IP01 Impuls nr 3
08-01-2007
16:09
Pagina 1
Katern voor scholing, her- en bijscholing
03 Een uitgave van Intech Elektro & ICT en OTIB januari 2007
inHoud 1
Basiskennis
Van elektrolytbad tot de wet van Faraday
Van elektrolytbad tot
3
de wet van Faraday
Aardingsinstallaties, beschermleidingen, potentiaalvereffening (1)
We proberen inzichtelijk te maken wat we onder elektrische stroom verstaan. Behalve over wat er gebeurt in een elektrolyt gaat het hier ook over de beweeglijkheid van ladingdragers, de driftsnelheid en de kracht in het elektrische veld. Tot slot is er een uitleg van de wet van Faraday.
6 Fotowedstrijd ‘Zo moet het niet!’
6 Technologie Thuis Nu!
Het begrip stroom stamt eigenlijk uit de mechanica, om precies te zijn uit de hydraulica en pneumatiek, waar uit atomen of moleculen opgebouwde vloeistoffen bijvoorbeeld door een buis vloeien of stromen. In de elektriciteitsleer richtte men zich bij de definitie van elektrische stroom op deze natuurkundige verschijnselen. Het gaat hier om ladingen die door een bepaald vlak stromen, bijvoorbeeld door het vlak van de dwarsdoorsnede van een geleider. Welke soorten ladingdragers kennen we? In de eerste plaats zijn het de elektronen in metalen, die zich gemakkelijk laten verplaatsen, zoals wij al weten. Dat betekent dat een bepaald aantal deeltjes N met de lading q in een bepaalde tijd ∆t door het oppervlak A gaat. Hiermee luidt de definitie voor de elektrische stroom: (1) Laten we nu aannemen dat uitsluitend elektronen voorkomen als beweeglijke ladingdragers. Bij een stroomsterkte van I = 1 A treden in een tijdsbestek van ∆t = 1 s overeenkomstig vergelijking (1) N elektronen door een denkbeeldig oppervlak A:
Van elektrolyt tot batterij Bij beweeglijke ladingdragers kan het echter ook om ionen gaan, die in een vloeistof
1. Ladingsstroming door ionenbeweging in een elektrolyt.
bewegen. Doen we bijvoorbeeld keukenzout (NaCl) in water, dan valt dat uiteen in Na+ionen en Cl–-ionen. Die ionen die naar de pluspool (anode) trekken, worden anionen genoemd, en die in de richting van de minpool bewegen, heten kationen. In afbeelding 1 is een proef weergegeven, waarbij door een elektrische spanning aan te leggen tussen de beide, in de elektrolyt gedompelde elektroden een stroom loopt. De beweging van de ionen wekt deze stroom op. De Na+ionen trekken naar rechts en de Cl–-ionen naar links. Aan de kathode ontvangen de Na+-ionen steeds een elektron, ofwel de elektrode geeft een elektron aan het Na+-ion af. Daarmee wordt dit geneutraliseerd en het zet zich af op de elektrode. In de loop van de tijd zet zich een natriumlaag op de kathode af. We noemen dit proces ‘galvaniseren’. Het Cl–-ion geeft daarentegen een elektron af aan de anode en wordt daardoor eveneens geneutraliseerd. Het stijgt dan als chloorgas naar de oppervlakte van de vloeistof. 03 1
IP01 Impuls nr 3
08-01-2007
16:09
Pagina 2
Elektrolytbad
Soortgelijke processen als bij dit experiment spelen zich af in het binnenste van een batterij. Dat is feitelijk een soort ‘elektronenpomp’ die de elektronen van de ene kant (anode) naar de andere kant (kathode) transporteert. Met een stijgende batterijspanning U neemt niet alleen de kracht toe die op de ladingdragers werkt, maar ook de snelheid waarmee de ionen in de vloeistof bewegen. Het proces in afbeelding 1 duurt net zo lang totdat alle ionen zijn geneutraliseerd. We moeten nieuw keukenzout in de vloeistof doen om de ladingstroming niet tot stilstand te laten komen – per slot van rekening is die aan ladingdragers gebonden.
Wet van Faraday
rijspanning U opgewekte elektrische veld. De ladingen stromen met een constante snelheid v door het metaal of de vloeistof. Dan geldt: ν ~ E. Deze evenredigheid (daarvoor staat het teken ~ in de vergelijking) geeft het volgende weer: als de elektrische veldsterkte E toeneemt en daarmee ook de kracht F, stromen de ladingdragers sneller. Dat betekent dat hun snelheid ν eveneens stijgt. Zowel de vloeistof als het metaal bieden aan de ladingdragers een bepaalde wrijvingsweerstand Bij geringe weerstand stijgt de zogenoemde beweeglijkheid b van de ladingdragers (omgekeerd evenredig). Er geldt:
Beweeglijkheid van de ladingdragers Het voorbeeld ‘elektrolyt’ maakt inzichtelijk waarom we over elektrische stroom spreken. Het gaat daarbij om niets anders dan bewegende ladingen. Dat ladingen in vloeistof of in metaal bewegen heeft te maken met de kracht F, die op de ladingdragers wordt uitgeoefend. De kracht F wordt door de elektrische veldsterkte E volgens de volgende vergelijking opgewekt: (2) De rangschikking van de elektroden (vorm en afstand) beïnvloedt het door de batte-
Daarbij is νp de snelheid van de positieve ladingdragers en bp hun beweeglijkheid. νn en bn hebben betrekking op de negatieve ladingdragers. Zoals we weten zijn er in metalen slechts negatieve ladingdragers, de elektronen. Bij normale stroomsterkten bewegen de elektronen zich zeer langzaam in metalen geleiders. De snelheid bedraagt daarin meestal minder dan 1 mm/s. De elektronen kruipen als het ware door het metaal. Je kunt je nu afvragen waarom in een stroomkring, zoals in afbeelding 2, meteen overal in de geleider stroom gaat lopen,
Michael Faraday Michael Faraday werd op 22 september 1791 als zoon van een goudsmid geboren in een voorstad van Londen. In overeenstemming met zijn afkomst en de beperkte financiële middelen in zijn familie kreeg hij slechts een bescheiden opleiding en leerde alleen lezen, schrijven en rekenen. Als dertienjarige ging hij bij een boekbinder in de leer en maakte daarbij van de gelegenheid gebruik de beschikbare wetenschappelijke boeken te lezen. Hij had vooral aandacht voor de elektriciteitsleer. Hij liet het echter niet bij lezen alleen, maar probeerde de beschreven experimenten thuis met eenvoudige middelen uit te voeren. Op die manier verwierf hij zich door zelfstudie de grondbeginselen van natuurwetenschappelijke kennis, die hij door bezoek aan openbare voordrachten van de Royal Institution van Groot-Brittannië nog uitbreidde. In 1813 solliciteerde hij naar de functie van assistent bij de in die tijd beroemde chemicus Davy, kreeg de baan en hield zich vervolgens bezig met diverse chemische onderzoeken. In 1821 werd hij hoofdinspecteur van de Royal Institution en in 1824 lid van de Royal Society, in 1825 directeur van het laboratorium van de Royal Society en in 1827 zelfs professor in de chemie. Naast zijn chemische onderzoeken voerde hij vanaf 1820 uitgebreide natuurkundige experimenten en onderzoeken uit.
03 2
I schakelaar + batterij
U
gloeilamp
–
2. Eenvoudige stroomkring die bestaat uit batterij, leidingen, schakelaar en gloeilamp.
dus zonder vertraging. Dat wordt veroorzaakt doordat alle elektronen zich bij het sluiten van de schakelaar gelijkmatig in beweging zetten, zonder vertraging, zoals de wagons van een trein die allemaal tegelijkertijd in beweging komen als de locomotief begint te rijden. Met het sluiten van de schakelaar in afbeelding 2 komen de elektronen in de gloeidraad van de lamp meteen in beweging en de gloeidraad begint onmiddellijk op te warmen en aansluitend op te lichten. In beweging komen de elektronen door het elektrische veld. Zodra de batterijspanning is aangelegd, stelt zich onmiddellijk in de geleider het elektrische veld in, bijna met de lichtsnelheid. Door de kracht die dan op de ladingdragers wordt uitgeoefend, ontstaat de beweging van deze ladingdragers.
Wet van Faraday Nog even terug naar het elektrolytbad waarmee we, zoals reeds beschreven, door galvaniseren een metalen laag kunnen maken (bijvoorbeeld verzinken). De eerste experimenten en onderzoekingen op dit gebied zijn uitgevoerd door Michael Faraday. De naar hem genoemde wet van Faraday maakt het mogelijk galvanische berekeningen uit te voeren. De wet luidt: (3)
c F = Faraday-constante (c F = 96,494 • 106 C/kg) zi = ladingsgetal van het ion, ook als valentie aangeduid (bijvoorbeeld 1 bij Cl– of 2 bij Cu++) Ar = relatief atoomgewicht (geeft aan met welke factor een element zwaarder is dan een waterstofatoom, hieruit kan het periodiek systeem van de chemische elementen worden afgeleid)
IP01 Impuls nr 3
08-01-2007
16:09
Pagina 3
aardingsinstallaties
∆m = massa die zich bij het galvaniseren afzet. Laten we hierbij het volgende voorbeeld nemen: we willen een geleidend voorwerp met een koperlaag bekleden. Deze koperlaag moet een totale massa van ∆m = 1,2 g krijgen. Welke stroom moeten we laten lopen opdat het laagje na ∆t = 2 h aangebracht moet zijn (koper: Ar = 63,6 ; zi = 2)? We stellen met (3) op:
beschermingsleidingen
potentiaalvereffening
Een moderne toepassing Het omgekeerde proces van galvaniseren heet elektrolyse. Hierbij zet zich dus geen materiaal aan de elektrode af, maar lost de elektrode, die zich in een elektrolyt bevindt, zich op door de ladingsstroming. Ook aan dit proces ligt vergelijking (3) ten grondslag. We illustreren dit met een actueel voorbeeld. De Koreaanse firma Samsung bracht enige tijd terug een wasmachine op de markt met het gepatenteerde ‘Silver Nano Health’ systeem. Hierbij worden zilverionen (Ar = 107,8682; zi = 1) bij de wasen spoelcyclus door elektrolyse vrijgemaakt. (Hierbij worden bacteriën en schimmels al bij lage watertemperaturen gedood.) De beide uit hoogwaardig zilver bestaande plaatjes wegen bij elkaar 15 g en zijn goed voor 3.000 wasbeurten. Per wasbeurt wordt dus 5 mg vrijgegeven, waarbij een stroom in het mA-gebied ligt (een nauwkeuriger waarde konden we niet te weten komen; we gaan hierbij uit van 50 mA). Nu kunnen we met vergelijking (3) berekenen hoe lang het proces duurt (bij hogere stroom gaat het nog sneller):
We moeten dus 2 uur lang een stroom van I = 0,5 A laten lopen, om de kathode met een koperlaagje met een massa van ∆m =1,2 g te bedekken. Als zout, dat men voor het verkoperen in het water oplost, zodat een hiermee passende elektrolyt ontstaat, kan men bijvoorbeeld kopersulfaat (CuSO4) gebruiken.
Elektrotechniek
Aardingsinstallaties, beschermingsleidingen, potentiaalvereffening (1) Zonder aarding is een veilige werking van de openbare, elektrische energievoorziening niet mogelijk. Beschermingsleidingen (PE/PEN) en potentiaalvereffening zorgen voor aanvullende veiligheid in de installatie van verbruikers. Openbare laagspanningsnetten worden uitgevoerd als TN- of TT-stelsel. De afkorting T staat voor Terra (Latijn voor aarde). • de eerste T betekent: het sterpunt van het voedingssysteem (generator, nettransformator) is geaard; • de tweede T betekent dat de metalen gestellen (geleidende behuizingen) van de elektrische installatie zijn geaard. In het TN- en in het TT-stelsel bestaat dus tussen de aarde en een actief deel (in de regel het sterpunt van de voedende generator of transformator) een directe verbinding. In TT-stelsels hebben bovendien de
metalen gestellen, dat wil zeggen de geleidende behuizingen van de motoren, transformatoren en verbruikende toestellen een aardverbinding (afbeelding 1). Er wordt gestreefd naar zo laag mogelijke overgangsweerstanden tussen aardelektroden en aarde.
De aardverspreidingsweerstand Een aardelektrode bestaat uit: • Een of meer, meestal loodrecht in de aardbodem gedreven, gegalvaniseerde stalen staven (staafvormige- of diepteaardelektrode) of uit
• Horizontaal in de aardbodem, in bijvoorbeeld op 60 cm diepte, straalvormig of ringvormig gelegde gegalvaniseerde staalband (bandvormige aardelektrode). De bekendste bandvormige aardelektrode is (in Duitsland) de fundatieaarding (vaak 30 x 3,5 mm staalband) die bij het optrekken van het gebouw in de fundatiebalken wordt ingebed. Deze wordt zo mogelijk als gesloten ring uitgevoerd en staat indirect (via de fundatie) met de aarde in verbinding. De overgangsweerstand van een aardelektrode wordt des te kleiner naarmate het contactoppervlak met de omliggende aarde eromheen groter is en naarmate het elektrisch geleidend vermogen van de aarde groter is. Leemgrond heeft bijvoorbeeld een 03 3
IP01 Impuls nr 3
08-01-2007
16:09
Pagina 4
aardingsinstallaties
groter elektrisch geleidend vermogen dan zandgrond. Wat de aardverspreidingsweerstand precies voorstelt kan het beste met een staafvormige aardelektrode inzichtelijk worden gemaakt (afbeelding 2). De stroom I, bijvoorbeeld een foutstroom, komt in de staafvormige aardelektrode binnen en stroomt door
beschermingsleidingen
het contactoppervlak ervan met de grond naar de aarde. Hoe verder de afzonderlijke ‘stroomdraden’ van de aardelektrode zich verwijderen, des te groter is de door de totale stroom gebruikte doorsnede van de geleider (hier door de aarde gevormd). De toename van de doorsnede wordt verduidelijkt door de stippellijntjes die ideële (denk1. Sterpuntsaarding in het
TN-
en
TT-stelsel
en
potentiaalvereffening
beeldige) schalen of kommen in de aarde aangeven, die om de aardelektrode heen liggen. De lengte van de stippellijnen neemt van schaal tot schaal toe. Dit betekent dat de aarddoorsnede bij elke schaal toeneemt. Met elke schaal neemt daardoor weliswaar de weerstand van de geleider ‘aarde’ toe, maar de weerstandstoename daalt echter met elke verder weggelegen schaal overeenkomstig de weerstandsformule.
aarding van elektrische verbruikstoestellen in het
TT-stelsel.
2. Staafvormige aardelektrode waar een elektrische stroom door vloeit.
De lengte l komt in dit geval overeen met de afstand tussen twee schalen en de doorsnede A met de gemiddelde doorsnede van een schaal. Vanaf een bepaalde afstand van de aardelektrode is de doorsnede van de schaal A zeer groot en wordt elke verdere weerstandstoename verwaarloosbaar klein. We kunnen de grond tussen twee schalen als zeer veel parallel geschakelde weerstanden zien. De totale elektrische weerstand tussen de aardelektrode en dit gebied van de aarde (ook wel ‘verre aarde’ genoemd) wordt aardverspreidingsweerstand R A genoemd. Het is de som van de weerstanden die elke opeenvolgende ‘aardschil’ aan de stroom biedt. Omdat in deze optelling de termen steeds kleiner worden, levert dat een eindige waarde op. De ervaring leert dat bij een afzonderlijke aardelektrode in een goed geleidende, homogene (gelijkmatige) aarde en zonder beïnvloeding door vreemde, geleidende systemen (bijvoorbeeld waterleidingbuizen) dit gebied op een (horizontale) afstand van de aardelektrode begint, die overeenkomt met ongeveer 2,5 maal de lengte (diepte) van de aardelektrode.
3. Aardsluitstroom in het
TN-
en
TT-stelsel.
De sterpuntsaarding in het TN- en TT-stelsel In netten met geaard sterpunt voeren de fasegeleiders L1, L2 en L3 spanning ten opzichte van aarde, bijvoorbeeld: U0 = 230 V in de openbare stroomvoorziening met 230 V/400 V en 50 Hz. Bij het aanraken van een fasegeleider overbrugt daardoor een mens, die op een goed geleidende ondergrond staat, bij benadering dit potentiaalverschil. Bij aardsluiting van een fasegeleider waarborgt de sterpuntsaarding het terugvoeren van de fout-
03 4
IP01 Impuls nr 3
08-01-2007
16:09
Pagina 5
aardingsinstallaties
beschermingsleidingen
potentiaalvereffening
Een vraagstuk bij het thema Vraag: De metalen gestellen van verbruikerstoestellen zijn in het TN-stelsel direct of indirect met de PEN van het net verbonden (afbeelding). Bij dit stelsel vormt de fundatieaarding ook een weg voor bedrijfsstromen naar de aarde. Hoe komen de bedrijfsstromen tot stand? Oplossing: De bedrijfsstromen naar aarde komen tot stand doordat op het punt (Z) in de afbeelding een verbinding tussen N/PEN en de aardelektrode (fundatieaarding) bestaat. Bij verbruikende toestellen, waarvan de wikkelingen/weerstanden met de nulleider in verbinding staan (bijvoorbeeld alle verbruikende toestellen voor 230 V AC) en die het draaistroomsysteem asymmetrisch belasten, stroomt daardoor de ‘retourstroom’ over de nulleider naar de PEN. Op het punt (Z) vertakt de stroom zich. Een deel stroomt direct over de PEN Aarding in het TN-stelsel. naar het sterpunt van de transformator, een ander deel over de fundatieaarding naar aarde en over de sterpuntsaarding (bedrijfsaarding) naar het sterpunt van de transformator. De vertakking bij punt (Z) heeft plaats volgens de wetten van de parallelschakeling (over het traject met de laagste weerstand loopt de grootste stroom) De motor (1) belast het draaistroomnet (over het algemeen) symmetrisch. De motor zorgt niet voor een bedrijfsstroom over N/PEN en de fundatieaarding. Het verbruikende toestel (2) belast het draaistroomnet asymmetrisch en levert ook een stroom via de fundatieaarding op.
stroom door de aarde (afbeelding 3). Aan de hand van een aardsluitstroom kan het isolatiedefect worden vastgesteld, en de stroomketen die een fout bevat, kan bijvoorbeeld door een aardlekbeveiliging (aardlekautomaat) onmiddellijk van het voedende net worden gescheiden. Op het eerste gezicht heeft de sterpuntsaarding echter ook een nadeel, want blijkbaar komt de gesloten foutstroomketen pas tot stand door de aarding, en zonder aarding bleven de fasegeleiders L1, L2, L3 ogenschijnlijk ook potentiaalvrij ten opzichte van de aarde. Dit vermoeden geldt helaas slechts voor netten met een beperkte omvang, want ook zonder sterpuntsaarding bestaat een koppeling van de fasen met de aarde. Daarvoor zorgen de onvermijdelijke geleidercapaciteiten (afbeelding 4). Elke fasegeleider vormt met de aarde en de daartussen liggende isolatie (pvc, lucht, et cetera) in principe een condensator. Hoe langer en hoe meer vertakt de distributiekabels zijn, des te groter is de geleidercapaciteit en des te laagohmiger de capacitieve koppeling, respectievelijk de capacitieve blindweerstand. In het openbare distributienet ondersteunen talloze stroomketens dit effect in de aangesloten huisinstallaties, waarin de fasegeleiders praktisch uitwaaieren. De stromen iL1,
iL2, iL3 in afbeelding 4 staan voor de momentele waarden – niet voor effectieve waarden – van de (capacitieve) geleiderstromen naar de aarde. De weergegeven stroomrichtingen gelden voor een bepaald tijdstip binnen de 50 Hz periode van het draaistroomsysteem. De kabel capaciteiten zorgen in de bodem gezamenlijk voor een tweede, extra sterpunt met dezelfde potentiaal als het (eerste) sterpunt van de stroombron. De beide spanningsmeters (1) en (2) met digitale uitlezing geven daarom dezelfde spanningswaarde aan.
Ook bij een ontbrekende sterpuntsaarding voert daarom iedere fasegeleider een spanning ten opzichte van aarde – ook bij een draaistroomnet dat intact is. Daar komt nog een nadeel bij: de koppeling met de aarde is minder vast dan bij een directe laagohmige aarding. Bij een volkomen aardsluiting van een fasegeleider neemt de spanning van de andere geleiders ten opzichte van aarde toe naar die van de lijnspanning, bij een laagspanningsnet dus in de richting van 400 V. (wordt vervolgd). 4. Capacitieve koppeling van de netgeleider met aarde bij ongeaard (geïsoleerd) sterpunt.
03 5
IP01 Impuls nr 3
08-01-2007
16:09
Pagina 6
fotowedstrijd
technologie thuis nu!
Fotowedstrijd ‘Zo moet het niet!’
Kabel zonder mantel: commentaar overbodig.
Onder het motto 'Zo moet het niet', gaat Intech Elektro en ICT op zoek naar foto's van slecht of foutief uitgevoerde installaties. Inzenders van wie de foto’s worden geplaatst in Intech, kunnen rekenen op een technisch handboek van Isso
Doe-het-zelven met een trekkoord.
Beveiliging?
ter waarde van maar liefst 245 euro. Het handboek bestaat uit twee delen en bevat ruim 1.400 pagina's aan technische kennis. Vermeld alstublieft kort en bondig welke fout(en) te zien zijn op de foto en uiteraard ook uw naam en adres. Mail of stuur de foto's naar: Redactie Intech Elektro en ICT ‘Zo moet het niet’
[email protected] Postbus 188 2700 AD Zoetermeer
Prijswinnaar januari De heer Visser van Verkerk Inspectie uit Zwijndrecht is deze maand de winnaar van de fotowedstrijd. Hij ontvangt het Handboek Installatietechniek van Isso. Van harte gefeliciteerd!
Slimme technische oplossingen in project:
Technologie Thuis Nu! Het zal u niet ontgaan zijn dat de Nederlandse samenleving vergrijst. De mensen uit de babyboomgeneratie zijn inmiddels met (pré)pensioen en zij bereiken, vaak nog zeer gezond, een hoge leeftijd. Mensen uit deze groep zijn, vergeleken met hun ouders, beter opgeleid en zeer welvarend. Het spreekt dan ook voor zich dat zij veel invloed zullen hebben op alle sectoren in de economie, dus ook op de woningbouw.
Een belangrijk gevolg van de vergrijzing op het gebied van wonen en zorg is dat mensen langer zelfstandig blijven wonen, en dat er steeds meer tussenvormen ontstaan tussen volledig zelfstandig wonen en wonen in een verzorgingshuis. Otib is ervan overtuigd dat de installatiebranche kan bijdragen aan het langer zelfstandig blijven wonen van al deze mensen. Samen met de Hogeschool Utrecht en Uneto-VNI voeren wij dan ook het project Technologie Thuis Nu! (TTN!) uit. Vanuit de 03 6
hogeschool wordt de ‘zorg’-kant onderzocht: welke voorzieningen zijn nodig in een woning voor mensen uit deze doelgroep, en hoe functioneren deze oplossingen in de praktijk. De installatiebranche zorgt voor de technische invulling: het aanbrengen van slimme technische oplossingen in de woning. En in een woning komt alle installatietechniek voor, dus in het project is er aandacht voor E, ICT, W én S. De kennis die wij hierbij verzamelen, zal verwerkt worden in opleidingen en cursussen
voor medewerkers op alle niveaus. In het Intechnium gebouw worden voor TTN! drie woningen gebouwd: de eerste woning is gericht op ‘comfort en veiligheid’, gecombineerd met voorzieningen voor mensen met een visuele handicap. De andere woningen richten zich op mensen met longaandoeningen, bewegingsaandoeningen en mensen met (een lichte vorm van) dementie. De woningen worden gebouwd alsof er echt in kan worden gewoond: inrichting, bouwwijze en techniek kunnen zo worden beproefd. Verder zijn de woningen straks zeer geschikt voor gebruik bij trainingen en voor voorlichtingsdoeleinden. Al met al is Technologie Thuis Nu! een uniek project: heeft u ooit een demonstratiewoning gezien waar u écht in kon wonen?
