2 Energie en vermogen van elektrische stroom

Natuurwetenschappen – context 1: Materie, energie en leven
Notities bij hofdstuk 6: Onder de motorkap
1 Weerstand
We onderzoeken hoeveel spanning U (uitgedrukt in volt) er nodig is om een bepaalde stroomsterkte I
(uitgedrukt in ampère) door een weerstand te laten lopen.
1.1 De grootheid weerstand – zie boek p. 87-88

eerste betekenis van ‘weerstand’: elk materiaal biedt weerstand aan de elektrische stroom
 de grootheid ‘weerstand’
Elektrische stroom gaat niet altijd even gemakkelijk door een geleider (bijvoorbeeld een metalen
draad). Soms gaat het zelfs erg moeilijk of bijna niet. De geleider biedt weerstand en het kost moeite
om stroom te laten lopen. Als de weerstand groter wordt, dan is het voor de stroom moeilijker om er
doorheen te gaan. Koperdraden hebben een zeer lage weerstand (1,0 ohm)



Symbool van ohmse weerstand: R
Eenheid van elektrische weerstand: 1 ohm = 1 Ω
Voorstelling:
of

tweede betekenis van ‘weerstand’: de naam van een onderdeel van een toestel (componenten in een
elektronisch circuit)
1.2 De weerstand bepalen – zie boek p. 89-91
75
Natuurwetenschappen – context 1: Materie, energie en leven
Zie practicum:
De verhouding van de spanning U nodig om een bepaalde stroomsterkte I door een weerstand te laten
lopen, is constant:
U
 constant
I
Men noemt deze constante de weerstand R van de geleider:
U
R
I
Deze weerstand is constant voor eenzelfde geleider maar verschillend voor verschillende
geleiders. Iedere geleider heeft dus een eigen weerstand.
De uitdrukking
U
 R wordt de wet van Ohm genoemd.
I
Deze wet wordt vaak in deze vorm geschreven:
U  I .R
1.3 Waarvoor worden weerstanden gebruikt? zie boek p. 91-93

spanning verdelen: serieschakeling van weerstanden





Als weerstanden die na elkaar geplaatst worden in een elektrische kring, zeggen we dat de
weerstanden in serie geschakeld zijn.
De elektrische stroom I kan maar 1 weg volgen.
Alle weerstanden R1, R2, R3 en R4 worden dus doorlopen door dezelfde stroom.
De totale spanning U wordt verdeeld over de weerstanden in deelspanningen U1, U2, U3 , …
De grootste weerstand bezit de grootste spanning (R=U/I en I = cte).
Voorbeeld:

verwarmen
Een weerstand ontwikkelt warmte indien er een stroom doorheen vloeit. Vaak is die
warmteontwikkeling ongewenst en voert men die warmte zo snel mogelijk af. In heel wat andere
toepassingen is die warmteontwikkeling precies gewenst. Het is namelijk het basisprincipe van de
meeste elektrische verwarmingstoestellen (radiator, strijkijzer, wafelijzer, haardroger, ontdooier van
achterruit in een auto, friteuse, …)

in meettoestellen: sensoren (temperatuursafhankelijke weerstanden, lichtsensoren)
Weerstanden zijn temperatuurafhankelijk. Meestal neemt de weerstand van een geleider toe als de
temperatuur daalt. Temperatuurafhankelijke weerstanden worden bijvoorbeeld gebruikt bij sommige
thermostaten en digitale thermometers.
Een lichtsensor meet de hoeveelheid licht, hoe licht of donker het is en het verschil in licht. De
lichtsensor bestaat uit een weerstand waarbij de weerstand verandert bij een andere hoeveelheid
licht. Als de weerstand verandert, dan verandert ook de spanning. Deze verandering van de
spanning wordt gemeten en wordt omgezet in een code, een actie, …
76
Natuurwetenschappen – context 1: Materie, energie en leven
1.4 Elektrocutiegevaar en beveiliging – zie boek p. 93-94
Lees aandachtig volgende knipsels en onderstreep telkens het verband met elektrische stroom.
Zeker 80 kinderen komen om bij schoolbrand
Mechelse flat uitgebrand
Bij een brand in een school in de Zuid-Indiase
stad Kumbakonam (in de staat Tamil Nadu) zijn
vandaag tenminste 80 kinderen om het leven
gekomen. Van de meer dan honderd gewonden
verkeren er vijftien in levensgevaar. In
onbevestigde berichten is sprake van honderd
doden.
De brand ontstond vermoedelijk als gevolg van
kortsluiting, waardoor een rieten dak in brand zou
zijn gevlogen. Toen de brand uitbrak waren er
zo'n achthonderd kinderen in de school
Een hevige brand heeft dinsdagnamiddag een
flat aan de Leermarkt in Mechelen volledig
vernield. De woning bevindt zich op de eerste
verdieping. Vermoedelijk is de brand veroorzaakt
door kortsluiting. Volgens de brandweer heeft het
vuur lange tijd gesmeuld en is daarbij een sterke
hitte ontwikkeld. Dat verklaart de omvang van de
schade die enkele miljoenen bedraagt
Uit Gazet Van Antwerpen, 24 juli 2004
Uit Gazet Van Antwerpen, 16 juli 2004
ROTTERDAM - Een 35-jarige Rotterdammer is
zondagavond overleden door elektrocutie. De
man was in zijn nieuwe huis aan de
Burgemeester Van Slijpelaan met een lamp
onder het huis aan het werk. De politie
vermoedt dat de lamp in contact is gekomen
met water of de waterleiding. Daarbij ontstond
kortsluiting en het slachtoffer werd
geëlektrocuteerd.
RTLnieuws.nl, 5 juli 2004
Visser geëlektrocuteerd in Kampenhout
Een 49-jarige man uit Haacht is zondagmorgen
rond 6 uur 30 gestorven door elektrocutie terwijl
hij aan het vissen was langs de vaart MechelenLeuven in Kampenhout. De man, die er samen
met een makker op uitgetrokken was, raakte met
zijn carbonhengel de hoogspanningskabels
waardoor hij een elektrische lading in het lichaam
kreeg. Hij overleed ter plaatse.
Uit Gazet Van Antwerpen, 25 augustus 2004
Hoe ontstaat kortsluiting?
Stroomdraden zijn over het algemeen geïsoleerd door een kunststof mantel van bijvoorbeeld pvc. Als deze
isolatie rondom de stroomdraden beschadigd raakt, dan kunnen de draden contact met elkaar maken,
waardoor er een te grote stroom door de draden gaat lopen.
Bij onvoldoende beveiliging kan de kortsluitstroom zo groot zijn dat veel warmte en vonken ontstaan, met
het risico van brand.
Hoe voorkomt men kortsluiting?
Een eenvoudige beveiliging is een zekering. Een voorbeeld van een zekering is een smeltveiligheid.Dit
bestaat uit een omhulsel, waarbinnen een dun metaaldraadje gespannen is. De doorsnede van dit draadje
hangt af van de stroomsterkte die de leiding zonder gevaar kan dragen. Bij een te hoge stroomsterkte en
dus grote warmteontwikkeling moet de draad doorsmelten. De stroomkring wordt dan onderbroken en op
deze manier wordt brand, beschadiging van elektrische toestellen, enz. voorkomen. De maximale
stroomsterkte, die een zekering kan doorlaten, staat erop aangegeven. Een zekering is dus een goede
beveiliging tegen overbelasting.
Wat verstaat men onder elektrocutie?
Elektrocutie is een elektrische stroomdoorgang door het menselijke lichaam.
Elektrocutie kan ontstaan door:
 het aanraken van openliggende snoeren of geleidende delen van defecte elektrische toestellen;
77
Natuurwetenschappen – context 1: Materie, energie en leven



elektrische toestellen in de omgeving van water te brengen, b.v. een radio langs een bad zetten;
bevochtigde toestellen en/of draden kunnen aanleiding geven tot elektrocutie van de gebruiker;
beschadigde snoeren te gebruiken, en snoeren verkeerd uit een stopcontact te trekken.
Elektrocutie kan je vermijden door:



bij elektriciteitswerken de stroom uit te schakelen via de hoofdschakelaar of door jezelf te isoleren
van de aarde.
elektrische toestellen uit de buurt van water houden, en alle elektrische leidingen isoleren;
deze situaties vermijden (onderstaande figuur).
De gevolgen van elektrocutie:
Een kleine elektrische stroom, bijvoorbeeld afkomstig vanaf een batterij, is ongevaarlijk.
Spanningsbronnen boven 42 Volt worden als levensgevaarlijk beschouwd. Het is echter de stroom die het
gevaar veroorzaakt, niet de spanning.
Daarbij kunnen ook voorkomen:
 stoornissen in het bloedvoorzieningsstelsel;
 huidbeschadiging: vooral brandwonden maar soms ook spierletsels;
 krampachtig samentrekken van de spieren;
 stoornissen aan het zenuwstelsel;
 stoornissen aan het urinestelsel.
+ voorbeeld elektroshocks (zie boek)
78
Natuurwetenschappen – context 1: Materie, energie en leven
2 Energie en vermogen van elektrische stroom
Uit materie kunnen we elektrische spanning opwekken (zie hoofdstuk 6: spanning opwekken uit
chemische stoffen via oxidatie- en reductiereacties).
Dankzij die elektrische spanning kan elektrische stroom lopen door een elektrische keten (zie: wet van
Ohm) en kan een lamp branden of kunnen elektrische toestellen werken.
We zeggen dat elektrische stroom in staat is elektrische energie te leveren, onmisbaar in ons dagdagelijks
leven.
2.1 Energieomzettingen – zie boek p. 95-96

Een lift wordt door een motor aangedreven. Door op een van de knoppen te drukken wordt de
elektrische stroom ingeschakeld, waardoor de motor bekrachtigd wordt en de lift een aanzienlijke last
kan optillen. De elektrische energie wordt omgezet in bewegingsenergie.
Als we een verwarmingsspiraal met het elektriciteitsnet verbinden en de spiraal in een bekerglas met
water dompelen, neemt de temperatuur van het water toe. Het water wordt verwarmd, en de energie
daarvoor nodig is afkomstig van elektrische energie. Elektrische energie wordt omgezet in
warmteënergie (thermische energie).
We ontsteken een gloeilamp. Deze straalt licht uit en na zekere tijd voelt de lamp warm aan. De
elektrische energie, afkomstig van de gloeiende draad, wordt omgezet in lichtenergie
(stralingsenergie) en in warmte.


2.2 Elektrisch vermogen P – zie boek p. 97-98

elektrisch vermogen P: hoeveelheid energie E per s

formule:

eenheid = watt (W)
veel gebruikte veelvouden: 1 kilowatt (kW) = 10³ W (1000 watt)
1 megawatt (MW) = 106 W (miljoen watt)

toepassing: hoogspanningkabels (30 000 V tot 380 000 V)
P = U.I
Om grote hoeveelheden elektrische energie te transporteren over grote afstanden, word
hoogspanning gebruikt.
Het te transporteren elektrische vermogen (P) is het product van de spanning (U) en de stroom (I)
dus (volgens de spanning P = U.I).
Men kan dus voor het transporteren van elektrische energie kiezen voor een grote stroomsterkte I
met een lage spanning U, of voor een lage stroomsterkte I met een hoge spanning U.
Het verlies van elektrische energie is evenredig met I2.R, waarbij I = stroom en R = weerstand, dus
een drie keer zo grote stroomsterkte geeft bij een gegeven weerstand een negen keer zo groot
verlies. Voor het transport over grote afstand, is hoge spanning gunstiger (en lage stroom I), omdat
er dan relatief weinig energieverlies is.
Om de energie bij de eindverbruiker te krijgen wordt de spanning (vaak in meerdere stappen)
getransformeerd naar een lager niveau.
79
Natuurwetenschappen – context 1: Materie, energie en leven
Illustratie: het elektrisch vermogen van elektrische apparaten
elektrisch
apparaat
vermogen
elektrische wekker
scheerapparaat
hi-fi keten
kleurentelevisie
damp- of zuigkap
bandopnemer
koelkast
diepvriezer
mixer
stofzuiger
klopboormachine
koffiezetapparaat
2W
6 – 15 W
30 – 80 W
80 - 150 W
80 - 200 W
100 - 150 W
150 - 300 W
150 - 300 W
250 - 400 W
250 - 1 200 W
400 - 1 000 W
500 - 1 000 W
elektrisch
apparaat
strijkijzer
broodrooster
cirkelzaag
microgolfoven
radiator
stoomstrijkijzer
elektrische oven
frituurketel
vaatwasmachine
droogkast
wasmachine
elektrisch
keukenfornuis
vermogen
500 - 1 000 W
500 - 1 000 W
500 - 1 500 W
600 - 1 500 W
500 - 2 000 W
1 000 - 2 000 W
1 500 - 3 000 W
1 500 - 2 000 W
2 000 - 4 000 W
2 500 - 3 000 W
3 000 - 4 500 W
10 000 W
2.3 Stroomsterkte in een parallelschakeling – zie boek p. 99

De weerstanden zijn evenwijdig geschakeld.

Alle weerstanden R1, R2, R3 en R4 staan onder dezelfde spanning
(de bronspanning).

De elektrische stroom I wordt verdeeld over verschillende kringen (zoals
water bij een vertakking van een rivier naar verschillende wegen
stroomt).
Dit betekent dat de totale elektrische stroom I zich vertakt in
verschillende deelstromen. I1, I2, I3 en I4.


Door de grootste weerstand vloeit de kleinste stroom
(I=U/R en U = cte).
Hoe meer weerstanden er parallel geschakeld zijn, hoe groter de totale stroom zal zijn.
Deze situatie is gevaarlijk, omdat door de hoge stroom de warmteontwikkeling in de elektriciteitsdraden zo
hoog kan worden dat er brandgevaar ontstaat. Dit verschijnsel noemen we overbelasting. Overbelasting
betekent dat er te veel toestellen in één circuit zijn opgenomen, waardoor de stroom in de kring te
groot wordt, met brandgevaar tot gevolg.
80
Natuurwetenschappen – context 1: Materie, energie en leven
2.4 Elektrische energie berekenen – zie boek p. 100
Bekijk aandachtig onderstaande elektriciteitsrekening. Het verbruik van elektrische energie wordt
aangegeven met de eenheid kWh = kilowattuur.
Deze eenheid is inderdaad een eenheid van energie: 1 kWh = 3 600 000 J (joule).
Thuis wordt de verbruikte hoeveelheid elektrische energie gemeten door de elektriciteitsmeter, ook wel
kWh-meter genoemd. Er wordt bij deze meting rekening gehouden met spanning, stroom en tijd.
Hoe groter het energieverbruik, des te sneller draait het schijfje.
De prijs van 1 kWh hangt af van de leverancier en bedraagt ongeveer € 0,15/kWh voor dagstroom.
Ter illustratie: met 1 kWh kan men:






Zich twee jaar lang elke morgen scheren
Een eetmaal voor 4 personen bereiden op een elektrisch fornuis
Twee uur strijken met een strijkijzer
Een lamp van 100 W 10 uur laten branden
Een lamp van 60 W ca 16 u 30 min laten branden
Gedurende ca. 5 uur naar TV kijken (P = 200 W)
3 ‘Opgeslagen’ elektrische energie – boek p. 101-102: LEZEN
81