Elektriciteit Wat is elektriciteit Elektriciteit kun je niet zien, niet ruiken, niet proeven, maar wel voelen. Dit voelen kan echter gevaarlijk zijn dus pas hier voor op. Maar wat is het dan wel? Hiervoor even een klein stukje natuurkunde. Alle materialen (stoffen) bestaan uit atomen. Deze atomen bestaan uit een kern en hier om heen bewegen elektronen. In fig. 1 wordt dit schematisch voorgesteld.
fig.een atoomkern met elektronen
Elektrische stroom Elektriciteit (stroom) is het overspringen van elektronen van de ene atoomkern naar de andere atoomkern. In fig. 2 wordt dit schematisch voorgesteld.
fig. elektriciteit is het overspringen van elektronen van de ene atoomkern naar de andere atoomkern
koperdraad
isolatie
Wanneer dit overspringen gemakkelijk gaat noemen we het een geleider. Dit zijn bijvoorbeeld metalen, zoals het koperdraad in fig. 3. fig. Koperdraad met isolatie Wanneer het overspringen van de elektronen moeilijk gaat noemen we het een isolator of weerstand. dit zijn bijvoorbeeld kunststoffen, zoals de isolatie in fig. 3).
1
Wanneer heel veel elektronen door een geleider gaan hebben we een elektronenstroom. Dit wordt ook wel elektrische stroom genoemd of gewoon stroom Om dit wat duidelijker te maken gaan we de elektronen vergelijken met hele kleine waterdruppeltjes. Als heel veel van deze waterdruppeltjes in een trechter worden opgevangen en door een leiding gaan, stroomt er water (fig. 4).
waterdruppels
trechter
waterstroom
fig. veel waterdruppels zorgen voor een waterstroom
De hoeveelheid stroom die door een geleider of verbruiker gaat wordt weergegeven in Ampère (A). Bijvoorbeeld: de stroom door een lamp is 1A; de stroom door een elektrische kachel is 16A; de stroom door een grote elektromotor is 50A.
Spanning Om water door een leiding te laten stromen heb je druk nodig. Deze druk krijg je van een pomp of een hoog geplaatste watertank (watertoren). Om elektronen te laten stromen heb je spanning nodig. Dit krijg je bijvoorbeeld van een dynamo (fig. 5), batterij of accu. fig.. een dynamo levert spanning De grootte van de spanning wordt om de elektronen te laten stromen weergegeven in Volt (V). Bijvoorbeeld: de spanning van een fiets-dynamo is 6V; de spanning van een auto-accu is 12V; 2
de spanning op een stopcontact of de verlichting in een huis is 220V; de spanning op een grote machine is 380V. Vermogen De spanning en de stroom leveren met elkaar het vermogen. Dit is de hoeveelheid energie die een apparaat kan opnemen of kan afgeven. Het vermogen wordt berekend door de spanning met de stroom te vermenigvuldigen. De grootte van het vermogen wordt weergegeven in Watt (W). Bijvoorbeeld: het vermogen van een lamp is 100W (fig. 6); fig. het vermogen dat deze lamp het vermogen van een boormachine opneemt is 100 W is 150W; het vermogen van een straalkachel is 3000W. Omdat de spanning en de stroom bij trafo's of generatoren geen constante waarden hebben geeft men het vermogen niet aan in watt, maar wordt het soms aangegeven in VA. Dit betekent volt-ampère (volt x ampère).
Weerstand Wanneer elektriciteit of water ergens moeilijk doorheen kan noemen we dit weerstand. Bij water is weerstand gemakkelijk voor te stellen door een vernauwing in de leiding (fig. 7).
weerstand
fig. een vernauwing in een leiding geeft weerstand
Bij elektriciteit ontstaat weerstand door bijvoorbeeld: een lange of dunne draad; materiaal waar elektrische stroom moeilijk doorheen gaat; slechte contacten of verbindingen.
3
De weerstand van de isolatie om de draad is heel groot, zelfs zo groot dat er geen stroom door gaat (fig. 8). De grootte van elektrische weerstand wordt aangegeven in Ohm (). Voor de naam weerstand wordt vaak de letter R van Resistant gebruikt (fig. 9). Bijvoorbeeld: de weerstand van een draad is 5; de weerstand heeft een waarde van 100; op een weerstand staat R = 25(fig. 9); op een apparaat staat R = 400;
Koper
Isolatie
fig. isolatie heeft een zeer grote weerstand
R = 25
fig. . weerstand van 25
De gevolgen van weerstand zijn: stroom gaat er moeilijker door; warmte ontwikkeling; slechter werken van apparaten.
Het verschil tussen wisselspanning en gelijkspanning Gelijkspanning Bij gelijkspanning gaat de elektronenstroom altijd in dezelfde richting. Hierbij heeft de energiebron altijd een + en een . Bijvoorbeeld bij een batterij of een accu. De stroom gaat van de + door de schakeling naar de . Dit is in fig. 10 weergegeven.
stroomrichting
fig. Bij gelijkspanning gaat de stroom in één richting, altijd van = naar
4
Wisselspanning Bij wisselspanning wisselt steeds de + en de op de aansluitingen van de energiebron. De elektronenstroom wisselt hierbij ook steeds van richting, hij gaat heen en terug. Wisselspanning komt uit een fiets-dynamo, maar ook uit het stopcontact aan de wand. Hoe de elektronenstroom beweegt, is in fig. 11 weergegeven. stroomrichting
fig. bij wisselspanning wisselt de stroom ook van richting, hij gaat heen en terug Frequentie Het aantal keren per seconde waarin de elektronenstroom heen en terug gaat noemt men de frequentie. Dit wordt aangegeven in Hertz (Hz). Ons lichtnet heeft een frequentie van 50 Hz. Dit betekent dat de stroom 50 x per seconde heen en terug gaat. Een computer heeft wel een frequentie van bijvoorbeeld 300 MHz. Dit betekend dat er 300.000.000 (300 miljoen) elektronische schakelingen per seconde plaats vinden.
Stroomkring Om een lamp of een apparaat op elektrische stroom te laten werken hebben we altijd een toevoer- en terugvoerdraad nodig, dit noemt men ook wel een stroomkring.
toevoer
stekker
terugvoer
fig. een stroomkring heeft altijd een toevoer en terugvoer draad
Door de toevoer- of terugvoerdraad te onderbreken kan er geen stroom meer door de stroomkring en gaat de lamp uit. 5
toevoer
stekker
schakelaar open
terugvoer
fig. een schakelaar onderbreekt de stroomkring en de lamp gaat uit Van bovenstaande tekening kun je ook een schema maken. Deze is duidelijker en wordt ook vaak op de werkvloer gebruikt. schakelaar lamp
aansluitklemmen
fig. een schema maakt de schakeling duidelijker
Twee-fasen (220 V) of drie-fasen (380 V) Elektriciteit wordt opgewekt in de elektriciteitscentrale met een spanning van wel 150000 V (150 KV). Via hoogspanningslijnen wordt de elektriciteit naar transformatorhuisjes gevoerd de spanning uiteindelijk verlagen naar 220 / 380 V (fig. 17). Naar de meeste woningen lopen twee draden. Dit zijn de toevoer van stroom, de fase L1, L2 of L3 genoemd en de terugvoer van stroom, de nul (N) genoemd De spanning tussen de nul (N) en de fase L1, L2 of L3 is 220 V (fig. 15).
fig. spanning tussen nul (N) en fase (L1, L2, of L3) is 220 V
Naar fabrieken, werkplaatsen en sommige woningen lopen vier draden. Hiervan zijn er drie die stroom leveren, dit wordt de fase (L1, L2 en L3) genoemd. De draad die de stroom teruggevoerd wordt de nul (N) genoemd. fig. . de spanning tussen de fasen De spanning tussen de fasen is 380 V is 380 V (fig. 16). Een apparaat dat op 380 V is aangesloten werkt meestal op de drie fasen (L1, L2 en L3) en is nooit op de nul(N)aangesloten. 6
fig. elektriciteit vanaf de centrale tot in de woning of werkplaats 7
Smeltveiligheid In de groepenkast (meterkast) van een elektrische installatie bevinden zich één of meer smeltveiligheden (fig. 18) of installatie-automaten (fig. 19). Voor elke fig.installatie-automaten groep is zo'n beveiliging aangebracht. Deze smeltveiligheid beschermt de
fig. smeltveiligheden installatie tegen overbelasting, zodat er geen brand kan ontstaan.
Aarding van installaties We nemen als voorbeeld de aansluiting van de koelkast (fig. 20). Elke koelkast heeft uitwendig metalen delen. Deze delen worden door middel van een beschermingsleiding (geel/groen) verbonden met de aarde van het voedende net. Het voedende net (380/220 V) heeft in het transformatorhuisje een bedrijfsaarde. De nul is dus geaard. Ook de installatie van de woning heeft een aarding (fig. 20).
fig.. aarding van een koelkast
Wanneer er contact is tussen de fase en het huis van de koelkast (aardsluiting). komt de koelkast onder spanning te staan. Er gaat nu een grote stroom lopen vanaf: fase L1, door de smeltveiligheid naar het metaal van de koelkast, via de randaarde 8
en aarde draad (beschermingsleiding) naar de aarde in de woning. De stroom gaat door de grond (aarde) weer naar de bedrijfsaarde in het transformatorhuisje. Deze grote aardstroom laat de smeltveiligheid doorsmelten en het toestel wordt uitgeschakeld. Aardlekschakelaar De aardlekschakelaar (fig. 21) zit in de groepenkast. Meestal is door middel van een kleurverschil van de groepsschakelaars aangegeven welke groepen wèl en welke niet zijn beveiligd door de aardlekschakelaar. Een aardlekschakelaar zorgt ervoor dat de stroom in de installatie en in de elektrische toestellen de juiste weg volgt. Hij doet dit door de toe- en de terugvoer stroom met elkaar te vergelijken. Een aardlekschakelaar van 30 mA schakelt de stroom uit als de fig.. aardlekschakelaar toevoer stroom 30 mA groter is dan de afvoer stroom. Een aardlekschakelaar werkt wanneer de stroom langs een verkeerde weg, dus via de aarde, de installatie verlaat. Die verkeerde weg kan bijvoorbeeld via je lichaam zijn, wanneer je een defect toestel of een beschadigd snoer aanraakt. In dat geval gaat er een lekstroom door je lichaam naar de aarde.
Dubbel isoleren van toestellen Een middel om geen schok van een apparaat te krijgen is dubbele isolatie. Een apparaat dat dubbel is geïsoleerd heeft naast de gebruikelijke isolatie vaak een kunststof behuizing. Er kan dan bij een inwendig defect van de draden geen contact ontstaan met uitwendige metalen delen. Elektrische boormachines, mixers, scheerapparaten, stofzuigers, haardrogers en dergelijke zijn meestal dubbel geïsoleerd. Deze toestellen hebben vaak een vast snoer waaraan een tweepolige stekker zonder aardcontact zit. Toestellen met dubbele isolatie zijn te herkennen aan een merkteken bestaande uit twee vierkantjes (fig. 22).
fig.. Het merkteken voor dubbel geïsoleerd
9
