
 Hoeveel kWh elektrische energie produceert de centrale dan op 1 dag?
Een elektriciteitscentrale gebruikt enorme hoeveelheden brandstof. Een
centrale die op steenkool werkt maakt van 1 kg steenkool 3,2 kWh
elektrische energie.
 Bereken hoeveel kg steenkool er dan op één dag wordt verbrand.
De centrales werken bijna nooit op volle kracht. Dat komt omdat het
verbruik ook sterk wisselt. Als er door de mensen meer elektrische energie
gebruikt wordt dan moet de centrale harder gaan draaien.
 Wanneer zal het verbruik het hoogst zijn: overdag of ’s avonds?
 Noem één maatregel waarmee je het energiegebruik beter kunt spreiden
over de dag.
38 Zonnecellen
Op een zomerse dag kan het zonlicht een vermogen van 1200 W afgeven
aan 1 m2 bestraald oppervlak. Het oppervlak moet daarvoor loodrecht op de
richting van het licht staan.
 Het maximale rendement van zonnecellen ligt op dit moment rond de 20%.
Bereken hoeveel watt elektrisch vermogen een paneel zonnecellen van 1 m2
kan leveren.
 Bereken hoeveel panelen van 1 m2 op z'n minst nodig zijn om een elektrische
pomp van 800 W te laten werken.
Carlijn beweert dat duurzame energie uiteindelijk allemaal zonne-energie is.
 Noteer zoveel mogelijk verschillende energiebronnen die indirect afkomstig
zijn van zonne-energie.
Project NaTech - Elektriciteit
27
39 STEG-centrale
Een stoom- en gascentrale of afgekort STEG-centrale is een
elektriciteitscentrale waarbij twee turbines worden aangedreven. De eerste
turbine is een gasturbine en wordt aangedreven door het verbranden van
aardgas. De tweede turbine wordt aangedreven door stoom die wordt
gemaakt door water te verhitten met de warmte van de afgassen (zeg maar
de uitlaatgassen) van de gasturbine in een afgassenketel.
 Wat is het verschil tussen een gasturbine en een stoomturbine?
STEG-installaties die naast elektriciteit ook warmte leveren worden wamtekrachtkoppelingen genoemd. Op deze wijze kan een centrale een hoog
energie rendement halen van ver in de 80%. Ter vergelijk: een
kolencentrale heeft een rendement van omstreeks 40%.
 Leg uit dat het hoge rendement bij warmte-kracht-koppeling niet betekent
dat er met dezelfde hoeveelheid energie meer elektriciteit wordt gemaakt.
40 Kerncentrale
Bij een kerncentrale is het rendement nog lager, ca 25%, wat tot gevolg
heeft dat een kerncentrale een grote hoeveelheid warmte via het koelwater
in het milieu loost.
 Waarom staan kerncentrales vrijwel altijd naast een rivier?
In een warme zomer worden kerncentrales soms tijdelijk buiten bedrijf
gesteld om te voorkomen dat er grote milieu-schade optreedt.
 Welk schadelijk effect zou hier bedoeld worden?
41 Website Energieland van Essent
In het Energieland kom je 10 onderwerpen tegen waar je informatie kunt
opzoeken en testjes kunt doen. Als je alle onderwerpen bezocht hebt kun je
een trofee winnen.
Bezoek het onderwerp KOELTOREN.
 Hoe wordt het water in een koeltoren afgekoeld?
 Waarom is de witte pluim uit de koeltoren niet slecht voor het milieu?
 Waarom zijn koeltorens belangrijk bij warm weer?
Project NaTech - Elektriciteit
28
Bezoek het onderwerp THUIS
 Doe bij WIST JE DAT de veiligheidstest.
 Hoe kun je zien of er goene stroom uit het stopcontact komt?
 Hoeveel CO2 bespaar je jaarlijks als je groene stroom gebruikt?
 Welke energiebespaartips worden er gegeven?
Bezoek het onderwerp ZONNECENTRALE
 Welke energiebronnen zijn allemaal afkomstig van de zon? Welke niet?
 Wat is het verschil tussen een zonneboiler en een zonnecel?
Bezoek alle onderwerpen in het Energieland. Doe daarna de eindtest die uit
6 vragen bestaat.
 Welke vragen wist je niet?
Project NaTech - Elektriciteit
29