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


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


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.


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


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.


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


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’.


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


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


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


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.


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


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


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


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


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


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


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


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


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


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


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


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.


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


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


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.


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


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


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.


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


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.

Veelvouden zijn 1 kW = 1 000 W

Waarden van spanningen en stromen worden hierin voorgesteld door vectoren met een respectievelijke grootte en zin.

P = Ueff * Ieff in VA

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.

en 1 MW = 1 000 000 W • Schijnbaar elektrisch vermogen 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


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


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’.


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.

Elektriciteit van Amber tot Onmisbaar

Recommend Documents