De elektrische huisinstallatie

Natuurkunde H2
§2.2 Elektrische schakeling:
Stroomkring:
Apparaten werken alleen als er een gesloten stroomkring is. Deze bestaat uit een
spanningsbron, twee snoeren en een apparaat.
Symbolen: Je moet een aantal symbolen kennen. Deze staan in het boek (pagina 36).
De elektrische huisinstallatie:
Overeenkomsten met een stroomkring:
- spanningsbron (staat in de elektriciteitscentrale, hier staat een dynamo/generator)
- verbindingsdraden (vanuit de spanningsbron lopen boven- en ondergrondse kabels naar de
huisinstallatie).
- apparaten.
Fietsverlichting:
Hier is ook een stroomkring. De spanningsbron is de dynamo, er loopt een snoer naar de
koplamp, tweede snoer is het fietsframe, en de koplamp is het apparaat.
Spanningsbronnen:
Batterij en accu: In batterijen en accu’s wordt chemische energie omgezet in elektrische
energie. Ze bestaan uit cellen. Batterijen hebben cellen die een gelijkspannen van ongeveer
1,5V geven. Accu’s hebben cellen die ongeveer 2V geven. Als je meerdere cellen achter
elkaar zet krijg je een batterij of accu van meer Volt.
Dynamo: Er wordt bewegingsenergie (kinetische energie) omgezet in elektrische energie.
Dynamo’s geven meestal wisselspanning. Een grote dynamo heet ook wel een generator. In
Nederlandse elektriciteitscentrales worden deze aangedreven door stoom. Dit komt vrij bij
verbranding van fossiele brandstof. Dit zorgt voor uitputting en vervuiling van het milieu.
Stopcontact: Een stopcontact is de spanningsbron in een huisinstallatie. Deze geeft een
wisselspanning van 230V. Er staat alleen geen ‘normale’ wisselspanning op. Er komt uit één
draad een spanning die wisselt tussen de +230V en -230V, wat 50 keer per seconde gebeurt
(frequentie van 50Hz). Dit is de spanningsdraad. De andere draad is verbonden met de aarde
en hierop staat een ‘spanning’ van 0V. Dit wordt de nuldraad genoemd.
Zonnecel: Deze zet stralingsenergie om in elektrische energie. Ze geven gelijkspanning.
Spanning en stroomsterkte:
Spanningsmeter: De spanning U meet je in een stroomkring met een spanningsmeter. De
eenheid van U is volt (V). Een spanningsmeter schakel je parallel aan de spanningsbron of
het apparaat waarover je de spanning wilt meten.
Stroommeter: De stroomsterkte I in een bepaalt punt meet je met een stroommeter
(ampèremeter). De eenheid van stroomsterkte is ampère (A). De ampèremeter schakel je
altijd in serie met het apparaat waardoor je de stroomsterkte wilt meten.
Weerstand:
De stroomsterkte hangt af van de spanning, maar ook van het apparaat. Hoe groter de
spanning, hoe groter de stroomsterkte. Het ene apparaat laat de elektrische stroom
gemakkelijker door dan de ander. Dus: apparaten hebben een verschillende weerstand. Hoe
kleiner de weerstand, hoe groter de stroomsterkte door het apparaat.
Weerstand is te bepalen als je U en I meet. Er luidt de volgende formule:
U: spanning in Volt (V)
R: weerstand in ohm (Ω)
I: stroomsterkte in ampère (A)
Bij constantaandraad zijn spanning en stroomsterkte recht evenredig aan elkaar.
Bij een gloeidraad zijn spanning en stroomsterkte niet recht evenredig. Bij toenemende
spanning en stroomsterkte wordt de weerstand steeds groter.
Stroomsterkte door apparaten:
In een huisinstallatie zijn apparaten aangesloten op de netspanning van 230V. De
stroomsterkte door die apparaten hangt af van het soort apparaat. Zo hebben apparaten
met verwarmingselementen een kleinere weerstand en is de stroomsterkte dus ook groter.
Lichaam onder spanning:
Netspanning aanraken kan gevaarlijk zijn. Dit hangt af van de sterkte van de stroom die door
het lichaam loopt en de lichaamsweerstand. Als je een droge huid hebt is de
lichaamsweerstand ongeveer 30kΩ. Dit veroorzaakt een stroomsterkte van ongeveer 8mA,
maar bij een vochtige huid is de weerstand ongeveer tien maal zo klein.
Er zijn oplossingen zodat het veiliger wordt:


Randaarde: er zijn extra contacten in een stopcontact. Deze zijn verbonden met een
aarddraad. Zo is een apparaat toch rechtstreeks met de aarde verbonden.
Aardlekschakelaar: deze zit (meestal) in de meterkast. De aardlekschakelaar vergelijkt
voortdurend de stroomsterkte door de spanningsdraad en nuldraad. Als er een
verschil zit tussen die twee stroomsterktes schakelt hij de elektrische huisinstallatie
uit.
§2.3 Serie- en parallelschakeling:
Serieschakeling:
Hierin zijn apparaten of weerstanden achter elkaar geschakeld. De stroomsterkte is over al
hetzelfde in de schakeling. De spanning verschilt over de verschillende weerstanden. Hoe
groter de weerstand, hoe groter de spanning. De vervangingsweerstand is hier te berekenen
door de weerstanden bij elkaar op te tellen.
Itot = I1 = I2
Utot = U1 + U2
Rv = R1 + R2
Parallelschakeling:
Hierin staat de apparaten beide rechtstreeks aangesloten op de spanningsbron. De spanning
U is overal gelijk. De stroomsterkte I verdeelt zich over de twee weerstanden. Bij een
parallelschakeling horen de volgende formules:
Utot = U1 = U2
Itot = I1 + I2
1
𝑅𝑣
1
1
= 𝑅1 + 𝑅2
Spanningsregeling:
Soms moet een spanning op een bepaalde waarde worden gesteld. Hiervoor heb je
bijvoorbeeld schuif- of draaiweerstanden (of: potentiometer). Je kunt ze op twee
verschillende manieren in de schakeling opnemen.
Variabele weerstand: Als je in een schakeling een variabele weerstand en lamp hebt zijn
deze in serie geschakeld. Met de variabele weerstand kan je de spanning bepalen die over
de lamp gaat. Dit kan tussen de minimum- en maximumwaarde. De maximumwaarde is de
spanning van de spanningsbron.
Spanningsdeler: Bij een spanningsdeler heb je twee uitgangen (i.p.v. één wat bij de variabele
weerstand is). Je kunt dus eigenlijk bepalen hoeveel er naar de ene uitgang gaat en naar de
andere. Voorbeeld: als je een spanningsbron van 10V hebt en deze komt bij een
spanningsdeler van 20Ω. Aan beide uitgangen staat een lampje. Als je spanningsdeler in het
midden zet (beide uitgangen 10Ω), verdeelt deze de spanning over 5V en 5V.
Overbelasting en kortsluiting:
De elektrische huisinstallatie is een parallelschakeling. Ieder apparaat is aangesloten op de
netspanning van 230V. De stroomsterktes van de apparaten worden bij elkaar opgeteld,
maar er is een maximale waarde (meestal 16A). Bij een grotere stroomsterkte is er
overbelasting. Het isolatiemateriaal kan dan doorbranden en dan ontstaat er kortsluiting (de
koperen kernen van de spanning- en nuldraad raken elkaar). Er zijn hiervoor twee
beveiligingen:
Groepindeling: Er zijn verschillende groepen waar een aantal apparaten op aangesloten zijn.
Iedere groep heeft een eigen spannings- en nuldraad. Hierdoor wordt de stroomsterkte
beperkt gehouden en overbelasting voorkomen.
Zekering: In de meterkast zit ook een zekering. Deze zorgt ervoor dat als er een te grote
stroomsterkte is de installatie uitschakelt. Dit gebeurt doordat het smeltdraad (onderdeel
van de spanningsdraad) doorbrandt, waardoor het verklikkerplaatje losspringt.
§2.4 Elektrische energie en vermogen:
Energieomzetting:
Een spanningsbron levert elektrische energie. Een elektrische stroom bestaat uit elektrische
lading (elektronen). De elektrische lading neemt de elektrische energie met zich mee. Een
apparaat is een energieomzetter. Het zet de elektrische energie om in andere vormen van
energie (bewegingsenergie, stralingsenergie, warmte).
Elektrisch vermogen:
Elektrisch vermogen (Pe) geeft aan hoeveel elektrische energie (Ee) er per seconde wordt
omgezet. Het vermogen hangt af van de elektrische energie en de tijdsduur (t) waarin dat
gebeurt.
Ee: elektrische energie in Joule of Wattseconde (J of Ws)
Pe: eletrisch vermogen in Joule/seconde of Watt (J/s of W)
t: tijdsduur in seconden (s)
Je kunt het elektrisch vermogen ook bepalen uit de spanning
(U) en stroomsterkte (I).
Pe: elektrisch vermogen in Joule/seconde of Watt (J/s of Watt)
U: spanning in Volt (V)
I: stroomsterkte in ampère (A)
De vorige formule kun je ook weer samenvoegen met de formule U = I ∙ R.
Als je in de formule P = U ∙ I de U vervangt door I ∙ R (want in de formule hierboven staat dat
U, I ∙ R is) krijg je de volgende formule.
Pe: elektrisch vermogen in Joule/seconde of Watt (J/s of Watt)
I: stroomsterkte in ampère (A). In dit geval neem je deze in
het kwadraat.
R: weerstand in ohm (Ω)
Deze kan dan natuurlijk ook andersom. Als je I vervangt door U/R krijg je de formule:
U: spanning in Volt (V). In dit geval neem je deze in het
kwadraat.
R: weerstand in ohm (Ω)
Pe: elektrisch vermogen in Joule/seconde of Watt (J/s of Watt)
Kilowattuur:
In de energieformule (E=P*t) is de omgezette energie in joule of Ws. Een andere eenheid die
gebruikt wordt is kilowattuur. Er geldt: 1 kWh = 3,6 MJ (ofwel 3,6*106 J)
Warmteontwikkeling:
In een weerstand wordt alle elektrische energie omgezet in warmte. Voor een weerstand
geldt dus: Q = Ee = Pe * t = U * I * t = I2 * R * t.
§2.5 Weerstand:
Weerstand en temperatuur:
Een stroom door een weerstand (een onderdeel) zorgt voor warmteontwikkeling. Dit zorgt
weer voor warmtestijging. Hierdoor kan de grootte van de weerstand (van een onderdeel)
veranderen.
Bij een constantaandraad zijn spanning en stroomsterkte evenredig. Dit wordt ook wel de
wet van Ohm genoemd. Bij veel materialen is de weerstand niet constant. Hier geldt: hoe
groter de stroomsterkte, hoe groter de warmteontwikkeling, des te hoger de temperatuur
van de gloeidraad. Hierbij geldt de wet van Ohm dus ook niet.
Temperatuur- en lichtgevoelige weerstanden:
Je hebt verschillende weerstanden:
1. PTC-weerstand: weerstand met een positieve temperatuurcoëfficiënt (hoe hoger de
temperatuur, hoe hoger de weerstand). Dit zijn geleiders. (constantaandraad is een
PTC-weerstand, maar de weerstand neemt zo weinig toe dat hij vrijwel constant is).
2. NTC-weerstand: weerstand met een negatieve temperatuurcoëfficiënt (hoe hoger de
temperatuur, des te lager de weerstand). Dit zijn halfgeleiders.
Van halfgeleidermateriaal kan men ook een LDR (Light Dependent Resistor) maken. Dan
geldt er: hoe meer licht erop valt, des te lager de weerstand is.
Diode:
Een diode is een weerstand die gevoelig is voor de richting van de stroom die erdoorheen
gaat. Het is een halfgeleidermateriaal. De diode heeft twee aansluitpunten: anode en
kathode. De stroom kan alleen van de anode naar de kathode.
Een led (light emitting diode) is een soort diode. Als je hem aansluit in de doorlaatrichting
geeft deze licht.
Een diode kan ook als gelijkrichter gebruikt worden. Dit is nodig als een apparaat werkt op
gelijkspanning, maar aangesloten is op netspanning (wisselspanning). Met de
Greatzschakeling zijn de diodes zo in de schakeling opgenomen dat de stroom altijd in
dezelfde richting door de weerstand loopt. Hierdoor is er dus een soort gelijkspanning.
Soortelijke weerstand:
De weerstand van een draad hangt ook af van de afmetingen en het materiaal. Hiervoor is
een formule:
𝑙
𝑅 =𝜌 ∙𝐴
of
𝑙=
𝑅∙𝐴
𝜌
R = weerstand in Ohm (Ω)
ρ = soortelijke weerstand (in Ωm)
l = lengte in meters (m)
A = het oppervlak van de dwarsdoorsnede (m2)
De waarde van de soortelijke weerstand hangt af van het soort materiaal.
De oppervlakte A is te berekenen als je de diameter (d) of de straal (r) weer. Hiervoor is de
1
formule: 𝐴 = 𝜋 ∙ 𝑑2 = 𝜋 ∙ 𝑟 2
4
Draadweerstand:
In de huisinstallatie zijn de draden van koper. Hiervan kan je de soortgelijke weerstand
opzoeken in BINAS. Als men weet wat de oppervlakte A van de draad is en de lengte van de
draad, is de weerstand te berekenen. Dan kan men met te weten dat netspanning 230V is
berekenen hoeveel de stroomsterkte dan zou zijn.