Elektriciteit van Amber tot Onmisbaar

Elektriciteit
van Amber tot Onmisbaar
Inhoud
Inleiding........................................................................................................................................................................... 4
Een praktische toepassing van gelijkspanning................................................ 5
Van amber tot een machine voor statische elektriciteit..................... 6
Geschiedenis......................................................................................................................................................6
De aantrekkingskracht van amber bij de oude Grieken.......................................................... 6
De mysterieuze krachten van magnetisme.................................................................................... 6
De eerste ‘elektriseermachine’ voor statische elektriciteit..................................................... 6
Eerste ervaring met een geleider en isolator voor elektriciteit.............................................. 6
Wat we nu weten............................................................................................................................................7
De rol van elektronen ................................................................................................................................ 7
Geleiders en isolatoren voeren elektriciteit in de juiste banen.............................................. 8
Doorslag en overslag.................................................................................................................................. 8
Supergeleiders............................................................................................................................................... 8
Richting van een elektrische stroom in een gesloten stroomkring.................................... 9
Statische elektriciteit................................................................................................................................... 9
Van statische elektriciteit tot de batterij................................................................... 10
Geschiedenis.................................................................................................................................................. 10
De eerste opslag van elektriciteit voor later gebruik............................................................... 10
Levensgevaarlijke experimenten met bliksem............................................................................ 10
Eerste inzichten in elektriciteit............................................................................................................. 11
De eerste batterij........................................................................................................................................ 11
Relatie spanning, stroom en weerstand....................................................................................... 12
Uitvinding van de ‘droge’ batterij...................................................................................................... 12
Uitvinding van de loodaccu.................................................................................................................. 12
Wat we nu weten........................................................................................................................................ 13
Batterijen........................................................................................................................................................ 13
Brandstofcel................................................................................................................................................. 13
Zonnepaneel................................................................................................................................................. 14
Van elektriciteit naar warmte...................................................................................................... 15
Geschiedenis.................................................................................................................................................. 15
De stoommachine voor het verrichten van arbeid................................................................... 15
Paardenkracht............................................................................................................................................. 15
Eerste omzetting van elektriciteit in een andere energievorm........................................... 15
Wat we nu weten........................................................................................................................................ 16
Elektrische warmte................................................................................................................................... 16
Vermogen....................................................................................................................................................... 16
2
Elektriciteit, van Amber tot Onmisbaar
Van magnetisme tot dynamo...................................................................................................... 17
Geschiedenis ................................................................................................................................................ 17
Eerste omzetting van elektriciteit in mechanische kracht.................................................... 17
Sterker magnetisch veld door middel van een solenoïde.................................................... 17
Ontdekking van de elektromagnetische inductie..................................................................... 17
Eerste machine voor productie van elektriciteit........................................................................ 18
Constructie van de eerste gelijkstroomgenerator voor hoog vermogen..................... 19
Eerste transport van elektrische energie als bron voor mechanische energie......... 19
Aandrijving van de dynamo door een turbine............................................................................ 20
De eerste grootschalige praktische toepassingen van elektriciteit ............................... 20
De eerste productie van elektriciteit in Antwerpen.................................................................. 21
Wat we nu weten........................................................................................................................................ 23
Magnetisme.................................................................................................................................................. 23
Primaire energie.......................................................................................................................................... 23
Productierendementen........................................................................................................................... 24
Galvanometer en universeelmeter .................................................................................................. 24
AC en DC stroom...................................................................................................................................... 25
Snelheid van een elektrische stroom.............................................................................................. 25
Wet van Ohm............................................................................................................................................... 25
Spanningsval................................................................................................................................................ 25
Voorkeur voor wisselspanning................................................................................................ 26
Geschiedenis.................................................................................................................................................. 26
Het eerste transport van elektriciteit op hoogspanning........................................................ 26
De uitvinding van de transformator.................................................................................................. 26
De eerste distributiezone van elektriciteit..................................................................................... 26
Ontwikkeling van driefasige stroom en de eerste hydro-elektrische centrale.......... 27
Wat we nu weten........................................................................................................................................ 27
Transformatoren......................................................................................................................................... 27
Netfrequentie .............................................................................................................................................. 28
Sinusoïdale spanning............................................................................................................................... 28
DC versus AC.............................................................................................................................................. 29
Effectieve waarde van een spanning.............................................................................................. 29
Driefasige wisselspanning..................................................................................................................... 29
Netaftakking.................................................................................................................................................. 30
Een eenvoudige toepassing van elektriciteit op wisselspanning..................................... 30
Elektrisch ééndraadschema................................................................................................................ 31
Elektrische voedingskringen................................................................................................................ 31
Genormaliseerd tekenen........................................................................................................................ 31
Elektrische belasting ............................................................................................................................... 32
Parallel en serieschakeling.................................................................................................................... 32
Vectoriële voorstelling.............................................................................................................................. 33
Arbeidsfactor en elektrisch vermogen............................................................................................ 33
Piekvermogen.............................................................................................................................................. 34
Bescherming tegen de gevaren van elektriciteit....................................................................... 34
Ontwikkeling na de eerste centrales............................................................................. 35
Elektriciteit, van Amber tot Onmisbaar
3
Inleiding
Deze brochure wil inzicht geven in het ontstaan en de
werking van elektriciteit.
Alle ontwikkelingen in detail behandelen, kan natuurlijk niet.
We beperken ons daarom tot de belangrijkste.
We behandelen tevens bepaalde elementaire begrippen,
manieren van voorstellen en de typische woordenschat
van de elektriciteitssector.
Aan de vele toepassingen van elektriciteit die we momenteel kennen is een periode voorafgegaan van ontdekkingen en proefnemingen die ongeveer 600 jaar voor onze
tijdsrekening begon.
Lange tijd kon men zich geen nuttige toepassing van dit
toch wel eigenaardig verschijnsel indenken. Een verschijnsel dat men niet kan zien, niet kan ruiken en niet kan
vastnemen.
Momenteel is het gebruik van elektriciteit vanzelfsprekend
en onmisbaar. Toch blijft het nog steeds voor velen iets
mysterieus.
Elektriciteit, zoals we het nu kennen, is het resultaat van
talrijke experimenten, het doorgedreven zoeken naar verklaringen voor waarnemingen en het leggen van verbanden.
Heel deze ontwikkeling gebeurde met soms zeer lange
tussenpauzen en dankzij mensen die op grote afstand van
elkaar woonden, geen rechtstreeks contact hadden met
Elektriciteitscentrale in 1919
4
Elektriciteit, van Amber tot Onmisbaar
elkaar en zeer uiteenlopende beroepen uitoefenden.
In het eerste deel van deze brochure hebben we het over
de geschiedenis van de elektriciteit : hoe zij werd ontdekt
en gaandeweg werd bedwongen tot een onmisbare bron
van energie.
In deel twee lichten we toe hoe de elektriciteit vanuit de
productiecentrales, over transport- en distributienetten,
uiteindelijk in het stopcontact bij de gebruiker terechtkomt.
Deel drie brengt honderd en een tips voor een verstandig
en dus spaarzaam gebruik van elektriciteit.
Deel vier, tenslotte, leert aan welke regels je je het beste
houdt om veilig met elektriciteit om te springen.
Wij wensen je alvast veel leesplezier.
Een praktische toepassing van gelijkspanning
Eén van de eenvoudigste toepassingen van elektriciteit is
een zaklamp.
Als we die openen, zien we een batterij die via draadjes of
koperstrips verbonden is met een lampje. Ergens in deze
schakeling zien we een schakelaar.
Schakelaar
Lampje
Verbindingsstrippen
Sluiten we deze schakelaar, dan zal het lampje branden,
openen we dit contact, dan zal het lampje doven.
Batterij, geleiders, lampje en schakelaar vormen een ‘elektrische kring’, ook ‘stroomkring’ genoemd.
Op het eerste gezicht een zeer eenvoudige situatie, maar
wat gebeurt er eigenlijk elektrisch ?
Batterij
Laten we beginnen met de elektrische voeding, in dit
geval een batterij. Hierin bevinden zich twee verschillende
metalen in een zure omgeving. Daardoor is er in de batterij
een chemische reactie waardoor op één aansluiting van de
batterij een hoger elektrisch potentiaal ontstaat dan op de
andere aansluiting. Tussen de twee aansluitingen van de
batterij, ook ‘polen’ genaamd, is er dus een verschil van
potentiaal: een elektrische spanning.
Sluiten we op deze spanning een lamp aan, dan zal
doorheen de elektrische kring een stroom vloeien die in
het lampje wordt omgezet in licht en ook (ongewenste)
warmte.
De spanning van een batterij is een gelijkspanning (meestal
aangeduid als DC spanning, wat staat voor Direct Current).
Bij gelijkspanning blijft de polariteit van de beide polen
steeds dezelfde.
Wensen we meer licht, dan moeten we een zaklamp
gebruiken met een zwaardere batterij (doorgaans ook
een groter model van zaklamp), waardoor we een hogere
spanning hebben en hiermee een krachtiger lampje kunnen laten branden.
Geopende
zaklamp
Geopende
zaklamp
Gloeilamp
Geleiders
Schakelaar
-
+
Batterij
Stroomkring zaklamp
Deze stroomkring is een van de eenvoudigste toepassingen van elektriciteit.
Het heeft echter geduurd van 600 voor Christus tot het
begin van de negentiende eeuw vooraleer men het gedrag
en de mogelijkheden van dergelijke stroomkring kon
doorgronden en zicht kreeg op de relatie tussen spanning,
stroom en het vermogen om een lamp te doen branden en
dus arbeid te verrichten via elektriciteit.
Tot 1830 was er enkel gelijkspanning uit een batterij. Later
werd ook wisselspanning uitgevonden.
Elektriciteit, van Amber tot Onmisbaar
5
Van amber tot een machine voor statische elektriciteit
Geschiedenis
De aantrekkingskracht van amber bij de
oude Grieken
Het waren de Grieken die rond 600 voor Christus de bedenking maakten dat elektriciteit (dat toen echter nog geen
naam had) een eigenschap van bepaalde materialen is.
In het begin van de 20e eeuw construeerde Robert van de
Graaff een variante op de elektriseermachine, de zogenaamde ‘Van de Graaffgenerator’.
Met dergelijk toestel kan een statische spanning worden
bekomen van 5 miljoen Volt.
Het toestel werd vooral gebruikt voor testen op hoogspanningsmateriaal en is nog in tal van labo’s operationeel.
Thales van Milete (natuurwetenschapper en filosoof)
ontdekte dat hij na het ‘opwrijven van een stuk barnsteen
(amber) hiermee bepaalde lichte voorwerpen kon aantrekken. Barnsteen is een lichtgeel, doorzichtig fossiel gesteente dat de capaciteit heeft om lichte voorwerpen zoals
papier en veren aan te trekken wanneer het door wrijving,
bijvoorbeeld met een wollen doek, elektrisch wordt geladen.
Hij kon het verschijnsel echter niet verklaren en zijn vaststelling had geen gevolg tot 1600.
Later heeft men hier inspiratie gevonden voor het woord
‘Elektron’, wat het Griekse woord is voor barnsteen.
De mysterieuze krachten van magnetisme
Een eerste stimulans voor een breder verder onderzoek
naar dit verschijnsel werd in 1600 vanuit Engeland gegeven door William Gilbert, geneesheer van de Engelse
koningin Elisabeth 1, met de publicatie van ‘De Magnete’.
Het was een werk over de aantrekkingskracht van amber
(barnsteen) en van magneten. Hij suggereerde onder meer
dat de aarde zelf als een reuzenmagneet moet worden
beschouwd, wat tevens de werking van een kompas kon
verklaren. De mysterieuze krachten die hiervoor zorgden
noemde hij ‘electrics’.
De eerste ‘elektriseermachine’ voor
statische elektriciteit
Het verschijnsel van elektrostatische elektriciteit werd
verder bestudeerd in 1660 in Duitsland door Otto von
Guericke, burgemeester van Maagdenburg
Hij bouwde de eerste ‘elektriseermachine’.
Deze machine bestond uit een draaiende zwavelbol die
door wrijving met droge handen elektrostatisch kon worden opgeladen en daarna terug ontladen.
Hier werd dus voor de eerste keer op een gecontroleerde
wijze elektriciteit opgewekt.
De Engelsman Hawbeskee werkte verder aan de elektriseermachine en perfectioneerde ze in 1707 door de
zwavelbol te vervangen door een glazen bol.
6
Elektriciteit, van Amber tot Onmisbaar
Elektriseermachine
Van de Graaffgenerator
Eerste ervaring met een geleider en isolator
voor elektriciteit
Rond 1732 experimenteerde in Engeland Stephen Gray,
een handelaar in verven en amateur astronoom, met een
elektriseermachine en slaagde erin om de opgewekte
statische elektriciteit over een 800 meter lang henneptouw
te geleiden.
Dat henneptouw was opgehangen aan zijden draden en
daardoor geïsoleerd van de aarde.
Stephen Gray bouwde hier eigenlijk als eerste een primitief
elektriciteitsnet, met een doordacht gebruik van geleiders
en isolatoren om elektriciteit te transporteren.
Wat we nu weten
De rol van elektronen
Om een degelijke uitleg te kunnen geven voor het fenomeen elektriciteit, was het wachten tot 1920, toen in
Nieuw-Zeeland de natuurkundige Rutherford erin slaagde
het atoom te ontleden.
Rutherford stelde dat
een atoom is samengesteld uit een kern
waarrond elektronen
draaien.
De kern heeft een
positieve lading en de
elektronen een gelijke negatieve lading,
waardoor het geheel
elektrisch neutraal is.
Verder onderzoek
toonde aan dat de kern
is samengesteld uit
protonen en neutronen.
Rutherford
Onafhankelijk van het
atoom waarvan ze deel
uitmaken, bevat elk elektron een zelfde negatieve lading en
elk proton een zelfde positieve lading.
Iedere schil kan maar een beperkt aantal elektronen bevatten.
In rust is het aantal protonen in de kern van een atoom
steeds gelijk aan het aantal elektronen. Dit aantal wordt
weergegeven door het ‘atoomgetal’ of ‘atoomnummer’
(tabel van Mendelejev).
Het wegnemen van elektronen of het toevoegen van
elektronen kan de elektrische lading van een atoom
veranderen, zodat het respectievelijk een positieve of een
negatieve lading heeft.
Dit laatste gebeurt dus bij de ‘elektriseermachine’. Zonder
wrijving van de zwavelbol of de glazen bol, bevatten de
atomen van de bol evenveel protonen als elektronen. De
atomen zijn dus in evenwicht en de bol heeft geen lading.
Door de wrijving met bijvoorbeeld een wollen doek, worden elektronen afgevoerd naar het wollen doek en krijgen
de atomen een positieve lading doordat er meer protonen
zijn dan elektronen.
Door externe invloeden is het bij bepaalde materialen
mogelijk om elektronen los te maken van hun atoomkern
zodat ze vrij kunnen bewegen.
Dergelijke elektronen noemt men ‘vrije elektronen‘of ‘geleidingselektronen’. Zij zijn de ladingdragers van elektrische
stroom.
M
protonen
Neutronen hebben geen elektrische lading.
Gelijksoortige
ladingen stoten
elkaar af
L
neutronen
K
elektron
Tegengestelden ladingen
trekken elkaar aan
Onderling gedrag van ladingen
Tussen kern en elektronen is er een aantrekkingskracht,
vanwege de tegengestelde lading.
De elektronen zijn door hun draaiende beweging rond de
kern ook onderhevig aan een middelpuntvliedende kracht,
die hen van de kern wil wegslingeren.
Beide krachten compenseren elkaar, wat maakt dat de
elektronen op een zelfde baan rond de kern blijven draaien.
Elektronen kunnen in zeven ‘schillen’ draaien rond de
kern, ook energieniveaus genoemd. Deze schillen worden
aangeduid door de letters K, L, M, N, O, P, Q en aan elk
niveau wordt een getal toegekend, het ‘hoofdquantumgetal n’.
Siliciumatoom
Atoomnummer
Naam
Symbool
1
Waterstof
H
8
Zuurstof
O
14
Silicium
Si
26
IJzer
Fe
29
Koper
Cu
30
Zink
Zn
47
Zilver
Ag
79
Goud
Au
92
Uranium
U
Het atoomnummer of atoomgetal geeft het aantal protonen en
het aantal elektronen van een bepaald atoom en geeft tevens zijn
plaats in de tabel van Mendelejev.
Elektriciteit, van Amber tot Onmisbaar
7
Geleiders en isolatoren voeren elektriciteit in
de juiste banen
Bij geleiders moeten de elektronen vlot kunnen bewegen
en dus gemakkelijk kunnen overgaan naar vrije elektronen.
Dat is het geval bij alle metalen zoals bijvoorbeeld koper,
zilver en goud. Kenmerkend voor de meeste elektrische
geleiders is ook hun goede thermische geleiding.
Andere materialen, waarin de elektronen stevig gebonden
zijn aan hun atoom, laten dus geen beweging toe van
elektronen en zijn isolatoren, zoals bijvoorbeeld glas, hout
en kunststoffen.
Doorslag en overslag
Wanneer de isolatie van een elektrische geleider te zwak is
voor de aanwezige spanning kan er een doorslag optreden
van de isolatie.
Meestal is dergelijke doorslag een gevolg van een beschadiging aan de isolatie.
Eigenlijk wordt hier de (beschadigde) isolatie overbrugd
door de (plaatselijk te hoge) spanning.
Dat is een zeer gevaarlijke situatie met kans op elektrocutie
of het ontstaan van brand.
Een gelijkaardig verschijnsel kan zich voordoen bij isolato-
ren voor de bevestiging van elektriciteitskabels. Hierbij kan
de spanning overslaan langs de lucht.
Er ontstaat als het ware een vlamboog tussen de geïsoleerde spanning en de aarde of andere geleiders.
Ook dit is een zeer gevaarlijke situatie, vooral omdat het
hier gewoonlijk hoogspanning betreft.
De kenmerken en eigenschappen van de geleiders en hun
isolatie (draden of kabels) zijn momenteel gestandaardiseerd.
Het te gebruiken type is bepaald door de spanning, de
toepassing en de geldende veiligheidsnormen. Die worden
beschreven in het AREI (Algemeen Reglement op de Elektrische Installaties).
Hoogspanningsisolatoren zijn aan strenge specifieke
vereisten gebonden. Ook de omgevende toegankelijke
bewegingszone is strikt beperkt in functie van de waarde
van de aanwezige hoogspanning omdat ook overslag naar
personen mogelijk is.
Supergeleiders
Reeds in 1911 ontdekte men dat bij kwik op -273°C (bijna
het absolute nulpunt) de elektrische weerstand onmeetbaar laag is.
Dergelijke ‘supergeleiding’ geeft zeer interessante mogelijkheden voor, onder meer, het transporteren van elektrische stroom.
Elke geleider heeft immers een bepaalde weerstand tegen
het doorgaan van een elektrische stroom. De waarde van
die weerstand hangt onder andere af van de specifieke
geleidende eigenschappen van het materiaal of van de
specifieke weerstandswaarde.
Deze weerstand heeft als effect dat er bij het doorgaan van
een elektrische stroom in deze geleider een energieverlies
optreedt dat zich manifesteert als warmte. We komen hier
later op terug bij de wet van Ohm.
Bij een lagere spanning zou de capaciteit van de netten
sterk toenemen als we de weerstand van de transmissinetten zouden kunnen uitschakelen.
Momenteel wordt in Amsterdam gewerkt aan een experimentele 6 kilometer lange supergeleidende stroomkabel
uit keramisch koperoxide die gekoeld wordt op een ‘hoge
temperatuur’ boven -196 graden Celsius, wat het kookpunt is van vloeibaar stikstof.
8
Elektriciteit, van Amber tot Onmisbaar
Richting van een elektrische stroom in een
gesloten stroomkring
In een gesloten stroomkring mag men aannemen dat buiten de batterij de elektronen zich verplaatsen van de - naar
de + pool.
Dit komt doordat er te veel elektronen aan de - pool zijn en
te weinig aan de + pool.
Er is echter afgesproken dat de elektrische stroom buiten
een batterij positief is als hij loopt van de + naar de - pool,
of met andere woorden van een hogere spanning naar
een lagere spanning, en dus eigenlijk tegengesteld aan de
richting van de elektronen.
Statische elektriciteit
Statische elektriciteit wordt opgewekt door wrijving van
elementen met verschillende atoomstructuur.
Statische elektriciteit is niet in staat om langdurig een
stroom te leveren, maar kan wel op een hoge spanning
komen.
Een klassiek voorbeeld van statische oplading ontstaat
door wrijving van kleding met een stoel in kunststof terwijl
je elektrisch geïsoleerd bent van de aarde.
Hierdoor kan het lichaam worden opgeladen.
Aanraking met bijvoorbeeld een aluminium deur kan dan
voor een ontlading zorgen. Je voelt daarbij een kleine elektrische schok en hoort vaak een zwak knetterend geluid.
Ook bliksem is een gevolg van statische elektriciteit, veroorzaakt door wrijving van waterdruppels met ijsdeeltjes.
De bovenkant van de wolk wordt positief geladen en de
onderkant negatief.
De statische spanningsverschillen worden hier zo hoog dat
een overslag van de lucht kan plaatsvinden : de bliksem.
-
+
Conventionele richting van de
elektrische stroom
De lucht waar de bliksem doorheen gaat kan opwarmen
tot 30 000 °C. Hierdoor zet de lucht uit met een snelheid
hoger dan het geluid : de donder.
Door de hoge negatieve lading aan de onderkant van de
wolk ontstaat er ook een hoog verschil in lading met de
aarde onder de wolk. Ook hier kan een doorslag gebeuren
tussen aarde en wolk.
Statische elektriciteit is, zelfs in een zeer kleine lading, nefast voor werken aan bepaalde elektronische onderdelen,
zoals in een computer. Een klein ladingsverschil tussen de
handen of het gereedschap van de technicus en dergelijke
onderdelen kan de hardware beschadigen. Geheugenchips worden om die reden verpakt in een materiaal dat
niet statisch kan worden opgeladen.
Statische elektriciteit kent ook praktische toepassingen,
zoals in kopieermachines, filterinstallaties en spuitcabines.
Hierbij worden respectievelijk de toner, stofdeeltjes in de
rookgassen en verfspatten statisch opgeladen om beter te
‘kleven’.
Elektriciteit, van Amber tot Onmisbaar
9
Van statische elektriciteit tot de batterij
Geschiedenis
De eerste opslag van elektriciteit voor later
gebruik
In 1745 bouwden twee onderzoekers die elkaar niet kenden een toestel waarmee het mogelijk werd om elektrische
ladingen uit een elektriseermachine op te slaan in flessen.
Het waren de Nederlanders E.C. Kleist, een bisschop, en
Pieter van Musschenbroek, hoogleraar in Leiden.
De verdienste van de uitvinding werd toegeschreven
aan van Musschenbroek omdat zijn bevindingen werden
voorgelezen op de Franse Academie. Het toestel heette
voortaan ‘de fles van Leyde’.
De Leidse fles bestaat uit een brede glazen fles die van
buiten met tinfolie is bekleed. De fles is gevuld met water.
Een elektrode aan de bovenkant van de fles
staat in verbinding met het water.
Door middel van een elektriseermachine wordt
het water in de fles elektrisch opgeladen.
Met de uitvinding van de Leidse fles kon voortaan een ‘grote’ hoeveelheid elektriciteit voor
‘lange tijd’ worden opgeslagen en gebruikt
wanneer gewenst.
Pieter van Musschenbroek
10
Elektriciteit, van Amber tot Onmisbaar
Oorspronkelijk fungeerde deze fles als een attractie op
feestjes waarbij onder andere een lading doorheen een rij
van mensen werd gestuurd.
Later werd dit toestel verder ontwikkeld tot wat men nu
een condensator noemt, een onmisbaar onderdeel in elektrische en elektronische toestellen.
Levensgevaarlijke experimenten met bliksem
Omwille van de gelijkenis tussen de vonken uit de elektriseermachine en de bliksem veronderstelde de Amerikaan
Benjamin Franklin (boekdrukker, hoofdredacteur, wetenschapper en diplomaat) dat de bliksem een vorm van
elektriciteit is. In 1746 slaagde hij erin om door middel van
een vlieger die werd opgelaten met een vochtig touw, een
deeltje van de energie van een bliksem op te slaan in een
verzameling Leidse flessen.
Benjamin Franklin werd ook aanzien als de
uitvinder van de bliksemafleider.
Leidse flessen
Benjamin Franklin
Eerste inzichten in elektriciteit
De eerste batterij
In 1747 stelde de
Engelsman
William Watson,
een botanicus en
arts, vast dat elektriciteit een negatieve
en een positieve
component heeft.
Bekeken vanuit de huidige kennis werden bij de pogingen
om inzicht te krijgen in het verschijnsel elektriciteit soms
eigenaardige wegen gevolgd. Luigi Galvani, een Italiaans
hoogleraar in de anatomie, wist dat sommige vissoorten
schokken konden geven zoals uit de Leidse fles en ging op
zoek naar elektriciteit in dieren. In 1786 liet hij een geamputeerde bil van een kikker krampachtig samentrekken
door hem (toevallig) aan te raken met twee verschillende
metalen. Naar het voorbeeld van de sidderaal dacht hij dat
elektriciteit de oorzaak was en deze in de kikker zat.
Door geleiding langs
een draad van 6,4
kilometer merkte hij
ook dat er tussen
de beide uiteinden
geen waarneembaar
tijdsverschil is tussen
start en aankomst
van elektriciteit. Hij
William Watson
ondervond wel een
bepaalde ‘weerstand’. Tot dan werd verondersteld dat elektriciteit de snelheid van het geluid had.
De Italiaanse natuurkundige Alessandro Volta was echter
van mening dat de reden van de samentrekking niet in de
kikker zat maar in het gebruik van de twee verschillende
metalen.
In 1796 legde Volta een zilveren en een zinken schijfje,
gescheiden door een doekje, natgemaakt in een zoutachtige oplossing, op elkaar. Tussen boven- en onderkant van
deze ‘cel’ stelde hij een spanning vast.
Door meerdere cellen op elkaar te stapelen in een zuil,
verhoogde de spanning.
De eerste batterij was uitgevonden : de zuil van Volta (‘une
pile’). Deze batterij was echter niet erg praktisch en had
slechts weinig vermogen.
Al snel verbeterde Volta zijn uitvinding door glazen bekertjes te vullen met een zwavelzuur oplossing en daarin metalen strookjes te dompelen. De ene helft van de strookjes
was van koper, de andere van zink.
Tussen beide metalen ontstaat hierdoor een ‘spanning’.
Globaal kan worden gesteld dat met de uitvinding van
Volta de periode begint van de praktisch bruikbare elektriciteit.
Naar Volta is in 1881 ook de eenheid van spanning
genoemd : de Volt (V) (1881).
Luigi Galvani
Alessandro Volta
Elektriciteit, van Amber tot Onmisbaar
11
De reden van de ontstane spanning in de batterij van Volta
zit hem in de aard van de materialen :
Relatie spanning, stroom en weerstand
• Edele metalen (die geen of weinig corrosie vertonen als
zij worden blootgesteld aan lucht en ook niet oplossen
in zuren) zoals goud, zilver, platina en koper, staan in
een zure oplossing geen elektronen af aan de omgeving.
De Duitse natuurkundige Georg Ohm bepaalde in 1827
het verband tussen de drie grootheden in een elektrische
voedingskring : spanning, weerstand en stroomsterkte.
• Onedele metalen (die corrosie vertonen als ze worden
blootgesteld aan lucht en die oplossen in zuren) zoals
ijzer, zink, magnesium en aluminium, lossen op in een
zure omgeving en staan hierbij elektronen af aan de
vloeistof waardoor het
metaal positief wordt
geladen.
Ohm stelde dat in een draadstuk de stroom recht evenredig is met de spanning aan zijn uiteinden en omgekeerd
evenredig met zijn weerstand.
Voor de eenheid van stroomsterkte voerde hij de Ampère
in, voor de eenheid van spanning de Volt (afgeleid van
Volta) en aan de eenheid van weerstand gaf hij zijn eigen
naam.
Deze eenvoudige wiskundige uitdrukking maakte het van
nu af aan mogelijk om elektrische kringen doordacht te
dimensioneren.
I =
R = U
I
R in Ohm - Ω
U in Volt - V
I in Ampère - A
U
R
U = I X R
Wet van Ohm en afgeleide waarden
Batterij van Volta
Uitvinding van de ‘droge’ batterij
In 1860 ontwikkelde de Franse ingenieur
Georges Leclanché de zink-grafiet batterij, die later verder
werd ontwikkeld tot de zogenaamde ‘droge batterij’. Eén
element hiervan heeft een spanning van 1,5 V.
Dit type van batterij is nu bekend als de ‘wegwerpbatterij’ en wordt nog steeds in grote hoeveelheden, onder
verschillende vormen en met verschillende spanningen
gefabriceerd.
Uitvinding van de loodaccu
In 1878 ontwikkelde Gaston Plante, Frans natuurkundige,
de herlaadbare loodaccu. Deze is samengesteld uit loden
platen gedompeld in verdund zwavelzuur.
In 1880 werd dit type batterij in de handel gebracht. Ze
wordt vandaag nog altijd gebruikt in voertuigen, uiteraard
in sterk verbeterde vorm.
Georg Ohm
12
Elektriciteit, van Amber tot Onmisbaar
Wat we nu weten
Brandstofcel
Batterijen
Brandstofcellen hebben een doorgaande chemische
reactie die direct wordt omgezet in elektrische energie. De
chemische reactie wordt dus doorlopend gevoed. Dit in tegenstelling tot batterijen waar elektriciteit wordt opgewekt
door een voorafgaande chemische reactie die na verloop
van tijd is uitgeput.
Batterijen zijn samengesteld uit cellen die door een chemische reactie een elektrische spanning produceren.
De spanning per cel is afhankelijk van de gebruikte materialen.
Het aantal achter elkaar geschakelde cellen bepaalt de
batterijspanning.
Een wegwerpbatterij moet dan worden vervangen en een
herlaadbare batterij moet worden ontkoppeld en opgeladen.
Elke cel heeft een negatieve pool (de minpool) waar in een
gesloten kring de elektronen uitkomen (men noemt dit ook
de kathode, van het Grieks ‘weg naar beneden’) en een
positieve pool (de pluspool) waar de elektronen naartoe
gaan (men noemt deze de anode van het Griekse ‘weg
naar boven’).
De uitgangsspanning van een brandstofcel is ongeveer
0,7 V.
In de cel wordt de verbinding tussen kathode en anode
gemaakt door een elektrolyt.
Er bestaan momenteel verschillende types brandstofcellen,
elk met hun specifiek gebied van toepassing. De meeste
brandstofcellen hebben, afhankelijk van de brandstof,
schone afvalproducten die niet schadelijk zijn voor het
milieu.
Door de elektrochemische reactie tussen de elektrolyt met
de kathode worden elektronen losgemaakt die een elektrische stroom geleiden.
De plus- en de minpool blijven steeds dezelfde, en dus
ook de polariteit van de opgewerkte spanning. Men noemt
deze spanning een DC spanning (Direct Current).
Een belangrijke ontwikkeling bij batterijen is ongetwijfeld de
herlaadbare batterij. Door op dergelijke batterij een externe
spanningsbron aan te sluiten, verloopt het chemisch
ontladingsproces in de batterij in de omgekeerde richting,
waardoor ze terug wordt opgeladen.
Voor tal van toepassingen volstaat hierdoor een relatief
klein type van herlaadbare batterij. Het enige wat nodig is,
is de mogelijkheid om ze tijdig en gemakkelijk terug op te
laden. Dat gebeurt door middel van een batterijlader.
Vanaf het ontstaan van de ‘pile’ van Volta zijn vorsers constant op zoek geweest naar andere samenstellingen die
een hogere spanning geven.
Belangrijk voor heel wat toepassingen is ook om de
afmetingen en het gewicht van batterijen te reduceren en
de cellen onder te brengen in een behuizing die optimaal is
aangepast aan de toepassing.
In een typische brandstofcel wordt de chemische reactie
veroorzaakt door waterstof in gasvormige toestand en
zuurstof uit lucht. Beide reageren op een elektrolyt.
Door bij de fabricatie van de brandstof, zoals waterstof, te
werken met bijvoorbeeld zonne-energie, komt men tot een
100 % milieuvriendelijke energiebron. Het afvalproduct is
hier immers gewoon water.
Het principe van de brandstofcel werd reeds omstreeks
1843 ontwikkeld door de Engelsman William Grove.
De eerste praktische toepassingen vinden we in de
ruimtevaart voor de productie van elektriciteit en water uit
waterstof.
Momenteel is de techniek van de brandstofcellen voldoende ontwikkeld voor toepassing in bijvoorbeeld kleine warmtekrachtinstallaties (waarmee men warmte en elektriciteit
produceert) en auto’s.
Een praktisch probleem is echter een rendabele productie
en distributie van waterstof.
Verwacht wordt dat voor auto’s binnen enkele jaren elektrische aandrijvingen, gevoed door brandstofcellen, kunnen
concurreren met de huidige verbrandingsmotoren.
In het recente verleden werd deze ontwikkeling sterk
gestimuleerd vanuit de militaire sector (communicatieapparatuur), de video sector (videocamera’s), de medische
sector (gehoorapparaten) en sinds kort vanuit de automobiel- (elektrische auto’s) en de telefoniesector (gsm).
Ondertussen zijn de elektrische kenmerken en de afmetingen van batterijen gestandaardiseerd.
Elektriciteit, van Amber tot Onmisbaar
13
Zonnepaneel
Een totaal andere en tegenwoordig zeer actuele manier
om gelijkstroom op te wekken is door middel van een
zonnepaneel (ook pv-paneel genoemd naar het Engelse
photovoltaic).
Een zonnepaneel is samengesteld uit fotovoltaïsche cellen
waarin zonne-energie wordt omgezet in elektrische gelijkspanning.
Momenteel is het geen enkel probleem om de gelijkspanning uit zonnepanelen door een invertor om te zetten naar
wisselspanning. Elektriciteit uit zonlicht kan met de huidige
technieken reeds een belangrijk deel van de energiebehoeften in een woning dekken.
De toepassing wordt momenteel sterk gestimuleerd door
de hoge energieprijzen en de noodzaak om meer gebruik
te maken van hernieuwbare energiebronnen.
Fotovoltaïsche cellen zijn opgebouwd uit halfgeleidend
materiaal waarin, onder invloed van zonlicht, elektronen
worden losgemaakt. Die elektronen kunnen maar in één
richting bewegen.
Het effect was reeds in 1839 gekend. Het was echter
onder impuls van de ruimtevaart dat de wetenschap vanaf
1950 op zoek ging naar mogelijkheden voor een rendabele
praktische toepassing.
14
Elektriciteit, van Amber tot Onmisbaar
Van elektriciteit naar warmte
Geschiedenis
De stoommachine voor het verrichten van
arbeid
Door de eeuwen heen hebben mensen doorlopend naar
mogelijkheden en middelen gezocht om lichamelijke arbeid
te vergemakkelijken en menselijke beperkingen te elimineren. Naast paardenkracht opende de stoommachine hiertoe interessante perspectieven. Zij gaf een stevige impuls
aan de industriële revolutie, die in Engeland startte op het
einde van de 18e eeuw.
Een belangrijke bijdrage aan de ontwikkeling van de
stoommachine leverde James Watt, een Schots ingenieur
die in 1769 de eerder ontwikkelde primitieve stoommachines verbeterde tot werkelijk bruikbare machines.
In 1784 verwierf Watt het patent op de stoomlocomotief.
Paardenkracht
Toen James Watt zijn stoommachine aanbood als alternatief voor een paard was het noodzakelijk om beide op hun
‘vermogen tot arbeid’ te kunnen vergelijken. Hij moest immers kunnen aantonen hoeveel paarden men kan uitsparen met een van zijn stoommachines.
Eerste omzetting van elektriciteit in een andere
energievorm
Tot 1830 was het nog niet helemaal duidelijk wat men met
elektriciteit zinvol kon aanvangen. Buiten het trekken van
vonken en geven van elektrische schokken op feestjes
waren er geen echt bruikbare toepassingen.
In de bierbrouwerij van de familie Joule in Salfort, Engeland, onderzocht zoon James, de mogelijkheid om stoommachines van de brouwerij te vervangen door elektrische
machines.
James Joule ontdekte dat elektriciteit in een geleider in
warmte kon worden omgezet en warmte dus eigenlijk een
vorm van arbeid is.
Joule was de eerste die erin slaagde om elektriciteit om te
zetten in een andere energievorm.
Later werd zijn naam ingevoerd als de eenheid van arbeid.
Arbeid = kracht * afgelegde weg
A=F*S
Joule = newton * meter
Voor de classificatie van stoommachines introduceerde
Watt de ‘paardenkracht’ als het gemiddelde vermogen dat
een paard langdurig kon leveren.
Later werd 1 pk gedefinieerd als het vermogen dat nodig
is om een last van 75 kg gedurende 1 seconde 1 meter
omhoog te trekken.
Vermogen wordt hier dus een uitdrukking die de arbeid per
tijdseenheid weergeeft.
James Watt
James Joule
Elektriciteit, van Amber tot Onmisbaar
15
Wat we nu weten
Vermogen
Elektrische warmte
Het vermogen van machines en motoren werd vroeger
uitgedrukt in pk (paardenkracht). Een uitdrukking van
vermogen die dateert van de tijd van James Watt met zijn
stoommachines.
In tal van elektrische toepassingen is warmte een ongewenst nevenproduct. Denk maar aan de gloeilamp of de
motor van de stofzuiger. In heel wat elektrische toestellen
vinden we dan weer elektrische verwarmingsweerstanden
in alle afmetingen en vermogens.
Elektrische verwarming, vaatwasmachine, wasmachine,
linnendroger, haardroger, kookfornuis, koffieautomaat,
boiler … het zijn slechts enkele van de vele toepassingen
waar warmte wordt geproduceerd door middel van een
elektrische verwarmingsweerstand.
Dergelijke weerstanden worden gefabriceerd in diverse
modellen en zijn vervaardigd uit een legering van metalen
die wordt gekozen in functie van de toepassing en de
gewenste hoeveelheid warmte.
De warmte, opgewekt door een elektrische stroom, wordt
ook gebruikt in een smeltzekering of automaat.
Hier doet de warmte respectievelijk een gekalibreerde
geleider doorbranden of ontgrendelt zij door middel van
een bi-metaal een schakelmechanisme. De aangesloten
voedingskringen worden hierdoor beveiligd tegen een te
hoge elektrische stroom.
16
Elektriciteit, van Amber tot Onmisbaar
Later werd de eenheid van vermogen naar hem genoemd :
de Watt.
1 pk komt overeen met ongeveer 735 W of 0,735 kW
1 kW komt overeen met ongeveer 1,36 pk
In de automobielsector spreekt men soms nog van pk
maar over het algemeen wordt een vermogen vandaag
uitgedrukt in Watt (W) met als veelvoud de kW, die gelijk is
aan 1 000 W.
De warmteleer stelt dat de hoeveelheid warmte die nodig
is om 1 gram zuiver water 1 graad te verwarmen gelijk is
aan 1 calorie.
Een veelvoud is de kilocalorie (1 kcal = 1000 cal) : dat is
de hoeveelheid warmte nodig om 1 liter water 1 graad te
verwarmen.
1 kcal = 1,16 W
1 kW = 860 kcal
In de voedingsleer wordt de kilocalorie (kcal) nog veel gebruikt, maar steeds vaker vervangen door de kilojoule (kJ),
waarbij 1 kcal = 4,186 kJ
Van magnetisme tot dynamo
Geschiedenis
Eerste omzetting van elektriciteit in
mechanische kracht
Tijdens een verder onderzoek naar de thermische werking
van elektriciteit ontdekte de Deense natuur- en scheikundige Hans Christian Oersted het verband tussen
elektriciteit en magnetisme.
Sterker magnetisch veld door middel van een
solenoïde
Het was de Franse natuurkundige André-Marie Ampère
die aantoonde dat het magnetisch veld rond een stroomvoerende geleider verloopt in concentrische cirkels en
dat dit veld een aantrekkende of afstotende werking heeft
naargelang de stroomrichting doorheen de geleider.
Ampère ontdekte ook dat het krachtveld kon worden
versterkt door de geleider schroefvormig te wikkelen, de
zogenaamde ‘Solenoïde’.
Z
N
Solenoïde
Magnetisch veld rond een stroomvoerende geleider
Door een stroomvoerende geleider (toevallig!) in de nabijheid van een kompas te brengen, liet hij de naald van het
kompas uitwijken. Zijn conclusie was dat de stroomvoerende geleider een magnetisch veld creëerde. Dergelijk
veld heeft dus geen mechanische koppeling tussen geleider en kompasnaald, maar kan toch een kompasnaald
doen bewegen. Het magnetisch veld realiseert dus een
overbrenging van mechanische kracht die afkomstig is uit
de stroomvoerende geleider.
Ontdekking van de elektromagnetische
inductie
De Amerikaan Joseph Henry en de Engelsman Michaël
Faraday ontdekten rond 1831 dat het door Oersted en
Ampère vastgestelde verschijnsel ook omkeerbaar is. Zij
ontdekten dat een bewegende magneet een spanning
kan opwekken in een gewikkelde geleider (een spoel).
Voor de verdere ontwikkeling van elektrische toepassingen was deze ontdekking zeer belangrijk.
Mechanische energie werd hier dus voor de eerste maal
omgezet in elektriciteit.
Hier werd voor de eerste keer elektriciteit omgezet in een
mechanische kracht : de elektromotor was geboren.
Hier gebeurde ook de ontdekking van de elektromagnetische inductie, waarmee de basis werd gelegd voor de
elektrische motor en de stroomgenerator.
Oersted kon echter geen verklaring geven voor dit verschijnsel.
Later werd de eenheid van magnetisme naar hem genoemd : de Oersted.
Hans Christian Oersted
André-Marie Ampère
Elektriciteit, van Amber tot Onmisbaar
17
Eerste machine voor productie van elektriciteit
De eerste machine om met een bewegende magneet
elektriciteit op te wekken in een spoel werd in 1832 gebouwd door Nicolas-Constant Pixii, een instrumentenbouwer uit Parijs. Zijn toestel, een zogenaamde ‘magneto’,
bestond uit een houten statief waarop een vaste spoel
met weekijzerkern was gemonteerd. Door middel van
een hendel en een tandwieloverbrenging liet hij de polen
van een U-vormige magneet tegenover de kern van de
spoelen draaien.
Doordat de spoelen afwisselend onder invloed komen
van de N-pool en de Z-pool van de magneet, wisselt de
richting van de magnetische krachtlijnen en dus ook de
richting van de geïnduceerde stroom. Deze machine genereerde dus een wisselspanning.
Pixii voorzag zijn machine van een door André Ampère
uitgevonden commutator. Dat is een mechanische gelijkrichter die de opgewekte wisselspanning omzette in
gelijkspanning.
Uiteindelijk gaf de machine dus een pulserende gelijkspanning. Telkens de magneet de spoelen passeerde,
kreeg je een spanningspuls.
Een commutator is ook nu nog een onmisbaar onderdeel
in elke gelijkstroommotor en enkelfasige wisselstroommotor.
Bij verdere proefnemingen stelden onderzoekers vast dat
de opgewekte spanning hoger werd als ze een sterkere
(en dus grotere en zwaardere) permanente magneet
gebruikten. De constructie werd dus zwaarder, waarbij
het praktischer was om de permanente magneet vast te
monteren en de spoelen te laten draaien in het magnetisch veld.
Edward Clarke bouwde in 1836 een spanningsgenerator
waarin de zware magneet, de stator, vertikaal staat opgesteld en de spoelen tussen de polen draaien.
De opgewekte spanning in de draaiende spoelen, de
rotor, werd afgetakt door middel van glijcontacten op de
commutator.
Een relatief krachtige gelijkstroomgenerator, de ‘macchinetta’ (klein machientje), werd in 1860 ontwikkeld door
Antonio Pacinotti.
Hij verving de draaiende spoel door een ring in weekijzer
waarop hij een spoel wikkelde. Men noemt dit ook een
ringanker. Het magneetveld van de permanente magneet, de stator, loopt hier ook door het ringanker en over
de wikkelingen op dit ringanker, waardoor een hogere
geïnduceerde spanning wordt opgewekt. Elke wikkeling is
afzonderlijk met segmenten van een commutator verbonden.
Deze techniek is bekend als de ‘ring van Pacinotti’. Omdat
er tijdens het draaien voortdurend een wikkeling voorbij
de polen van de permanente magneet passeert, ontstaat
een nagenoeg constante gelijkspanning.
Hier werd de eerste praktisch bruikbare gelijkstroomdynamo ontwikkeld.
Ring van Pacinotti
In 1866 gebruikte Henry Wilde een elektromagneet in
plaats van een permanente magneet. De stroom voor het
magnetisch veld van de elektromagneet werd geleverd
door een batterij.
Het was Werner Von Siemens, Duits uitvinder en industrieel, die in 1867 een deel van de opgewekte stroom
gebruikte voor het opwekken van het elektromagnetisch
veld. De veldsterkte van de elektromagneet en het geproduceerde vermogen werd hierdoor veel hoger.
Machine van Clarke
18
Elektriciteit, van Amber tot Onmisbaar
Werner Von Siemens
Constructie van de eerste
gelijkstroomgenerator voor hoog vermogen
Eerste transport van elektrische energie als
bron voor mechanische energie
Zoals met vele uitvindingen het geval is, stelt zich ook
in deze geschiedenis regelmatig de vraag wie van iets
eigenlijk de eerste uitvinder is. Dit is ook het geval bij de
Belg Zénobe Gramme, een timmerman die zich door
zelfstudie opwerkte tot onafhankelijk onderzoeker en zich
vestigde in Parijs.
Op de wereldtentoonstelling van 1873 in Wenen demonstreerde Gramme de koppeling van twee generatoren
die op 2 km afstand van elkaar waren opgesteld. Liet
men één als generator werken, dan werkte de andere als
elektrische motor. Dat principe werd eigenlijk ontdekt door
een medewerker van Gramme : Hippolyte Fontaine.
Hij bouwde in 1869 een gelijkspanningsdynamo die (al
dan niet toevallig) de kenmerken van de machines van
Pacinotti, Wilde en Siemens in zich droeg : de ‘Grammedynamo’.
Bij deze dynamo zijn op het ringvormige anker een dertigtal spoelen van koperdraad gewikkeld. Elke verbinding
van twee opeenvolgende spoelen is verbonden met een
commutator waarover twee koolborstels glijden. Het magnetisch veld van de stator, geleverd door een permanente
magneet, loopt door het ronddraaiende ringanker en over
de ankerspoelen. Er wordt dus een spanning geïnduceerd
in twee over elkaar liggende spoelen van het anker.
Door het grote aantal ankerspoelen in de Gramme-dynamo is er nagenoeg op elk tijdstip van het ronddraaien
een spoel voor de magneet en is de opgewekte spanning
praktisch constant. Zo bekom je een nagenoeg gelijkmatige gelijkstroom.
Vanaf nu werd het voor de productie van elektriciteit
mogelijk om de zware batterijen te vervangen door een
gelijkstroomgenerator (een dynamo) die permanent een
grote stroom kon leveren.
Zénobe Gramme
Gramme-dynamo
Elektriciteit, van Amber tot Onmisbaar
19
Aandrijving van de dynamo door een turbine
De experimentele dynamo’s evolueerden dus naar grotere
exemplaren die aanzienlijke vermogens konden leveren.
De rotor van de dynamo moest mechanisch worden aangedreven tot een hoog toerental.
Dat werd gedaan door een turbine. Hiermee werd stromingsenergie van een fluïdum (vloeistof, gas, stoom, wind
…) omgezet in mechanische energie door middel van een
schoepensysteem.
De naam turbine is afkomstig van het Latijnse turbinis,
wat wervelstroom betekent.
Het principe was reeds gekend bij de wind- en watermolens die onder andere zware molenstenen deden ronddraaien.
De eerste grootschalige praktische
toepassingen van elektriciteit
De telegraaf
Telegraaf van Samuel Morse
Voortbouwend
op de waarnemingen van
Faraday werd
het mogelijk om
door middel van
een elektromagnetische spoel
een metalen
stift te laten
bewegen.
Voor de productie van elektriciteit werd de turbine dus
gekoppeld aan de rotor van een dynamo (voor de productie van gelijkspanning) of een alternator (voor de productie
van wisselspanning).
De stroom naar
deze elektromagnetische
spoel kon hierbij
worden geschakeld op een (grote) afstand van de spoel.
In een eerste fase waren het vooral stoomturbines. Met als
primaire brandstof hout of steenkool werd stoom geproduceerd op hoge druk. Die stoom gaf de stuwkracht aan
een stoomturbine.
Samuel Morse liet in 1837 de bewegingen van de stift
gecodeerd verlopen door middel van een punt-streepjes
code, het zogenaamde Morse alfabet.
In een hydro-elektrische centrale werd stromend water
over schoepen van een waterturbine geleid.
Zo werd het mogelijk om geschreven berichten met behulp van elektriciteit en een elektrische draad direct over
grote afstanden te verzenden. De telegraaf was geboren.
In september 1837 slaagde Morse erin een verbinding
over 5 km te realiseren.
De eerste internationale zeekabel werd gelegd in 1850
tussen Dover en Calais en de eerste trans-Atlantische
verbinding kwam in 1858 tot stand.
De telefoon
Na de telegraaf kwam de telefoon. Verschillende uitvinders
sleutelden aan een systeem
om spraak over te brengen.
Alexander Graham Bell geldt
als de uitvinder van de telefoon
omdat hij erin slaagde een
door iedereen bruikbaar toestel
te ontwikkelen. Hij kreeg hiervoor een octrooi in 1876.
Samuel Morse
20
Elektriciteit, van Amber tot Onmisbaar
Alexander Graham Bell
De gloeilamp
De ontwikkeling van de gloeilamp begon kort na de
uitvinding van Volta. H. Davy deed in 1802 metaaldraden
gloeien met een elektrische stroom.
Van een echte verlichting was echter nog geen sprake
omwille van de snelle oxidatie en het doorbranden van de
gloeidraden.
Dat veranderde in 1868 toen Swan de gloeidraad opstelde in een vacuüm glazen omhulsel. De ‘lamp’ was
geboren.
De eerste productie van elektriciteit in
Antwerpen
De mogelijkheid om op grote schaal elektriciteit te gebruiken, is uiteraard erg afhankelijk van de beschikbaarheid.
Er waren dus elektriciteitscentrales nodig en elektriciteitsnetten voor de verdeling van elektriciteit. Anderzijds moest
er ook een vraag zijn naar elektriciteit. Elektrische verlichting creëerde dergelijke vraag.
In 1878 nam Edison een eerste octrooi op een gloeilamp
met gloeidraad in platina.
Rond 1880 werd in Antwerpen de eerste elektriciteit
geproduceerd, uitsluitend voor eigen (experimenteel)
gebruik. Verdeling naar de bewoners van de stad was
onmogelijk omwille van een ‘verlichtingsconcessie’ die de
stad had verleend aan de Gasmaatschappij.
Edison experimenteerde verder, wat uiteindelijk een gloeilamp opleverde met verkoolde bamboevezel als gloeidraad. De levensduur lag rond de 40 uur.
Die concessie was een gevolg van een decreet van 1789
waardoor de gemeenten verplicht waren te zorgen voor
de verlichting van de wegen.
Om een snelle vervanging van een lamp mogelijk te maken, ontwikkelde Edison ook de ‘Edison schroeffitting’, die
nu nog steeds in gebruik is.
Door deze concessie was er geen toekomst voor elektriciteit en ging de ‘Compagnie Générale d’Electricité’ ten
onder.
In 1882 werd de eerste straatverlichting met gloeilampen
gerealiseerd in Pearl Street in New York.
De druk tot het herzien van deze concessie nam sterk toe
naar aanleiding van de wereldtentoonstelling van 1885, die
doorging in Antwerpen en in het teken stond van elektriciteit.
Na lang onderhandelen werd de NV ‘Compagnie HydroElectrique Anversoise’ opgericht die in 1893 een veertigtal
gebruikers bevoorraadde. Het was een financiële ramp.
Thomas Edison
De productietechniek was echter uniek : water onder hoge
druk werd in leidingen over de stad Antwerpen verspreid
en dreef waterturbines aan die in ‘omvormingsstations’
stonden opgesteld. Van hieruit vertrokken ondergrondse
kanalen waarin blanke metalen geleiders de elektriciteit
verdeelden.
Gloeilamp
Compagnie Hydro-Electrique Anversoise
Elektriciteit, van Amber tot Onmisbaar
21
Vanaf 1901 werden de voornaamste straten van Antwerpen elektrisch verlicht. De eerste 152 ‘booglampen’
vroegen echter heel wat onderhoud. Om de twee dagen
moesten de koolstiften worden vervangen en de armaturen gereinigd.
In 1908 werd de thermische centrale van Merksem in
dienst genomen door de ‘Elektriciteitsmaatschappij der
Schelde’ en richtte zich naar de omliggende gemeenten.
De productiecapaciteit was er, maar wegens de ‘verlichtingsconcessie’ was het niet rendabel om een distributienet uit te bouwen. Verlichting was toen immers zowat de
enige praktische toepassing.
Hierin kwam verandering door de wet van 1922 die de
productie en de hoogspanningsdistributie vrijmaakte,
maar voor de laagspanningsdistributie een monopolie van
de gemeenten maakte. Deze wet ligt tevens aan de basis
van de vroegere zuivere en gemengde intercommunales.
IMEA was de eerste gemengde intercommunale.
Von Siemens legde in 1881 de eerste (experimentele)
tramlijn aan in de omgeving van Berlijn.
In België rijden de eerste elektrische trams in Brussel in
1894.
Deze trams reden op gelijkspanning. Ook nu nog rijden
trams op een gelijkspanning van 600 of 750 V. De stroom
wordt toegevoerd langs een bovenleiding en afgevoerd via
de wielen en de rails.
1900 - Munt-kilowattuurmeter
Telkens voor 10 cent stroom. Een budgetmeter avant la lettre
Paardentram Antwerpse Grote Markt, rond 1900
22
Elektriciteit, van Amber tot Onmisbaar
Wat we nu weten
Primaire energie
Magnetisme
Omdat niets uit het niets kan ontstaan, is voor elke
productie van elektriciteit basisenergie nodig, onder een
andere vorm, die wordt omgezet in elektriciteit. Deze basisvorm van energie noemen we de primaire energie.
We zagen reeds dat elk atoom elektronen heeft die
draaien rond een kern. Nu draaien deze elektronen op
hun beurt ook rond hun eigen as.
Volgens recent wetenschappelijk onderzoek wordt magnetisme veroorzaakt door deze laatste beweging.
Bij zonnepanelen is de omzetting direct. De primaire energie van de zon wordt door de zonnecellen direct omgezet
in elektriciteit.
Elk elektron heeft dus een bepaald magnetisme in een
bepaalde richting.
Bij thermische centrales wordt de alternator aangedreven
door een stoomturbine.
Al deze magnetische krachten van de verschillende
elektronen in een atoom heffen elkaar op wanneer het
materiaal niet in magnetische toestand is. Hierdoor oefent
het atoom in zijn geheel, en dus ook het metaal waarvan
het deel uitmaakt, geen magnetische kracht uit.
Primaire energie voor het fabriceren van deze stoom zijn
bijvoorbeeld :
• Steenkool
In gemagnetiseerde toestand worden al deze kleine
magneetjes in een zelfde richting georiënteerd, zodat hun
magnetische velden zich samenvoegen en er een magnetische werking naar buiten ontstaat.
Enkel ijzer, staal, nikkel, kobalt en legeringen met deze
metalen, kunnen worden gemagnetiseerd.
Deze magnetische werking manifesteert zich onder de
vorm van een magnetisch veld dat we ons kunnen voorstellen als een samenstelling van veldlijnen.
Deze veldlijnen verlaten de magneet via de noordpool en
komen terug in de magneet via de zuidpool, net zoals dat
bij het aardmagnetisme het geval is.
De dichtheid van de veldlijnen is het hoogste in de onmiddellijke nabijheid van de polen en neemt af naargelang de
afstand tot de magneet groter wordt.
• Aardgas
• Stookolie
• Kernbrandstof
• Gas uit biomassa
• Brandbaar restafval
• Houtpellets
• ….
In een ander type centrale wordt de alternator direct aangedreven door de schoepen van een windmolen of een
waterrad.
Primaire energie is hier respectievelijk wind en water.
De benaming van een productie-eenheid of centrale
verwijst gewoonlijk naar het soort primaire brandstof die
wordt gebruikt.
Een andere manier om een magnetisch veld te creëren is,
zoals Oersted ontdekte, een elektrische stroom doorheen
een spoel (een solenoïde) sturen.
Dergelijke spoel is samengesteld uit vele windingen.
Elke winding wekt een magnetisch veld op dat dezelfde
grootte heeft en dezelfde richting. Al deze magnetische
velden voegen zich samen tot één sterk magnetisch veld
waarvan de polen zich aan de uiteinden van de spoel
bevinden.
Elektrische stroom
Veldlijnen van een staafmagneet
Elektromagnetisch veld van een spoel
Elektriciteit, van Amber tot Onmisbaar
23
Productierendementen
Zowel vanuit commercieel oogpunt als gezien vanuit het
milieu, is het interessant om zoveel mogelijk elektriciteit
te produceren met een zo laag mogelijk verbruik van primaire energie, met andere woorden : te streven naar een
zo hoog mogelijk rendement.
Met dat doel is onder meer veel werk gemaakt van de
ontwikkeling van de turbines.
Vorm en opstelling van de schoepen in een turbine zijn
bestudeerd op een minimum slijtage en een maximale
omzetting van de energie uit stoom naar draaivermogen.
De eerste turbines verbruikten 90 kg stoom voor de productie van 1 kWh.
In 1887 was dit teruggebracht tot 25 kg en in 1892 tot
12 kg.
Rond 1910 verbruikten grote turbines slechts 4 kg stoom
per kWh.
Omwille van het rendement wordt bij de productie van
stoom ook getracht de warmteverliezen zo laag mogelijk
te houden. Wat niet gemakkelijk is door de grote afmetingen van de stoomketel en de leidingen, maar ook door het
proces zelf.
Op het einde van de cyclus, als de stoom doorheen de
turbine is gegaan, moet de stoom worden gecondenseerd
en terug omgezet in water. Bij dit condenseren gaat veel
warmte verloren.
In bepaalde centrales wordt deze warmte gedeeltelijk gebruikt voor verwarming van industriële processen of voor
de verwarming van gebouwen.
Elk type centrale heeft zijn specifieke kenmerken wat
betreft rendement, productiepatroon en belasting van het
milieu.
Sommige centrales kunnen snel reageren op wisselingen
in energievraag, andere slechts heel traag.
Zonnecentrales, waterkrachtcentrales en windcentrales
zijn bovendien afhankelijk van het weer.
Uiteraard spelen voor een commercieel interessante exploitatie ook de specifieke investeringen en de brandstofprijzen een belangrijke rol.
Dit alles maakt dat het kiezen van de optimale productiemiddelen en primaire energie een complexe materie is.
Galvanometer en universeelmeter
Het principe van elektromechanische inductie werd rond
het einde van de 19e eeuw
onder meer toegepast voor de
constructie van een meetinstrument voor elektrische stroom.
Als erkenning voor het werk
van Luigi Galvani werd zijn
naam gegeven aan dit toestel.
Tussen de polen van een
permanente magneet staat een
draaibaar spoeltje opgesteld
Z
N
Gedemonteerde stoomturbine
Galvanometer
24
Elektriciteit, van Amber tot Onmisbaar
De snelheid van het ‘doorstromen’ van de elektronen is
dus afhankelijk van de spanning, het soort materiaal en de
doorsnede van de geleiders.
In het voorbeeld van de zaklamp, bij DC spanning, is de
snelheid van de elektrische stroom in de orde van een
paar millimeter per seconde.
Digitale
universeelmeter
waaraan een wijzertje is bevestigd. Het wijzertje wordt op
een schaal in zijn beginstand gepositioneerd door middel
van een spiraalvormig veertje. Als een stroom door het
spoeltje wordt gestuurd, ontstaat een tweede magnetisch
veld dat, afhankelijk van de stroomrichting, het veld van de
permanente magneet zal meewerken of tegenwerken. Een
grote stroom doorheen het spoeltje zal het spiraaltje ver
kunnen opspannen, en dus de naald ver doen uitwijken.
Een kleine stroom zal een kleine uitwijking geven.
De uitwijking van de naald is een indicatie voor de stroom
doorheen het spoeltje. We zijn dus in staat om de stroomsterkte te meten.
Mechanisch gezien is deze constructie zeer kwetsbaar.
Later werd de meter verder uitgewerkt tot ‘universeelmeter’. Daarin worden verschillende grootheden op een gekalibreerde wijze omgezet naar een DC stroom, waardoor
de naald op een specifieke schaal een aanduiding geeft.
Momenteel is het draadspoelmetertje vervangen door
LCD displays.
Galvanometers worden wel nog gebruikt in onder andere
laserprojectiesystemen. Aan het wijzertje is een spiegeltje
bevestigd dat een laserstraal projecteert op een scherm.
AC en DC stroom
Een elektrische stroom is altijd het gevolg van een spanning. Is het een wisselspanning, dan is het een wisselstroom. Bij een gelijkspanning is het een gelijkstroom.
Snelheid van een elektrische stroom
Een elektrische stroom is een verplaatsing van lading door
middel van elektronen.
In een elektrisch circuit zijn deze elektronen in elk geleidend onderdeel altijd aanwezig en komen allemaal op
hetzelfde moment in beweging van zodra de spanning
wordt ingeschakeld.
Bij AC spanning bewegen de elektrische ladingen heen en
weer onder invloed van de wisselende elektrische spanning.
Er is hier geen stroming van elektronen, maar een soort
vibratie waarbij de elektronen over een korte afstand heen
en weer gaan op de netfrequentie.
Wet van Ohm
Tussen de spanningswaarde, stroomwaarde en de weerstandswaarde van een elektrische kring is er altijd een
vast verband : de weerstandswaarde is steeds gelijk aan
de spanningswaarde gedeeld door de stroomwaarde.
De weerstandswaarde is onafhankelijk van de spanning.
De stroomsterkte zal dus toenemen als de spanning toeneemt en omgekeerd.
In een gesloten stroomkring van een voeding van 1 V en
een weerstand van 1 Ω vloeit een stroom van 1 A.
Spanningsval
Elke voedingskring is een keten van componenten met elk
specifieke elektrische kenmerken en dus elk een specifieke elektrische weerstandswaarde.
Ook de elektrische bedrading heeft een bepaalde weerstandswaarde.
Vloeit door deze bedradingsweerstand een elektrische
stroom, dan ontstaat hierover een elektrische spanning
die gelijk is aan de waarde van de bedradingsweerstand
vermenigvuldigd met de stroomsterkte.
Neemt de stroomsterkte doorheen een bedrading toe,
dan verhoogt ook de spanningsval over deze bedrading.
Tegenover de eigenlijk te voeden belasting (een woning of
toestel) is er dus een verlies aan spanning, waardoor het
toestel zelf op een lagere spanning komt.
Praktisch kan men de spanningsval laag houden, onder
andere door te zorgen voor een bedrading met relatief
lage elektrische weerstandswaarde (dikke koperdraad,
bijvoorbeeld).
In het voorbeeld van de zaklamp is het zo dat, bij het sluiten van de schakelaar, alle elektronen in de geleiders en
de gloeilamp elkaar ogenblikkelijk in één richting beginnen
voort te duwen.
Elektriciteit, van Amber tot Onmisbaar
25
Voorkeur voor wisselspanning
Geschiedenis
De uitvinding van de transformator
Het eerste transport van elektriciteit op
hoogspanning
De uitvinding van de transformator, in 1884 door de Amerikaan Gibes en de Fransman Gaulard, brachten wisselstroom volop in de aandacht.
De verdere ontwikkelingen van de dynamo boden de mogelijkheid tot een ruimere toepassing van elektriciteit.
Een transformator maakt het immers mogelijk om een
spanning op een relatief gemakkelijke wijze naar een hogere of een lagere waarde over te brengen of te ‘transformeren’. Met gelijkspanning was dat toen niet mogelijk.
Het probleem dat zich echter stelde was de bouw van
rendabele elektrische centrales en de mogelijkheid tot
distributie van de gevraagde vermogens.
Door Ohm wist men dat de weerstand van een geleider (en
de spanningsval) evenredig toeneemt met de lengte en dat
voor transport van een bepaald vermogen de transportverliezen minder worden bij een hoge spanning.
Men schrikt er echter voor terug om op een spanning
hoger dan 110 of 220 V te werken.
Het werd nu mogelijk om in een centrale wisselspanning
te produceren op een relatief lage spanning, ze dan naar
een hoge spanning te transformeren voor het transport
(dus met minimale spanningsval) en ze op de plaats van
bestemming terug naar omlaag te transformeren naar een
lagere wisselspanning.
Een principe dat nog steeds wordt toegepast.
In 1882 slaagt de Fransman Marcel Deprez erin om een
vermogen van 115 pk te transporteren onder een spanning
van 6 000 V.
De eerste distributiezone van elektriciteit
Marcel Deprez bewees daarmee dat transport van een
hoog elektrisch vermogen over een grote afstand mogelijk
is.
George Westinghouse realiseerde in 1885 de eerste
volwaardige distributiezone van elektrische energie met het
gebruik van transformatoren en wisselspanning.
In de productie bleef de noodzakelijke hoge draaisnelheid
van dynamo’s echter een groot probleem.
De wezenlijke doorbraak van wisselspanning kwam in
1896 door een samenwerking van Westinghouse met
Nikola Tesla, een Kroaat die in 1884 naar Amerika was
uitgeweken.
Bovendien veroorzaakte een spanning hoger dan 2 500 V
ook zoveel schade aan een dynamocollector dat de zaak
niet rendabel is.
Nikola Tesla
Uitgangstransformator
26
Elektriciteit, van Amber tot Onmisbaar
Ontwikkeling van driefasige stroom en de
eerste hydro-elektrische centrale
Nikola Tesla ontwikkelde een nieuwe generator waarin
de spoelen van de stator zo waren opgesteld dat zij drie
wisselstromen tegelijk opwekten, elk met een faseverschil
van een derde van een periode (zie verder voor het begrip
periode).
Wat we nu weten
Transformatoren
Transformatoren werken volgens het principe van het elektromagnetisme.
In een transformator zijn twee spoelen gewikkeld rond een
gesloten ijzeren kern.
Hier werd dus voor de eerste maal een driefasige stroom
opgewekt.
IJzeren kern
Moderne generatoren zijn nog steeds op deze manier
gebouwd.
Westinghouse bouwde in 1885 aan de Niagara Falls de
eerste hydro-elektrische centrale die met een alternator
volgens het systeem van Tesla was uitgerust.
Primaire
spanning
Secundaire
spanning
Principe van een transformator.
De primaire spanning creëert een magnetisch veld dat een spanning
induceert in de secundaire wikkeling
Door een wisselspanning aan te sluiten op de primaire
wikkelingen ontstaat in de kern een wisselend magnetisch
veld dat ook doorheen de secundaire wikkelingen vloeit.
In de secundaire wikkelingen wordt hierdoor een wisselspanning opgewekt.
De grootte van het wisselend magnetisch veld is afhankelijk van de primaire spanning en van het aantal primaire
wikkelingen.
De grootte van de geïnduceerde secundaire spanning is
afhankelijk van de sterkte van het wisselend magnetisch
veld en het aantal secundaire wikkelingen.
Vermits het wisselend magnetisch veld in de beide wikkelingen hetzelfde is, volgt hieruit dus dat :
Upr x npr = Usec x nsec
Of :
Upr/Usec = npr/nsec
Zijn er aan de secundaire kant meer wikkelingen dan aan
de primaire kant, dan wordt de primaire spanning omhoog
getransformeerd.
Zijn er aan de secundaire kant minder wikkelingen dan
aan de primaire kant dan wordt de aangelegde spanning
omlaag getransformeerd.
Transformatorenfabriek
Elektriciteit, van Amber tot Onmisbaar
27
Netfrequentie
Sinusoïdale spanning
De elektrische spanning in onze woning is een wisselspanning (AC wat staat voor Alternating Current).
Het sinusvormig verloop van de netspanning heeft alles te
maken met de wijze van productie van elektriciteit.
Dat wil zeggen dat het potentiaalverschil tussen de polen
van de voeding varieert in functie van de tijd.
In een generator wordt elektriciteit opgewekt door middel
van een magnetisch veld (de rotor) dat met een constante
snelheid tussen spoelen draait (de statorwikkelingen).
Deze spanningsvariatie heeft een regelmatig sinusvormig
verloop in de tijd, en herhaalt zich 50 keer per seconde.
We spreken dan van een netfrequentie van 50 Hz (Hertz)
wisselspanning. De polariteit van de spanning wisselt dus
50 keer per seconde.
De tijd tussen twee opeenvolgende gelijke spanningswaarden noemt men een periode.
1 MHz = 1 000 000 Hz
1 Ghz = 1 000 000 000 Hz
Amplitude
90°
0
90°
180°
270° 360°
Statorwikkelingen
Verloop van de spanning in de statorwikkeling bij een
constante draaisnelheid van de rotor
In de startpositie, 0°, liggen de veldlijnen van het magnetisch veld parallel met de wikkelingen van de stator. Deze
snijden dus geen veldlijnen: er is geen opgewekte spanning.
Tijd (t)
0
Umin
Periode
Kenmerken
Deze netfrequentie is voor heel Europa vastgelegd op
50Hz (in de Verenigde Staten 60Hz).
Voornaamste redenen zijn dat het gedrag en de werking
van elektrische componenten, naast de waarde van de
voedingsspanning, ook afhankelijk is van de frequentie
van deze voedingsspanning. Fabrikanten van elektrische
toestellen moeten dus kunnen rekenen op één stabiele
netfrequentie. Toestellen voor gebruik op wisselspanning
mogen ook nooit worden aangesloten op een DC spanning en omgekeerd.
Een gestandaardiseerde netfrequentie is ook noodzakelijk
om elektriciteitsnetten van verschillende uitbaters onderling
te kunnen koppelen.
Elektriciteit, van Amber tot Onmisbaar
U
60°
180°
Umax
28
0°
150°
Spanning (U)
Ueff
30°
120°
De eenheid van frequentie is 1 Hertz (Hz)
Veelvouden zijn :
1 kHz = 1 000 Hz
Draairichting rotor
Naarmate de rotor verder draait, snijden steeds meer veldlijnen de wikkelingen van de stator.
Op 90° wordt het maximale aantal veldlijnen gesneden en
is de opgewekte spanning maximaal.
Vanaf 180° is de positie van de geleider volledig gedraaid
en zal ook de opgewekte spanning van polariteit wisselen.
DC versus AC
Effectieve waarde van een spanning
Opmerkelijk verschil tussen AC en DC spanning is dat
wisselspanning kan worden getransformeerd van een lage
naar een hoge waarde en omgekeerd.
Grafisch gezien is bij een sinusoïdale spanning de gemiddelde spanning over één periode gelijk aan nul Volt.
Dat is een belangrijke eigenschap voor het vervoer van
elektriciteit. Vandaar dat elektriciteitsnetten worden gevoed
op wisselspanning.
Elektronische componenten werken echter op lagere
DC spanning. Hiertoe wordt aan of in het toestel de AC
spanning van het elektriciteitsnet omgevormd naar een
lagere (DC) spanning. Dit kan door een uitwendige spanningsadapter (zoals bijvoorbeeld bij een laptop) of door een
ingebouwde voeding.
In tegenstelling tot de AC netspanning voor de woning, die
gestandaardiseerd is op 230V of 400V, bestaat er een zeer
grote variatie in DC spanningen, met dus telkens hun eigen
specifieke spanningsadapter of ingebouwde voeding.
Om een wisselspanning te meten, werkt men met de ‘effectieve waarde’.
Onder effectieve waarde van een wisselspanning verstaat
men de waarde die een constante gelijkspanning moet
hebben om, in dezelfde tijd en in dezelfde weerstand,
dezelfde hoeveelheid warmte te ontwikkelen als de beschouwde wisselspanning.
Ueff = Umax / √2 of : Ueff=0,707 Umax
Als men spreekt over wisselspanning bedoelt men steeds
deze effectieve waarde.
Het is ook deze waarde die wordt aangeduid door een
meettoestel en die staat vermeld op het label van elektrische toestellen.
Driefasige wisselspanning
Wisselspanning wordt dus opgewekt door het magnetisch
veld van de rotor te draaien tussen een spoel van de stator
van de alternator.
In een alternator van een elektriciteitscentrale zijn in de
stator drie groepen van spoelen gemonteerd, 120° ten
opzichte van elkaar verschoven (dus mooi verdeeld over
de omtrek van de turbines).
Het draaiende magnetisch veld gaat dus achtereenvolgens
door de drie spoelen.
We bekomen hierdoor drie spanningen die tegenover
elkaar 120° zijn verschoven.
Merk op dat in deze voorstelling op elk tijdstip de som van
de drie spanningen gelijk is aan nul.
Spanningsadapter Telenet-modem met twee spanningen
Bij een gelijke belasting van de drie spoelen zal dus ook de
resulterende stroom gelijk zijn aan nul.
Spanning (U)
Tijd (t)
0
Driefasige wisselspanning
Elektriciteit, van Amber tot Onmisbaar
29
Netaftakking
Voor aftakking van de spanningen uit de drie spoelen van
de stator zijn deze wikkelingen in ster geschakeld.
Een eenvoudige toepassing van elektriciteit op
wisselspanning
Elke spoel heeft hierbij een gemeenschappelijke geleider,
de zogenaamde neuter of nulgeleider.
Om in een woning een lamp te laten branden, weten we
dat we ze in een verlichtingsarmatuur moeten draaien en
de lichtschakelaar aanzetten.
De spanningen op de drie andere aftakkingen zijn gelijk en
120° verschoven tegenover elkaar.
Door middel van elektrische leidingen in de wanden zijn
lamp, schakelaar en voedingsbord met elkaar verbonden.
Een elektrische spanning wordt weergegeven door het
symbool U en de waarde wordt uitgedrukt in Volt (V).
Identiek aan het eerdere voorbeeld van de zaklamp hebben we hier een elektrische voedingskring gevormd door
een voeding, elektrische leidingen, een schakelaar en een
lamp.
Een veelvoud is 1 kV = 1 000 V
Een deel is 1 mV = 0,001 V
Voedingsbord klant
De spanning tussen een fase en de nulgeleider noemt men
de fasespanning.
Die bedraagt op de aftakking voor een woning 230 V.
De spanning tussen twee fasen noemt men de lijnspanning.
Lamp
kWh-teller
Die bedraagt voor de aftakking van een woning 400V
Leidingen
(= √3 * 230 V = 1,73 * 230 V)
netaftakking
Let op : voor het transport van elektriciteit uit een centrale
naar de klanten toe, wordt de spanning meerdere keren
getransformeerd naar een andere waarde.
Uiteindelijk worden residentiële klanten en kleine KMO ’s
afgetakt op 230 V of/en 400 V.
Voor de voeding van een woning wordt normaal de nulgeleider en één fase in de woning gebracht. Voor specifieke
toepassingen (meestal in een KMO) wordt de nulgeleider
met twee of drie fasen afgetakt.
Sommige oude distributienetten worden nog gevoed op
3 x 230 V.
U1
U3
Fasespanning 1
230V
U2
Fasespanning 3
230V
Fasespanning 2
230V
Spanningen op een distributienet
30
Elektriciteit, van Amber tot Onmisbaar
Lijnspanning 1-3
400V
Lijnspanning 1-2
400V
Lijnspanning 3-2
400V
Lichtschakelaar
Situatieschets verlichtingskring
Sluiten we de schakelaar, waardoor de voedingskring is
gesloten, dan komt de lamp onder spanning te staan en
vloeit er doorheen de kring een elektrische stroom. Die
elektrische stroom wordt in de lamp voor een deel omgezet in licht en voor een deel in (ongewenste) warmte.
Daarbij is de sterkte van de elektrische stroom afhankelijk
van het vermogen van de lamp of omgekeerd : draaien we
een lamp in met een hoger vermogen, dan wordt ook de
elektrische stroom hoger.
Elektrisch ééndraadschema
Genormaliseerd tekenen
Nemen we de elektrische voedingskring met de lamp :
deze situatie kunnen we ook weergeven door middel van
een elektrisch schema.
Exacte informatie hierover is moeilijk te vinden, maar we
kunnen aannemen dat op een bepaald punt in de geschiedenis van de ontwikkeling van de elektriciteit, een behoefte
ontstond aan gestandaardiseerde uitdrukkingen van fysische en elektrische waarden en een gestandaardiseerde
tekenmethode.
In dergelijke schema’s wordt gebruik gemaakt van genormaliseerde symbolen. Op de plaats van de lichtschakelaar
tekenen we een overeenkomend symbool dat telt voor
alle modellen van schakelaars met dezelfde elektrische
eigenschappen.
Genormaliseerde symbolen maken het mogelijk om een
elektrische installatie op een relatief eenvoudige en overzichtelijke wijze te ontwerpen en duidelijk weer te geven
voor alle mensen die er later mee te maken krijgen.
In 1890 werd op het vaste land het ‘Metriek Stelsel’
ingevoerd, dat in 1978 in de landen van de Europese gemeenschap werd opgevolgd door het SI-stelsel (Système
international, internationaal systeem van meeteenheden).
De grondslag voor het technisch tekenen werd gelegd
door Leonardo da Vinci (1452-1519).
Er ontstond met de tijd ook een technisch vocabularium
dat doorlopend wordt uitgebreid.
kWh-teller
Voor de elektrische uitrusting van een woning zijn de huidige tekensymbolen weergegeven in het AREI.
Verliesstroomschakelaar 300mA
Automaat 10A
Tweepolige schakelaar
300mA
10A
Lichtpunt
Bij elektriciteit onderscheiden we verschillende soorten
elektrische schema’s :
• Een aansluitschema van een toestel waarop is weergegeven welke draad aan welke klem moet worden
aangesloten.
• Een aanzichttekening waarop de indeling van bijvoorbeeld een voedingsbord wordt weergegeven.
Eéndraadschema verlichtingskring
Elektrische voedingskringen
Een woning bevat uiteraard meer dan één elektrische
voedingskring. Bovendien hebben de meeste van deze
kringen meerdere aftakkingen voor nog andere lichtpunten
en stopcontacten. Het geheel van alle elektrische kringen
vormt het elektrisch schema.
De uitwerking van dergelijk elektrisch schema is strikt
gebonden aan de voorschriften van het AREI (Algemeen
Reglement op de Elektrische Installaties). Die voorschriften hebben tot doel om de praktische realisatie op een
uniforme wijze uit te voeren die voldoet aan opgelegde
veiligheidseisen.
• Een blokschema waarop in blokken de verschillende
functies of delen van een elektrische installatie worden
weergegeven.
• Een ééndraadschema waarbij de verschillende elementen, door middel van symbolen, en de leidingen met het
aantal geleiders worden weergegeven.
• Een situatieschets waar op een bouwkundige plattegrond de exacte locatie van elektrische elementen
(schakelaars, stopcontacten, aftakdozen…) wordt weergegeven.
• Een leidingenschema waar op een plattegrond van het
gebouw of een terrein het tracé van leidingen wordt
getekend.
Een ééndraadschema en een situatieschets zijn momenteel wettelijk verplicht voor elke nieuwbouw en belangrijke
verbouwing waar een keuringsattest is vereist.
Elektriciteit, van Amber tot Onmisbaar
31
Elektrische belasting
Elektronische voedingen zijn doorgaans capacitieve belastingen.
Het is een algemeen fysisch verschijnsel dat, van zodra
iets in beweging is, deze beweging wordt tegengewerkt.
Op een actie volgt steeds een reactie. Dat is ook het geval
bij de elektrische stroom.
Bij een capacitieve belasting, gevoed op AC spanning,
loopt de stroom voor op de spanning.
Elektrische stroom bestaat uit elektronen die stromen
van de ene pool van de voeding naar de andere. Ook die
beweging wordt tegengewerkt door alle componenten van
de elektrische voedingskring waar hij doorstroomt.
Elk elektrisch toestel is een verzameling van elektrische
en elektronische onderdelen die allemaal zijn opgebouwd
uit componenten met bepaalde elektrisch geleidende
eigenschappen. Elektrische toestellen kunnen dus allemaal
worden beschouwd als een ‘equivalente weerstand’.
De reactie op de doorstroming van een elektrische stroom
(en dus de weerstand) hangt echter ook af van de aard van
de spanning, AC of DC, en de aard van de belasting die
wordt gevoed.
De meest eenvoudige elektrische belasting is de ‘resistieve
belasting’.
Een resistieve belasting wordt gevormd door elektrische
weerstanden.
Voorbeelden zijn verwarmingsweerstanden en gloeilampen. De reactie op AC spanning en DC spanning is enkel
in dit geval identiek.
Het verloop van de stroom doorheen een resistieve belasting volgt volledig synchroon het verloop van de voedingsspanning. Bereikt de spanning haar maximum waarde, dan
is ook de stroomsterke maximaal.
Bij een resistieve belasting, aangesloten op AC of DC
spanning, zijn stroom en spanning in fase en werken optimaal samen.
Een ‘inductieve belasting’ heeft als het ware een ’verende
weerstand’ tegen elke verandering van stroomsterkte.
Een inductieve belasting wordt gevormd door spoelen,
zoals in motoren. Op DC spanning is de weerstand laag.
Bij een voeding op AC spanning is de weerstandswaarde
relatief hoog.
De meeste elektrische toestellen zijn een combinatie van
resistieve, inductieve en capacitieve belastingen met uiteindelijk een resulterend gedrag.
Op gebied van netbelasting is een resistieve belasting het
beste, omdat hierbij de minste netverliezen voorkomen.
Vandaar dat in heel wat toestellen met inductief of capacitief gedrag compensaties worden toegepast. Een inductieve belasting van een motor, bijvoorbeeld, wordt verbeterd
door bijschakeling van een capaciteit.
Al deze componenten vormen een ‘elektrische belasting’.
In het geval van een resistieve belasting spreken we ook
van een weerstand. In geval van een inductieve of capacitieve belasting spreken we van een impedantie.
Een elektrische weerstandswaarde wordt weergegeven
door het symbool R en uitgedrukt in Ω (Ohm)
Veelvoud is 1 kΩ = 1 000 Ω
En 1 M Ω is gelijk aan 1 000 000 Ω
Parallel en serieschakeling
Elektrische belastingen kunnen worden geschakeld in
serie, parallel of een combinatie van beide.
Bij een serieschakeling staan de verschillende belastingen
achter elkaar geschakeld.
De stroom doorheen elke belasting is dezelfde.
De spanning over elke belasting hangt rechtstreeks af van
de verhouding van haar respectievelijke weerstandswaarde
ten opzichte van de som van alle weerstanden.
Een serieschakeling wordt weinig toegepast. We vinden ze
wel nog in de klassieke kerstboomverlichting.
u1
u2
R1
R2
u3
In een gesloten stroomkring gevoed op wisselspanning
volgt de stroom de spanning met een bepaalde vertraging.
Bij een inductieve belasting, aangesloten op AC spanning,
ijlt de stroom na op de spanning. Stroom en spanning
werken niet optimaal samen.
Een ‘capacitieve belasting’ is een barrière voor gelijkspanning, maar heeft een relatief lage weerstandswaarde bij
elke verandering van spanning.
Bij een DC spanning is er een korte stroomstoot voor het
opladen van de capaciteit. Eens opgeladen, vloeit er bij DC
spanning geen stroom meer.
32
Elektriciteit, van Amber tot Onmisbaar
R3
U
I
U=U1+U2+U3
Serieschakeling van weerstanden
Bij een parallelschakeling zijn de verschillende belastingen
afgetakt op twee voedingslijnen en staat elke belasting
onder dezelfde spanning.
De totale stroom is gelijk aan de som van de verschillende
aftakstromen.
De stroom doorheen een bepaalde belasting is omgekeerd
evenredig met de betreffende weerstandswaarde.
Voorbeeld van een parallelkring zijn de verschillende stopcontacten en lichtkringen in een woning en de aftakking
van woningen op het distributienet.
U
I1
I2
I3
R1
R2
R3
Arbeidsfactor en elektrisch vermogen
We zagen eerder dat stroom en spanning enkel bij een
resistieve belasting synchroon lopen.
Bij een inductieve belasting komt de stroomwaarde op
haar maximum enige tijd later dan de spanning. Bij een
capacitieve belasting komen eerst de stroom en dan de
spanning op hun maximum waarde.
Dus enkel bij een resistieve belasting werken spanning en
stroom optimaal samen en gebruiken we het maximale
vermogen.
Lopen spanning en stroom niet in fase, dan is er een
vermogenverlies. De grootte van dat verlies is afhankelijk
van het tijdsverschil tussen het verloop van spanning en
stroom.
In een vectoriële voorstelling is de cos-waarde van de hoek
phi (φ) tussen spanning en stroom een indicatie van het
rendement waarmee spanning en stroom worden gebruikt
in een toepassing. We noemen dit de arbeidsfactor.
I
I=I1+I2+I3
Parallelchakeling van weerstanden
Vectoriële voorstelling
Bij wisselspanning moeten we een onderscheid maken
tussen :
• actief elektrisch vermogen (werkelijk vermogen)
Peff = Ueff * Ieff * cosφ (W)
Om de onderlinge positie van spanning en stroom of van
meerdere spanningen of meerdere stromen tegenover
elkaar visueel weer te geven, wordt meestal gebruik gemaakt van een vectoriële voorstelling.
Waarden van spanningen en stromen worden hierin voorgesteld door vectoren met een respectievelijke grootte en
zin.
Bij wisselspanning laat men deze vectoren met een gelijkmatige snelheid draaien rond één centraal punt in een
richting tegengesteld aan de draaizin van de wijzers van
een uurwerk.
Veelvouden zijn 1 kW = 1 000 W
en 1 MW = 1 000 000 W
• Schijnbaar elektrisch vermogen
P = Ueff * Ieff in VA
1 kVA=1 000VA
Bij gelijkspanning of bij AC voeding van een zuiver resistieve belasting is
P = U * I (W)
De vectoren leggen één volledige toer af in de tijd van één
periode van de wisselspanning.
90°
U
12
120°
0°
φ
I
12
180°
0°
0°
Arbeidsfactor = cos-waarde van de hoek φ
270°
Vectoriële voorstelling van een driefasige wisselspanning
Elektriciteit, van Amber tot Onmisbaar
33
Piekvermogen
Bescherming tegen de gevaren van elektriciteit
Een woning heeft uiteraard meerdere toepassingen die
werken op elektriciteit, met elk hun eigen vermogen. Zijn al
deze toepassingen tegelijkertijd ingeschakeld, dan spreken
we van een piekvermogen.
Heel wat processen in ons lichaam worden gestuurd door
zeer kleine elektrische pulsen. Contact van ons lichaam
met een uitwendige elektrische spanning (elektrocutie) kan
de werking van ons ‘intern elektrisch systeem’ verstoren
met ernstige gevolgen.
Indien we het elektrisch vermogen kennen van een
elektrisch toestel (of van alle toestellen die tegelijkertijd
kunnen worden ingeschakeld) en weten wat de nominale
voedingsspanning is, dan kunnen we het te verwachten
maximale vermogen berekenen en de bijbehorende maximale stroomsterkte.
Omgekeerd : kennen we de nominale spanning van een
voedingskring en kennen we de maximaal toegestane
stroomsterkte, dan kunnen we het vermogen berekenen
dat maximaal op deze voedingskring mag worden aangesloten.
Ook ons lichaam of delen van ons lichaam gedragen zich
als een elektrische weerstand. In een gesloten kring (bij
elektrocutie) kan door ons lichaam een elektrische stroom
vloeien die ernstige inwendige en/of uitwendige brandwonden kan veroorzaken.
Te hoge stroomsterkten in elektrische installaties of overgangsweerstanden kunnen een oververhitting veroorzaken
waardoor brand kan ontstaan.
Deze mogelijke gevaren en het op zeer breed vlak gebruik
van elektriciteit maken het noodzakelijk om elke installatie
en alle toestellen maximaal te beveiligen tegen de gevaren
van elektrocutie of overbelasting en dit in diverse specifieke
gebruiksomstandigheden.
Elektrische toestellen moeten momenteel voorzien zijn van
een CE-markering.
Die markering geeft aan dat het toestel voldoet aan de
Europese richtlijnen betreffende veiligheid, gezondheid en
consumentenbescherming. Zij is tevens een indicatie dat
alle procedures tot de beoordeling van de conformiteit
werden gevolgd.
Voor de installaties werden wettelijke voorschriften uitgevaardigd die worden omschreven in het AREI. Elke nieuwe
installatie of belangrijke aanpassing aan een bestaande
installatie moet, voor de indienstneming, worden gekeurd
door een erkende keuringsorganisatie.
34
Elektriciteit, van Amber tot Onmisbaar
Ontwikkeling na de eerste centrales
Globaal kan worden gesteld dat rond 1920 de belangrijkste problemen voor de productie en de distributie van
elektriciteit waren gekend en opgelost.
De oliecrisissen van 1973 en 1979 maakten onze afhankelijkheid van energie duidelijk en brachten de economische
kwetsbaarheid van onze bevoorrading aan het licht.
Zowel industrieel als in de woning namen de toepassingen
die werkten op elektriciteit sterk toe, waardoor de productie en distributie van elektriciteit meer rendabel werden.
Stilaan kwamen we ook tot het inzicht dat fossiele energie
niet onbeperkt zal beschikbaar blijven en dat moet worden
uitgekeken naar alternatieven.
In de marge van deze ontwikkeling ontstond ook een
nieuwe techniek die de bediening en de afstelling van elektrische installaties vergemakkelijkt: de domotica.
Veranderingen in het klimaat en de natuur tonen ook duidelijk de negatieve invloed van de verbrandingsgassen op
ons klimaat en het milieu.
Productie van elektriciteit groeide van een lokale distributiezone (met centrales die produceerden voor een begrensd
geografisch gebied) uit tot een internationaal netwerk van
aan elkaar gekoppelde centrales met grote diversiteit in
primaire energie.
De kwetsbare bevoorrading, de beperkte voorraad fossiele brandstoffen en het milieu zijn de drie belangrijkste
redenen die maken dat, op een steeds breder vlak, het
belang doordringt van Rationeel Energiegebruik (REG) en
de noodzaak tot het overschakelen naar hernieuwbare
energie.
Tot juli 2003 werd nagenoeg alle elektriciteit voor de Belgische markt geproduceerd door Electrabel.
Vanaf juli 2003 werd, als gevolg van Europese richtlijnen,
in Vlaanderen de energiemarkt geliberaliseerd. (Wallonië
en het Brussels gewest volgden later). Hierdoor werd een
scheiding gemaakt tussen het produceren of leveren van
de elektriciteit, het transport via het hoogspanningsnet
(Elia) en de distributie naar de klanten (Eandis).
Bedoeling van deze splitsing van activiteiten en verantwoordelijkheden is om meerdere leveranciers, aan dezelfde voorwaarden en tarieven, toegang te geven op de
distributienetten en hierdoor tot een concurrentie tussen
leveranciers te komen omtrent energieprijs en energiegerelateerde diensten.
De verdere geschiedenis van elektriciteit zal zich vermoedelijk afspelen op het terrein van de rendementen, alternatieve en schone energiebronnen en mogelijkheden tot
beperken van het verbruik.
Ook zullen steeds meer relatief kleine energiecentrales
werkend op hernieuwbare energie zich integreren in de
bestaande elektriciteitsnetten.
Binnen niet zo lange tijd zal er vermoedelijk ook een punt
komen dat men bij de productie en distributie van elektriciteit van een ‘voorzien in alle omstandigheden van de
nodige productiecapaciteit’ zal overgaan tot een ‘selectieve sturing van toepassingen in functie van de beschikbaarheid’.
Elektriciteit, van Amber tot Onmisbaar
35
Hoe contacteert u Eandis ?
Dringende oproepen
Website
Snel en makkelijk via het web.
0800 65 0 65
Gasreuk
9010049 - November 2013 - v.u. : Luc Desomer, Public affairs en Communicatie Eandis - Brusselsesteenweg 199, 9090 Melle - Gedrukt op milieuvriendelijk papier
Hier kunt u een gasreuk melden, 24 uur per dag
en 7 dagen per week. Deze oproepen worden
prioritair behandeld. Dit is een gratis nummer.
36
078 35 35 00
Storingen en defecten
Op dit nummer kunt u terecht om storingen of
defecten op het elektriciteits- of aardgasnet te
melden. Het nummer is 24 uur per dag en 7 dagen
per week bereikbaar. U betaalt het zonale tarief.
SMS
0477 77 70 80
Spraak- en gehoorgestoorden
Spraak- en gehoorgestoorden kunnen een
gasreuk, storingen en defecten melden via een
sms-codebericht naar 0477 77 70 80. Meer info
vindt u op www.eandis.be > Contact >
Telefonisch contact.
078 35 35 34
Algemeen telefoonnummer
Voor alle vragen kunt u ook terecht op dit nummer.
We zijn iedere werkdag bereikbaar van 8 uur tot
20 uur en op zaterdag van 9 tot 13 uur. U betaalt
het zonale tarief.
www.eandis.be
Aansluitingen gas en elektriciteit:
nieuwe aansluitingen, verzwaring van aansluitingen,
verplaatsing en vervanging van meters.
www.eandis.be > Aansluitingen
Doorgeven meterstanden
www.eandis.be > Meteropneming
Melden van verhuizing
www.eandis.be > Verhuizen
Rationeel energiegebruik: premies, tips …
www.eandis.be > Energie besparen
Dienstverlening van de sociale leverancier en
budgetmeters
www.eandis.be > Sociaal
Vacatures
www.eandis.be > Jobs
Defecte straatlampen
www.eandis.be > Straatlampen
Een defecte straatlamp opgemerkt? Geef de
adresgegevens van de paal door en we herstellen
het defect zo snel mogelijk. Defecte straatlampen
kunt u ook telefonisch melden: 0800 6 35 35.
Opmerkingen of klachten
www.eandis.be > Over Eandis >
Opmerkingen of klachten melden
Hebt u een probleem met de dienstverlening van
Eandis? We horen graag uw reactie, zodat we onze
werking kunnen verbeteren.
Ombudsdienst
www.eandis.be > Over Eandis > Ombudsdienst
Bent u niet tevreden over de manier waarop we
uw klacht behandelen? Dan kunt u terecht bij de
ombudsdienst van Eandis.
U kunt ook schrijven naar: Ombudsdienst Eandis Postbus 60, 9090 Melle.