2 Elektriciteit

Nova
H2 Elektriciteit
2Elektriciteit
1
Elektrische energie vervoeren
Leerstof
1 a In het geval er bij de elektriciteitscentrale geen open water is.
b Om het energieverlies te beperken, zodat er meer elektrische energie overblijft voor de
eindgebruikers.
c De spanning van het lichtnet gaat voortdurend op en neer, volgens een vast patroon dat
zich 50× per seconde herhaalt.
d het aantal windingen van de primaire en secundaire spoel
2
a
b
c
d
Om het water in de ketel te verhitten tot stoom.
De stoom spuit met grote snelheid tegen de schoepen van de turbine.
de generator
in de transformator
3 aweekijzer
b Weekijzer kan gemagnetiseerd worden.
Toepassing
4 de transformator
transformeert de spanning
omhoog/omlaag
5
6
van
naar
in de elektriciteitscentrale
omhoog
20 kV
380 kV
in het transformatorstation buiten de stad of het dorp
omlaag
380 kV
10 kV
in het transformatorhuisje in de stad of het dorp
omlaag
10 kV
in de adapter van haar mobieltje
omlaag
Up
Us
=
Np
Ns
g
230
=
120
Np
500
230 × 500 = 120 ∙ Np
Np = 115 000 : 120 ≈ 958 windingen
Up
Us
=
Np
Ns
g
Np
Ns
=
230
8,0
≈ 29
dus: Np : Ns = 29 : 1
18
230 V
230 V
12 V
© Uitgeverij Malmberg
Nova
H2 Elektriciteit
7
a
b
c
d
Mogelijkheid 1: primaire spoel is spoel A, secundaire spoel is spoel B.
Mogelijkheid 2: primaire spoel is spoel B, secundaire spoel is spoel C.
Primaire spoel is spoel A, secundaire spoel is spoel C.
Mogelijkheid 1: primaire spoel is spoel B, secundaire spoel is spoel A.
Mogelijkheid 2: primaire spoel is spoel C, secundaire spoel is spoel B.
Primaire spoel is spoel C, secundaire spoel is spoel A.
8 a de primaire spoel 200 windingen, de secundaire spoel 600 windingen
Np
6,0
200
Up
b
=
=
g
Us
Ns
Us
600 200 ∙ Us = 6,0 × 600 = 3600
Us = 3600 : 200 = 18 V
c Het magnetische veld moet telkens wisselen om aan de secundaire kant van de
transformator een spanning op te wekken. Een wisselend magnetisch veld wordt alleen
opgewekt als de spanning van de spanningsbron ook wisselt. Dus wisselspanning: ~.
9 a Anders loopt er een elektrische stroom door de transformator.
b bij een deurbel, bij een modelspoorbaan
Np
230
115
Up
c
=
=
g
Us
Ns
12
Ns
12 × 115 = 230 ∙ Ns = 1380
Ns = 1380 : 230 = 6
De secundaire spoel heeft dus 6 windingen.
Plus De ideale transformator
*10a Aan de secundaire kant heeft de aansluiting PQ het minst aantal windingen. De spanning
tussen PQ zal het laagst zijn: 3 V.
b
Up
Us
=
Np
Ns
g
230
8
=
800
Ns
230 ∙ Ns = 8 × 800 = 6400
Ns = 6400 : 230 ≈ 28
c Up ∙ Ip = Us ∙ Is
230 ∙ Ip = 5 × 1,6
230 ∙ Ip = 8
Ip = 8 : 230 ≈ 0,035 A
*11a Een ideale transformator heeft geen energieverlies. Het opgenomen vermogen (van de
primaire spoel) is gelijk aan het afgestane vermogen (van de secundaire spoel).
b Pp = Up ∙ Ip
Pp = 12,0 × 0,25
Pp = 3,0 W
c Ps = Us ∙ Is
Ps = 6,0 × 0,42
Ps = 2,5 W
d Pverloren = Pp – Ps = 3,0 – 2,5 = 0,5 W
0,5
Pverloren
∙ 100% =
× 100% = 17%
Pp
3,0
19
© Uitgeverij Malmberg
Nova
H2 Elektriciteit
2
Vermogen en energie
Leerstof
12 a de spanning (over het apparaat) en de stroomsterkte (door het apparaat)
b Als het dag en nacht aanstaat.
c E = P ∙ t
d met de kWh-meter
13 grootheid
symbool
eenheid
symbool
stroomsterkte
I
ampère
A
spanning
U
volt
V
vermogen
P
watt
W
energie
E
joule
J
Toepassing
14 a P = U ∙ I = 1,5 × 0,000 08 = 0,000 12 W = 0,12 mW
b P = U ∙ I = 230 × 7,8 ≈ 1,8 kW
c P = U ∙ I = 8,1 × 160 ≈ 1,3 kW
15 a
1 200 000 000
800
= 1 500 000 huishoudens
b Het grootste gedeelte van de dag gebruiken de huishoudens minder elektrische energie.
16 a Van 20.00 uur tot 21.00 uur. Het vermogen is dan 730 W.
b Om 23.00 uur. Het vermogen is dan 580 W.
c De klok wordt een uur vooruit gezet, waardoor het langer licht is. De lampen branden
daardoor minder (en er worden minder elektrische apparaten ingeschakeld).
17
a
b
c
18
het verhitten van het water:
E = P ∙ t = 1200 × 30 = 36 000 J = 36 kJ
het water door de koffie persen:
E = P ∙ t = 200 × 20 = 4000 J = 4,0 kJ
totale hoeveelheid elektrische energie = 36 + 4,0 = 40 kJ (≈ 0,011 kWh)
*19a
b
P = 3000 W en t = 1,5 × 3600 = 5400 s
E = P ∙ t = 3000 × 5400 ≈ 1,6∙107 J (16 MJ)
P = 3,0 kW en t = 1,5 h
E = P ∙ t = 3,0 × 1,5 = 4,5 kWh
P = 9 W en t = 6,0 × 60 = 360 s
E = P ∙ t = 9 × 360 ≈ 3,2∙103 J (3,2 kJ)
P = 0,009 kW en t = 6 : 60 = 0,1 h
E = P ∙ t = 0,009 × 0,1 = 0,0009 kWh
Bij de wasdroger. De wasdroger verbruikt meer elektrische energie dan een scheerapparaat,
omdat het vermogen groter is en deze langer aan staat.
Per wasbeurt verbruikt de wasmachine 1,5 kWh elektrische energie.
Per jaar verbruikt de wasmachine 1,5 × 2 × 52 = 156 kWh.
Per wasbeurt verbruikt de wasmachine 0,9 kWh elektrische energie.
Per jaar verbruikt de wasmachine 0,9 × 2 × 52 = 93,6 kWh.
Ze bespaart hiermee 156 – 93,6 = 62,4 kWh.
De besparing in geld is: 62,4 × € 0,22 = € 13,73.
20
© Uitgeverij Malmberg
Nova
H2 Elektriciteit
*20a
b
c
P = 0,0040 kW en t = 24 × 365 = 8760 h
E = P ∙ t = 0,0040 × 8760 ≈ 35 kWh (≈ 1,3∙108 J)
De kosten zijn: 35 × € 0,22 = € 7,70.
In werkelijkheid kijkt Jacqueline ook tv. Het toestel staat daardoor minder lang stand-by.
Ze is hiervoor minder geld kwijt dan bij b is uitgerekend.
Plus Het vermogen van een mens
21 a P =
E
t
b Bij het meisje:
E
9 600 000
P =
=
t
86 400
Bij de jongen:
≈ 111 W
E
12 600 000
P =
=
≈ 146 W
t
86 400
c De berekende vermogens zijn kleiner dan in de leertekst. De reden hiervoor is dat de jongen
en het meisje niet de hele dag fietsen of zich sterk lichamelijk inspannen.
*22a Het nuttige vermogen is ongeveer 25% van het opgenomen vermogen.
Het opgenomen vermogen is dus 350 : 0,25 = 1400 W.
b P = 1400 W en t = 0,5 × 3600 = 1800 s
E = P ∙ t = 1400 × 1800 = 2,52∙106 J
c2,52∙106 : 480∙103 = 5,25
100 g × 5,25 = 525 g pasta
3
Elektriciteit in huis
Leerstof
23 a Itot = I1 + I2 + I3 + … en Ptot= U ∙ Itot
b De fasedraad is bruin; er staat een wisselspanning van 230 V op.
De nuldraad is blauw; er staat geen spanning op.
De schakeldraad is zwart; er staat alleen spanning op als de schakelaar in de AAN-stand
staat.
c 16 A
d – Als er in een groep te veel apparaten tegelijk worden aangezet (overbelasting).
– Als de elektrische stroom een andere weg met een kleinere weerstand kiest dan de
draden van het elektrische apparaat (kortsluiting).
e Bij kortsluiting kiest de elektrische stroom een andere weg met een kleinere weerstand dan
de draden van het elektrische apparaat. De stroomsterkte wordt dan enorm groot, waardoor
er brandgevaar kan ontstaan.
24 ac
ba
cb
21
© Uitgeverij Malmberg
Nova
© Uitgeverij Malmberg
H2 Elektriciteit
Toepassing
25 a Sommige apparaten hebben een groot elektrisch
vermogen. De stroomsterkte door de aanvoerdraden en het
elektrische apparaat is dan ook groot. Om overbelasting te
voorkomen, mag de stroomsterkte in één groep niet groter
worden dan 16 A.
b Deze apparaten hebben niet zo’n groot vermogen, dat de
stroomsterkte in de buurt van de 16 A komt.
26 a Schakelaar a. Hiermee kun je de hele groep uitschakelen.
b Hiermee wordt elk lichtpunt apart in- of uitgeschakeld.
c Zie figuur 1.
naar de overige lichtpunten
en stopcontacten
blauw
bruin
bruin
lichtpunt 2
zwart
schakelaar c
blauw
bruin
bruin
lichtpunt 1
zwart
schakelaar b
schakelaar a
blauw
27
bruin
vanaf de kWh-meter
▶ figuur 1
aschakeldraad
b nuldraad, blauw
c Je kunt aan een schakelaar meestal niet zien of deze AAN of UIT staat.
d de bijbehorende groepsschakelaar (schakelautomaat) in de meterkast omzetten
e Op deze manier weet je zeker dat niemand per ongeluk de groep weer inschakelt.
28 a Ptot = P1 + P2 + P3 + P4 + P5 = 1600 + 12 + 15 + 250 + 400 = 2277 W
b Nee, want de stroomsterkte is niet groter dan 16 A.
Itot =
Ptot
U
=
2277
230
≈ 9,9 A
*29Ptot = Pelement + Pventilator + Pgrill = 1450 + 80 + 1300 = 2830 W
Ptot
2830
Itot =
=
≈ 12,3 A
U
230
De heteluchtoven hoeft geen eigen groep te hebben, omdat de maximale stroomsterkte door
dit apparaat voldoende onder de 16 A blijft.
Ptot
*30a – helemaal afgerold: Itot =
U
=
3500
230
≈ 15,2 A
1100
Ptot
– op de haspel: Itot =
=
≈ 4,78 A
U
230
b Door de hoge stroomsterkte wordt de kabel warm. Als de kabel niet is afgerold, kan de
kabel smelten.
c De maximale stroomsterkte door de kabel is 15,2 A. Dit is vrijwel even groot als de
maximale stroomsterkte in de groep van een huisinstallatie. De kabel is ongeveer even dik
als het koperdraad in de huisinstallatie.
22
blauw
blauw
Nova
H2 Elektriciteit
31 a Het neonlampje brandt, omdat er spanning op de draad staat. De spanningszoeker maakt
contact met de fasedraad.
b Nee. De spanningszoeker maakt hier contact met de nuldraad. Op deze draad staat geen
spanning.
c Het omhulsel van de spanningszoeker geleidt de stroom niet. Zie figuur 2.
d De weerstand van de spanningszoeker is heel groot, waardoor er een kleine, ongevaarlijke
stroom door de spanningszoeker en je lichaam loopt.
neonlampje weerstand
veer
blauw
blauw
blauw
▲ figuur 2
Plus
32 a
b
c
De KEMA
Dat een elektrisch apparaat volgens de KEMA veilig kan worden gebruikt.
Om te kijken of de producenten van elektrische apparaten zich goed aan de regels houden.
Een paar apparaten worden dan uit een willekeurige winkel gehaald en gekeurd.
33 a Ze vertonen tekortkomingen op het gebied van veiligheid.
b Nee, omdat een producent deze markering mag gebruiken, zonder dat de waterkoker
hiervoor gekeurd is.
c Het KEMA-keur geeft aan dat de waterkoker ook daadwerkelijk gekeurd en veilig te
gebruiken is.
d – voldoende bescherming bij morsen;
– de buitenkant van de waterkoker is van een niet-geleidende kunststof gemaakt;
– de waterkoker slaat automatisch en tijdig af als het water kookt.
4
Elektriciteit en veiligheid
Leerstof
34 a Het hefboompje is dan omgeklapt.
b Het verschil in stroomsterkte tussen de nuldraad en de fasedraad. Als de stroomsterkte in
de nuldraad minimaal 30 mA kleiner is dan de stroomsterkte in de fasedraad, schakelt de
aardlekschakelaar de stroom uit.
c Door slijtage kan het koper van de fasedraad in het elektrisch apparaat de metalen
buitenkant aanraken.
d Als er een lekstroom is groter dan 30 mA.
35 a fasedraad (bruin), nuldraad (blauw), schakeldraad (zwart), aarddraad (groengeel)
baarddraad
c Van de buitenkant van het apparaat, door de aarddraad naar het stopcontact, die verder
loopt naar de aardrail in de meterkast.
23
© Uitgeverij Malmberg
Nova
H2 Elektriciteit
Toepassing
36 a Deze wordt kleiner.
b Deze wordt groter.
c Moeilijker. De spieren kunnen zich niet ontspannen, waardoor je de draad moeilijker los
kunt laten.
37 a overbelasting of kortsluiting
b De televisie in de huiskamer is aangesloten op een andere groep.
c de stekker van de waterkoker uit het stopcontact halen
38 a – Het ledlampje is stuk of is niet goed aangedraaid of ingestoken.
– De groepszekering is uitgeschakeld, omdat de stroomsterkte in de groep groter dan 16 A was.
– In de wijk is er geen elektriciteit, waardoor haar huis ook geen elektriciteit via de hoofdkabel krijgt.
b Dat de elektriciteit in de wijk is uitgevallen.
c Dat de groepszekering is uitgeschakeld.
d Het ledlampje is stuk of niet goed aangedraaid of ingestoken. Allereerst moet ze nagaan
of het ledlampje beter aangedraaid of ingestoken moet worden. Als dit niet de oorzaak is,
moet zij het ledlampje vervangen.
39 a in situatie 1
b in situatie 2, 3 en 5
c in situatie 4
40 a De aarding aan de metalen buitenkant voorkomt dat deze bij een defect onder spanning
kan komen te staan.
b Omdat de buitenkant al van een niet-geleidende kunststof is gemaakt.
41 a Ilek = 8,25 – 8,21 = 0,040 A
b De aardlekschakelaar zal de stroom uitschakelen, omdat de lekstroom groter is dan 30 mA
(= 0,030 A).
c De lekstroom zou dan in plaats van door Peters lichaam door de groengele aarddraad naar
de aardrail in de meterkast lopen.
42 a bij 20 mA: binnen 500 ms
bij 200 mA: binnen 40 ms
b Ja, dat klopt. Je kunt in de grafiek aflezen dat een lekstroom van 30 mA pas gevaarlijk is
boven circa 200 ms. Ver voor die tijd, al na 20 ms, heeft de aardlekschakelaar de stroom
uitgeschakeld.
*43a De stroom is niet te voelen. De stroomsterkte is kleiner dan 1 mA.
b De stroom gaat via de spanningszoeker en de arm van Gilles naar de (geaarde) waterkraan.
Deze weg heeft veel minder weerstand dan de weg via zijn lichaam en zijn (waarschijnlijk
goed geïsoleerde) voeten. De stroomsterkte zal daardoor groter worden en het neonlampje
in de spanningszoeker feller branden.
c Van koper, omdat de buizen de elektrische stroom blijkbaar goed geleiden. Anders zou het
neonlampje niet feller gaan branden na het aanraken van een waterkraan.
24
© Uitgeverij Malmberg
Nova
H2 Elektriciteit
Plus Autozekeringen
44 a I =
P
U
=
60
12
= 5,0 A
b De zekering smelt door als de stroomsterkte gelijk aan of groter is dan 10 A.
c De lamp kan anders niet branden, omdat de zekering doorsmelt.
45
onderdeel
gegevens
stroomsterkte
claxon
12 V, 80 W
6,7 A
2
voorruitwissers
12 V, 150 W
12,5 A
3
grootlicht links
12 V, 60 W
5,0 A
2
grootlicht rechts
12 V, 60 W
5,0 A
2
achteruitrijlichten
12 V, 30 W
2,5 A
1
mistlamp
12 V, 200 W
16,7 A
4
achterruitverwarming
12 V, 300 W
25 A
5
motorelektronica
12 V, 45 W
3,8 A
1
benzinepomp
12 V, 220 W
18,3 A
4
airconditioning
12 V, 320 W
26,7 A
5
Test Jezelf
1 awarmte
bhoog
c generatoren, omhoog
2 D
3 a18 V
b ≈ 1,1 V
4 36 windingen
5
12,5 kWh
0,5 kWh
16,2 MJ
720 kJ
6 8,7 A
7 7,2∙105 J; 0,2 kWh
8 a5,4∙106 J of 1,5 kWh
b€ 0,33
9 anuldraad
bfasedraad
cnee
10 180 uur
25
zekering
© Uitgeverij Malmberg
Nova
H2 Elektriciteit
11 2,3 A
12 D
13 a6
b 1: automatische zekeringen; 2: aardlekschakelaars; 3: kWh-meter; 4: hoofdschakelaar;
5: hoofdleiding
14 kleiner; groter; zekering; groot; klein; zekering
15 C
16
aonwaar
bwaar
conwaar
donwaar
ewaar
17
€ 4,- : 0,22 €/kWh = 18,2 kWh (in één jaar)
E = 18,2 kWh
t = 1 jaar = 24 × 365 = 8760 h
P=
E
t
=
18,2 kWh
8760 h
= 0,00207.. kW ≈ 2,1 W
18 Lars heeft gelijk, omdat het energieverbruik ook afhankelijk is van de tijdsduur waarin je het
elektrische apparaat hebt ingeschakeld.
19
1
2
De verbruikte elektrische energie E berekenen:
Bij 1200 omwentelingen wordt 1 kWh = 3,6∙106 J (3,6 MJ) verbruikt.
Bij 1 omwenteling wordt 3,6∙106 J : 1200 = 3,0∙103 J verbruikt.
Bij 57 omwentelingen wordt 57 × 3,0∙103 J = 1,71∙105 J verbruikt.
Het vermogen berekenen:
E = 1,71∙105 J
t = 180 s
P=
E t =
1,71∙105 J
180
= 9,5∙102 W (ongeveer 950 W)
20 a Voor de badkamer gelden strenge veiligheidsregels, die een erkend installateur wel kent en
jij niet. Bovendien zijn de gevolgen, als je iets zelf doet, al gauw levensgevaarlijk.
b in zone 1
c De buitenkant van zo’n dubbel geïsoleerde armatuur kan niet onder spanning komen te
staan.
d Dat betekent dat de elektriciteitsdraden in het apparaat zijn geïsoleerd én de buitenkant
van het apparaat van een isolerend materiaal is gemaakt.
26
© Uitgeverij Malmberg
Nova
H2 Elektriciteit
Praktijk
Een supernetwerk voor Europa
1 a P = 700 MW = 7,00∙108 W
U = 450 kV = 4,50∙105 V
b P = 700 MW = 7,00∙105 kW
t = 24 h
E = P ∙ t = 7,00∙105 kW × 24 = 1,68∙107 kWh (bijna 17 miljoen kWh)
P 7,00∙108 I = =
U 4,50∙105
≈ 1,56∙103 A
2 a Als de te overbruggen afstand groter is dan circa 100 km, is HVDC energie-efficiënter
dan de gewone hoogspanningsleidingen die met wisselspanning (AC) werken. De
energieverliezen in de kabels zijn bij HVDC kleiner en dat maakt het mogelijk om de
elektrische energie rendabel te transporteren.
b Het omzetten van wisselstroom (AC) naar gelijkstroom (DC) en – na transport – weer van
gelijkstroom naar wisselstroom vereist dure en omvangrijke apparatuur. De kosten van die
apparatuur wegen bij korte afstanden niet op tegen het – door de korte afstand relatief
lage – extra energieverlies bij gebruik van wisselspanning.
3 a Je kunt het overschot aan elektrische energie gebruiken om elektrische pompen aan te
drijven die water omhoog pompen naar het stuwmeer.
b Je kunt niet onbeperkt water naar het meer pompen: vol is vol. De capaciteit is variabel
doordat het stuwmeer ook het natuurlijke wateraanbod moet opvangen. Als het veel heeft
geregend, is het stuwmeer al vol en kun je er niet nog extra energie in opslaan. Als het
droog is, staat het water laag en kun je er dus flink wat extra water in kwijt.
c Je haalt de opgeslagen energie weer uit het stuwmeer door het water via grote
waterturbines uit het meer naar beneden te laten stromen. De turbines drijven op hun
beurt generatoren aan die – gemakkelijk te transporteren – elektrische energie opwekken.
27
© Uitgeverij Malmberg