CURSUS ELEKTRICITEIT 20V 20V TR 233 SECTIE V

Transcriptie

1 CURSUS ELEKTRICITEIT 10Ω 20V 20Ω 30V 25Ω 60V 40Ω 20V 60Ω 40Ω Voorbereidende beroepsvorming van de bestuurders V 24 V TR 233 SECTIE 94

2

3 Elektriciteit : I Inhoudstafel I. De elektrische grootheden. 1. INLEIDING DE ELEKTRISCHE SPANNING ELEKTRISCHE CELLEN ACCUMULATOREN DRAAIENDE MACHINES (DRAAIENDE OMVORMERS) DE ELEKTRISCHE STROOM DE ELEKTRISCHE WEERSTAND....5 II. Inleidende begrippen. 1. DE ELEKTRISCHE STROOMBRON DE ELEKTRO-MOTORISCHE KRACHT (E.M.K.) E DE INWENDIGE WEERSTAND EN DE KORTSLUITING DE WEERSTAND VAN EEN GELEIDER GELEIDERS EN ISOLERENDE STOFFEN GELEIDERS ISOLERENDE STOFFEN ELEKTRISCHE CELLEN EN ACCUMULATOREN ELEKTRISCHE CELLEN ACCUMULATOREN Soorten accumulatoren Loodaccumulatoren Het begrip capaciteit Eigenschappen van de loodaccu Inwendige weerstand van een element Accumulatorenbatterij Parallelschakeling van loodbatterijen Serieschakeling van batterijen De alkalische accumulatoren Nikkel-Ijzer accumulator (Ni-Fe) Cadmium-Nikkel accumulator (Cd-Ni) Vergelijking tussen de alkalische accumulator en loodaccumulator Uit constructief oogpunt Uit economisch oogpunt Uit elektrisch oogpunt Besluit DE WET VAN OHM, ARBEID EN VERMOGEN DE WET VAN OHM Besluit TR 233 Sectie 94

4 Elektriciteit : II Oefeningen ARBEID.(W) Formule van arbeid (W) Oefeningen VERMOGEN (P) De formule van vermogen (P) Oefeningen SCHAKELINGEN VAN WEERSTANDEN PRINCIPE De serieschakeling Parallelschakeling Serie-parallelschakeling BEREKENEN VAN DE TOTALE WEERSTAND Oplossen van een serieschakeling Oplossen van een parallelschakeling Oplossen van een gemengde (serie-parallel) schakeling Oefeningen DE WETTEN VAN KIRCHOFF WARMTEVOORTBRENGST DOOR ELEKTRISCHE STROOM HET JOULE-EFFECT Proeven Besluit WARMTEHOEVEELHEID BEREKENEN VAN DE WARMTEHOEVEELHEID SPANNINGSVAL WARMTEVOORTBRENGST IN DRAAIENDE MACHINES KORTSLUITING STROOMONDERBREKERS MAGNETISERING DOOR DE STROOM MAGNETISCH VELD ROND EEN STROOMVOERENDE GELEIDER VORM VAN HET MAGNETISCHE VELD EN VELDSTERKTE H VAN STROOMVOERENDE RECHTE GELEIDERS MAGNETISCHE VELD VAN STROOMVOERENDE SPOELEN MAGNETISERING VAN IJZER EN STAAL Proeven Magnetische eigenschappen van een stof WIJZIGING EN VERDELING VAN DE KRACHTLIJNEN IN EEN SPOEL VERSTERKING VAN HET VELD IN EEN SPOEL DE ELEKTRO-MAGNETEN SAMENSTELLING EIGENSCHAPPEN VORM INDUCTOREN VAN DYNAMO S, ALTERNATOREN EN MOTOREN...44 TR 233 sectie 94

5 Elektriciteit : III INVLOED VAN EEN MAGNETISCH VELD OP EEN ELEKTRISCHE STROOM Proeven Besluit INDUCTIEFENOMEEN Inductieverschijnselen van een permanente magneet Inductieverschijnselen van een elektromagneet De wet van Lenz INDUCTANTIE Eenheid van inductantie Praktische uitwerking van de zelfinductie FOUCAULTSTROMEN...50 III. Algemeenheden over gelijkstroommachines 1. HERHALING DE WET VAN BIOT-SAVART DE WET VAN LAPLACE DE WET VAN LENZ GELIJKSTROOMMACHINES BOUW DE STATOR DE ROTOR Doel van het systeem borstel-collector ALGEMENE EIGENSCHAPPEN VAN GELIJKSTROOMMACHINES DE ELEKTROMOTORISCHE KRACHT E HET ELEKTROMAGNETISCHE KOPPEL DE ANKERREACTIE...59 TR 233 Sectie 94

6 Elektriciteit : IV IV. De dynamo. 1. WERKINGSPRINCIPE DE BEKRACHTIGING DYNAMO MET ONAFHANKELIJKE BEKRACHTIGING DYNAMO MET SERIE-BEKRACHTIGING VOORWAARDEN VOOR HET OPWEKKEN VAN ZELF- BEKRACHTIGDE DYNAMO S KARAKTERISTIEKEN VAN DE SERIEDYNAMO DE SERIEDYNAMO ONDERHOUD VAN DE DYNAMO RENDEMENT VAN DE DYNAMO V. De gelijkstroommotor. 1. WERKINGSPRINCIPE WERKINGSVOORWAARDEN STABILITEITSVOORWAARDEN VAN EEN BELASTE MOTOR SOORTEN GELIJKSTROOMMOTOREN DE SERIE-GELIJKSTROOMMOTOR Curve van het koppel in functie van de stroom Curve van de snelheid in functie van de stroom Curve van het koppel in functie van de snelheid DE SERIEGELIJKSTROOMMOTOR AANZETTEN VAN EEN SERIEMOTOR Aanloopweerstanden Gebruik van verschillende koppelingen van tractiemotoren Spanningsregeling met thyristoren REGELING VAN DE SNELHEID VAN EEN SERIEMOTOR Aanpassing van de voedingsspanning Externe weerstand in serie met de motor Vermindering van de flux ф OMKEREN VAN DE DRAAIZIN REMMING VAN DE SERIEMOTOR Voordelen van de elektrische remming...79 TR 233 sectie 94

7 Elektriciteit : V VI. Wisselstroom. 1. INLEIDING OPWEKKING KARAKTERISTIEKE GROOTHEDEN DE PERIODE DE FREQUENTIE DE EFFECTIEVE WAARDE VAN EEN WISSELSTROOM DE FAZEVERSCHUIVING VECTORIËLE VOORSTELLING VAN EEN WISSELSTROOM WISSELSTROOMKRING EEN KRING SAMENGESTELD UIT ENKEL WEERSTANDEN EEN KRING SAMENGESTELD UIT ENKEL SPOELEN EEN KRING SAMENGESTELD UIT ENKEL CAPACITEITEN GEMENGDE KRING VERMOGEN BIJ WISSELSTROOM HET PRAKTISCHE BELANG VAN DE COS ϕ DRIEFAZIGE WISSELSPANNINGEN ALGEMEENHEDEN DRIEHOEKSCHAKELING EN STERSCHAKELING VERMOGEN VAN EEN DRIEFAZIG SYSTEEM...90 VII. De transformator. 1. ALGEMEENHEDEN WERKINGSPRINCIPE SAMENSTELLING KENMERKEN Onbelast Belast VERLIEZEN IN DE TRANSFORMATOR VERHOUDING VAN SPANNINGEN, STROMEN, WINDINGEN EN VERMOGENS VOORBEELD...93 TR 233 Sectie 94

8 Elektriciteit : VI VIII. De alternator. 1. DE SAMENSTELLENDE DELEN VAN DE ALTERNATOR HET WERKINGSPRINCIPE VAN DE EENFAZIGE ALTERNATOR INVLOED VAN DE ROTORSNELHEID OP DE KLEMSPANNING INVLOED VAN DE BELASTING OP DE KLEMSPANNING HET VERMOGEN VAN DE ALTERNATOR DRIEFAZIGE ALTERNATOREN DE MEERPOLIGE ALTERNATOREN IX. De draaistroommotoren. 1. INLEIDING HET DRAAIVELD BESTAANSVOORWAARDEN ONTSTAAN VAN EEN DRAAIVELD BESLUIT DE VERSCHILLENDE TYPES DRAAISTROOMMOTOREN De synchrone motor De asynchrone motor VOORDELEN EN NADELEN VAN DRAAISTROOMMOTOREN T.O.V. GELIJKSTROOMMOTOREN VOORDELEN NADELEN X. De synchrone motor. 1. ALGEMEENHEDEN BOUW DE STATOR DE ROTOR De rotor met uitspringende polen De gladde rotor BEKRACHTIGINGSSYSTEMEN Bekrachtiging door een borstel-ringsysteem Bekrachtiging door een brushless-systeem WERKINGSPRINCIPE GEBRUIK KARAKTERISTIEKE CURVE TR 233 sectie 94

9 Elektriciteit : VII 4.2. AANLOPEN VAN DE SYNCHRONE MOTOR Aanloopproblemen Aanloop met frequentieverandering REGELING VAN DE SNELHEID De ondulator (gelijkrichter plus wisselrichter) EIGENSCHAPPEN VAN EEN SYNCHRONE MOTOR XI. De asynchrone motor. 1. ALGEMEENHEDEN BOUW DE STATOR DE ROTOR De bewikkelde rotor De kooirotor WERKING VAN DE MOTOR MET KOOIROTOR WERKINGSPRINCIPE DE SLIP VERLIEZEN EN RENDEMENT VERBAND TUSSEN STROOM EN BELASTING GEBRUIK KARAKTERISTIEKE CURVEN VAN HET KOPPEL Het koppel in functie van de voedingsspanning U en de slip S De snelheid in functie van de belasting AANLOOPPROBLEMEN Aanloopstroom Het aanloopkoppel De aanloop van motoren Gebruik maken van een dubbele rotorkooi Aanlopen van motoren met ringen STABILITEIT VAN DE ASYNCHRONE MOTOR REGELING VAN DE OMWENTELINGSSNELHEID VERANDERING VAN DE PARAMETERS. INVLOED OP DE KOPPELCURVE Aanpassing van de klemspanning U Aanpassing van de frequentie f Aanpassing van de spanning U en de frequentie f DE DRAAIZIN DE REMMING VAN DE ASYNCHRONE MOTOR Ontstaan van het remkoppel De hypersynchrone remming VERGELIJKING VAN DE WERKING BIJ SLIPPEN VOORDELEN EN NADELEN VAN DE ASYNCHRONE KOOI- ANKERMOTOR T.O.V. DE SYNCHRONE MOTOR TR 233 Sectie 94

10 Elektriciteit : VIII 5.1. VOORDELEN NADELEN XII. Verlichting. 1. ALGEMEENHEDEN STRALING ELEKTROMAGNETISCH SPECTRUM ZICHTBARE STRALING SOORTEN LAMPEN GLOEILAMP Principe De levensduur Invloed van de netspanning GASONTLADINGSLAMPEN Werkingsprincipe Gasvulling De werking van een fluorescentielamp met starter TR 233 sectie 94

11 Elektriciteit : 1 I. De elektrische grootheden. 1. Inleiding. Wat is elektriciteit? Elektriciteit is een manier om energie te vervoeren. Er zijn verschillende energievormen : - warmte-energie (vb. zonne-energie) - mechanische energie (vb.spierkracht) - luchtenergie (vb. windmolen) - chemische energie (vb. batterij) De elektrische energie wordt voortgebracht door de omvorming van : - mechanische energie (via dynamo,alternator) - chemische energie (via batterij) De elektrische energie kan ook worden omgezet in andere energievormen afhankelijk van de toepassing : 2. De elektrische spanning. - in mechanische energie (via elektrische motor) - in warmte-energie (via elektrisch vuur) Om het begrip elektrische spanning uit te leggen kan men een proef doen. (zie onderstaande figuur) In een glazen bokaal, gevuld met verdund zwavelzuur dompelt men een koperen en een zinken plaat. Men zorgt ervoor dat de twee platen mekaar niet raken. We kunnen nu zien dat een lampje van een zaklamp, geplaatst in een lamphouder en verbonden aan de koperplaat en de zinken plaat (de elektroden) door middel van 2 koperdraden, zal oplichten. Het feit dat het lampje oplicht, toont aan dat de twee elektroden op een verschillende spanning of potentiaal staan. Men zegt dat er tussen de koperen en de zinken plaat een potentiaal verschil of een elektrische spanning bestaat. TR 233 Sectie 94

12 Elektriciteit : 2 Om dit verschijnsel beter te begrijpen kunnen we een eenvoudige elektrische stroomkring vergelijken met een hydraulische (vloeistof) omloop die bestaat uit twee reservoirs die elk tot op een verschillende hoogte met water zijn gevuld en door een buis met elkaar zijn verbonden. (zie onderstaande figuur) Op de bovenstaande figuur zien we duidelijk dat er tussen de vrije oppervlakken A en B een hoogteverschil h bestaat. Dit heeft tot gevolg dat de waterdruk langs de linkerkant van de kraan kleiner zal zijn dan aan de rechterkant. Opent men de kraan C dan zal als gevolg van dit drukverschil het water vloeien van B naar A tot de twee peilen zullen gelijk zijn. Reservoir B komt overeen met de koperen plaat, reservoir A komt overeen met de zinken plaat. In een elektrische cel bestaat er tussen de twee polen een verschil in elektrische potentiaal of een potentiaalverschil analoog met het niveauverschil tussen de reservoirs. Men omschrijft de twee polen als een positieve pool (+) en negatieve pool (-). In onze eenvoudige elektrische stroomkring is de koperen plaat de positieve pool (+) en de zinken plaat de negatieve pool (-) (zie uitleg bij over de elektrische cellen). Wanneer men de twee polen door een geleider met elkaar verbindt vloeit er een elektrische stroom die overeenkomt met de waterstroom door de verbindingsbuis in de hydraulische omloop. De geleiders kunnen een verbruikstoestel, vb.een lamp of motor voeden. Men komt overeen dat in de uitwendige kring van de bron de stroom van de positieve (+) naar de negatieve pool (-) vloeit. Om de grootte van het potentiaalverschil tussen de polen van het element uit te drukken heeft men de eenheid Volt (V) aangenomen. TR 233 sectie 94

13 Elektriciteit : 3 Voorbeelden van spanningswaarden : - Een batterij voor een zaklamp heeft een spanning van 1,5 V. - De batterijspanning van een personenwagen bedraagt meestal 12 V - De batterijspanning van een vrachtwagen bedraagt 24V - De verlichting van een spoorwegvoertuig wordt geleverd door een batterij van 24V of 72V of 110V - De openbare verlichtingsnetten worden gevoed op 220V~ (~ is wisselspanning) - De bovenleiding van de NMBS voor elektrische tractie wordt in het algemeen gevoed op 3000 V= (= is gelijkspanning) Naargelang de aard van de toepassing worden verschillende types van spanningsbronnen gebruikt. Hieronder wordt een idee gegeven van de soorten spanningsbronnen Elektrische cellen De eenvoudigste elektrische cel is de Volta-cel. (zie onderstaande figuur) De Volta-cel is na uitputting niet meer bruikbaar, heeft dus weinig interessante eigenschappen en wordt daarom zeer weinig (niet) gebruikt Accumulatoren Er bestaan elementen die na uitputting kunnen herladen worden door toevoer van een elektrische stroom. Deze elementen noemt men accumulatoren. De eenvoudigste accumulator bestaat uit elektroden (lood en looddioxide) die gedompeld zijn in verdund zwavelzuur. (vb. autobatterij) De accumulatorenbatterijen vinden ook toepassing bij de spoorwegen (verlichting van de rijtuigen, aanzetten van de dieselmotoren van de motorwagens, ) TR 233 Sectie 94

14 Elektriciteit : Draaiende machines (draaiende omvormers) Cellen en accumulatoren zijn slechts relatief kleine elektriciteitsvoortbrengers. Om industriële elektriciteit in grote hoeveelheden voort te brengen wordt gebruik gemaakt van draaiende machines (dynamo s, alternatoren) die elektrische energie voortbrengen ten koste van de mechanische energie nodig om ze te doen draaien. Deze machines kunnen aangedreven worden door thermische machines (stoommachine, stoomturbine, dieselmotor, ) of door hydraulische machines (waterturbine). De dynamo s worden op het spoorwegmaterieel gebruikt om tractiemotoren te voeden bij de diesellocomotieven, om batterijen op te laden of om verlichting van rijtuigen te verzekeren. 3. De elektrische stroom. Op de bovenstaande figuur hangt de hoeveelheid water die per seconde door de buis stroomt (waterdebiet) af van 2 elementen : Het niveauverschil tussen de twee reservoirs. De hydraulische weerstand, is bepalend voor het debiet (hangt af van de diameter en de lengte van de buis). De omloop wordt dus door twee elementen gekenmerkt: het niveauverschil en het debiet. Het niveauverschil symboliseert de elektrische spanning. Een spanningsbron (gelijkspanning) wordt in een elektrisch schema voorgesteld zoals in de onderstaande figuur. Om een elektrische kring te kenmerken volstaat de spanning niet, men moet ook weten hoeveel lading er per seconde door de geleider stroomt.(stroomsterkte) Elektrische lading wordt uitgedrukt in Coulomb. TR 233 sectie 94

15 Elektriciteit : 5 Een stroom van 1A (één ampère) wil zeggen dat er per seconde een lading van één Coulomb passeert. De eenheid van elektrische stroomsterkte is dus Ampère (A). (1A = 1 Coulomb/sec) Het waterdebiet symboliseert de stroomsterkte. De stroom loopt steeds van de positieve naar de negatieve pool in de uitwendige keten. 4. De elektrische weerstand. Op de onderstaande figuur zien we een elektrische stroomkring die bestaat uit een spanningsbron en een verbruikstoestel R dat aangesloten is op de spanningsbron door middel van 2 koperdraden. In deze elektrische stroomkring zien we ook dat er een voltmeter (V) is opgenomen om de spanning tussen de klemmen van de spanningsbron te meten en dat er ook een ampèremeter (A) is opgenomen om de stroomsterkte door het verbruikstoestel te meten. Stel dat de voltmeter (V) een spanning van 24 Volt aangeeft. We vervangen het verbruikstoestel R door een gloeilamp (met een weerstand van 9,6Ω) en lezen op de ampèremeter een stroomsterkte af van 2,5 A. Indien we nu het verbruikstoestel R door een elektrisch vuurtje (met een weerstand van 3Ω) vervangen, lezen we op de ampèremeter een stroom af van 8 A. Besluit : We stellen vast dat voor eenzelfde toegepaste spanning de lamp en het elektrisch vuurtje een verschillende stroom doorlaten. Het elektrisch vuurtje laat een grotere stroom door dan de lamp. Men zegt dat het elektrisch vuurtje een kleinere elektrische weerstand heeft dan de lamp. TR 233 Sectie 94

16

17 Elektriciteit : 7 1. De elektrische stroombron. II. Inleidende begrippen De elektro-motorische kracht (e.m.k.) E Als men over stroombronnen spreekt, maakt men dikwijls gebruik van de uitdrukking elektro-motorische kracht (e.m.k.) E die men soms verwart met de klemspanning U. Deze twee begrippen die allebei in Volt worden uitgedrukt, zijn nochthans verschillend. Beschouwen we een Volta-element (chemische stroombron) en veronderstellen we dat het niet aan een verbruikstoestel is gekoppeld. Via een voltmeter V meten wij aan zijn klemmen een spanning van 1,5 Volt. Deze spanning noemt men ook nog de open-klemspanning en vermits er geen stroom doorgaat is dit ook de elektro-motorische kracht (e.m.k.) E. (zie onderstaande figuur) + V 1,5 V _ Cu Zn H2SO4 Wanneer het element op een verbruikstoestel R is aangesloten, verandert de klemspanning volgens de waarde van de geleverde stroom. We vinden nu de elektro-motorische kracht van 1,5 Volt niet meer terug, maar een lagere spanning. (zie onderstaande figuur) R I + V 1,4 V _ Cu Zn H2SO4 De elektro-motorische kracht (e.m.k.) E is steeds hoger dan de klemspanning U bij gesloten kring vermits de inwendige weerstand van de bron wordt doorlopen door een stroom die een spanningsval veroorzaakt die gelijk is aan Ri.I. (Ri = inwendige weerstand van de elektrische stroombron en I = de stroom door de elektrische stroombron) TR 233 Sectie 94

18 Elektriciteit : 8 Bij gesloten kring (aangesloten op een verbruiker R), dus I 0 geldt : U = E Ri.I E = de elektro-motorische kracht U = de klemspanning Ri = de inwendige weerstand (is meestal zeer klein) I = de stroom door de bron Bij open kring (niet aangesloten op een verbruiker R), dus I = 0 geldt : U = E 1.2. De inwendige weerstand en de kortsluiting Verbinden we de twee polen van een element (of van een willekeurige stroombron) door een geleider van grote doorsnede waarvan de weerstand praktisch 0 is. Men zegt dan dat de kring in kortsluiting is. De stroom die in de kring nu vloeit is groot en wordt enkel beperkt door de inwendige weerstand van het element (of van de stroombron). We merken ook op dat in het element (of stroombron) de stroom vloeit van de negatieve pool (-) naar de positieve pool (+), terwijl in de uitwendige kring (waar de verbruiker is opgenomen) de stroom vloeit van de positieve pool (+) naar de negatieve pool (-). In de praktijk heeft een kortsluiting steeds uiterst gevaarlijke gevolgen omdat ze belangrijke stroomsterkten veroorzaakt. 2. De weerstand van een geleider. De weerstand R van een geleider hangt van 3 faktoren af. Soort materiaal (koper, ijzer, aluminium) Doorsnede Lengte De weerstand van een geleider wordt berekend via de formule : R = ρ. l / A R = de weerstand van de geleider in Ω (Ohm) ρ = de soortelijke weerstand van de stof in Ωmm²/m l = de lengte van de geleider in m A = de doorsnede van de geleider in mm² Uit deze formule kunnen we dus opmaken dat de weerstand van een geleider des te groter zal zijn naarmate de soortelijke weerstand groter is, de geleider een grote lengte heeft en de doorsnede van de geleider klein is. TR 233 sectie 94

19 Elektriciteit : 9 mm² De coëfficiënt ρ is de soortelijke weerstand (uitgedrukt in Ω ) van de stof. m De weerstand van een geleider is ook afhankelijk van de temperatuur van de geleider. Om deze reden wordt de waarde van ρ steeds gegeven bij 0 C.(Ro) Om de waarde van de weerstand te bekomen bij veranderende temperatuur Ω wordt rekening gehouden met de temperatuurscoëfficiënt α (uitgedrukt in ). C De weerstand bij een bepaalde temperatuur t (uitgedrukt in C) wordt gegeven door de formule : Rt = Ro. (1 + α. t) In de onderstaande tabel worden de waarden ρ en α gegeven voor enkele gebruikelijke geleiders. Metaal ρ in Ωmm²/m α in Ω/ C Koper 0,017 0,00380 Zilver 0,016 0,00377 Konstantaan 0,5 0, Uit deze tabel kunnen we een paar conclusies trekken : Zilver is de beste geleider, maar zeer duur en daarom weinig gebruikt. Konstantaan is zeer goed geschikt voor het vervaardigen van precisieweerstanden omdat de temperatuurscoëfficiënt zeer klein is. Oefeningen : 1) Men wil een weerstand van 0,125Ω (bij 0 C) maken uit koperdraad met een doorsnede van 3 mm². Hoe lang moet deze koperdraad zijn? 2) Men meet een weerstand uit zilverdraad bij 70 C en we komen aan een waarde van 6 Ω. We weten dat de weerstand gewikkeld is uit zilverdraad met een doorsnede van 0,5 mm². Bereken de lengte van de zilverdraad. 3) Men heeft een koperen kabel met een diameter van 2cm en een lengte van 20 km. Bereken de weerstand van deze kabel als de temperatuur van de kabel tot 35 C is gestegen. TR 233 Sectie 94

20 Elektriciteit : Geleiders en isolerende stoffen. Als we de twee polen van een stroombron (element, accu of dynamo) verbinden aan een verbruikstoestel, een gloeilamp bijvoorbeeld, door middel van koperdraden dan stellen we vast dat de lamp oplicht. Koperdraden hebben dus de eigenschap de elektrische stroom door te laten. Het worden daarom geleiders van de elektrische stroom genoemd. Als we nu echter de polen van de bron met een plastiekdraad verbinden, zal de lamp niet meer ontsteken. Dit kan men verklaren door het feit dat de elektrische stroom niet kan vloeien door deze stof. Men noemt dit een niet-geleidende of isolerende stof of kortweg isolator Geleiders. Metalen zijn goede geleiders van de elektrische stroom. Ze worden daarom gebruikt voor het vormen van elektrische kringen in toestellen en machines. De beste geleiders zijn zilver, koper, aluminium, 3.2. Isolerende stoffen. Isolerende stoffen beletten kortsluitingen tussen onderdelen die onder spanning staan. Verder beletten ze dat het personeel TR 233 sectie 94

21 Elektriciteit : Elektrische cellen en accumulatoren Elektrische cellen. De meest eenvoudige elektrische cel is het Volta-element. (zie onderstaande figuur) I R + _ Cu Zn H2SO4 In een bak met verdund zwavelzuur (het elektrolyt) worden twee elektroden gedompeld. De ene is uit koper en de andere is uit zink vervaardigd. Zowel de koperen als de zinken elektrode zullen beginnen oplossen. Oplossen veronderstelt dat de elektrode positieve ionen verliest (ze gaan in het elektrolyt over) en dat de overgebleven vrije elektronen achterblijven op de elektrode.vermits nu koper edeler is dan zink zal koper minder oplossen dan zink of m.a.w. de koperen elektrode verliest minder positieve ionen zodat men zegt dat de koperen elektrode de positieve pool (+) is terwijl de zinken elektrode de negatieve pool (-) is. De koperen elektrode staat op een hogere potentiaal dan de zinken elektrode. Als we nu de twee elektroden over een weerstand R verbinden dan stellen we vast dat er een stroom I vloeit. De stroom I vloeit in de uitwendige keten (waar de weerstand R in staat) van de positieve naar de negatieve pool. In het elektrolyt vloeit de stroom van de zinken naar de koperen elektrode. De elektronenstroom (e - ) vloeit van de negatieve zinken elektrode naar de positieve koperen elektrode in de uitwendige keten en in het elektrolyt vloeit de elektronenstroom van de koperen elektrode naar de zinken elektrode. Door scheikundige reacties tussen de elektrodes en het elektrolyt zal tengevolge van de stroom I waterstofgas zich rond de koperen elektrode afzetten. Hierdoor wordt het elektronentransport gehinderd en daalt het potentiaalverschil tussen de koperen en de zinken elektrode. Dit laatste is natuurlijk ongewenst. Het verschijnsel waarbij er zich waterstofbelletjes rond de koperen elektrode verzamelen, noemt men polarisatie. Om de polarisatie tegen te werken gaat men in het elektrolyt een depolarisator toevoegen : MnO 2 (mangaandioxide) Een elektrische cel kan men niet opladen door een stroom te sturen van de koperen elektrode naar de zinken elektrode, men zegt dat de reactie onomkeerbaar is. TR 233 Sectie 94

22 Elektriciteit : Accumulatoren. Accumulatoren zijn omkeerbare cellen. Men kan deze elementen na ontlading terug opladen omdat de scheikundige reacties omkeerbaar zijn Soorten accumulatoren. Volgens de aard Lood Alkalisch Volgens het doeleinde Starten Tractie Verlichting Vaste accumulatoren Loodaccumulatoren. De loodaccu bestaat uit een bak van een isolerend materiaal gevuld met verdund zwavelzuur. Daarin zijn twee elektroden gedompeld : de éne bestaat uit lood (Pb) (negatieve pool) en de andere uit looddioxide (PbO 2 ). De scheikundige reacties die plaats vinden zijn omkeerbaar zodat de loodaccu na ontladen terug kan worden opgeladen. TR 233 sectie 94

23 Elektriciteit : Het begrip capaciteit. De hoeveelheid elektrische energie die een batterij kan leveren, noemt men de capaciteit. Men drukt deze hoeveelheid uit in Ampère-uren.(Ah) Om de capaciteit van een accu te doen stijgen volstaat het om grotere en meerdere platen te nemen. Hierdoor stijgt de totale massa actief materiaal op de platen zodat meer scheikundige energie kan worden omgezet. C = I. t (Ampère. uren) C = capaciteit in Ah I = de stroom in A t = de tijd in uren Eigenschappen van de loodaccu. De temperatuur : De toename van de temperatuur doet de capaciteit stijgen.(aangroei van 1% per 0,01 C boven de 25 C) Boven de 40 C bestaat er gevaar dat de platen te snel worden ingevreten. Bij koud weer is het zuurgehalte laag zodat er gevaar bestaat voor bevriezen. De veroudering : De scheikundige reacties tasten de platen aan zodat deze stilaan materiaal verliezen en dus ook als gevolg heeft dat de capaciteit vermindert. Nullast : Een loodaccu die lang gestockeerd is, zal zich traag ontladen. De platen geraken stilaan volledig gesulfateerd wanneer niet op regelmatige tijdstippen een bijlading wordt gegeven aan de batterijen.(sulfatering is zichtbaar als er zich blauwe schimmel begint te vertonen op de platen en bij uiterst lange stockage is dit reeds tot op de poolklemmen zichtbaar).wil men dus een loodaccu in goede staat bewaren dan zal men op geregelde tijdstippen een lading moeten toepassen. Isolatie :De loodbatterij moet in een geïsoleerde bak worden geplaatst (meestal in kunststof nml. polypropyleen) Inwendige weerstand van een element. Hoe groter de capaciteit van een element, hoe kleiner de inwendige weerstand zal zijn. De inwendige weerstand is zeer klein (ongeveer 0,001 ohm). Als de temperatuur stijgt, daalt de inwendige weerstand. TR 233 Sectie 94

24 Elektriciteit : Accumulatorenbatterij. Een accumulator levert slechts een e.m.k. van ± 2V. Als men dus een industriële spanning wil bekomen zoals 6V 12V 24V 72V, moet men meerdere elementen in serie schakelen. Zo een groep noemt men een batterij Parallelschakeling van loodbatterijen. Men kan ook batterijen parallelschakelen. Dit doet men om de capaciteit te vergroten Serieschakeling van batterijen. Men gaat batterijen in serie schakelen om de spanning te vergroten De alkalische accumulatoren. Men heeft verschillende types van alkalische accumulatoren Nikkel-Ijzer accumulator (Ni-Fe). Bij volledig geladen toestand bestaat de positieve elektrode uit nikkeloxide (NiO) en de negatieve elektrode uit ijzer (Fe). Het elektrolyt is een oplossing van kaliumhydroxide (KOH = alkalische oplossing, zie onderstaande figuur) Cadmium-Nikkel accumulator (Cd-Ni). Bij volledig geladen toestand bestaat de positieve elektrode uit nikkeloxide (NiO) en de negatieve elektrode uit cadmium (Cd). Het elektrolyt is eveneens een oplossing van kaliumhydroxide (KOH = alkalische oplossing, zie onderstaande figuur). TR 233 sectie 94

25 Elektriciteit : Vergelijking tussen de alkalische accumulator en loodaccumulator Uit constructief oogpunt. Alkalische batterij Mechanisch stevig (bakken uit staal) Relatief licht en kleiner volume Ongevaarlijk elektroliet (KOH) Loodbatterij Minder stevig (kunststofbakken) Relatief zwaar Gevaarlijk elektroliet (zwavelzuur) Uit economisch oogpunt. Alkalische batterij Zeer duur (10 x loodbatterij) Lange levensduur (10 jaar) Eenvoudig onderhoud Regeneratie is mogelijk Minder stockagekosten Loodbatterij Relatief goedkoop Levensduur van 2 à 3 jaar Onderhoudsarm Regeneratie is onmogelijk Droge stockage is noodzakelijk Periodische bijlading is noodzakelijk Uit elektrisch oogpunt. Alkalische batterij Geringe e.m.k. per element zodat er meer elementen nodig zijn om een industriële spanning te krijgen Beter bestand tegen kortsluitingen en dichtheid van het elektroliet blijft constant Loodbatterij Capaciteit is sterk afhankelijk van de ontladingsstroom Dichtheidsmeting van het elektroliet is noodzakelijk Besluit. De keuze van het type batterij is afhankelijk van verschillende faktoren: Het doel van de batterij : startbatterij, noodenergiebron, verlichting, tractiebron. Het beschikbare personeel voor onderhoud en herstelling. Het beschibaar budget. De nodige capaciteit. TR 233 Sectie 94

26 Elektriciteit : De wet van Ohm, arbeid en vermogen De wet van Ohm. Een weerstand r en een ampèremeter A worden aangesloten op een accu. (zie onderstaande figuur) De totale weerstand R van de kring bedraagt 2 Ω. Als we de schakelaar S sluiten, geeft de ampèremeter een stroomsterkte aan van 0,7 A aan. Plaatsen we nu de voltmeter op de twee klemmen van de accu dan vinden we een spanning U van 1,4 V. We stellen dus vast dat : 0,7A. 2Ω = 1,4 V. We vervangen de weerstand r door een andere weerstand r zodanig dat de totale weerstand R van de kring 4 Ω bedraagt. (zie onderstaande figuur) Als we de schakelaar S sluiten, geeft de ampèremeter maar een stroomsterkte weer van 0,35A want de weerstand r is verdubbeld en dus is de stroom gehalveerd. De voltmeter wijst nochthans een spanning U aan van 1,4V. TR 233 sectie 94

27 Elektriciteit : Besluit. De stroomsterkte I die in een elektrische kring circuleert is rechtstreeks evenredig aan de aangelegde spanning U en omgekeerd evenredig aan de weerstand R. Dit is de wet van Ohm. Stroomsterkte I = Spanning U = Weerstand R = TR 233 Sectie 94

28 Elektriciteit : 18 Vermits W = U x I x t en U = I x R kunnen we ook zeggen dat : Oefeningen. 1) Hoeveel energie verbruikt een elektrisch vuurtje dat gedurende 6,5 uur, gevoed op 230V een stroom trekt van 6,9 A? (in Joule en in kwh) 2) Hoeveel arbeid levert een elektrische stroom van 6,9 A door een weerstand van 500Ω gedurende 19 u 36 min? 5.3. Vermogen (P) Wat is vermogen? W = R. I 2. t Het vermogen van een elektrische stroom is de arbeid die wordt geleverd per eenheid van tijd De formule van vermogen (P). P = W / t = U. I = R. I 2 Vermogen = arbeid / tijd = energie / tijd = spanning. stroom = weerstand. (stroom) 2 De eenheid van vermogen is de Watt. Watt = Joule / seconde = N. m /s = Volt. Ampère = Ohm. (Ampère) 2 1 kw (kilo-watt) = 1000 W Het stroomverbruik wordt door de teltoestellen aangegeven in Wattuur of in kilowattuur (kwh-teller). Daaruit volgt dat de kostprijs aan elektriciteit steeds wordt berekend op basis van de geleverde arbeid (energie). (zie onderstaande figuur) TR 233 sectie 94

29

30 Elektriciteit : Schakelingen van weerstanden Principe Vermits elektrische kringen aan de hand van hydraulische circuits op een analoge wijze kunnen worden uitgelegd, zullen wij voor een duidelijk begrip, de schakeling van de weerstanden opsplitsen in twee delen, d.w.z. het hydraulische circuit enerzijds dat overeen komt met de elektrische delen anderzijds De serieschakeling. Hydraulisch circuit Elektrisch circuit TR 233 sectie 94

31 Elektriciteit : Parallelschakeling. Hydraulisch circuit Elektrisch circuit De waterleiding van het reservoir vertakt zich in twee leidingen. In elke tak is er een turbine opgesteld. De waterstroom, afkomstig uit het reservoir, zal zich in het punt A verdelen. Een gedeelte loopt door de turbine T1 terwijl het andere gedeelte de turbine T2 doorstroomt. De elektrische stroom, geleverd door de accu, verdeelt zich in het punt A van de kring. Een deel van de stroom gaat door de lamp L1 terwijl het andere gedeelte de lamp L2 doorstroomt. Wanneer één van de lampen zou doorbranden, zal de andere lamp blijven branden omdat zijn kring gesloten blijft. Het debiet van de waterstroom, dat in punt A komt, is gelijk aan het debiet van de waterstroom in het punt B. TR 233 Sectie 94

32 Elektriciteit : Serie-parallelschakeling. Hydraulisch circuit Elektrisch circuit Het water, afkomstig van het reservoir, voedt de turbine T1. Aan de uitgang van de turbine T1 vertakt de leiding zich in twee leidingen. In elke tak is er een turbine opgesteld. Het water zal eerst de turbine T1 doorstromen, waar hij een weerstand zal ondervinden. Vervolgens zal de waterstroom zich verdelen om de turbines T2 en T3 te voeden. De grootte van het waterdebiet dat door de turbine T1 gaat, is gelijk aan de som van het waterdebiet dat door de turbine T2 en T3 gaat. De elektrische stroom, geleverd door de accu stroomt eerst door de lamp L1 en verdeelt zich vervolgens om de twee lampen L2 en L3 te voeden. De stroomsterkte van de lamp L1 is gelijk aan de som van de stroomsterkten van de lampen L2 en L3. Indien het gloeielement van de lamp L1 zou doorbranden, doven de lampen L2 en L3 eveneens. Wanneer één van de gloeielementen van de lampen L2 of L3 zou doorbranden, blijven de twee andere lampen nog branden. TR 233 sectie 94

33 Elektriciteit : Berekenen van de totale weerstand Oplossen van een serieschakeling. Gegeven : Bovenstaande elektrische kring bestaat uit een serieschakeling van 3 weerstanden R 1, R 2 en R 3 die worden gevoed door een spanning U. Stel dat R 1 = 3Ω, R 2 = 5Ω en R 3 = 7Ω en dat U = 90V. Gevraagd : a) Bepaal de vervangingsweerstand Rt van de kring. b) Bereken de stroom I door de kring. c) Bepaal de spanningsval U R1, U R2 en U R3. Oplossing : Berekenen van de totale weerstand : In feite kunnen we de bovenstaande elektrische kring hertekenen tot de onderstaande elektrische kring (equivalente kring) waarbij R t dezelfde uitwerking heeft als de 3 weerstanden in bovenstaand elektrisch circuit. TR 233 Sectie 94

34 Elektriciteit : 24 We zien nu duidelijk dat : R t = R 1 + R 2 + R 3 De vervangingsweerstand R t = 3Ω + 5Ω + 7Ω = 15Ω Berekenen van de stroom I door de kring : Via de wet van Ohm kunnen we de stroom door de kring bepalen. I = U /R t I = 90V / 15Ω = 6A Deze stroom van 6A gaat zowel door R 1, als door R 2 als door R 3. Berekenen van de spanningsval over de klemmen van elke weerstand : We weten dus dat de stroom van 6A door elke weerstand van de serieschakeling vloeit. De stroom van 6A veroorzaakt over R 1 een spanningsval U R1. U R1 = 6A. 3Ω = 18V De stroom van 6A veroorzaakt over R 2 een spanningsval U R2. U R2 = 6A. 5Ω = 30V De stroom van 6A veroorzaakt over R 3 een spanningsval U R3. U R3 = 6A. 7Ω = 42V We zien dus duidelijk dat U = 90V = U R1 + U R2 + U R3 = U Rt U = R t. I = R 1.I + R 2.I + R 3.I = I. (R 1 + R 2 + R 3 ) Besluiten : De vervangingsweerstand bij een serieschakeling is de som van de individuele weerstanden. De vervangingsweerstand is groter dan de grootste weerstand. De stroom door elke weerstand van de serieschakeling is gelijk. De serieschakeling doet dienst als spanningsdeler. TR 233 sectie 94

35 Elektriciteit : Oplossen van een parallelschakeling. Gegeven : Bovenstaande elektrische kring bestaat uit een parallelschakeling van 2 weerstanden R 1 en R 2 die worden gevoed door een spanning U. Stel dat R 1 = 20Ω en R 2 = 30Ω en dat U = 120V. Gevraagd : a) Bepaal de vervangingsweerstand R t van de kring. b) Bereken de stromen I, I 1 en I 2. c) Bepaal de spanningsval U R1 en U R2. Oplossing : Berekenen van de totale weerstand : In feite kunnen we de bovenstaande elektrische kring hertekenen tot de onderstaande elektrische kring (equivalente kring) waarbij R t dezelfde uitwerking heeft als de 2 weerstanden in bovenstaand elektrisch circuit. TR 233 Sectie 94

36 Elektriciteit : 26 I = U / R t en I 1 = U / R 1 en I 2 = U / R 2 en I = I 1 + I 2 I = U. ( 1/R 1 + 1/R 2 ) en I = U. 1/R t 1/R t = (R 2 + R 1 )/ R 1.R 2 De vervangingsweerstand R t = R 1.R 2 /(R 1 +R 2 ) = 20Ω.30Ω / (20Ω+30Ω) = 12Ω Berekenen van de stromen I, I 1 en I 2 : De totale stroom I (hoofdstroom) kunnen we bepalen via de wet van Ohm. I = U / R t I = 120V / 12Ω = 10A De hoofdstroom I = 10A gaat zich opsplitsen in twee deelstromen I 1 en I 2. I 1 = 120V / 20Ω = 6A en I 2 = 120V / 30Ω = 4A Berekenen van de spanningsvallen over de klemmen van elke weerstand : De spanning over elke weerstand van een parallelschakeling is gelijk dus in ons geval is U R1 = U R2 = U Rt = U = 120V. Besluiten : 1) De vervangingsweerstand bij een parallelschakeling (in geval van twee weerstanden in parallel) is gelijk aan het produkt van de weerstanden gedeeld door de som van de weerstanden. 2)In geval van meerdere weerstanden is het omgekeerde van de vervangingsweerstand gelijk aan de som van de omgekeerde weerstanden of m.a.w. 1/R t = 1/R 1 + 1/R 2 + 1/R ) De vervangingsweerstand is kleiner dan de kleinste weerstand. 4) De spanning over elke tak van de parallelschakeling is gelijk. 4) De parallelschakeling doet dienst als stroomdeler. TR 233 sectie 94

37 Elektriciteit : Oplossen van een gemengde (serie-parallel) schakeling. Gegeven : Bovenstaande elektrische kring bestaat uit een gemengde schakeling (serie-parallel) van 3 weerstanden R 1, R 2 en R 3 die worden gevoed door een spanning U. Stel dat R 1 = 20Ω, R 2 = 30Ω en R 3 = 8Ω en dat U = 240V. Gevraagd : a) Bepaal de vervangingsweerstand R t van de kring. b) Bereken de stromen I, I 1 en I 2. c) Bepaal de spanningsval U R1, U R2 en U R3. Oplossing : Berekenen van de totale weerstand : In feite kunnen we de bovenstaande elektrische kring hertekenen tot de onderstaande elektrische kring (equivalente kring) waarbij R t = R p + R 3 dezelfde uitwerking heeft als de 3 weerstanden in bovenstaand elektrisch circuit. TR 233 Sectie 94

38 Elektriciteit : 28 R p = R 1.R 2 / (R 1 +R 2 ) = 20Ω.30Ω / (20Ω + 30Ω) = 12Ω R t = R p + R 3 = 12Ω + 8Ω = 20Ω De vervangingsweerstand R t = 20Ω. Berekenen van de stromen I, I 1 en I 2 : Via de wet van Ohm kunnen we de hoofdstroom I door de kring bepalen. I = U / R t I = 240V / 20Ω = 12A De stroom I splitst zich in 2 deelstromen I 1 en I 2. Deze 2 deelstromen verenigen zich daarna terug tot de stroom I die ook door R 3 vloeit. I 1 = U R1 / R 1 = (U U R3 ) / R 1 = ( 240V (12A. 8Ω)) / 20Ω = 7,2A I 2 = U R2 / R 2 = (U U R3 ) / R 2 = ( 240V (12A. 8Ω)) / 30Ω = 4,8A Berekenen van de spanningsvallen over de klemmen van elke weerstand : Nu we de stromen kennen door alle weerstanden kunnen we ook de spanningsvallen over deze weerstanden berekenen die deze stromen veroorzaken. U R1 = I 1. R 1 = 7,2A. 20Ω = 144V U R2 = U R1 (want R 1 staat parallel geschakeld met R 2 ) U R2 = I 2. R 2 = 4,8A. 30Ω = 144V U R3 = I. R 3 = 12A. 8Ω = 96V = U U R1 = U U R2 TR 233 sectie 94

39 Elektriciteit : Oefeningen. 1) Los de onderstaande elektrische gemengde schakeling op en zoek de vervangingsweerstand, zoek alle stromen en spanningsvallen. U = 300V R 1 = 10Ω, R 2 = 20Ω, R 3 = 30Ω, R 4 = 40Ω, R 5 = 50Ω 2) Idem als vorige oefening. U = 500V en alle weerstanden hebben dezelfde waarde = 10Ω. TR 233 Sectie 94

40 Elektriciteit : De wetten van Kirchoff. Er zijn twee wetten van Kirchoff : de knooppuntenwet en de luswet. a) De knooppuntenwet : In elk knooppunt van een elektrisch circuit is de TR 233 sectie 94

41 Elektriciteit : 31 In een willekeurig knooppunt (A of B) passen we dan de eerste wet van Kirchoff toe d.w.z. de knooppuntenwet. We gaan bijvoorbeeld in knooppunt A de knooppuntenwet toepassen zodat we in A de volgende vergelijking kunnen opschrijven : Knooppunt A : I 3 = I 1 + I 2 (som van de stromen die naar een knooppunt toevloeien = som van de stromen die van dat knooppunt wegvloeien) We hebben nu reeds één vergelijking maar we hebben 3 onbekenden zodat we dus nog twee bijkomende vergelijkingen moeten kunnen opstellen. Deze bijkomende vergelijkingen zullen we kunnen halen uit de luswet. In het elektrisch circuit zien we duidelijk dat de 3 takken 2 lussen vormen. We gaan nu zelf twee willekeurige omloopzinnen kiezen voor deze lussen en gaan dan op elke lus de tweede wet van Kirchoff (de luswet) toepassen (zie onderstaande figuur). Ω Ω Ω Ω Ω Ω De omloopzin van LUS 1 hebben we gekozen in uurwijzerszin en we doorlopen hem van punt A via TAK 1 over punt B en dan via TAK 2 terug naar het startpunt A. Een spanningsval (door een weerstand) of een spanningsbron wordt opgenomen met een plusteken als hij meewerkt aan de opbouw van de lus. Lus 1 : -10.I I I I = 0-30.I I 2 50 =0 De omloopzin van LUS 2 hebben we eveneens gekozen in uurwijzerszin en we doorlopen hem van punt A via TAK 2 over punt B en dan via TAK 3 terug naar het startpunt A. Een spanningsval (door een weerstand) of een spanningsbron wordt opgenomen met een plusteken als hij meewerkt aan de opbouw van de lus. Lus 2 : I I 2 40.I 3 60.I = 0-65.I I = 0 We hebben nu 3 vergelijkingen met 3 onbekenden zodat we dit stelsel vergelijkingen kunnen oplossen. TR 233 Sectie 94

42 Elektriciteit : 32 Vergelijking 1 : I 3 = I 1 + I 2 Vergelijking 2 : -30. I I 2 50 = 0 Vergelijking 3 : I I = 0 We gaan nu vergelijking 1 in vergelijking 3 stoppen en krijgen dan de volgende vergelijking : I I = 0 Deze bekomen vergelijking kunnen we nu combineren met vergelijking 2 (twee vergelijkingen, twee onbekenden) en lossen we dan op. We bekomen na oplossing : I 2 = + 0,567 A (afgerond) I 1 = - 0,436 A (afgerond) Wanneer we deze waarden invullen in vergelijking 1 bekomen we de waarde van I 3. I 3 = + 0,131 A (afgerond) Het minteken bij de stroom I 1 duidt erop dat de door ons gekozen stroomzin omgekeerd t.o.v. de werkelijke stroomzin. TR 233 sectie 94

43 Elektriciteit : Warmtevoortbrengst door elektrische stroom Het Joule-effect Proeven. Op de nevenstaande figuur zien we een regelbare weerstand R die verbonden is aan de klemmen van een stroombron. We verplaatsen de kontaktborstel B zodanig dat de weerstand R volledig door de stroom wordt doorlopen. De ampèremeter geeft een stroomsterkte aan van 1A. We stellen eveneens vast dat de weerstand R na een zekere tijd warm wordt. Op de nevenstaande figuur zien we dat de contactborstel B op de weerstand R meer naar links is verschoven d.w.z. dat er minder weerstand is ingeschakeld, dus meer stroom wordt toegelaten. We lezen op de ampèremeter nu een stroom af van 5A. We stellen eveneens vast dat het gedeelte van de weerstand R, die door de stroom wordt doorlopen, na een bepaalde tijd rood gloeiend wordt. We verschuiven nu de borstel B naar het andere uiteinde van de weerstand. De stroom doorloopt nu maar een zeer klein gedeelte van de weerstand en vergroot tot 10A. Na een zeer korte tijd wordt dit gedeelte van de weerstand hevig gloeiend, wordt wit en smelt Besluit. Een geleider waar een elektrische stroom doorheen vloeit, wordt warm. Dit verschijnsel wordt het Joule-effekt genoemd. TR 233 Sectie 94

44 Elektriciteit : Warmtehoeveelheid. De hoeveelheid warmte die wordt voortgebracht door een elektrische stroom in een geleider hangt af van : - de stroomsterkte; - de aard van de geleider (de weerstand); - de tijdsduur van de stroomdoorgang Berekenen van de warmtehoeveelheid. Om de warmtevoortbrengst, door het Joule-effect, te berekenen moet men steeds de waarde van de drie hierboven genoemde factoren kennen : de stroomsterkte I, de weerstand R en de tijdsduur t. We zoeken de voortgebrachte arbeid en passen hierop de formule toe : Arbeid = Spanning (U). Stroomsterkte (I). Tijd (t) Of 8.4. Spanningsval. W = R. I 2. t In de nevenstaande figuur zien we dat de klemspanning U aan de klemmen van de dynamo D gelijk is aan 24V. We zien ook dat de voltmeter V, geschakeld aan de klemmen van de motor M, een spanning U aanwijst van 22,8V. De ampèremeter duidt een stroomsterkte aan van 4A. We zien onmiddellijk dat er een spanningsverschil bestaat tussen de stroombron en de verbruiker. Dit verschil noemt men: spanningsval in de geleiders. De spanningsval hangt af van de weerstand van de geleiders. Hoe groter de weerstand, hoe groter de spanningsval. Daaruit volgt een belangrijk vermogensverlies dat in de geleiders wordt omgezet in nutteloze warmte. Het vermogen, ontwikkeld door de dynamo : 24V. 4A = 96W. Het vermogen, opgeslorpt door de motor : 22,8V. 4A = 91,2W. Het vermogenverlies = 96W 91,2W = 4,8W. TR 233 sectie 94

45 Elektriciteit : Warmtevoortbrengst in draaiende machines. De voortbrengst van warmte is een algemeen effect in toestellen die door elektrische stroom worden doorlopen. In verwarmings-, kook- of droogtoestellen is de warmte door het Joule-effect zeer gewenst en nuttig. In andere verbruikers, in het bijzonder in draaiende machines, is dit schadelijk en dikwijls oorzaak van defekten. Het vermogen van elektrische motoren wordt door het Joule-effect begrensd. Het normaal vermogen van een motor is het vermogen dat hij kan ontwikkelen zonder de toegelaten temperatuurgrens te overschrijden. Inderdaad, om een groter vermogen te bekomen moet de stroomsterkte worden opgedreven. Hierdoor zal de temperatuur zodanig stijgen dat er gevaar bestaat dat de isolerende stoffen van de motor in brand komen. De temperatuur van een gewone elektrische motor mag nooit 80 C overschrijden. De generatoren en motoren zijn in het algemeen voorzien van een ventilator die een snelle luchtstroom zendt over de windingen om de temperatuur onder de maximumgrens te houden. De ventilator kan ingebouwd zijn ofwel een afzonderlijk orgaan vormen Kortsluiting. Als we twee draden met een verschillende potentiaal, door middel van een koperen staaf verbinden ofwel de draden tegen mekaar brengen stellen we vast dat de geleider zeer snel gloeiend wordt en smelt. Er is een kortsluiting, d.w.z. de weerstand, in ons geval een lamp, is overbrugd en de stroomsterkte in de geleider wordt zodanig groot dat hij smelt. TR 233 Sectie 94

46 Elektriciteit : 36 De stroom zoekt ALTIJD de weg van de kleinste weerstand dus hier gaat hij liever via de koperen staaf vloeien. In de bovenstaande stroomkring is er een dun draadje geplaatst. We herhalen de proef en stellen vast dat het draadje onmiddellijk smelt, terwijl onze geleiders ongedeerd blijven. Besluiten. Het dunne draadje heeft dienst gedaan als veiligheidstoestel. Bijgevolg, bij onvoorziene en gevaarlijk hoge stroomsterkten moet de stroomkring automatisch worden onderbroken. Alle elektrische kringen moeten van een veiligheidstoestel voorzien zijn om beschadiging en brand te voorkomen. In de praktijk treffen we aan : smeltzekeringen, bestaande uit een gecalibreerde draad uit zilver of koper. Deze draad moet in of op een isolerend draagstuk zijn geplaatst; thermische veiligheidsschakelaars. Deze openen wanneer een bimetaal een bepaalde temperatuur bereikt; magnetische veiligheidsschakelaars. Deze openen als de stroom (en de magnetische kracht) een bepaalde waarde bereikt Stroomonderbrekers. Om de stroom op een gemakkelijke wijze en naar willekeur te onderbreken of te herstellen, wordt een beweegbaar gedeelte in de stroomkring geplaatst. Dit toestel wordt een onderbreker of schakelaar genoemd. Sommige schakelaars onderbreken de kring op één plaats, ze zijn éénpolig. Andere schakelaars onderbreken gelijktijdig de twee draden naar éénzelfde toestel. Ze zijn tweepolig. Eénpolig Tweepolig TR 233 sectie 94

47 Elektriciteit : Magnetisering door de stroom Magnetisch veld rond een stroomvoerende geleider. De Deense geleerde Oersted ontdekte dat er rond een stroomvoerende geleider een magnetisch veld bestaat. Hij deed de volgende proef : Onder een stroomvoerende geleider plaatste hij een magneetnaald en merkte op dat de magneetnaald altijd trachtte om zich steeds haaks op de stroomvoerende draad te plaatsen. Als hij de stroom in de draad omkeerde, keerde ook de magneetnaald van zin om. Hij zag ook dat de magneetnaald verschillend uitwijkte naargelang deze onder of boven de draad werd geplaatst. Om te weten in welke zin de noordpool van de magneetnaald uitwijkt, maken we gebruik van de rechterhandregel : Houdt men de rechterhand evenwijdig boven de stroomdraad, zodat de palm naar de magneetnaald is toegekeerd en de stroom langs de pols naar binnen gaat om langs de vingers uit te treden, dan wijkt de noordpool van de magneetnaald uit in de richting van de uitgestoken duim. De magneetnaald (permanente magneet) wordt beïnvloed door het magnetisch veld van de stroomvoerende draad. Dit magnetische veld heeft een bepaalde sterkte, de magnetische veldsterkte H Vorm van het magnetische veld en veldsterkte H van stroomvoerende rechte geleiders. De vorm van het magnetische veld van een rechtlijnige geleider is een veld van concentrische cirkels met als middelpunt de stroomvoerende geleider. Dit kan worden aangetoond met het nevenstaande proefje. TR 233 Sectie 94