Natuurwetenschappen - Elektrische Energie

7 Elektrische energie
Natuurwetenschappen
Materie, energie en leven
Tom Mortier
Ursulinen Mechelen
7.1 Van elektrische energie naar comfort
lift
elektrolysezaal
gloeilamp
Elektrische energie kan worden omgezet in mechanische
energie, warmte-energie, lichtenergie, chemische energie
calorimeter
Natuurwetenschappen
Materie, energie en leven
Tom Mortier
Ursulinen Mechelen
7.1.1
Van elektrische energie naar warmte-energie: het joule-effect
Omzetting naar warmte-energie gewenst
Omzetting naar warmte-energie niet gewenst
Natuurwetenschappen
Materie, energie en leven
Tom Mortier
Ursulinen Mechelen
7.1.2
Van elektrische energie naar lichtenergie: de gloeilamp
2,5% van elektrische energie
omgezet in licht, de overige
97,5% in warmte
Gloeidraad (wolfraam) = één meter
Waarom inert gas (Ar) en geen lucht?
wolfraam zou verbranden vanwege het
zuurstofgas aanwezig in de lucht
Natuurwetenschappen
Materie, energie en leven
Tom Mortier
Ursulinen Mechelen
7.2
Energie en vermogen van elektrische stroom
7.2.1
Elektrische energie E
Experimentele afleiding van elektrische energie E
Experiment 1
Benodigdheden: een regelbare spanningsbron, 2 lampjes, een voltmeter en een
ampèremeter, verbindingsdraden
I = 0,1 A
Stroomsterkte
6V
L1
A
Natuurwetenschappen
Materie, energie en leven
Tom Mortier
Ursulinen Mechelen
Experimentele afleiding van elektrische energie E
Experiment 2
12 V
L1
L2
A
U2 = 6 V U1 = 6 V
I = 0,1 A
In experiment 2 is de geproduceerde energie dubbel zo groot als in het eerste proefje.
E en U zijn recht evenredig met elkaar
E~U
Natuurwetenschappen
Materie, energie en leven
Tom Mortier
Ursulinen Mechelen
Experimentele afleiding van elektrische energie E
Experiment 3
I = 0,2 A
6V
L1
I 2= 0,1 A
I1 = 0,1 A
L2
A
In het derde proefje is de geproduceerde energie (lichtenergie) dubbel zo groot als in het
eerste proefje
E en I zijn recht evenredig met elkaar
E~I
Natuurwetenschappen
Materie, energie en leven
Tom Mortier
Ursulinen Mechelen
Experimentele afleiding van elektrische energie E
Experiment 4
E van verschillende huishoudtoestellen meten
E~t
Besluit van de vier experimenten
E=U∙I ∙t
SI-eenheid voor energie
1 Joule = 1 J
James Prescott Joule
(1818 – 1889)
Natuurwetenschappen
Materie, energie en leven
Tom Mortier
Ursulinen Mechelen
7.2.2
Elektrisch vermogen (P )
Definitie
Vermogen is de geleverde arbeid (W) per tijdseenheid
SI-eenheid voor vermogen
1 watt = 1 W = 1V x 1 A
1 kilowatt (kW) = 10³ W
1 megawatt (MW) = 106 W
James Watt
(1736 – 1819)
Natuurwetenschappen
Materie, energie en leven
Tom Mortier
Ursulinen Mechelen
7.2.3
Elektrische energie en elektrisch vermogen in het dagelijkse leven
Het verbruik van elektrische energie wordt aangegeven in kWh (kilowattuur)
E=P∙t
1 J = 1 W.s
1 kWh = (1000 W)(3600 s) = 3 600 000 J
Natuurwetenschappen
Materie, energie en leven
Tom Mortier
Ursulinen Mechelen
Vragen
Vraag 1
Gegeven
Gloeilamp P = 60 W
Spaarlamp P= 12 W
t = 3h/dag
kostprijs c€ 15,64/kWh
Gevraagd
Verschil in kostprijs
Oplossing
Gloeilamp
0,060 kW ∙ 3h∙ 365 ∙ € 0,1564/kWh = € 10,28
Spaarlamp
0,012 kW ∙ 3h∙ 365 ∙ € 0,1564/kWh = € 2,06
Verschil = € 10,28 - € 2,06 = € 8,22
Natuurwetenschappen
Materie, energie en leven
Tom Mortier
Ursulinen Mechelen
Vraag 2
Bereken voor elk van onderstaande toestellen de stroomsterkte en de weerstand op basis
van de gegevens in kolom 2
Haardroger
220 V – 1400 W
I = 6,36 A
R= 34,6 Ω
Broodrooster
220 V – 550 W
Gloeilamp
220 V – 25 W
I = 2,50 A
I = 0,114 A
R= 88,0 Ω
R=1930 Ω
Natuurwetenschappen
Materie, energie en leven
Tom Mortier
Ursulinen Mechelen
Vraag 3
Een gloeilamp is geconstrueerd voor een netspanning van 220 V en een stroomsterkte van
0,50 A. Bereken de kostprijs voor 24 h belichting door deze lamp, als de kostprijs c€
15,64/kWh is
Gegeven
U = 220 V
t = 24h
I = 0,50 A
kostprijs c€ 15,64/kWh
Gevraagd
Kostprijs 24h
Oplossing
[(220V∙ 0,50 A)/1000] ∙ 24h ∙ c€ 15,64/kWh = c€ 41,3
Natuurwetenschappen
Materie, energie en leven
Tom Mortier
Ursulinen Mechelen
7.3
Hoe gevaarlijk/veilig is elektrische stroom?
7.3.1
Gevaren van elektrische stroom
1 Kortsluiting en elektrocutie
Hoe ontstaat kortsluiting ontstaat?
Kortsluiting ontstaat wanneer twee of meer draden van een elektrische stroomkring met elkaar
in aanraking komen alvorens de stroom de verbruikstoestellen bereikt.
Wat betekent kortsluiting elektrisch?
Kortsluiting betekent dat de stroom dan een kortere weg volgt met een te geringe weerstand
zodat de stroomsterkte zeer hoog wordt, wat in bepaalde gevallen tot gloeien van de draden kan
leiden met brand tot gevolg.
Hoe voorkomt men kortsluiting?
Om kortsluiting te voorkomen zijn de elektrische draden met een isolerende stof omwonden.
Natuurwetenschappen
Materie, energie en leven
Tom Mortier
Ursulinen Mechelen
Wat men verstaat onder elektrocutie?
Elektrocutie is het overlijden tengevolge van een te grote elektrische stroom die door het
lichaam loopt.
2 Overbelasting
een te hoge stroom door de huisinstallatie
Natuurwetenschappen
Materie, energie en leven
Tom Mortier
Ursulinen Mechelen
3 Overschrijden van de toegestane stroomsterkte
Maximale toegestane stroomsterkte in de kabelleidingen
volledig afgerold → I = 6,0 A.
opgerolde kabel → 2,75 A
In opgerolde toestand is de warmteafgifte aan de omgeving
minder. Bij te grote stroomdoorgang zou de isolatie smelten.
Vragen
Mag je een boormachine van 400 W aansluiten op de kabelhaspel in opgerolde toestand?
I= P/U = 400 W/220 V = 1,82 A
Ja
Mag je een straalkachel van 1000 W aansluiten op de kabelhaspel in opgerolde toestand
I=P/U =1000 W/220 V = 4,55 A
Natuurwetenschappen
Materie, energie en leven
Nee
Tom Mortier
Ursulinen Mechelen
4 Welk zijn de gevaren in volgende situaties?
Situatie 1
De kok heeft in de ene hand de watersproeier. Als hij de broodrooster,die
aangesloten is op het elektriciteitsnet, aanraakt, is er een gevaar voor elektrocutie.
Natuurwetenschappen
Materie, energie en leven
Tom Mortier
Ursulinen Mechelen
Situatie 2
Er is hier gevaar voor overbelasting
Vermeld een veiligere oplossing:
contactdozen gebruiken
Natuurwetenschappen
Materie, energie en leven
Tom Mortier
Ursulinen Mechelen
Situatie 3
Beschadigde isolatie kan kortsluiting veroorzaken, (links en midden),
losliggende kabels kunnen beschadigd worden met kortsluiting als gevolg, de
verdeelstekker (‘kattekop’) kan overbelasting veroorzaken (rechts).
Wees Voorzichtig!
Natuurwetenschappen
Materie, energie en leven
Tom Mortier
Ursulinen Mechelen
7.3.2
Smeltveiligheden of zekeringen
1 Werkingsprincipe
zekering in een auto
Een zekering heeft een smeltdraad
Bij een te hoge stroomsterkte smelt de draad door.
automatische zekering
Natuurwetenschappen
Materie, energie en leven
Tom Mortier
Ursulinen Mechelen
2 Experiment met een smeltveiligheid
Benodigdheden:
Platte batterij (4,5 V) of ronde batterij (1,5 V), een aangepast lampje,
verbindingssnoeren,
een ijzeren spijker,
een houten plankje,
twee punaises,
een geleidend draadje en
doorzichtige kleefband
Natuurwetenschappen
Materie, energie en leven
Tom Mortier
Ursulinen Mechelen
Resultaat experiment met een smeltveiligheid
Met spijker
Zonder spijker
Natuurwetenschappen
Materie, energie en leven
Tom Mortier
Ursulinen Mechelen
3 Opgaven
a) In de keuken zijn het koffiezetapparaat (800 W), de koelkast (300 W) en de
vaatwasmachine (2000 W) op 1 stroomkring aangesloten en beveiligd met een
smeltveiligheid met nominale waarde 16 A. Bereken of de smeltveiligheid al dan niet zal
doorsmelten als al deze toestellen in werking zijn
Gegeven
P (koffiezetapparaat) = 800 W
P (koelkast) = 300W P (vaatwasmachine ) = 2000W
Imax = 16 A
Gevraagd
Zal de smeltveiligheid doorsmelten?
Oplossing
Koffiezetapparaat : I = 800 W / 220V = 3,64A
Koelkast: I = 300 W / 220V = 1,36 A
Itot = (3,64 + 1,36 + 9,09) A =14,09 A
(parallelschakeling)
Vaatwasmachine: I = 2000 W / 220V = 9,09A
Antwoord
De smeltveiligheid zal dus niet doorsmelten.
Natuurwetenschappen
Materie, energie en leven
Tom Mortier
Ursulinen Mechelen
b) Ga na of het naar veiligheid verantwoord is extra een frituurketel (2000 W) op dezelfde
stroomkring aan te sluiten als al deze toestellen in werking zijn
Oplossing
Frituurketel: I = 2000 W/220 V = 9,09 A
Itot =14,09 A + 9,09 A = 23,18 A
> 16 A
De smeltveiligheid zal doorsmelten.
FYSICA VOOR HET LEVEN = TE ONTHOUDEN
 Men mag nooit een veiligheid van hogere nominale waarde aanbrengen.
 Een gesmolten veiligheid mag men nooit herstellen.
Natuurwetenschappen
Materie, energie en leven
Tom Mortier
Ursulinen Mechelen
7.4
Netstroom versus batterijen
7.4.1
Kostprijsberekening van een batterij
Natuurwetenschappen
Materie, energie en leven
Tom Mortier
Ursulinen Mechelen
Opdracht
Wat is de betekenis van 2300 mAh?
2300 mAh (milli-ampère-uur = I x t) is de opgeslagen hoeveelheid elektriciteit Q
E = Q x U = 2300 mAh x 1,5 V = 3450 mWh
Natuurwetenschappen
Materie, energie en leven
Tom Mortier
Ursulinen Mechelen
Bereken de kostprijs per kWh. Houd er wel rekening mee dat er vier batterijen in deze
aanbieding zitten en dat de batterijen tot 1000x oplaadbaar
Opgeslagen hoeveelheid elektriciteit Q = 4 x 2300 mAh = 9200 mAh.
1000 x opladen ⇒totale hoeveelheid opgeslagen elektriciteit Q = 1000 x 9200 mAh = 9200 Ah
E = Q x U = 9200 Ah x 1,5 V = 13800 Wh = 13,8 kWh
. Prijs per kWh = 25 euro/13,8 kWh = 1,81 euro/kWh
Vergelijk deze prijs met de prijs die je thuis moet betalen per kWh
Afhankelijk van de verdeler.
Natuurwetenschappen
~ c€ 14,0/kWh
Materie, energie en leven
Tom Mortier
Ursulinen Mechelen
7.4.2
Mileuaspecten van batterijen
vzw BEBAT (Fonds Ophaling Batterijen)
Ingezamelde batterijen x 1000
http://www.bebat.be/pages/nl/main.html
Natuurwetenschappen
Materie, energie en leven
Tom Mortier
Ursulinen Mechelen