Elektriciteit. Elektriciteit 1PBLV

Transcriptie

1 Elekrce 1PBLV Elekrce Rsack Alan Cursus Power Pon (op Toledo) Boeken M.A.J. op Rood Elekrce deel 1 Geljksroomheore. SBN Elekrce deel 2 Wsselsroomheore. SBN Worden ne meer gedruk Beschkbaar n de bbloheek. Lab (50%) => permanene evaluae Theore (50%) => examen Mulple choce (40%) Oefenngen (60%) Taken = oefenngen (op Toledo) 1

2 Hoeveelhed ladng. Symbool en eenhed: Q of q n [C] coulomb. CharlesAugusn de Coulomb Fr. nauurkundge Ladng van 1 elekron: Q e = 1, C Hoeveel elekronen voor 1C? 1C = 1/1, = 6, elekronen. A. Rsack 3 Sroomserke. Symbool en eenhed: of n [A] ampère. DEBET Beekens eenhed: en als ce dan of Q Q dq d gem ogenblkke ljk 1C 1A 1 s André Mare Ampère Fr. Nauur &wskundge Hoe gemeen? A meer n sere. pjl = bewegngszn van poseve Q! = convenonele sroomzn. Wa s nodg om een ladng e doen bewegen? A. Rsack 4 2

3 Wa s nodg om een ladng e doen bewegen? Hoogeverschl = poenaalverschl = spannng Weg = geleder Poenaal(verschl) spannng. Poenaal = elekrsche hooge. Symbool en eenhed van poenaal: V n [V] vol Poenaalverschl = elekrsch hoogeverschl =spannng VA=5V VB= 3V Alessandro Vola nauurkundge A. Rsack 5 Wa s nodg om een ladng e doen bewegen? Hoogeverschl = poenaalverschl = spannng Weg = geleder Poenaal(verschl) spannng. Poenaal = elekrsche hooge. Symbool en eenhed van poenaal: V n [V] vol Poenaalverschl = elekrsch hoogeverschl =spannng Symbool en eenhed: Poenaalverschl = = spannng U n [V] VA=5V VB=3V A. Rsack 6 3

4 Wa s nodg om een ladng e doen bewegen? Hoogeverschl = poenaalverschl = spannng Weg = geleder Poenaal(verschl) spannng. Poenaal = elekrsche hooge. Symbool en eenhed van poenaal: V n [V] vol Poenaalverschl = elekrsch hoogeverschl =spannng Symbool en eenhed: Poenaalverschl = V V V U = spannng n [V] = 8V A B VA=5V VA=5V VA=5V 8V V=VAVB=U 5 (3)=8V VB=3V VB=3V VB=3V U = hooge! => pjl s naar boven gerch = van laag () naar hoog () A. Rsack 7 Wa s nodg om een ladng e doen bewegen? Hoogeverschl = poenaalverschl = spannng Weg = geleder Poenaal(verschl) spannng. Poenaal = elekrsche hooge. Symbool en eenhed van poenaal: V n [V] vol Poenaalverschl = elekrsch hoogeverschl =spannng Symbool en eenhed: Poenaalverschl = V V V U = spannng n [V] = 8V A B VA=5V V=VAVB=U VB=3V U = hooge! => pjl s naar boven gerch = = bewegngszn van ladngen = Q VALT van laag () naar hoog () van hoog () naar laag () A. Rsack 8 4

5 Wa s nodg om een ladng e doen bewegen? Hoogeverschl = poenaalverschl = spannng Weg = geleder Poenaal(verschl) spannng. Poenaal = elekrsche hooge. Symbool en eenhed van poenaal: V n [V] vol Poenaalverschl = elekrsch hoogeverschl =spannng Symbool en eenhed: Poenaalverschl = V V V U = spannng n [V] = 8V A B VA=5V V=VAVB=U VB=3V U = hooge! => pjl s naar boven gerch = = bewegngszn van ladngen = Q VALT van laag () naar hoog () van hoog () naar laag () A. Rsack 9 Wa s nodg om een ladng e doen bewegen? Hoogeverschl = poenaalverschl = spannng Weg = geleder Poenaal(verschl) spannng. Poenaal = elekrsche hooge. Symbool en eenhed van poenaal: V n [V] vol Poenaalverschl = elekrsch hoogeverschl =spannng Symbool en eenhed: Poenaalverschl = V V V U = spannng n [V] = 8V A B VA=5V V=VAVB=U VB=3V U = hooge! = naar boven gerch = van laag () naar hoog () = bewegngszn van ladngen = Q VALT van hoog () naar laag () Gevolg U en zjn egengeseld gerch bj een nauurljke val = belasng A. Rsack 10 5

6 Meen van de spannng: V meer Vergeljken van en Hoeveel sjg he poenaal van B naar A? Parallel Wa gebeur er als de V meer omgekeerd geplaas word? Wa als de spannngspjl word omgedraad? Hoeveel sjg he poenaal van A naar B? Hoeveel s V A als V B = 5V en U = 8V? V V A=? U=8V V B=5V Verklaar he en eken op de A meer. A. Rsack 11 Wa s nodg om een ladng e doen bewegen? Hoogeverschl = poenaalverschl = spannng Weg = geleder Weg = geleder. De ene weg s beer dan de andere. De weg word geypeerd door de weersand R. Weersand = egenwerkng, hnder Georg Ohm Duse ws&nauurk. Als R sjg dan zal, bj geljke spannng, de sroom dalen 1 ~ R Als bj consane R de spannng sjg, dan zal de sroom sjgen ~ U Samengeva: U U U R. R R We van Ohm A. Rsack 12 6

7 We van Ohm weersand. U U R. R R Eenhed U 1V 1 ( ohm) 1A Hoeveel s de sroom voor volgend geval? U 8V 4mA R 2k A. Rsack 13 Meen van weersanden. Toesel: ohm meer Suur door de weersand en mee de spannng => we van ohm. Merk op: soms omgekeerd (U => =>R) Heef de polare (he en eken) op he oesel belang? Verklaar. Mag er es anders n parallel saan me de weersand R? Verklaar. Mag er es anders n sere saan me de weersand R? Verklaar. A. Rsack 14 7

8 Kleurencode van weersanden. x1 x2 x3 n TC R = x1 x2 (x3) 10 n / % / TC A. Rsack 15 Kleurencode van weersanden. R = x1 x2 (x3) 10 n / [%] / TC [ppm] x n TC x n TC Zlver 2 10 goud 1 5 Zwar 0 0 Groen 5 5 0,5 Brun Blauw 6 6 0,25 Rood Vole 7 7 0,1 Oranje Grjs 8 8 Geel W 9 9 E12 reeks: A. Rsack 16 8

9 De bron. Als ladngen vallen moeen ze aangevuld worden. hoog E laag V A V B De bron pomp de ladngen naar hoger poenaal. n de bron gaan ladngen van laag ( ) naar hoog () poenaal. (=OMHOOG) Connue sroom enkel als er een gesloen krng s me: Elekrsche weg waarn de ladngen vallen. Bron de gevallen ladngen erug oppomp. De bron lever energe aan de krng. De bron moe de energe ergens vandaan halen. deale spannngsbron: E = consane = emk = elekromoorsche krach Bemerk de zn van en E; evenals en U R 17 R V A U R=E=U AB V B Oefenngen. E R U U=15V=E; =3mA => R= =5mA; R=2k =>E= U 15V 5k 3mA U R* 2k *5mA 10V Waar haal de bron zjn energe vandaan? E=12V; R=3k => = U R E 12V 4mA R 3k R=5k ; =5mA => E= U R* 5k *5mA 25V A. Rsack 18 9

10 Elekrsche energebronnen (H5 p108) Door wrjvng e op buense schl (e veel / weng) Rsco: vonk explose. Door druk (Pëzo elekrce) Krsal Toepassngen: Mcrofoon Pck up elemen Sensor X al oscllaor njecoren A. Rsack 19 Thermo elekrce (ze ook H16) Prncpe: E [µv] E Meaal A Meaal B Koper Alumnum Vb.: P PRh (plana rhodum) lever 16mV bj 1600 C E E E o >0 E o =0 Meaal A Meaal B Koper Meaal Alumnum A Meaal B Koper Alumnum E E E T Meaal A Koper Meaal A Koper Geen opwarmng: symmersche keen E=0 Opwarmng: asymmersche keen E 0 A. Rsack 20 10

11 11 Thermo elekrce (ze ook H16) hermo elekrsche spannngsreeks me de gemddelde spannng.o.v. plana ugedruk n µv/k ussen 0 en 100 C (bron: Semens) Cu Al Cu en T = 10 C E? per C of per K sjg Cu me 7,5 µv.o.v. P sjg Al me 3,8µV.o.v. P sjg Cu me (7,5 3,8)µV=3,7µV.o.v. Al op 10 C zal E CU Al sjgen me 10*3,7µV=37µV A. Rsack 21 c o n s a n a a n c o b a l n k k e l n e u w z l v e r p a l l a d u m p l a n a a l u m n u m n m e s s n g r h o d u m z l v e r k o p e r w o l f r a m c a d m u m j z e r 55CU 45N Co N 62Cu 18N 20Zn Pd P AL Sn 60Cu 40Zn Rh Ag Cu W Cd Fe 33,5 15,5 14,5 12,5 2,5 0 3,8 4,5 5,8 6,5 7 7, [µv/k] Thermo elekrce (ze ook H16) Hogere E? sereschakelng Thermozul A. Rsack 22 Cu Al Cu Al Cu Cu Al Koude lassen Warme lassen

12 Thermo elekrce (ze ook H16) Toepassng: Temperauurmeng Thermokoppel Poseve elekrode Negaeve elekrode Temperauurberek [ C] plana rhodum (P20%Rh) plana rhodum (P6%Rh) 870 o 1500 chromel (CrN) consanaan (CuN) 0 o 870 jzer (Fe) consanaan (CuN) 0 o 760 chromel (CrN) alumel (AlNMnS) 0 o 1260 plana rhodum (P20%Rh) plana (P) 0 o 1480 plana (P) rdum (r) 0 o 1600 koper (Cu) consanaan (CuN) 180 o 370 Waakvlambewakng A. Rsack 23 Foo elekrce Prncpe: bj sommge halfgeleders en mealen komen e vrj bj belchen. Normaal: aanal vrje e sjg als f sjg. Selecef foo elekrsch effec: bj bepaalde f komen meer e vrj Bekomen spannng: 300 a 400mV Toepassng: zonnecel (= bron) rumevaar, moblhome ; Wa s een zonnepaneel? foocel (bron nodg, gasgevulde bus), nu vervangen door LDR, foodode, fooransor. CCD (charge coupled devce) A. Rsack 24 12

13 Galvansche elekrce (ze ook H17 /m 18) Prncpe: chemsche energe elekrsche energe We van Ners: meaal n elekroly ze poseve onen af. (=> los op ) Mealen elekrode Elekroly Meaal onen => Elekrode word negaef.o.v. he elekroly Aanal onen s afhankeljk van he meaal. Vb.: Zn n H 2 SO 4 laa meer onen vrjkomen dan Cu n H 2 SO 4 A. Rsack 25 Galvansche elekrce (ze ook H17 /m 18) Vb.: Zn n H 2 SO 4 laa meer onen vrjkomen dan Cu n H 2 SO 4. Poseve pool Negaeve pool Cu Elekroly H2SO4 2H SO4 H2O H HO Cu Zn Zn Gevolg: Zn saaf s negaever dan Cu saaf Toepassng: baerjen A. Rsack 26 Cel van Galvan en Vola (1800) 13

14 Galvansche elekrce (ze ook H17 /m 18) Poseve pool e U=1,1V R Negaeve pool Cu e 2H 2e H2 Elekroly H2SO4 2H SO4 H2O H HO Cu Zn Zn e Belase cel van Galvan en Vola (1800) A. Rsack 27 Galvansche elekrce (ze ook H17 /m 18) Galvansche cel (= prmare galvansche cel): Kan enkel onladen Andere voorbeelden: Zn C (= leclanchécel) (1,5V) Alkalnecel (1,54V, lekvrj, ook als knoopcel) Kwkoxdecel (1,35V, lekvrj, weng zelfonladng, klene afmengen: rekenoesel, pacemaker, uurwerken, ) Zlveroxdecel ( / consane spannng 1,5V) Lhumcel (1,9 of 2,9 of 3,6V (afhankeljk van elekroly), zeer dun, kan 5 jaar geladen bljven) Brandsofcel (Fuel cells) (1839! Wllam Grove, omgekeerde waerelekrolyse, 2H 2 en O 2 2H 2 O; 1,15V bj 20 C) A. Rsack 28 14

15 Galvansche elekrce (ze ook H17 /m 18) Accumulaoren (= secundare galvansche cel): Zowel laden als onladen. Voorbeelden: Loodaccumulaor (Plané) (2V) (Pb en PbO 2 n verdund H 2 SO 4 ) onladen: elekroly: 2H SO 4H Negaeve elekrode: Poseve elekrode: P b Pb 2 PbO SO Gevolg: 2 4H mnder concenrae elekroly = Lcher e Pb Pb 2O 4 Pb SO PbSO 2e 2 4 SO 2 4 O 2 4 PbSO 2H O 4 A. Rsack 29 Galvansche elekrce (ze ook H17 /m 18) Accumulaoren (= secundare galvansche cel): zowel laden als onladen. Voorbeelden: Loodaccumulaor (Plané) (2V) (Pb en PbO 2 n verdund H 2 SO 4 ) laden: elekroly: 2H SO 4H SO 2 4 negaeve elekrode: PbSO 4 2H 2e Pb H 2 SO 4 poseve elekrode: 2 PbSO4 SO4 2H2O 2H 2SO4 PbO2 2e Gevolg: meer concenrae elekroly = Zwaarder Toepassng: auobaerj 6 cellen van 2V n sere soms waer bjvoegen (Waarom?) Wegen van de baerj A. Rsack 30 15

16 Galvansche elekrce (ze ook H17 /m 18) Accumulaoren (= secundare galvansche cel): zowel laden als onladen. Voorbeelden: Loodaccumulaor (Plané) (2V) (Pb en PbO 2 n verdund H 2 SO 4 ) NCd Nkkelcadmum accumulaor 1,2 a 1,3V NMH Nkkel Meaal Hydrde 1,2 a 1,3V Meer opslagcapace Mnder las van geheugeneffec dan NCd Groe zelfonladng Las van lage en hoge emperauur Lhum on accumulaor afh. van elekroly 2,4V o 4,5V A. Rsack 31 Capace van een baerj Ah Beekens? Ah * Q Hoeveel C s 1Ah? 1Ah 1A*1h 1A*3600s 3600As 3600C Laden van NCd me 1/10 v/d capace gedurende uur Sere en parallel van baerjen Doel van een sereschakelng? nvloed op de oale spannng? nvloed op de oale sroom? nvloed op de capace? X 3 = zelfde = zelfde A. Rsack 32 Hoeveel Zn C cellen n een 9V ba.? 16

17 Sere en parallel van baerjen Doel van een parallelschakelng? Hoeveel s de oale spannng bj 3 Zn C cellen n parallel? = zelfde als 1 cel =1,5V nvloed op de oale sroom? X 3 nvloed op de capace? X 3 A. Rsack 33 Sere en parallel van baerjen Doel? nvloed op de bronspannng? X 3 nvloed op de oale sroom? X 2 nvloed op de capace? X 2 A. Rsack 34 17

18 Sere en parallel van baerjen Doel? nvloed op de oale spannng? X 2 nvloed op de oale sroom? X 3 nvloed op de capace? X 3 A. Rsack 35 Generaoren: de alernaoren en dynamo s Prncpe: mechansche energe elekrsche energe Cenrales hermsche cenrale: Klasseke cenrale A. Rsack 36 18

19 Generaoren: de alernaoren en dynamo s Cenrales hermsche cenrale: Kerncenrale hp:// 55% van de elekrce A. Rsack 37 Generaoren: de alernaoren en dynamo s Cenrales hermsche cenrale waerkrach A. Rsack 38 19

20 Generaoren: de alernaoren en dynamo s Cenrales hermsche cenrale (klasseke en kerncenrames) waerkrach deselurbnes Gasurbnes Warme krach koppelng Alernaeve energecenrales Wnd Geohermsch Bomassa Zon Golfenerge Gejden Toekoms? A. Rsack 39 Arbed of energe. Symbool: W Eenhed: [J] joule Waardoor word de geleverde arbed n een elekrsche krng bepaald? W~U => W=Q.U W~Q Beekens van spannng: Spannng = arbed de vrjkom als 1C val van he begn naar he endpoenaal. => U=W/Q Vb. Als er 1C val van 5 naar 3V dan kom er 8J aan energe vrj. Er vloe een sroom = 3A gedurende 2s door de weersand me U=8V Hoeveel energe kom er vrj? W=Q.U en Q=. => W=..U=3.2.8=48J A. Rsack 40 James Presco Joule Eng. nauurkundge V A =5V U=8V V B =3V 20

21 Hoeveel energe word er geleverd door een bron van 12V n een weersand van 2k na een half uur? Oplossng: => W=Q.U Q Q. U 12 6mA R 2k Q 6mA.1800s 10800mC 10, 8C W 10,8C.12V 129, 6J A. Rsack 41 Hoeveel energe word er geleverd door een bron van 6V n een weersand van 4k na 4 uur? Oplossng: => W=Q.U Q Q. U 6V 1, 5mA R 4k Q 1,5mA.14400s 21600mC 21, 6C W 21,6C.6V 129, 6J Vergeljk me de vorge oplossng. A. Rsack 42 21

22 Vergeljkng Oplossng 1 Oplossng 2 Q Q. U 12 6mA R 2k Q 6mA.1800s 10800mC 10, 8C Q Q. U 6V 1, 5mA R 4k Q 1,5mA.14400s 21600mC 21, 6C W 10,8C.12V 129, 6J W 21,6C.6V 129, 6J Beslu: Wa s er verschllend? A. Rsack 43 Vermogen. Symbool P Defne: W P [ J ] Eenhed: [ W ] wa [ s] Andere formules om he vermogen e berekenen: James Wa Schos ngeneur W QU. P U. en U R. W QU. Q P. U. U P R. ² P U. U ² U P en R R A. Rsack 44 U ² P U. R. ² R 22

23 Vermogen. P U ² U. R. ² R Ken je oesellen waarop he vermogen word aangedud? vb. gloelamp van 60W, frepo van 2000W Beekens? Hoe bereken je de sroom da he oesel opneem? Hoe bepaal je de weersand van he oesel? A. Rsack 45 P U. 2 U ² U P R R P P U of U R Wa mee een kwh meer? Kjk naar de eenhed. Welke grooheden komen hermee overeen? [ kwh] [ kw ].[ h] P * W? Hoeveel joules s 1kWh? 1kWh 1kW *1h 1000W *3600s 3, 6MJ Hoeveel kwh verbruk een lamp van 60W n 2 uur jd? W P * 60W *2h 0,060kW *2h 0, 120kWh Hoeveel J s da? 0,120kWh 3,6MJ / kwh*0,12kwh 432kJ Hoe hoog kan je hermee 1kg omhoog smjen? 432kJ E m* g * h 432kJ h h 1kg.9,81m / s² 44km A. Rsack 46 23

24 Op een kwh meer saa de meerconsane c vermeld: bvb. c=120 r/kwh Beekens? 120r 1kWh 3, 6MJ Hoeveel oeren zal de schjf draaen als de lamp van 60W 2 uur brand? W P* 60W *2h 120Wh 0, 120kWh A. Rsack 47 1kWh 120r 0,12kWh 120r.0,12 14, 4r Warmecapace van waer = c = 4186J/K kg = W/( T*m) Hoeveel vermogen s er nodg om per mnuu de emperauur van 13l waer e verhogen van 10 C naar 38 C (verwaarloos de verlezen)? W c* T * m 4186*(38 10)* , 7kJ W 1523,7kJ P 25395W 25, 4kW 60s Deze hoeveelhed waer per mnuu s nodg om een douche e nemen. Hoeveel kos een douche van 15 mn als 1kWh=0,22? 1h 25,4kWh 25,4kWh 15mn 15 6,35kWh 60 Hoeveel oeren draade de schjf (als 1kWh=120r)? 1kWh 120r 6,35kWh 120* 6,35 761,85r 1kWh 0,22 6,35kWh 0,22* 6,35 1,40 A. Rsack 48 24