Elektrisch veld en condensator

IE05 Impuls 40:IP Impuls
03-05-2010
12:59
Pagina 1
Katern voor scholing, her- en bijscholing
40
inHoud
1
Elektrisch veld en
condensator
4
Otib-nieuws
5
Cursussen
5
Fotowedstrijd
‘Zo moet het niet’
Een uitgave van Intech Elektro & ICT en OTIB
mei 2010
Elektrisch veld en condensator
Elektrische ladingen oefenen krachten op elkaar uit. Ongelijknamige ladingen
trekken elkaar aan, gelijknamige stoten elkaar af. Deze samenhang wordt
beschreven in de wet van Coulomb. Deze wet – een zogeheten natuurwet –
geeft geen verklaring waarom ladingen elkaar aantrekken of afstoten. Het geeft
wel de mogelijkheid de natuurkundige samenhang, op wiskundige wijze, nauwkeurig te beschrijven.
Elektrische ladingen vormen de basis van elektriciteit. De kleinste lading die er is, is het elektron. Deze wordt omschreven als negatieve,
elementaire lading -e (e = 1,602•10–19 C).
De eenheid van de elektrische lading is
Coulomb (C). 1 C voldoet aan 1 As. De eenheid Coulomb is vernoemd naar de natuurkundige Charles Augustin de Coulomb.
Naast de negatieve elementaire lading van
het elektron is er ook de positieve elementaire
lading +e, de lading van een proton. Bij een
proton gaat het – net als bij het elektron – om
een zogeheten elementair deeltje. Elementaire deeltjes zijn de kleinste eenheden van
de uit atomen opgebouwde materie. Er is een
grote reeks verschillende elementair deeltjes.
De naast de protonen in atoomkernen aanwezige neutronen zijn niet elektrisch geladen,
ze zijn neutraal. Andere elementaire deeltjes
zijn positronen, neutrino's en antineutrinos.
De eenvoudigste uitvoering van een plaatcondensator zijn twee van elkaar geïsoleerde
metalen platen. De elektrische ladingen zijn
gelijkmatig over de binnenste oppervlakken
verdeeld. De niveaus met dezelfde spanning
liggen daar parallel tussenin. Aan de randen
lopen deze uit elkaar, waardoor prachtige
figuren ontstaan.
Atoommodel
Volgens het atoommodel van Bohr is het
mogelijk een atoom voor te stellen als een
kern die uit protonen en neutronen bestaat
en waar elektronen omheen cirkelen.
Elektrisch ongeladen materie bestaat uit atomen die net zoveel protonen als elektronen
hebben. Ladingen worden dus naar buiten
toe opgeheven, ze worden gecompenseerd.
Het aantal protonen in de kern bepaalt om
welke chemische stof het gaat, bijvoorbeeld
waterstof, koper of zwavel. Er zijn meer dan
honderd verschillende stoffen die alleen uit
dezelfde atomen en niet uit moleculen
bestaan. Moleculen zijn chemische verbindingen van gelijksoortige (O2) of ook wel verschillende atomen (H2O). De verschillende
elementen staan vermeld in het periodiek
systeem. Hier staat hoeveel protonen en
neutronen de atoomkern van een element
bevat.
Charles-Augustin de Coulomb
Coulomb werd op 14 juni 1736 in Frankrijk geboren als telg van
een voornaam geslacht. Hij studeerde in Parijs wiskunde en
natuurwetenschappen en ging daarna naar de militaire academie. Als officier-ingenieur werkte hij negen jaar op het eiland
Martinique. Na zijn terugkeer werd hij opgenomen in de Franse
Academie voor wetenschappen. Coulomb experimenteerde op de
gebieden mechanica (wrijving, torsie, sterkte), elektriciteit en
magnetisme. Hij overleed op 23 augustus 1806 op zeventigjarige leeftijd in Parijs.
40 1
IE05 Impuls 40:IP Impuls
03-05-2010
12:59
Pagina 2
elektrisch veld en condensator
1. Enkele atomen volgens het atoommodel van Bohr. Zo bestaat het waterstofatoom uit slechts één proton in
de kern (geen neutron) en een elektron op de zogeheten K-schil.
Krachten
Elektrische ladingen oefenen krachten op
elkaar uit: ongelijknamige ladingen trekken
elkaar aan, gelijknamige stoten elkaar af.
De natuurkundigen Priestley (1733 –
1804) en Cavendish (1731 – 1810) ontdekten al tweehonderd jaar geleden dat
deze kracht omgekeerd proportioneel is ten
opzichte van het kwadraat van hun
afstand. Coulomb was in staat door talloze
proeven de volledige natuurkundige wet op
te stellen, waarin de kracht tussen twee
ladingen wordt beschreven: de wet van
Coulomb.
De elektrische kracht heet de Coulombkracht. Deze komt bijvoorbeeld voor in het
atoommodel van Bohr. De ladingen die
daar voorkomen (positieve kern, negatieve
elektronenschil), trekken elkaar aan.
Tegelijkertijd werkt een centrifugaalkracht
op de elektronen die zich op cirkelbanen
(schillen) bewegen. Beide krachten houden elkaar in balans.
Een eenvoudige proef kan de aantrekkingskracht van elektrisch geladen lichamen
demonstreren (afbeelding 2). Door twee
metaalplaten onder gelijkspanning te zetten, laden de platen op, zodat elektronen
toe- en wegstromen. Dat betekent dat er
enerzijds een overschot aan elektronen
ontstaat (wat betekent dat de plaat negatief
is opgeladen), anderzijds worden elektronen afgetrokken (wat betekent dat de positieve ladingen van de atoomkernen prevaleren). Er ontstaat een positieve lading.
Tussen beide platen kan nu een lichte kogel aan een lange draad worden opgehangen, bijvoorbeeld een tafeltennisbal met
een geleidend oppervlak. Als de kogel vervolgens tegen een plaat wordt gehouden,
dan neemt deze – door de ladingscompensatie – de polariteit aan van de plaat, waardoor aan de ene kant een afstotende en
aan de andere kant een aantrekkende
kracht ontstaat. Hierdoor pendelt de kogel
naar de tegenoverliggende plaat. Daar voltrekt zich een vergelijkbaar proces, waardoor de krachten omkeren en de kogel
weer terugpendelt.
Door het heen en weer pendelen worden
ladingen getransporteerd en gecompenseerd. Als de spanningsbron na het opla-
Niels Bohr
Het atoommodel van Bohr is vernoemd naar de natuur- en
scheikundige Niels Bohr. De Deen werd op 7 oktober 1885
geboren in Kopenhagen en overleed op 18 november 1962. In
1922 ontving hij de Nobelprijs. Het door hem ontwikkelde
model is uiteraard veel gecompliceerder en theoretischer gefundeerd dan hier wordt weergegeven. Het grote belang van dit model is dat aan
de hand daarvan veel chemische en elektrofysische verschijnselen kunnen worden
verklaard. Er zijn echter ook natuurkundige effecten die niet kunnen worden verklaard aan de hand van het atoommodel van Bohr. Om die reden bestaan er verschillende atoommodellen. Een universeel atoommodel bestaat niet.
40 2
2. Een proefopstelling om de aantrekkingskracht van
elektrisch geladen lichamen te demonstreren.
den wordt gescheiden van de platen, dan
wordt het ladingsverschil door het pendelen van de kogel steeds meer gecompenseerd en komt het pendelproces uiteindelijk tot stilstand. Een hogere spanning tussen de platen zorgt voor een grotere lading,
en daardoor voor een grotere kracht op de
kogel en dus een hogere pendelfrequentie.
Elektrisch veld en veldsterkte
Als op een lichaam of op een geladen deeltje een kracht inwerkt, dan wordt er arbeid
verricht – het lichaam of het deeltje versnelt. Het lichaam of het deeltje neemt
bewegingsenergie (= kinetische energie)
op. Uit dit feit kan worden geconcludeerd
dat de ruimte (bijvoorbeeld tussen twee
geladen platen) overgaat naar een bijzondere toestand: de ruimte is door een elektrisch veld gevuld. Uit ladingen van de platen, evenals van de geometrische afmetingen, kan het elektrische veld precies worden berekend. Ook wanneer dat in bepaalde situaties erg moeilijk kan zijn.
Voor kracht F tussen twee ladingen Q1 en
Q2 geldt:
[1]
F = k (Q1•Q2 / r2)
F = Coulombkracht.
r = de afstand tussen de ruimtelijk oneindig kleine ladingen (puntladingen).
k = constante van Coulomb.
k = 1 / 4πε0 (ε0 = diëlektrische constante van het vacuüm = 8,854•10–12 As/Vm).
IE05 Impuls 40:IP Impuls
03-05-2010
12:59
Pagina 3
elektrisch veld en condensator
Voor een puntlading Q kan worden begonnen bij:
[2]
F = E •Q
E = elektrische veldsterkte (door ladingen
veroorzaakt elektrisch veld).
Elektrische veldsterkte E is volgens vergelijking 2 gedefinieerd via kracht F op een
lading Q. Veldsterkte E – het quotiënt uit
kracht F en proeflading Q – kenmerkt een
bepaalde toestand van de ruimte die via
zintuiglijke waarneming niet kan worden
waargenomen.
Aangezien een kracht altijd uit een som en
richting bestaat, heeft de veldsterkte ook
een richting. Anders geformuleerd: de richting van de kracht op een proeflading is
identiek aan de richting van veldsterkte E.
Wiskundig kunnen grootten die uit som en
richting bestaan door vectoren worden
weergegeven. Voorbeelden hiervan zijn
snelheid, versnelling, kracht, elektrische en
magnetische veldsterkten en stroomdichtheid.
Elektrische veldlijnen
Het volgende begrip dat direct volgt uit het
bovenstaande, is de elektrische veldlijn.
Let op: bij een veldlijn gaat het om een lijn
die de richting van de veldsterkte (of de
kracht) aangeeft. Hiermee wordt – door de
veldlijn te volgen – duidelijk welke richting
de veldsterkte op verschillende punten
4. Een homogeen elektrisch veld tussen twee parallelle plaatelektroden.
aanneemt. Op basis van de veldlijn kan
echter geen uitspraak worden gedaan over
de grootte van de veldsterkte. Dat wil zeggen dat de veldsterkte langs een veldlijn
niet constant hoeft te zijn, maar dat deze
verschillende waarden kan aannemen. Uit
de veldlijn blijkt alleen de richting. Dit
wordt vaak vergeten, wat een verkeerde
interpretatie kan opleveren.
Veldlijnen kunnen via metingen worden
bepaald of berekend. Tussen twee elektroden ligt een spanning U (afbeelding 3).
Doordat op de pluspool een gebrek aan
elektronen ontstaat en op de minpool een
overschot, ontstaat een elektrisch veld. Het
veldverloop is duidelijk herkenbaar. Het
veldbeeld bevat echter nog meer gegevens.
Zoals gezegd, geeft een individuele veldlijn
alleen de richting van de elektrische veldsterkte aan, niet de som (de eigenlijke
grootte). Deze informatie is ook belangrijk.
Door de invoering van veel veldlijnen kan
+
U
3. De elektrische veldlijnen tussen een elektrodesysteem, bestaande uit een plaat en een tegenoverliggende
kegel.
echter ook de som van de elektrische veldsterkte worden uitgedrukt. Daar waar de
afstand tussen twee veldlijnen klein is,
waar deze dus worden ‘verdicht’, daar is de
veldsterkte relatief hoog. Op plaatsen waar
de afstand echter groot is, heerst een relatief kleine veldsterkte.
Het veldlijnbeeld geeft naast de richting
van de veldsterkte op verschillende plaatsen, ook weer waar (relatief) grote en kleine veldsterkten zijn. Het geeft echter geen
informatie over de grootte van de veldsterkte in getalwaarden. Dit hiaat wordt in de
praktijk opgevuld wanneer de getalwaarde
op verschillende punten wordt ingevoerd,
of wanneer in een verdere weergave aan
verschillende veldsterktebereiken verscheidene kleuren worden toegewezen.
Heterogeen veld
Zo toont afbeelding 3 dat de som van het
elektrische veld niet overal even groot is.
De verdichting van de veldlijnen op het
elektrode-einde duidt op een hogere veldsterkte, vergeleken met het oppervlak van
de plaat. Hierbij geldt: het veld is heterogeen. Als de veldsterkte overal even groot
is, wordt over een homogeen veld gesproken. Dat is bij benadering het geval tussen
parallelle plaatelektroden – plaatcondensator (afbeelding 4).
De berekening, evenals de grafische weergave van het elektrische veld, hebben meer
dan alleen een theoretische betekenis.
Beide spelen een grote rol bij het ontwerp
van hoogspanningstransformatoren en
-schakelaars, kabels enzovoort, maar ook
bij elektronische componenten. In al deze
situaties mag er geen doorslag optreden,
dat wil zeggen: een vlamboog door het
overschrijden van de kritische veldsterkte.
Dit taakgebied, de isolatiecoördinatie, is
40 3
IE05 Impuls 40:IP Impuls
03-05-2010
12:59
Pagina 4
elektrisch veld en condensator
zeer belangrijk voor een foutloze werking
en de realisatie van minimale afstanden
tussen geleiders of elektroden.
Er is nog een andere problematiek die aandacht verdient. Voor de elektrische veldsterkten van twee parallelle, geladen platen
met een verschillende polariteit geldt:
[3]
E=U/d
E = elektrische veldsterkte.
U = spanning tussen de platen.
d = afstand van de platen.
Deze vergelijking geldt alleen voor de veld-
sterkte tussen twee parallelle platen, dus
voor het homogene veld. Voor andere elektrodesystemen, zoals eind-plaat of eindeind geldt deze vergelijking niet, ook niet
bij benadering.
Condensator
Door de aangesloten spanningsbron ontstaat op de pluspool een gebrek aan, en op
de minpool een ophoping van elektronen
(afbeelding 4). Deze ladingen wekken een
elektrisch veld op (ook wel: ze bouwen een
elektrisch veld op). Als nu de spanningsbron wordt verwijderd van het als condensator omschreven elektrodesysteem, blij-
Otib-etalage
Otib brengt jaarlijks een papieren gids uit
met een helder overzicht van een groot
aantal cursussen, trainingen en opleidingen. Het spreekt voor zich dat niet alle cursussen, opleidingen en trainingen in deze
gids staan vermeld, de markt is immers
volop in beweging. Om dit gat te onder-
Investeren in talent
vangen is er de Otib-etalage, met een overzicht van alle installatietechnische cursussen in Nederland: www.etalage.otib.nl.
Naast een actueel cursusoverzicht biedt de
site ook de mogelijkheid te zoeken op trefwoorden en vakgebieden.
Regeling aanvullende praktijkscholing
vervalt
Let op: met ingang van 1 juli 2010 vervalt
de vergoeding voor aanvullende praktijkscholing (APS). Met deze regeling kunnen
werkgevers een bijdrage in de opleidingskosten aanvragen voor leerling-werknemers die in de technische installatiebranche werken en een leer-werktraject
volgen. Tot 1 juli 2011 kunnen er in het
kader hiervan over heel 2010 nog maximaal twintig APS-dagen als declaratie worden ingediend.
Declaraties na deze datum kunnen niet
meer worden gehonoreerd. Informatie:
Otib-servicedesk, tel. 0800 885 58 85.
Competentiegericht onderwijs
De invoeringsdatum van het competentiegericht onderwijs (CGO) mag door de val
van het kabinet nog onduidelijk zijn, in de
technische installatiebranche gaat het
bedrijfsleven gewoon door met de invoering ervan.
Otib ondersteunt het regionale bedrijfsleven en de ROC’s bij het opzetten van uiteenlopende ontwikkelprojecten en pilots.
Medefinancier HPBO is in een tussentijdse
audit vol lof over de samenwerking in de
pilot in Zuid-Holland. Juist deze samen40 4
ven de overtollige ladingen op de ene
plaat, respectievelijk het gebrek aan elektronen op de andere achter. De ladingen
hebben geen compensatiemogelijkheid
omdat er tussen de platen geen geleidend
materiaal zit. Er zijn dus elektrische ladingen opgeslagen. Tussen de platen blijft een
elektrisch veld E bestaan dat in deze bijzondere situatie via de vergelijking E = U / d
kan worden berekend. Een elektrisch veld
heeft altijd verbinding met opgeslagen
energie. De condensator functioneert dus
als energieopslag.
werking van het bedrijfsleven, de ROC’s en
de brancheorganisaties zorgen voor een
goede invulling van CGO.
Gezamenlijk bepalen zij wat er in de opleidingen aan de orde komt, zodat jongeren
een diploma behalen met een betere aansluiting op de arbeidsmarkt.
Informatie: Peter Smulders, coördinator
onderwijszaken Otib, tel. 0653 40 85 84.
Het Europees Sociaal Fonds (ESF) geeft
bedrijven de mogelijkheid een extra impuls
te geven aan hun opleidingsbeleid. Voor
2010 is het voor bedrijven in de technische installatiebranche weer mogelijk via
het Otib- ESF -project ‘Branche Breed
Opleiden’ (BBO) een extra financiële tegemoetkoming te ontvangen voor de kosten
van een brede selectie cursussen.
Informatie: www.otib.nl/regelingen/werkgevers/esf of tel. 0348 43 73 40.
Jong talent
De strijd is gestreden: zes jonge vakhelden
zijn op 6 maart 2010 tot Nederlandse
kampioen binnen hun vakgebied van de
technische installatiebranche gekroond.
Een deskundige jury heeft de winaars en
hun teamgenoten drie dagen lang op de
voet gevolgd tijdens de uitvoering van een
opdracht die de dagelijkse praktijk binnen
de technische installatiebranche weerspiegelt. Naast vaktechnische kennis en kunde
wisten zij hun concurrenten ook voor te blijven op samenwerking en communicatie.
Otib organiseerde de vakwedstrijden op
mbo- en vmbo-niveau tijdens de beroepenmanifestatie Skills Masters in Ahoy
Rotterdam. Beroepenwedstrijden zijn een
belangrijk onderdeel van deze grootscheeps opgezette beroepenmanifestatie
waar dit jaar ruim 25.000 bezoekers hebben kunnen zien en vooral ervaren wat
echt vakmanschap is.
IE05 Impuls 40:IP Impuls
03-05-2010
12:59
Pagina 5
otib-nieuws
fotowedstrijd
45-plussers zijn goud waard!
Otib verzorgt sinds 2005 speciale workshops voor werknemers van 45 jaar en
ouder die werkzaam zijn in de technische
installatiebranche. Tijdens deze workshops
kunnen werknemers ervaringen uitwisselen en de feiten en vooroordelen rondom
45+ en de veranderingen op de werkvloer
bespreken. Met de speciale vipkaart kun-
nen werknemers van 45 jaar en ouder
deze succesvolle workshop kosteloos volgen. Na afloop ontvangen de werknemers
een waardebon van 500 euro, die na
samenspraak met de werkgever kan worden besteed aan scholing en ontwikkeling.
Informatie: www.45plus.otib.nl.
Otib-bedrijf op het witte doek
cursussen
Cursussen
Energieprestatieadvies/certificaat
Woningbouw
Wie? EPA adviseur
Informatie: www.isso.nl
Workshop Verlichting energiebesparing
Wie? projectleider, technicus, leidinggevend monteur, werkvoorbereider
Informatie: www.cursusloket.nl
Zonneboilers
Voor de nieuwe campagne van het ervaringcertificaat (EVC) hebben de ministeries van
SZW en OCW samenwerking gezocht met Otib.
EVC staat voor Erkennen van Verworven
Competenties en is een instrument om ervaring en vakmanschap vast te leggen. Otib
heeft voor de campagne Bokhorst Instal-
latiegroep – een van de vele installatiebedrijven die gebruikmaken van de EVC-regelingen
– aangedragen om in een korte film te vertellen hoe het ervaringscertificaat op succesvolle wijze wordt ingezet. Het resultaat is te
bekijken via www.ervaringscertificaat.nl en
www.otib.nl/regelingen/werkgevers/evc.
Wie? adviseur, installateur
Informatie: www.mijnkenteq.nl
Licht-opleidingen
Wie? leidinggevend monteur, werkvoorbereider, technicus, projectleider
Informatie: www.meutznerlichtdesign.nl
Fotowedstrijd ‘Zo moet het niet’
Onder het motto ‘Zo moet het niet’ gaat
Intech Elektro en ICT op zoek naar foto’s
van slecht of foutief uitgevoerde installaties. Inzenders van wie de foto’s worden
geplaatst, kunnen rekenen op een technisch handboek van Isso ter waarde van
maar liefst 245 euro. Het handboek
bestaat uit twee delen en bevat ruim 1.400
pagina’s aan technische kennis. Wilt u alstublieft kort en bondig aangeven welke fouten te zien zijn op de foto en uiteraard ook
uw naam en adres.
Mail of stuur uw foto’s naar:
Redactie Intech
Elektro en ICT
‘Zo moet het niet’
[email protected]
Postbus 188
2700 AD Zoetermeer
Kijk voor meer foto’s van slecht uitgevoerde installaties op www.intechei.nl,
Zo moet het niet.
Prijswinnaar van deze maand
Deze maand gaat het Isso-handboek naar
Victor Verloop van Van Asten Elektrotechniek in Noordwijk. Hij kwam deze situatie
recentelijk tegen in een tien jaar oude
woning bij de vervanging van de bestaande
verlichtingsarmaturen en het aanbrengen
van nieuw schakelmateriaal. Nadat de plafonds waren verwijderd voor het aanbrengen van de inbouwspots, werd de achterliggende installatie zichtbaar. De hele woning
bleek vol te zitten met flexibele buisleidingen, die onoverzichtelijk en niet deugdelijk
waren. Er zat destijds waarschijnlijk erg
veel tijdsdruk op het installatieproces...
Het Isso-handboek is inmiddels onderweg.
Namens de redactie: van harte gefeliciteerd.
40 5