Lading en spanning. Als Marieke haar trui uittrekt en daarna de radiator van de cv aanraakt, voelt ze een schok. Hoe komt dat?

Transcriptie

1 47

2 I 1 Lading en spanning Als Marieke haar trui uittrekt en daarna de radiator van de cv aanraakt, voelt ze een schok. Hoe komt dat? ~. afbeelding 1.À. Papiersnippers worden aangetrokken door een gewreven pvc-buis. afbeelding 2.À. een 'spannende' demonstratie Lading Als je een pvc-buis wrijft met een wollen doek, trekt de buis daarna papieren snippers aan (afbeelding 1). Je zegt dat de pvc-buis door het wrijven elektrisch geladen is. Dat een voorwerp geladen is, kun je op verschillende manieren merken: - Het voorwerp trekt andere voorwerpen aan. - Er kunnen vonkjes overspringen. Die kun je horen (als geknetter) en soms ook zien of voelen. Positieve en negatieve lading Proef 1 Als je een perspex staaf wrijft met een zijden doek, wordt de staaf geladen. Hetzelfde gebeurt als je een pvc-buis wrijft met een wollen doek. Toch is er een verschil tussen de lading die beide voorwerpen hebben gekregen. Twee geladen perspex staven blijken elkaar af te stoten. Hetzelfde geldt voor twee geladen pvc-buizen. Maar een geladen perspex staaf en een geladen pvc-buis trekken elkaar juist aan. Je kunt deze proeven herhalen met voorwerpen en doeken die van allerlei verschillende stoffen gemaakt zijn. Je merkt dan dat er maar twee soorten lading bestaan. Voorwerpen met dezelfde Lading stoten elkaar af. De haren van het meisje op de foto van afbeelding 2 staan overeind doordat alle afbeelding 3.À. aantrekken en afstoten

3 - haren hetzelfde geladen zijn. Maar voorwerpen met een verschillende lading trekken elkaar aan (afbeelding 3). De ene soort lading noem je positief, de andere soort noem je negatief. Een perspex staaf die met een zijden doek gewreven is, heeft een positieve lading. Een pvc-buis die met een wollen doek gewreven is, heeft een negatieve lading. Elektronen Een niet-geladen voorwerp bevat precies evenveel positieve als negatieve lading. Daardoor merk je niet dat zo'n voorwerp lading bevat. In dat geval zeg je dat het voorwerp neutraal is. Als je een voorwerp met een doek wrijft, kunnen er kleine, negatief geladen deeltjes 'overspringen': van de doek naar het voorwerp of omgekeerd. Deze deeltjes heten elektronen (afbeelding 4). Er zijn geen positieve deeltjes die kunnen 'overspringen'. Bij het wrijven van het voorwerp verplaats je dus altijd negatieve lading (en nooit positieve lading). Als de elektronen van de doek naar het voorwerp overspringen, heeft het voorwerp daarna meer negatieve dan positieve lading: het is dan in zijn geheel negatief geladen. De doek (die elektronen is kwijtgeraakt) heeft in dat geval een even grote maar positieve lading. De elektronen kunnen ook van het voorwerp naar de doek overspringen. Dan wordt de doek negatief geladen en het voorwerp positief. <1111 afbeelding 4 Bij wrijven verplaatsen elektronen zich. A B A B Spanning en elektronen In afbeelding 5 zie je twee even grote metalen bollen op een plastic voet. Bol A is negatief geladen, bol B is positief geladen. In zo'n geval zeg je dat er tussen A en B een spanning bestaat. Zodra je tussen A en B een geleidende verbinding maakt, gaan er elektronen bewegen van A naar B. Er loopt dan een elektrische stroom. Die stroom kan zelfs een tl-buis laten oplichten. De stroom tussen A en B loopt maar heel even. Dat komt doordat er tussen A en B al heel snel geen spanning meer bestaat; de beide bollen hebben dan dezelfde lading gekregen. 2 3 A.&. afbeelding 5 Elektronen bewegen van min naar plus. B 49

4 -50 Een spanningsbron moet lange tijd achtereen een stroom kunnen laten lopen. Daarom gebruik je in het dagelijkse leven dynamo's, accu's en batterijen in plaats van door wrijving geladen voorwerpen. Spanning meet je met een spanningsmeter. Deze sluit je parallel op de spanningsbron of het apparaat aan. De grootte van de spanning (U) geef je aan in volt (V). IJ Maak nu de opgaven. Plus Elektriseermachines Een elektriseermachine is een apparaat waarmee je voorwerpen flink kunt laden. Op die manier kunnen hoge spanningen worden opgewekt. In de zeventiende en achttiende eeuw zijn verschillende soorten elektriseermachines ontworpen. Ze werden gebruikt om er flinke vonken mee te maken en er allerlei vermakelijke proeven mee uit te voeren. Dat soort proeven wordt nog steeds op scholen gedaan, met een elektriseermachine of een bandgenerator. Een van de grootste elektriseermachines werd in 1784 gemaakt door Martinus van Marum ( ; afbeelding 6). Dit apparaat staat nu tentoongesteld in het Teylers Museum in Haarlem. De hele machine heeft een lengte van ruim 10 meter. Op droge winterdagen kon Van Marum er vonken mee maken van wel een halve meter lengte. afbeelding 6 de elektriseermachi ne van Van Marum

5 ? - 2 Elektrische stroom Linda is in de keuken bezig. De elektrische oven en de afwasmachine staan allebei aan. Als Linda ook nog het broodrooster inschakelt, valt plotseling de stroom uit. Hoe komt dat? Stroomkringen Als je een elektrisch apparaat dat op batterijen werkt aanzet, maak je een gesloten stroomkring: van de ene pool van de batterij Loopt er een elektrische stroom door het apparaat naar de andere pool van de batterij. Met een schakelaar kun je het apparaat uitzetten, doordat je dan de stroomkring onderbreekt. De grootte van de stroomsterkte I meet je met een stroommeter en geef je aan in ampère {A) of milli-ampère {ma). Door het Lampje op de foto van afbeelding 7 loopt bijvoorbeeld een stroom van 0,8 A. De opstelling is ook door een schema weer te geven (afbeelding 8). Een model voor elektrische stroomkringen Om je te kunnen voorstellen hoe de elektrische stroom door een stroomkring loopt, kun je een model gebruiken. Een geschikt model is de cv-installatie van een woonhuis (afbeelding 9): - In een cv-installatie stroomt water in een gesloten kring rond. Voor het rondstromen van het water wordt gezorgd door een pomp. De stroom kan worden onderbroken door een kraan in de Leiding dicht te draaien..& afbeelding 7 Een stroommeter geeft aan hoe groot de stroom door het Lampje is..à afbeelding 8 het schema van de opstelling van afbeelding 7.& afbeelding 9 een model voor een stroomkring -51

6 -52 - In een elektrische stroomkring stromen elektronen in een gesloten kring rond. Voor het rondstromen van de elektronen wordt gezorgd door een spanningsbron. De stroom kan worden onderbroken door een schakelaar om te zetten. 0,1 A 0,1 A Stromen in serieschakelingen Proef 2 Een serieschakeling is een schakeling zonder vertakkingen. In een serieschakeling is de stroomsterkte overal even groot. Dat kun je begrijpen met het cv-model. Als er aan de ene kant van een buis 1 liter water per seconde naar binnen stroomt, moet er aan de andere kant ook weer 1 liter water per seconde uitstromen. Onderweg verdwijnt er geen water. Zo zit dat ook met de elektrische stroom die door een serieschakeling loopt. Als je Links van een lampje een stroomsterkte meet van 0, 1 A, meet je ook rechts van het lampje een stroomsterkte van 0,1 A. De stroomsterkte is overal in de stroomkring even groot (afbeelding 10). Onderweg verdwijnt er geen lading. Als een serieschakeling op één punt wordt onderbroken, wordt de stroomsterkte nul. afbeelding 10.A. een serieschakeling Stromen in parallelschakelingen Proef 3 Een parallelschakeling is een schakeling met vertakkingen. De stroom die de batterij levert, verdeelt zich over de paralleltakken: door elk lampje in de schakeling van afbeelding 11 loopt een deel van de stroom die de batterij levert. Maar als je de stroomsterkten I 1, I 2 en I 3 door de paralleltakken optelt, vind je weer de totale stroomsterkte It die de batterij levert. In formule: 0,3 A 0,3 A Als de stroom in een van de paralleltakken wordt onderbroken, heeft dat geen gevolgen voor de stroom in de andere paralleltakken. De apparaten in de paralleltakken werken onafhankelijk van elkaar. 0,1 A 0,1 A 0,1 A 0,1 A 0,1 A 0,1 A Stromen in huis Door elk woonhuis is een netwerk van elektriciteitsleidingen aangelegd: de huisinstallatie (afbeelding 12). Na de kilowattuurmeter splitst de hoofdleiding zich in twee of meer parallelle groepen. De wandcontactdozen ( ook wel stopcontacten genoemd) en lichtpunten van één groep zijn allemaal parallel geschakeld. Elke groep bestaat dus uit een aantal vertakkingen. De stroom verdeelt zich over die vertakkingen, loopt door alle aangesloten apparaten en gaat daarna weer terug door de hoofdleiding van de groep. afbeelding 11.A. een parallelschakeling

7 - Als je de stroomsterkten door alle apparaten bij elkaar optelt, vind je de totale stroomsterkte in de hoofdleiding. Als er te veel apparaten tegelijk op één groep aangesloten zijn, wordt de totale stroomsterkte groter dan een bepaalde grenswaarde, waarbij de situatie nog veilig is. Er ontstaat overbelasting. De installatieautomaat in de meterkast schakelt de stroom uit voordat de hoofdleiding te heet kan worden. 1:.11 Maak nu de opgaven. groep 1 groep 2.,... afbeelding 12 de huisinstallatie zekeringen ~ ,,~---,...-t--'1 groepenkast _.,.,, +-+~, Plus De elektriciteitsdraden in de huisinstallatie Vanaf de meterkast lopen elektriciteitsdraden in pvcbuizen naar alle kamers van het huis. In zo'n pvc-buis kun je vier soorten draden aantreffen (afbeelding 13): de fasedraad (bruin); de nuldraad (blauw); de schakeldraad (zwart); de aardedraad (geel-groen). Tussen de fasedraad en de nuldraad 'staat' een spanning van 230 volt. Diezelfde spanning van 230 volt staat ook tussen de fasedraad en je lichaam. Als je de fasedraad aanraakt, gaat er stroom door je lichaam lopen: je krijgt een schok. Tussen de nuldraad en je lichaam staat geen spanning. In principe kun je de nuldraad dus zonder gevaar aanraken. Toch moet je daar.,... afbeelding 13 vier soorten draden heel voorzichtig mee zijn, omdat je zeker moet weten dat de verschillende draden op de juiste wijze zijn aangesloten. De schakeldraad wordt gebruikt tussen een lichtpunt en zijn schakelaar. De aardedraad - tot slot - voorkomt dat apparaten onder spanning komen te staan. -53

8 3 Weerstand De Lamp boven het bureau op Riannes kamer geeft veel meer Licht dan die op het nachtkastje naast haar bed, terwijl ze toch allebei op een spanning van 230 volt zijn aangesloten. Hoe zou dat komen? De weerstand van elektriciteitsdraden In een auto vind je allerlei soorten lampen (afbeelding 14). Ze zijn allemaal aangesloten op dezelfde accuspanning van 12 volt. Toch brandt de koplamp veel feller dan het achterlicht: blijkbaar is de stroomsterkte door de koplamp veel groter dan die door het achterlicht. Dit komt omdat de (gloei) draden in de lampjes een verschillende weerstand R hebben. De gloeidraad van de koplamp heeft een kleinere weerstand dan de gloeidraad van het achterlicht: de elektronen bewegen gemakkelijker door de draad van de koplamp dan door de draad van het achterlicht. Er gaat dan een grotere stroom lopen. In een cv-installatie gebeurt iets soortgelijks: het water ondervindt weerstand in de buizen waar het doorheen stroomt. Die weerstand is groot als de buizen lang en nauw zijn, en klein als de buizen kort en wijd zijn. Hoe groter de weerstand van een draad is, des te moeilijker bewegen de elektronen door die draad. -54 afbeelding 14 ~

9 -55 - De weerstand bepalen Met de opstelling in afbeelding 15a kun je het verband meten tussen de spanning over een draad en de stroom door een draad. Met 'de spanning over een draad' wordt de spanning tussen de beide uiteinden van de draad bedoeld. In afbeelding 15b staat het schema van de schakeling. Als je de spanning en de stroomsterkte hebt gemeten, kun je de weerstand van de draad berekenen. Men heeft namelijk afgesproken dat de weerstand gelijk is aan de verhouding tussen spanning en stroomsterkte. In formule: weerstand = spanning/stroomsterkte In symbolen: À afbeelding 15a Zo bepaal je de weerstand van een draad. R = u I Als je de spanning invult in volt en de stroomsterkte in ampère, vind je de weerstand in ohm (0 ). De eenheid voor weerstand is genoemd naar de Duitse natuurkundige Georg Simon Ohm ( ; afbeelding 16). Deze deed al in de negentiende eeuw onderzoek naar de weerstand van draden. Voorbeeld Op een lampje staat: 6 V; 0, 1 A. Hoe groot is de weerstand van het lampje als het op de juiste spanning brandt? À afbeelding 15b het schakelschema voor de schakeling van afbeelding 14 U = 6 V I = 0,1 A u 6 R = 60 0 I 0,1 À afbeelding 16 Georg Simon Ohm

10 -56 - Een (l,u)-diagram maken Proef 4 In afbeelding 17 zie je de resultaten van een proef met de opstelling die je in afbeelding 14 ziet. Voor de proef is een draad gebruikt van het metaal constantaan (constantaan is een legering van koper, nikkel en mangaan). In de grafiek is de stroomsterkte uitgezet tegen de spanning. Je noemt zo'n grafiek een (I,U)-diagram. afbeelding 17 ~ het (I,U)-diagram voor een constantaandraad > spanni ng (V) Je ziet: - Als de spanning 2 x zo groot wordt, wordt de stroomsterkte ook 2 x zo groot. - Als de spanning 3 x zo groot wordt, wordt de stroomsterkte ook 3 x zo groot, enzovoort. Anders gezegd: De spanning over een constantaandraad en de stroomsterkte door die constantaandraad zijn rechtevenredig: U/I levert steeds hetzelfde getal op. Ofwel: de constantaandraad heeft een constante weerstand. afbeelding 18 ~ het (I,U)-diagram voor een gloeilampje > span ning (V)

11 -57 - Weerstand en temperatuur Proef 5 In afbeelding 18 zie je het (I,U)-diagram van een proef met de gloeidraad van een lampje. Je ziet dat de gloeidraad van het lampje geen constante weerstand heeft: als de spanning 2 x zo groot wordt, wordt de stroomsterkte minder dan 2 x zo groot. Hoe feller het lampje brandt, des te groter is dus de weerstand. Dat komt doordat de temperatuur van de draad tijdens de proef sterk stijgt: wel tot 2500 C. De weerstand van de meeste soorten draden wordt groter als de temperatuur stijgt. Draden van constantaan vormen een uitzondering op deze regel: hun weerstand blijft constant, ook als ze veel heter worden. Als de temperatuur echter niet te sterk stijgt, mag je de toename van de weerstand van draden van ander materiaal verwaarlozen. IJ Maak nu de opgaven. Jongetje bijna geëlektrocuteerd Haarlem - Een zevenjarig jongetje uit Haarlem is vrijdagmiddag zwaar gewond geraakt toen hij aan de bovenleiding van een spoorlijn ging hangen. Het knaapje, dat samen met zijn vijfjarig broertje op het spoorwegemplacement in Haarlem boven op het dak van een hoge goederenwagon was geklommen, sprong naar de hoogspanningsdraad. Daarbij kwam hij tegelijk met de bovenleiding en met de wagon in aanraking en kreeg hij een stroomstoot door zich heen. Hij is met ernstige brandwonden opgenomen in het ziekenhuis. Plus De weerstand van je lichaam Stroom door je lichaam kan gevaarlijk zijn (tabel 1 en afbeelding 19). Hoeveel stroom door je lichaam gaat, hangt af van de weerstand die de stroom ondervindt. Je lichaam zelf geleidt de stroom vrij goed. Je lichaamsweerstand is niet zo groot: deze varieert tussen en De stroom ondervindt de meeste weerstand op de plaatsen waar hij je lichaam in- en uitgaat (dit noem je de contactweerstand). Als je huid droog is, is de contactweerstand ruim 100 ko. Maar als je huid vochtig is, is de contact weerstand slechts 1 ko. In vochtige ruimtes moet je dus extra voorzichtig zijn met elektriciteit. T tabel 1 het effect van stroom door je lichaam stroomsterkte ongeveer lma ongeveer 10 ma 15 ma ma ma meer dan 1 A verschijnsel net te voelen prikkelende ervaring spiersamentrekki ng.&. afbeelding 19 Soms heb je 'geluk'. pijn, bewusteloosheid, moeite met ademen hartproblemen levensgevaar, brandwonden

12 4 Weerstanden in serie en parallel Thijs heeft een elektrische radiator op zijn studeerkamer: door een schakelaar kan hij de radiator harder of minder hard Laten werken. Hoe zit dat? Weerstand en warmteontwikkeling Er zijn allerlei elektrische verwarmingsapparaten voor huishoudelijk gebruik. Deze apparaten worden aangesloten op een constante netspanning van 230 volt. De warmteafgifte kun je regelen door de weerstand van het apparaat groter of kleiner te maken: - Als je de weerstand groter maakt, neemt de stroomsterkte af. Het apparaat geeft dan per seconde minder warmte af. - Als je de weerstand kleiner maakt, neemt de stroomsterkte toe. Het apparaat geeft dan per seconde meer warmte af. afbeelding 20 T de verschillende standen van een kookplaat De elektrische kookplaat in afbeelding 20 heeft twee verwarmingsdraden. Met een schakelaar kun je kiezen uit vier verschillende standen. In de afbeelding kun je zien hoe de twee draden bij elke stand geschakeld zijn. Je regelt daarmee de weerstand van het apparaat en dus de warmteafgifte (ê- [?

13 -59 - Weerstanden in serie Proef 6 Als je steeds meer weerstanden in serie schakelt, krijgt de schakeling als geheel een steeds grotere weerstand. Bij dezelfde spanning wordt de stroomsterkte dan hoe langer hoe kleiner. Als je wilt berekenen hoe groot de vervangingsweerstand Rv is, moet je de afzonderlijke weerstanden bij elkaar optellen (afbeelding 21): "'4 afbeelding 21 Weerstanden in serie tel je op. Daarna kun je de stroomsterkte door de schakeling berekenen met de formule van paragraaf 3. Bij stand 1 van de schakelaar van de kookplaat van afbeelding 20 wordt bijvoorbeeld een gloeidraad van 55 0 in serie geschakeld met een gloeidraad van De vervangingsweerstand Rv = R 1 + R 2 = = Weerstanden parallel Proef 7 Als je steeds meer weerstanden parallel aansluit, wordt de vervangingsweerstand niet groter (zoals bij een serieschakeling), maar juist kleiner. De spanningsbron levert bij een groter aantal parallelle weerstanden een steeds grotere stroom. Bedenk wat er gebeurt als je een aantal radiatoren van de cv-installatie parallel schakelt: er zal dan per seconde steeds meer water door de hoofdleiding van de cv gaan stromen. Het water ondervindt dan van de installatie als geheel minder weerstand. De vervangingsweerstand Rv van een parallelschakeling kun je berekenen met de formule (afbeelding 22): ~-= ~- + ~-+ ~- + R. R 1 R 2 R 3 "'4 afbeelding 22 De totale weerstand wordt kleiner als ze parallel staan.

14 -60 Voorbeeld Bij stand 3 van de schakelaar van de kookplaat van afbeelding 21 wordt een gloeidraad van 55 0 parallel geschakeld met een gloeidraad van Hoe groot is de vervangingsweerstand? = = = 0, ,0069 = 0, Rv = 1/0,0251 = 40 0 C Maak nu de opgaven. Plus Kleurcode van weerstandjes Sommige onderdelen in een elektrische schakeling hebben een bepaalde weerstandswaarde. Ze dienen voor het regelen van de stroomsterkte in een schakeling. Ze heten weerstandjes. Op elk weerstandje zijn gekleurde ringen aangebracht. De kleuren van de ringen staan voor de volgende cijfers: zwart = O; bruin = 1; rood = 2; oranje = 3; geel = 4; groen= 5; blauw= 6; violet= 7; grijs= 8; wit= 9. Aan de hand van die ringen kun je bepalen welke waarde de weerstand heeft. Houd het weerstandje voor je met de zilveren of gouden ring rechts: Ring 1 geeft je het eerste cijfer van de weerstandswaarde. - Ring 2 geeft je het tweede cijfer van de weerstandswaarde. - Ring 3 geeft aan hoeveel nullen je nog achter die twee cijfers moet zetten. - Ring 4 geeft aan hoeveel procent de echte waarde op zijn hoogst mag afwijken van de aangegeven waarde: een zilveren ring betekent maximaal 10% afwijking, een gouden ring maximaal 5% afwijking. In afbeelding 23 zie je hoe de keurencodering er in de praktijk kan uitzien..à afbeelding 23 kleurencodering bij weerstandjes

15 - 5 Vermogen Monieks vader zegt dat Moniek de wasdroger zo min mogeujk moet aanzetten, want dat is een 'energieslurper'. Moniek vraagt zich af hoe je dat kunt zien aan het apparaat. Het vermogen van een apparaat Op elk elektrisch apparaat staat aangegeven, hoeveel elektrische energie het apparaat per seconde verbruikt. Dit wordt het vermogen P van het apparaat genoemd. De bijbehorende eenheid is de watt (W). Apparaten met een klein vermogen verbruiken per seconde weinig elektrische energie en apparaten met een groot vermogen verbruiken per seconde veel elektrische energie (afbeelding 24 en 25). Van de apparaten in huis hebben de apparaten die de elektrische energie in warmte moeten omzetten, meestal de grootste vermogens. Het vermogen van een apparaat berekenen Het vermogen van een apparaat wordt zowel bepaald door de spanning ( over het apparaat) als de stroomsterkte ( door het apparaat). Je kunt het vermogen van een elektrisch apparaat berekenen met de formule:.à afbeelding 24 kleine vermogens vermogen = spanning x stroomsterkte In symbolen: P= U 1 Als je de spanning invult in volt en de stroom in ampère, vind je het vermogen in watt (W). Als je een Lampje van 6 V en 0,5 A op de juiste spanning aansluit, is zijn vermogen 3 W. afbeelding 25.,.. grote vermogens: de lampen van een voetbalstadion -61

16 -62 - De stroomsterkte berekenen Op elektrische apparaten staat vaak aangegeven hoe groot het vermogen is (bijvoorbeeld op het typeplaatje). Bovendien weet je dat de huisinstallatie een spanning Levert van 230 V. Met deze gegevens kun je de stroomsterkte door het apparaat berekenen. Voorbeeld Bereken de stroomsterkte door het broodrooster (afbeelding 26). P = 850 W U = 230 V afbeelding 26.à het typeplaatje van een broodrooster P= U I 850 = 230 I I = 850/230 = 3,7 A Elektrische energie meten Proef 8 Het elektrische energieverbruik thuis wordt gemeten in kilowattuur (kwh). Het verbruik lees je af op de kilowattuurmeter (afbeelding 27). In de tweede klas heb je geleerd hoe je het energieverbruik van een apparaat ook zelf kunt berekenen, namelijk door het vermogen (in kilowatt) te vermenigvuldigen met de tijd (in uren) dat het apparaat aanstaat. In formulevorm: E = p. t afbeelding 27.à een kwh-meter Als je de prijs van 1 kwh kent, kun je berekenen hoeveel je voor de verbruikte elektrische energie moet betalen. Als er verschillende apparaten gedurende dezelfde tijd aanstaan, mag je de vermogens van de apparaten bij elkaar optellen. Daarna kun je in één keer berekenen hoeveel elektrische energie ze samen hebben verbruikt. Voorbeeld Op een avond branden van uur tot uur vier lampen van 100 watt, en staat bovendien een tv van 150 watt aan. a Bereken het energieverbruik van al deze apparaten samen. b Bereken ook de totale kosten als 1 kwh 0,20 kost. P = 4 x 100 W W = 550 W = 0,55 kw t = 3 h E = P t = 0,55 x 3 = 1,65 kwh De kosten bedragen: 1,65 x 0,20 = 0,33 IJ Maak nu de opgaven.

17 -63 Plus De aardlekschakelaar In veel huizen is tegenwoordig een aardlekschakelaar aangebracht (zie afbeelding 28). De aardlekschakelaar is opgenomen in de hoofdleiding van de huisinstallatie. In de aardlekschakelaar wordt de stroom in de aanvoerleiding vergeleken met de stroom in de afvoerleiding. Als beide stromen even groot zijn, is de aardlekschakelaar gewoon gesloten. Maar er kan ook ergens stroom 'weglekken', bijvoorbeeld doordat een apparaat niet meer goed geïsoleerd is. In dat geval is er een verschil tussen de stroom in de aanvoer- en de stroom in de afvoerleiding. Als het verschil groter is dan 30 ma, schakelt de aardlekschakelaar binnen 0,2 s de stroom uit: de stroomkring wordt dan verbroken. A afbeelding 28 een aardlekschakelaar in de meterkast

18 - 6 Soortelijke weerstand Louisa ziet dat er koperdraden worden gebruikt in de elektriciteitsleidingen thuis. Ze vraagt zich af wat het verschil zou zijn als je ijzerdraden zou gebruiken. Weet jij dat? De weerstand van een draad Proef 9 Om elektrische energie van spanningsbron naar apparaat te transporteren worden goed geleidende en dus metalen draden gebruikt. Bij practicumproeven zijn dat de snoertjes, in huis de elektriciteitsleidingen en -snoeren en van de centrale naar ons huis de hoogspanningskabels (afbeelding 29). In paragraaf 3 zag je al dat de weerstand van een metalen draad van de temperatuur afhangt. De weerstand blijkt daarnaast ook af te hangen van de volgende factoren: - de lengte van de draad; - de doorsnede van de draad; - het materiaal van de draad, ofwel het soort metaal. afbeelding 29 & Hoogspanningskabels zijn goede geleiders. Weerstand en lengte In afbeelding 30 zie je een diagram van de metingen van de weerstand van een draad als functie van de lengte. Daaruit blijkt dat de weerstand van een metalen draad recht evenredig is met de lengte van de draad. Een draad van 100 cm heeft dus een 4 x zo grote weerstand als een draad van 25 cm. ~5,--~-~--~-~-~-~--~-~-~ s,::, C: ~41-~~-~~-~~~-~~~-~~~~~~ "' Q) Q),: Î 31--~~~--~-~-~~~~-~-~~~ -64 afbeelding 30..,. het verband tussen weerstand en lengte 0 0,25 0,5 0,75 1,0 ----> lengte (m)

19 -65 - Weerstand en doorsnede In afbeelding 31 zie je een diagram van de weerstand van een draad als functie van de doorsnede van de draad. De doorsnede van een draad is het oppervlak dat je krijgt als je een draad dwars doorsnijdt. Bij een grotere doorsnede wordt de weerstand kleiner: je ziet dat de weerstand 3 x zo klein wordt als de doorsnede 3 x zo groot wordt. s 5 - "O C: t: "' ai "' ~ î ,2 0,4 0,6 0,8 1,0 ---> doorsnede (mm2) À afbeelding 31 het verband tussen weerstand en doorsnede Weerstand en materiaal Ook het materiaal is een belangrijke factor. Een ijzerdraad blijkt een ruim 6 x zo grote weerstand te hebben als een (even lange en even dikke) draad van koper. Om die verschillen aan te geven gebruik je het begrip soortelijke weerstand p. Zo heeft ijzer een soortelijke weerstand van 0, 105 O.mm 2 /m. Dat betekent dat een ijzeren draad met een lengte van 1 m en een doorsnede van 1 mm 2 een weerstand heeft van 0, Let op het verschil tussen doorsnede en diameter (afbeelding 32). In tabel 2 staat de soortelijke weerstand van een aaotal materialen vermeld. À afbeelding 32 diameter en doorsnede A doorsnede A = oppervlakte (in mm 2) diameter d (in mm) T tabel 2 de soortelijke weerstand van een aantal stoffen soort stof aluminium constantaan goud grafiet ijzer koper staal wolfraam zilver p (Q.mm 2 /m)* 0,027 0,45 0, ,105 0,017 0,18 0,055 0,016 *bij 20 C

20 -66 - De weerstand van een draad berekenen Uit het voorgaande volgt dat je de weerstand van een draad kunt berekenen met de formule: R=p l/a Als je p invult in O.mm 2 /m, moet je de lengte l invullen in m en de doorsnede A in mm 2 Je vindt dan de weerstand in 0. Voorbeeld Voor elektriciteitsleidingen in huis wordt koperdraad gebruikt. Bereken de weerstand van 10 m koperdraad met een diameter van 1,6 mm. p = 0,017 O.mm 2 /m l = 10 m A = 1/4. 7t. d 2 = 1/4 X 7t X 1,6 2 = 2,0 mm 2 R = p l/a = 0,017 x 10/2,0 = 0,085 0 IJ Maak nu de opgaven. Plus Supergeleiding Je hebt in paragraaf 3 geleerd dat over het algemeen de weerstand van een stof toeneemt als de temperatuur toeneemt, en afneemt als de temperatuur van de stof afneemt. Supergeleiding is het verschijnsel dat sommige materialen bij lage temperaturen hun elektrische weerstand volledig verliezen. Een elektrische stroom kan daardoor zonder energieverlies door zo'n materiaal stromen. De weerstand is nul ohm zo lang de temperatuur onder een bepaalde kritische temperatuur Te blijft. De meeste supergeleiders zijn metalen. Deze worden supergeleidend bij 10 K. Er zijn ook materialen gevonden die bij veel hogere temperaturen supergeleidend worden, zelfs hoger dan de temperatuur van vloeibare stikstof.

21 -EXTRA 8 Langste elektriciteitskabel ter wereld Arnhem - Onlangs is de langste onderzeese hoogspanningskabel ter wereld succesvol in bedrijf genomen: de 580 kilometer lange NorNed-kabel tussen Nederland (Eemshaven) en Noorwegen (Feda). De kabel levert elektrische energie met een vermogen van 700 megawatt en is bestemd voor het transport van elektriciteit tussen beide landen. De NorNed-kabel verbindt Scandinavië letterlijk met het Europese continent ( afbeelding 33). Door de kabel ontstaat zo een Europese elektriciteitsmarkt voor 200 miljoen consumenten. Men verwacht dat deze ontwikkeling een & afbeelding 33 belangrijke bijdrage zal leveren aan de stroomkabel wordt aangelegd stabielere elektriciteitsprijzen in Europa. NorNed-kabel Noorwegen en Nederland vullen elkaar aan als het gaat om productie en verbruik van elektriciteit. In Nederland wordt 's nachts minder elektriciteit dan overdag gebruikt. In Noorwegen is er 's nachts een relatief hoog energieverbruik. Beide landen kennen daarbij verschillende vormen van energieverbruik en productie: Noorwegen heeft elektrische verwarming, Nederland kent verwarming met gas. Met de NorNed-kabel kunnen de Nederlandse en Noorse centrales hun productiecapaciteit optimaal benutten. Bovendien kan Nederland groene energie uit waterkracht importeren. De NorNed-kabel draagt bij aan de leveringszekerheid in beide landen. -68 Kabel verbindt Scandinavië met continent Prijs is bepalend De richting waarin de elektriciteit stroomt, wordt bepaald door de energieprijzen in Nederland en Noorwegen. De prijzen in Noorwegen zijn op dit moment lager dan in Nederland, dus de stroomrichting is van Noorwegen naar Nederland. De NorNed-kabel voorziet in de behoefte goedkopere duurzaam opgewekte elektriciteit naar Nederland te transporteren en in perioden van schaarste in Noorwegen elektriciteit van Nederland naar Noorwegen te transporteren. De totale massa van de kabel is zo'n ton en de kabel is in acht delen gelegd. De kabels zijn volkomen ondoordringbaar voor water en bestaan uit negen lagen van onder andere in olie geïmpregneerd papier, koper, lood, ijzer en staal ( afbeelding 34). Binnen de kabel loopt de temperatuur op tot 50 C, aan de buitenkant tot hooguit 35 C. Stations zo groot als twee voetbalvelden

22 -69 Convertors Bij deze kabel heeft men gekozen voor transport via gelijkstroom. À afbeelding 34 de ka bel in doorsnede Bij gelijkstroomverbindingen over lange afstanden treedt niet veel energieverlies op. De elektriciteitsverbinding op het vasteland van Noorwegen en Nederland is gebaseerd op wisselspanning. Grote omvormers ofwel convertors zijn nodig om de gelijkstroom om te zetten in wisselstroom en omgekeerd. Deze stations hebben een oppervlakte van ongeveer twee voetbalvelden. In totaal heeft realisatie van het project tien jaar geduurd, waarvan de laatste drie jaar zijn gebruikt voor de daadwerkelijke aanleg van de kabel en de bouw van de bijbehorende converterstations. - EXTRA Technische gegevens: - kabellengte 580 kilometer, waarvan 420 kilometer kabel in ondiep water (tot 50 meter diepte) en 160 kilometer kabel op een diepte tot maximaal 410 meter; - totale massa van de kabel ton; - maximale spanning op de kabel kv (kilovolt) en -450 kv; - kabelcapaciteit 700 MW. Bron: de Volkskrant ~ Maak nu de opgaven.