Elektriciteit van Amber tot Onmisbaar

Transcriptie

1 Elektriciteit van Amber tot Onmisbaar

2 Inhoud Inleiding... 4 Een praktische toepassing van gelijkspanning... 5 Van amber tot een machine voor statische elektriciteit... 6 Geschiedenis...6 De aantrekkingskracht van amber bij de oude Grieken...6 De mysterieuze krachten van magnetisme...6 De eerste elektriseermachine voor statische elektriciteit...6 Eerste ervaring met een geleider en isolator voor elektriciteit...6 Wat we nu weten...7 De rol van elektronen...7 Geleiders en isolatoren voeren elektriciteit in de juiste banen...8 Doorslag en overslag...8 Supergeleiders...8 Richting van een elektrische stroom in een gesloten stroomkring...9 Statische elektriciteit...9 Van statische elektriciteit tot de batterij...10 Geschiedenis De eerste opslag van elektriciteit voor later gebruik Levensgevaarlijke experimenten met bliksem Eerste inzichten in elektriciteit De eerste batterij Relatie spanning, stroom en weerstand Uitvinding van de droge batterij Uitvinding van de loodaccu Wat we nu weten Batterijen Brandstofcel Zonnepaneel Van elektriciteit naar warmte...15 Geschiedenis De stoommachine voor het verrichten van arbeid Paardenkracht Eerste omzetting van elektriciteit in een andere energievorm Wat we nu weten Elektrische warmte Vermogen Elektriciteit, van Amber tot Onmisbaar

3 Van magnetisme tot dynamo...17 Geschiedenis Eerste omzetting van elektriciteit in mechanische kracht Sterker magnetisch veld door middel van een solenoïde Ontdekking van de elektromagnetische inductie Eerste machine voor productie van elektriciteit Constructie van de eerste gelijkstroomgenerator voor hoog vermogen Eerste transport van elektrische energie als bron voor mechanische energie Aandrijving van de dynamo door een turbine De eerste grootschalige praktische toepassingen van elektriciteit De eerste productie van elektriciteit in Antwerpen Wat we nu weten Magnetisme Primaire energie Productierendementen Galvanometer en universeelmeter AC en DC stroom Snelheid van een elektrische stroom Wet van Ohm Spanningsval Voorkeur voor wisselspanning Geschiedenis Het eerste transport van elektriciteit op hoogspanning De uitvinding van de transformator De eerste distributiezone van elektriciteit Ontwikkeling van driefasige stroom en de eerste hydro-elektrische centrale Wat we nu weten Transformatoren Netfrequentie Sinusoïdale spanning DC versus AC Effectieve waarde van een spanning Driefasige wisselspanning Netaftakking Een eenvoudige toepassing van elektriciteit op wisselspanning Elektrisch ééndraadschema Elektrische voedingskringen Genormaliseerd tekenen Elektrische belasting Parallel en serieschakeling Vectoriële voorstelling Arbeidsfactor en elektrisch vermogen Piekvermogen Bescherming tegen de gevaren van elektriciteit Ontwikkeling na de eerste centrales Elektriciteit, van Amber tot Onmisbaar 3

4 Inleiding Deze brochure wil inzicht geven in het ontstaan en de werking van elektriciteit. Alle ontwikkelingen in detail behandelen, kan natuurlijk niet. We beperken ons daarom tot de belangrijkste. We behandelen tevens bepaalde elementaire begrippen, manieren van voorstellen en de typische woordenschat van de elektriciteitssector. Aan de vele toepassingen van elektriciteit die we momenteel kennen is een periode voorafgegaan van ontdekkingen en proefnemingen die ongeveer 600 jaar voor onze tijdsrekening begon. Lange tijd kon men zich geen nuttige toepassing van dit toch wel eigenaardig verschijnsel indenken. Een verschijnsel dat men niet kan zien, niet kan ruiken en niet kan vastnemen. Momenteel is het gebruik van elektriciteit vanzelfsprekend en onmisbaar. Toch blijft het nog steeds voor velen iets mysterieus. Elektriciteit, zoals we het nu kennen, is het resultaat van talrijke experimenten, het doorgedreven zoeken naar verklaringen voor waarnemingen en het leggen van verbanden. Heel deze ontwikkeling gebeurde met soms zeer lange tussenpauzen en dankzij mensen die op grote afstand van elkaar woonden, geen rechtstreeks contact hadden met elkaar en zeer uiteenlopende beroepen uitoefenden. In het eerste deel van deze brochure hebben we het over de geschiedenis van de elektriciteit : hoe zij werd ontdekt en gaandeweg werd bedwongen tot een onmisbare bron van energie. In deel twee lichten we toe hoe de elektriciteit vanuit de productiecentrales, over transport- en distributienetten, uiteindelijk in het stopcontact bij de gebruiker terechtkomt. Deel drie brengt honderd en een tips voor een verstandig en dus spaarzaam gebruik van elektriciteit. Deel vier, tenslotte, leert aan welke regels je je het beste houdt om veilig met elektriciteit om te springen. Wij wensen je alvast veel leesplezier. Elektriciteitscentrale in Elektriciteit, van Amber tot Onmisbaar

5 Een praktische toepassing van gelijkspanning Eén van de eenvoudigste toepassingen van elektriciteit is een zaklamp. Als we die openen, zien we een batterij die via draadjes of koperstrips verbonden is met een lampje. Ergens in deze schakeling zien we een schakelaar. Sluiten we deze schakelaar, dan zal het lampje branden, openen we dit contact, dan zal het lampje doven. Batterij, geleiders, lampje en schakelaar vormen een elektrische kring, ook stroomkring genoemd. Op het eerste gezicht een zeer eenvoudige situatie, maar wat gebeurt er eigenlijk elektrisch? Laten we beginnen met de elektrische voeding, in dit geval een batterij. Hierin bevinden zich twee verschillende metalen in een zure omgeving. Daardoor is er in de batterij een chemische reactie waardoor op één aansluiting van de batterij een hoger elektrisch potentiaal ontstaat dan op de andere aansluiting. Tussen de twee aansluitingen van de batterij, ook polen genaamd, is er dus een verschil van potentiaal: een elektrische spanning. Sluiten we op deze spanning een lamp aan, dan zal doorheen de elektrische kring een stroom vloeien die in het lampje wordt omgezet in licht en ook (ongewenste) warmte. De spanning van een batterij is een gelijkspanning (meestal aangeduid als DC spanning, wat staat voor Direct Current). Bij gelijkspanning blijft de polariteit van de beide polen steeds dezelfde. Wensen we meer licht, dan moeten we een zaklamp gebruiken met een zwaardere batterij (doorgaans ook een groter model van zaklamp), waardoor we een hogere spanning hebben en hiermee een krachtiger lampje kunnen laten branden. Deze stroomkring is een van de eenvoudigste toepassingen van elektriciteit. Het heeft echter geduurd van 600 voor Christus tot het begin van de negentiende eeuw vooraleer men het gedrag en de mogelijkheden van dergelijke stroomkring kon doorgronden en zicht kreeg op de relatie tussen spanning, stroom en het vermogen om een lamp te doen branden en dus arbeid te verrichten via elektriciteit. Tot 1830 was er enkel gelijkspanning uit een batterij. Later werd ook wisselspanning uitgevonden. Lampje Geleiders - + Schakelaar Batterij Geopende zaklamp Geopende zaklamp Gloeilamp Batterij Stroomkring zaklamp Verbindingsstrippen Schakelaar Elektriciteit, van Amber tot Onmisbaar 5

6 Van amber tot een machine voor statische elektriciteit Geschiedenis De aantrekkingskracht van amber bij de oude Grieken Het waren de Grieken die rond 600 voor Christus de bedenking maakten dat elektriciteit (dat toen echter nog geen naam had) een eigenschap van bepaalde materialen is. Thales van Milete (natuurwetenschapper en filosoof) ontdekte dat hij na het opwrijven van een stuk barnsteen (amber) hiermee bepaalde lichte voorwerpen kon aantrekken. Barnsteen is een lichtgeel, doorzichtig fossiel gesteente dat de capaciteit heeft om lichte voorwerpen zoals papier en veren aan te trekken wanneer het door wrijving, bijvoorbeeld met een wollen doek, elektrisch wordt geladen. Hij kon het verschijnsel echter niet verklaren en zijn vaststelling had geen gevolg tot Later heeft men hier inspiratie gevonden voor het woord Elektron, wat het Griekse woord is voor barnsteen. In het begin van de 20 e eeuw construeerde Robert van de Graaff een variante op de elektriseermachine, de zogenaamde Van de Graaffgenerator. Met dergelijk toestel kan een statische spanning worden bekomen van 5 miljoen Volt. Het toestel werd vooral gebruikt voor testen op hoogspanningsmateriaal en is nog in tal van labo s operationeel. De mysterieuze krachten van magnetisme Een eerste stimulans voor een breder verder onderzoek naar dit verschijnsel werd in 1600 vanuit Engeland gegeven door William Gilbert, geneesheer van de Engelse koningin Elisabeth 1, met de publicatie van De Magnete. Het was een werk over de aantrekkingskracht van amber (barnsteen) en van magneten. Hij suggereerde onder meer dat de aarde zelf als een reuzenmagneet moet worden beschouwd, wat tevens de werking van een kompas kon verklaren. De mysterieuze krachten die hiervoor zorgden noemde hij electrics. De eerste elektriseermachine voor statische elektriciteit Het verschijnsel van elektrostatische elektriciteit werd verder bestudeerd in 1660 in Duitsland door Otto von Guericke, burgemeester van Maagdenburg Hij bouwde de eerste elektriseermachine. Deze machine bestond uit een draaiende zwavelbol die door wrijving met droge handen elektrostatisch kon worden opgeladen en daarna terug ontladen. Hier werd dus voor de eerste keer op een gecontroleerde wijze elektriciteit opgewekt. De Engelsman Hawbeskee werkte verder aan de elektriseermachine en perfectioneerde ze in 1707 door de zwavelbol te vervangen door een glazen bol. Elektriseermachine Van de Graaffgenerator Eerste ervaring met een geleider en isolator voor elektriciteit Rond 1732 experimenteerde in Engeland Stephen Gray, een handelaar in verven en amateur astronoom, met een elektriseermachine en slaagde erin om de opgewekte statische elektriciteit over een 800 meter lang henneptouw te geleiden. Dat henneptouw was opgehangen aan zijden draden en daardoor geïsoleerd van de aarde. Stephen Gray bouwde hier eigenlijk als eerste een primitief elektriciteitsnet, met een doordacht gebruik van geleiders en isolatoren om elektriciteit te transporteren. 6 Elektriciteit, van Amber tot Onmisbaar

7 Wat we nu weten De rol van elektronen Om een degelijke uitleg te kunnen geven voor het fenomeen elektriciteit, was het wachten tot 1920, toen in Nieuw-Zeeland de natuurkundige Rutherford erin slaagde het atoom te ontleden. Rutherford stelde dat een atoom is samengesteld uit een kern waarrond elektronen draaien. De kern heeft een positieve lading en de elektronen een gelijke negatieve lading, waardoor het geheel elektrisch neutraal is. Verder onderzoek toonde aan dat de kern is samengesteld uit protonen en neutronen. Rutherford Onafhankelijk van het atoom waarvan ze deel uitmaken, bevat elk elektron een zelfde negatieve lading en elk proton een zelfde positieve lading. Neutronen hebben geen elektrische lading. Iedere schil kan maar een beperkt aantal elektronen bevatten. In rust is het aantal protonen in de kern van een atoom steeds gelijk aan het aantal elektronen. Dit aantal wordt weergegeven door het atoomgetal of atoomnummer (tabel van Mendelejev). Het wegnemen van elektronen of het toevoegen van elektronen kan de elektrische lading van een atoom veranderen, zodat het respectievelijk een positieve of een negatieve lading heeft. Dit laatste gebeurt dus bij de elektriseermachine. Zonder wrijving van de zwavelbol of de glazen bol, bevatten de atomen van de bol evenveel protonen als elektronen. De atomen zijn dus in evenwicht en de bol heeft geen lading. Door de wrijving met bijvoorbeeld een wollen doek, worden elektronen afgevoerd naar het wollen doek en krijgen de atomen een positieve lading doordat er meer protonen zijn dan elektronen. Door externe invloeden is het bij bepaalde materialen mogelijk om elektronen los te maken van hun atoomkern zodat ze vrij kunnen bewegen. Dergelijke elektronen noemt men vrije elektronen of geleidingselektronen. Zij zijn de ladingdragers van elektrische stroom. M protonen Gelijksoortige ladingen stoten elkaar af K L neutronen Tegengestelden ladingen trekken elkaar aan Onderling gedrag van ladingen Tussen kern en elektronen is er een aantrekkingskracht, vanwege de tegengestelde lading. De elektronen zijn door hun draaiende beweging rond de kern ook onderhevig aan een middelpuntvliedende kracht, die hen van de kern wil wegslingeren. Beide krachten compenseren elkaar, wat maakt dat de elektronen op een zelfde baan rond de kern blijven draaien. Elektronen kunnen in zeven schillen draaien rond de kern, ook energieniveaus genoemd. Deze schillen worden aangeduid door de letters K, L, M, N, O, P, Q en aan elk niveau wordt een getal toegekend, het hoofdquantumgetal n. elektron Siliciumatoom Atoomnummer Naam Symbool 1 Waterstof H 8 Zuurstof O 14 Silicium Si 26 IJzer Fe 29 Koper Cu 30 Zink Zn 47 Zilver Ag 79 Goud Au 92 Uranium U Het atoomnummer of atoomgetal geeft het aantal protonen en het aantal elektronen van een bepaald atoom en geeft tevens zijn plaats in de tabel van Mendelejev. Elektriciteit, van Amber tot Onmisbaar 7

8 Geleiders en isolatoren voeren elektriciteit in de juiste banen Bij geleiders moeten de elektronen vlot kunnen bewegen en dus gemakkelijk kunnen overgaan naar vrije elektronen. Dat is het geval bij alle metalen zoals bijvoorbeeld koper, zilver en goud. Kenmerkend voor de meeste elektrische geleiders is ook hun goede thermische geleiding. Andere materialen, waarin de elektronen stevig gebonden zijn aan hun atoom, laten dus geen beweging toe van elektronen en zijn isolatoren, zoals bijvoorbeeld glas, hout en kunststoffen. Doorslag en overslag Wanneer de isolatie van een elektrische geleider te zwak is voor de aanwezige spanning kan er een doorslag optreden van de isolatie. Meestal is dergelijke doorslag een gevolg van een beschadiging aan de isolatie. Eigenlijk wordt hier de (beschadigde) isolatie overbrugd door de (plaatselijk te hoge) spanning. Dat is een zeer gevaarlijke situatie met kans op elektrocutie of het ontstaan van brand. Een gelijkaardig verschijnsel kan zich voordoen bij isolatoren voor de bevestiging van elektriciteitskabels. Hierbij kan de spanning overslaan langs de lucht. Er ontstaat als het ware een vlamboog tussen de geïsoleerde spanning en de aarde of andere geleiders. Ook dit is een zeer gevaarlijke situatie, vooral omdat het hier gewoonlijk hoogspanning betreft. De kenmerken en eigenschappen van de geleiders en hun isolatie (draden of kabels) zijn momenteel gestandaardiseerd. Het te gebruiken type is bepaald door de spanning, de toepassing en de geldende veiligheidsnormen. Die worden beschreven in het AREI (Algemeen Reglement op de Elektrische Installaties). Hoogspanningsisolatoren zijn aan strenge specifieke vereisten gebonden. Ook de omgevende toegankelijke bewegingszone is strikt beperkt in functie van de waarde van de aanwezige hoogspanning omdat ook overslag naar personen mogelijk is. Supergeleiders Reeds in 1911 ontdekte men dat bij kwik op -273 C (bijna het absolute nulpunt) de elektrische weerstand onmeetbaar laag is. Dergelijke supergeleiding geeft zeer interessante mogelijkheden voor, onder meer, het transporteren van elektrische stroom. Elke geleider heeft immers een bepaalde weerstand tegen het doorgaan van een elektrische stroom. De waarde van die weerstand hangt onder andere af van de specifieke geleidende eigenschappen van het materiaal of van de specifieke weerstandswaarde. Deze weerstand heeft als effect dat er bij het doorgaan van een elektrische stroom in deze geleider een energieverlies optreedt dat zich manifesteert als warmte. We komen hier later op terug bij de wet van Ohm. Bij een lagere spanning zou de capaciteit van de netten sterk toenemen als we de weerstand van de transmissinetten zouden kunnen uitschakelen. Momenteel wordt in Amsterdam gewerkt aan een experimentele 6 kilometer lange supergeleidende stroomkabel uit keramisch koperoxide die gekoeld wordt op een hoge temperatuur boven -196 graden Celsius, wat het kookpunt is van vloeibaar stikstof. 8 Elektriciteit, van Amber tot Onmisbaar

9 Richting van een elektrische stroom in een gesloten stroomkring In een gesloten stroomkring mag men aannemen dat buiten de batterij de elektronen zich verplaatsen van de - naar de + pool. Dit komt doordat er te veel elektronen aan de - pool zijn en te weinig aan de + pool. Er is echter afgesproken dat de elektrische stroom buiten een batterij positief is als hij loopt van de + naar de - pool, of met andere woorden van een hogere spanning naar een lagere spanning, en dus eigenlijk tegengesteld aan de richting van de elektronen. - + Conventionele richting van de elektrische stroom Statische elektriciteit Statische elektriciteit wordt opgewekt door wrijving van elementen met verschillende atoomstructuur. Statische elektriciteit is niet in staat om langdurig een stroom te leveren, maar kan wel op een hoge spanning komen. Een klassiek voorbeeld van statische oplading ontstaat door wrijving van kleding met een stoel in kunststof terwijl je elektrisch geïsoleerd bent van de aarde. Hierdoor kan het lichaam worden opgeladen. Aanraking met bijvoorbeeld een aluminium deur kan dan voor een ontlading zorgen. Je voelt daarbij een kleine elektrische schok en hoort vaak een zwak knetterend geluid. Ook bliksem is een gevolg van statische elektriciteit, veroorzaakt door wrijving van waterdruppels met ijsdeeltjes. De bovenkant van de wolk wordt positief geladen en de onderkant negatief. De statische spanningsverschillen worden hier zo hoog dat een overslag van de lucht kan plaatsvinden : de bliksem. De lucht waar de bliksem doorheen gaat kan opwarmen tot C. Hierdoor zet de lucht uit met een snelheid hoger dan het geluid : de donder. Door de hoge negatieve lading aan de onderkant van de wolk ontstaat er ook een hoog verschil in lading met de aarde onder de wolk. Ook hier kan een doorslag gebeuren tussen aarde en wolk. Statische elektriciteit is, zelfs in een zeer kleine lading, nefast voor werken aan bepaalde elektronische onderdelen, zoals in een computer. Een klein ladingsverschil tussen de handen of het gereedschap van de technicus en dergelijke onderdelen kan de hardware beschadigen. Geheugenchips worden om die reden verpakt in een materiaal dat niet statisch kan worden opgeladen. Statische elektriciteit kent ook praktische toepassingen, zoals in kopieermachines, filterinstallaties en spuitcabines. Hierbij worden respectievelijk de toner, stofdeeltjes in de rookgassen en verfspatten statisch opgeladen om beter te kleven. Elektriciteit, van Amber tot Onmisbaar 9

10 Van statische elektriciteit tot de batterij Geschiedenis De eerste opslag van elektriciteit voor later gebruik In 1745 bouwden twee onderzoekers die elkaar niet kenden een toestel waarmee het mogelijk werd om elektrische ladingen uit een elektriseermachine op te slaan in flessen. Het waren de Nederlanders E.C. Kleist, een bisschop, en Pieter van Musschenbroek, hoogleraar in Leiden. De verdienste van de uitvinding werd toegeschreven aan van Musschenbroek omdat zijn bevindingen werden voorgelezen op de Franse Academie. Het toestel heette voortaan de fles van Leyde. De Leidse fles bestaat uit een brede glazen fles die van buiten met tinfolie is bekleed. De fles is gevuld met water. Een elektrode aan de bovenkant van de fles staat in verbinding met het water. Door middel van een elektriseermachine wordt het water in de fles elektrisch opgeladen. Met de uitvinding van de Leidse fles kon voortaan een grote hoeveelheid elektriciteit voor lange tijd worden opgeslagen en gebruikt wanneer gewenst. Oorspronkelijk fungeerde deze fles als een attractie op feestjes waarbij onder andere een lading doorheen een rij van mensen werd gestuurd. Later werd dit toestel verder ontwikkeld tot wat men nu een condensator noemt, een onmisbaar onderdeel in elektrische en elektronische toestellen. Levensgevaarlijke experimenten met bliksem Omwille van de gelijkenis tussen de vonken uit de elektriseermachine en de bliksem veronderstelde de Amerikaan Benjamin Franklin (boekdrukker, hoofdredacteur, wetenschapper en diplomaat) dat de bliksem een vorm van elektriciteit is. In 1746 slaagde hij erin om door middel van een vlieger die werd opgelaten met een vochtig touw, een deeltje van de energie van een bliksem op te slaan in een verzameling Leidse flessen. Benjamin Franklin werd ook aanzien als de uitvinder van de bliksemafleider. Leidse flessen Pieter van Musschenbroek Benjamin Franklin 10 Elektriciteit, van Amber tot Onmisbaar

11 Eerste inzichten in elektriciteit In 1747 stelde de Engelsman William Watson, een botanicus en arts, vast dat elektriciteit een negatieve en een positieve component heeft. Door geleiding langs een draad van 6,4 kilometer merkte hij ook dat er tussen de beide uiteinden geen waarneembaar tijdsverschil is tussen start en aankomst van elektriciteit. Hij ondervond wel een William Watson bepaalde weerstand. Tot dan werd verondersteld dat elektriciteit de snelheid van het geluid had. De eerste batterij Bekeken vanuit de huidige kennis werden bij de pogingen om inzicht te krijgen in het verschijnsel elektriciteit soms eigenaardige wegen gevolgd. Luigi Galvani, een Italiaans hoogleraar in de anatomie, wist dat sommige vissoorten schokken konden geven zoals uit de Leidse fles en ging op zoek naar elektriciteit in dieren. In 1786 liet hij een geamputeerde bil van een kikker krampachtig samentrekken door hem (toevallig) aan te raken met twee verschillende metalen. Naar het voorbeeld van de sidderaal dacht hij dat elektriciteit de oorzaak was en deze in de kikker zat. De Italiaanse natuurkundige Alessandro Volta was echter van mening dat de reden van de samentrekking niet in de kikker zat maar in het gebruik van de twee verschillende metalen. In 1796 legde Volta een zilveren en een zinken schijfje, gescheiden door een doekje, natgemaakt in een zoutachtige oplossing, op elkaar. Tussen boven- en onderkant van deze cel stelde hij een spanning vast. Door meerdere cellen op elkaar te stapelen in een zuil, verhoogde de spanning. De eerste batterij was uitgevonden : de zuil van Volta ( une pile ). Deze batterij was echter niet erg praktisch en had slechts weinig vermogen. Al snel verbeterde Volta zijn uitvinding door glazen bekertjes te vullen met een zwavelzuur oplossing en daarin metalen strookjes te dompelen. De ene helft van de strookjes was van koper, de andere van zink. Tussen beide metalen ontstaat hierdoor een spanning. Globaal kan worden gesteld dat met de uitvinding van Volta de periode begint van de praktisch bruikbare elektriciteit. Naar Volta is in 1881 ook de eenheid van spanning genoemd : de Volt (V) (1881). Luigi Galvani Alessandro Volta Elektriciteit, van Amber tot Onmisbaar 11

12 De reden van de ontstane spanning in de batterij van Volta zit hem in de aard van de materialen : Edele metalen (die geen of weinig corrosie vertonen als zij worden blootgesteld aan lucht en ook niet oplossen in zuren) zoals goud, zilver, platina en koper, staan in een zure oplossing geen elektronen af aan de omgeving. Onedele metalen (die corrosie vertonen als ze worden blootgesteld aan lucht en die oplossen in zuren) zoals ijzer, zink, magnesium en aluminium, lossen op in een zure omgeving en staan hierbij elektronen af aan de vloeistof waardoor het metaal positief wordt geladen. Relatie spanning, stroom en weerstand De Duitse natuurkundige Georg Ohm bepaalde in 1827 het verband tussen de drie grootheden in een elektrische voedingskring : spanning, weerstand en stroomsterkte. Ohm stelde dat in een draadstuk de stroom recht evenredig is met de spanning aan zijn uiteinden en omgekeerd evenredig met zijn weerstand. Voor de eenheid van stroomsterkte voerde hij de Ampère in, voor de eenheid van spanning de Volt (afgeleid van Volta) en aan de eenheid van weerstand gaf hij zijn eigen naam. Deze eenvoudige wiskundige uitdrukking maakte het van nu af aan mogelijk om elektrische kringen doordacht te dimensioneren. I = U R R = U I R in Ohm - Ω U in Volt - V I in Ampère - A U = I X R Wet van Ohm en afgeleide waarden Batterij van Volta Uitvinding van de droge batterij In 1860 ontwikkelde de Franse ingenieur Georges Leclanché de zink-grafiet batterij, die later verder werd ontwikkeld tot de zogenaamde droge batterij. Eén element hiervan heeft een spanning van 1,5 V. Dit type van batterij is nu bekend als de wegwerpbatterij en wordt nog steeds in grote hoeveelheden, onder verschillende vormen en met verschillende spanningen gefabriceerd. Uitvinding van de loodaccu In 1878 ontwikkelde Gaston Plante, Frans natuurkundige, de herlaadbare loodaccu. Deze is samengesteld uit loden platen gedompeld in verdund zwavelzuur. In 1880 werd dit type batterij in de handel gebracht. Ze wordt vandaag nog altijd gebruikt in voertuigen, uiteraard in sterk verbeterde vorm. Georg Ohm 12 Elektriciteit, van Amber tot Onmisbaar

13 Wat we nu weten Batterijen Batterijen zijn samengesteld uit cellen die door een chemische reactie een elektrische spanning produceren. De spanning per cel is afhankelijk van de gebruikte materialen. Het aantal achter elkaar geschakelde cellen bepaalt de batterijspanning. Elke cel heeft een negatieve pool (de minpool) waar in een gesloten kring de elektronen uitkomen (men noemt dit ook de kathode, van het Grieks weg naar beneden ) en een positieve pool (de pluspool) waar de elektronen naartoe gaan (men noemt deze de anode van het Griekse weg naar boven ). In de cel wordt de verbinding tussen kathode en anode gemaakt door een elektrolyt. Door de elektrochemische reactie tussen de elektrolyt met de kathode worden elektronen losgemaakt die een elektrische stroom geleiden. De plus- en de minpool blijven steeds dezelfde, en dus ook de polariteit van de opgewerkte spanning. Men noemt deze spanning een DC spanning (Direct Current). Een belangrijke ontwikkeling bij batterijen is ongetwijfeld de herlaadbare batterij. Door op dergelijke batterij een externe spanningsbron aan te sluiten, verloopt het chemisch ontladingsproces in de batterij in de omgekeerde richting, waardoor ze terug wordt opgeladen. Voor tal van toepassingen volstaat hierdoor een relatief klein type van herlaadbare batterij. Het enige wat nodig is, is de mogelijkheid om ze tijdig en gemakkelijk terug op te laden. Dat gebeurt door middel van een batterijlader. Vanaf het ontstaan van de pile van Volta zijn vorsers constant op zoek geweest naar andere samenstellingen die een hogere spanning geven. Belangrijk voor heel wat toepassingen is ook om de afmetingen en het gewicht van batterijen te reduceren en de cellen onder te brengen in een behuizing die optimaal is aangepast aan de toepassing. In het recente verleden werd deze ontwikkeling sterk gestimuleerd vanuit de militaire sector (communicatieapparatuur), de video sector (videocamera s), de medische sector (gehoorapparaten) en sinds kort vanuit de automobiel- (elektrische auto s) en de telefoniesector (gsm). Ondertussen zijn de elektrische kenmerken en de afmetingen van batterijen gestandaardiseerd. Brandstofcel Brandstofcellen hebben een doorgaande chemische reactie die direct wordt omgezet in elektrische energie. De chemische reactie wordt dus doorlopend gevoed. Dit in tegenstelling tot batterijen waar elektriciteit wordt opgewekt door een voorafgaande chemische reactie die na verloop van tijd is uitgeput. Een wegwerpbatterij moet dan worden vervangen en een herlaadbare batterij moet worden ontkoppeld en opgeladen. De uitgangsspanning van een brandstofcel is ongeveer 0,7 V. In een typische brandstofcel wordt de chemische reactie veroorzaakt door waterstof in gasvormige toestand en zuurstof uit lucht. Beide reageren op een elektrolyt. Er bestaan momenteel verschillende types brandstofcellen, elk met hun specifiek gebied van toepassing. De meeste brandstofcellen hebben, afhankelijk van de brandstof, schone afvalproducten die niet schadelijk zijn voor het milieu. Door bij de fabricatie van de brandstof, zoals waterstof, te werken met bijvoorbeeld zonne-energie, komt men tot een 100 % milieuvriendelijke energiebron. Het afvalproduct is hier immers gewoon water. Het principe van de brandstofcel werd reeds omstreeks 1843 ontwikkeld door de Engelsman William Grove. De eerste praktische toepassingen vinden we in de ruimtevaart voor de productie van elektriciteit en water uit waterstof. Momenteel is de techniek van de brandstofcellen voldoende ontwikkeld voor toepassing in bijvoorbeeld kleine warmtekrachtinstallaties (waarmee men warmte en elektriciteit produceert) en auto s. Een praktisch probleem is echter een rendabele productie en distributie van waterstof. Verwacht wordt dat voor auto s binnen enkele jaren elektrische aandrijvingen, gevoed door brandstofcellen, kunnen concurreren met de huidige verbrandingsmotoren. Elektriciteit, van Amber tot Onmisbaar 13

14 Zonnepaneel Een totaal andere en tegenwoordig zeer actuele manier om gelijkstroom op te wekken is door middel van een zonnepaneel (ook pv-paneel genoemd naar het Engelse photovoltaic). Een zonnepaneel is samengesteld uit fotovoltaïsche cellen waarin zonne-energie wordt omgezet in elektrische gelijkspanning. Momenteel is het geen enkel probleem om de gelijkspanning uit zonnepanelen door een invertor om te zetten naar wisselspanning. Elektriciteit uit zonlicht kan met de huidige technieken reeds een belangrijk deel van de energiebehoeften in een woning dekken. De toepassing wordt momenteel sterk gestimuleerd door de hoge energieprijzen en de noodzaak om meer gebruik te maken van hernieuwbare energiebronnen. Fotovoltaïsche cellen zijn opgebouwd uit halfgeleidend materiaal waarin, onder invloed van zonlicht, elektronen worden losgemaakt. Die elektronen kunnen maar in één richting bewegen. Het effect was reeds in 1839 gekend. Het was echter onder impuls van de ruimtevaart dat de wetenschap vanaf 1950 op zoek ging naar mogelijkheden voor een rendabele praktische toepassing. 14 Elektriciteit, van Amber tot Onmisbaar

15 Van elektriciteit naar warmte Geschiedenis De stoommachine voor het verrichten van arbeid Door de eeuwen heen hebben mensen doorlopend naar mogelijkheden en middelen gezocht om lichamelijke arbeid te vergemakkelijken en menselijke beperkingen te elimineren. Naast paardenkracht opende de stoommachine hiertoe interessante perspectieven. Zij gaf een stevige impuls aan de industriële revolutie, die in Engeland startte op het einde van de 18 e eeuw. Een belangrijke bijdrage aan de ontwikkeling van de stoommachine leverde James Watt, een Schots ingenieur die in 1769 de eerder ontwikkelde primitieve stoommachines verbeterde tot werkelijk bruikbare machines. In 1784 verwierf Watt het patent op de stoomlocomotief. Paardenkracht Toen James Watt zijn stoommachine aanbood als alternatief voor een paard was het noodzakelijk om beide op hun vermogen tot arbeid te kunnen vergelijken. Hij moest immers kunnen aantonen hoeveel paarden men kan uitsparen met een van zijn stoommachines. Eerste omzetting van elektriciteit in een andere energievorm Tot 1830 was het nog niet helemaal duidelijk wat men met elektriciteit zinvol kon aanvangen. Buiten het trekken van vonken en geven van elektrische schokken op feestjes waren er geen echt bruikbare toepassingen. In de bierbrouwerij van de familie Joule in Salfort, Engeland, onderzocht zoon James, de mogelijkheid om stoommachines van de brouwerij te vervangen door elektrische machines. James Joule ontdekte dat elektriciteit in een geleider in warmte kon worden omgezet en warmte dus eigenlijk een vorm van arbeid is. Joule was de eerste die erin slaagde om elektriciteit om te zetten in een andere energievorm. Later werd zijn naam ingevoerd als de eenheid van arbeid. Arbeid = kracht * afgelegde weg A = F * S Joule = newton * meter Voor de classificatie van stoommachines introduceerde Watt de paardenkracht als het gemiddelde vermogen dat een paard langdurig kon leveren. Later werd 1 pk gedefinieerd als het vermogen dat nodig is om een last van 75 kg gedurende 1 seconde 1 meter omhoog te trekken. Vermogen wordt hier dus een uitdrukking die de arbeid per tijdseenheid weergeeft. James Watt James Joule Elektriciteit, van Amber tot Onmisbaar 15

16 Wat we nu weten Elektrische warmte In tal van elektrische toepassingen is warmte een ongewenst nevenproduct. Denk maar aan de gloeilamp of de motor van de stofzuiger. In heel wat elektrische toestellen vinden we dan weer elektrische verwarmingsweerstanden in alle afmetingen en vermogens. Elektrische verwarming, vaatwasmachine, wasmachine, linnendroger, haardroger, kookfornuis, koffieautomaat, boiler het zijn slechts enkele van de vele toepassingen waar warmte wordt geproduceerd door middel van een elektrische verwarmingsweerstand. Dergelijke weerstanden worden gefabriceerd in diverse modellen en zijn vervaardigd uit een legering van metalen die wordt gekozen in functie van de toepassing en de gewenste hoeveelheid warmte. De warmte, opgewekt door een elektrische stroom, wordt ook gebruikt in een smeltzekering of automaat. Hier doet de warmte respectievelijk een gekalibreerde geleider doorbranden of ontgrendelt zij door middel van een bi-metaal een schakelmechanisme. De aangesloten voedingskringen worden hierdoor beveiligd tegen een te hoge elektrische stroom. Vermogen Het vermogen van machines en motoren werd vroeger uitgedrukt in pk (paardenkracht). Een uitdrukking van vermogen die dateert van de tijd van James Watt met zijn stoommachines. Later werd de eenheid van vermogen naar hem genoemd : de Watt. 1 pk komt overeen met ongeveer 735 W of 0,735 kw 1 kw komt overeen met ongeveer 1,36 pk In de automobielsector spreekt men soms nog van pk maar over het algemeen wordt een vermogen vandaag uitgedrukt in Watt (W) met als veelvoud de kw, die gelijk is aan W. De warmteleer stelt dat de hoeveelheid warmte die nodig is om 1 gram zuiver water 1 graad te verwarmen gelijk is aan 1 calorie. Een veelvoud is de kilocalorie (1 kcal = 1000 cal) : dat is de hoeveelheid warmte nodig om 1 liter water 1 graad te verwarmen. 1 kcal = 1,16 W 1 kw = 860 kcal In de voedingsleer wordt de kilocalorie (kcal) nog veel gebruikt, maar steeds vaker vervangen door de kilojoule (kj), waarbij 1 kcal = 4,186 kj 16 Elektriciteit, van Amber tot Onmisbaar

17 Van magnetisme tot dynamo Geschiedenis Eerste omzetting van elektriciteit in mechanische kracht Tijdens een verder onderzoek naar de thermische werking van elektriciteit ontdekte de Deense natuur- en scheikundige Hans Christian Oersted het verband tussen elektriciteit en magnetisme. Z Sterker magnetisch veld door middel van een solenoïde Het was de Franse natuurkundige André-Marie Ampère die aantoonde dat het magnetisch veld rond een stroomvoerende geleider verloopt in concentrische cirkels en dat dit veld een aantrekkende of afstotende werking heeft naargelang de stroomrichting doorheen de geleider. Ampère ontdekte ook dat het krachtveld kon worden versterkt door de geleider schroefvormig te wikkelen, de zogenaamde Solenoïde. N Magnetisch veld rond een stroomvoerende geleider Door een stroomvoerende geleider (toevallig!) in de nabijheid van een kompas te brengen, liet hij de naald van het kompas uitwijken. Zijn conclusie was dat de stroomvoerende geleider een magnetisch veld creëerde. Dergelijk veld heeft dus geen mechanische koppeling tussen geleider en kompasnaald, maar kan toch een kompasnaald doen bewegen. Het magnetisch veld realiseert dus een overbrenging van mechanische kracht die afkomstig is uit de stroomvoerende geleider. Voor de verdere ontwikkeling van elektrische toepassingen was deze ontdekking zeer belangrijk. Hier werd voor de eerste keer elektriciteit omgezet in een mechanische kracht : de elektromotor was geboren. Oersted kon echter geen verklaring geven voor dit verschijnsel. Later werd de eenheid van magnetisme naar hem genoemd : de Oersted. Solenoïde Ontdekking van de elektromagnetische inductie De Amerikaan Joseph Henry en de Engelsman Michaël Faraday ontdekten rond 1831 dat het door Oersted en Ampère vastgestelde verschijnsel ook omkeerbaar is. Zij ontdekten dat een bewegende magneet een spanning kan opwekken in een gewikkelde geleider (een spoel). Mechanische energie werd hier dus voor de eerste maal omgezet in elektriciteit. Hier gebeurde ook de ontdekking van de elektromagnetische inductie, waarmee de basis werd gelegd voor de elektrische motor en de stroomgenerator. Hans Christian Oersted André-Marie Ampère Elektriciteit, van Amber tot Onmisbaar 17

18 Eerste machine voor productie van elektriciteit De eerste machine om met een bewegende magneet elektriciteit op te wekken in een spoel werd in 1832 gebouwd door Nicolas-Constant Pixii, een instrumentenbouwer uit Parijs. Zijn toestel, een zogenaamde magneto, bestond uit een houten statief waarop een vaste spoel met weekijzerkern was gemonteerd. Door middel van een hendel en een tandwieloverbrenging liet hij de polen van een U-vormige magneet tegenover de kern van de spoelen draaien. Doordat de spoelen afwisselend onder invloed komen van de N-pool en de Z-pool van de magneet, wisselt de richting van de magnetische krachtlijnen en dus ook de richting van de geïnduceerde stroom. Deze machine genereerde dus een wisselspanning. Pixii voorzag zijn machine van een door André Ampère uitgevonden commutator. Dat is een mechanische gelijkrichter die de opgewekte wisselspanning omzette in gelijkspanning. Uiteindelijk gaf de machine dus een pulserende gelijkspanning. Telkens de magneet de spoelen passeerde, kreeg je een spanningspuls. Een commutator is ook nu nog een onmisbaar onderdeel in elke gelijkstroommotor en enkelfasige wisselstroommotor. Bij verdere proefnemingen stelden onderzoekers vast dat de opgewekte spanning hoger werd als ze een sterkere (en dus grotere en zwaardere) permanente magneet gebruikten. De constructie werd dus zwaarder, waarbij het praktischer was om de permanente magneet vast te monteren en de spoelen te laten draaien in het magnetisch veld. Edward Clarke bouwde in 1836 een spanningsgenerator waarin de zware magneet, de stator, vertikaal staat opgesteld en de spoelen tussen de polen draaien. De opgewekte spanning in de draaiende spoelen, de rotor, werd afgetakt door middel van glijcontacten op de commutator. Een relatief krachtige gelijkstroomgenerator, de macchinetta (klein machientje), werd in 1860 ontwikkeld door Antonio Pacinotti. Hij verving de draaiende spoel door een ring in weekijzer waarop hij een spoel wikkelde. Men noemt dit ook een ringanker. Het magneetveld van de permanente magneet, de stator, loopt hier ook door het ringanker en over de wikkelingen op dit ringanker, waardoor een hogere geïnduceerde spanning wordt opgewekt. Elke wikkeling is afzonderlijk met segmenten van een commutator verbonden. Deze techniek is bekend als de ring van Pacinotti. Omdat er tijdens het draaien voortdurend een wikkeling voorbij de polen van de permanente magneet passeert, ontstaat een nagenoeg constante gelijkspanning. Hier werd de eerste praktisch bruikbare gelijkstroomdynamo ontwikkeld. Ring van Pacinotti In 1866 gebruikte Henry Wilde een elektromagneet in plaats van een permanente magneet. De stroom voor het magnetisch veld van de elektromagneet werd geleverd door een batterij. Het was Werner Von Siemens, Duits uitvinder en industrieel, die in 1867 een deel van de opgewekte stroom gebruikte voor het opwekken van het elektromagnetisch veld. De veldsterkte van de elektromagneet en het geproduceerde vermogen werd hierdoor veel hoger. Machine van Clarke Werner Von Siemens 18 Elektriciteit, van Amber tot Onmisbaar

19 Constructie van de eerste gelijkstroomgenerator voor hoog vermogen Zoals met vele uitvindingen het geval is, stelt zich ook in deze geschiedenis regelmatig de vraag wie van iets eigenlijk de eerste uitvinder is. Dit is ook het geval bij de Belg Zénobe Gramme, een timmerman die zich door zelfstudie opwerkte tot onafhankelijk onderzoeker en zich vestigde in Parijs. Hij bouwde in 1869 een gelijkspanningsdynamo die (al dan niet toevallig) de kenmerken van de machines van Pacinotti, Wilde en Siemens in zich droeg : de Grammedynamo. Bij deze dynamo zijn op het ringvormige anker een dertigtal spoelen van koperdraad gewikkeld. Elke verbinding van twee opeenvolgende spoelen is verbonden met een commutator waarover twee koolborstels glijden. Het magnetisch veld van de stator, geleverd door een permanente magneet, loopt door het ronddraaiende ringanker en over de ankerspoelen. Er wordt dus een spanning geïnduceerd in twee over elkaar liggende spoelen van het anker. Door het grote aantal ankerspoelen in de Gramme-dynamo is er nagenoeg op elk tijdstip van het ronddraaien een spoel voor de magneet en is de opgewekte spanning praktisch constant. Zo bekom je een nagenoeg gelijkmatige gelijkstroom. Vanaf nu werd het voor de productie van elektriciteit mogelijk om de zware batterijen te vervangen door een gelijkstroomgenerator (een dynamo) die permanent een grote stroom kon leveren. Eerste transport van elektrische energie als bron voor mechanische energie Op de wereldtentoonstelling van 1873 in Wenen demonstreerde Gramme de koppeling van twee generatoren die op 2 km afstand van elkaar waren opgesteld. Liet men één als generator werken, dan werkte de andere als elektrische motor. Dat principe werd eigenlijk ontdekt door een medewerker van Gramme : Hippolyte Fontaine. Zénobe Gramme Gramme-dynamo Elektriciteit, van Amber tot Onmisbaar 19

20 Aandrijving van de dynamo door een turbine De experimentele dynamo s evolueerden dus naar grotere exemplaren die aanzienlijke vermogens konden leveren. De rotor van de dynamo moest mechanisch worden aangedreven tot een hoog toerental. Dat werd gedaan door een turbine. Hiermee werd stromingsenergie van een fluïdum (vloeistof, gas, stoom, wind ) omgezet in mechanische energie door middel van een schoepensysteem. De naam turbine is afkomstig van het Latijnse turbinis, wat wervelstroom betekent. Het principe was reeds gekend bij de wind- en watermolens die onder andere zware molenstenen deden ronddraaien. Voor de productie van elektriciteit werd de turbine dus gekoppeld aan de rotor van een dynamo (voor de productie van gelijkspanning) of een alternator (voor de productie van wisselspanning). In een eerste fase waren het vooral stoomturbines. Met als primaire brandstof hout of steenkool werd stoom geproduceerd op hoge druk. Die stoom gaf de stuwkracht aan een stoomturbine. In een hydro-elektrische centrale werd stromend water over schoepen van een waterturbine geleid. De eerste grootschalige praktische toepassingen van elektriciteit De telegraaf Telegraaf van Samuel Morse Voortbouwend op de waarnemingen van Faraday werd het mogelijk om door middel van een elektromagnetische spoel een metalen stift te laten bewegen. De stroom naar deze elektromagnetische spoel kon hierbij worden geschakeld op een (grote) afstand van de spoel. Samuel Morse liet in 1837 de bewegingen van de stift gecodeerd verlopen door middel van een punt-streepjes code, het zogenaamde Morse alfabet. Zo werd het mogelijk om geschreven berichten met behulp van elektriciteit en een elektrische draad direct over grote afstanden te verzenden. De telegraaf was geboren. In september 1837 slaagde Morse erin een verbinding over 5 km te realiseren. De eerste internationale zeekabel werd gelegd in 1850 tussen Dover en Calais en de eerste trans-atlantische verbinding kwam in 1858 tot stand. De telefoon Na de telegraaf kwam de telefoon. Verschillende uitvinders sleutelden aan een systeem om spraak over te brengen. Alexander Graham Bell geldt als de uitvinder van de telefoon omdat hij erin slaagde een door iedereen bruikbaar toestel te ontwikkelen. Hij kreeg hiervoor een octrooi in Samuel Morse Alexander Graham Bell 20 Elektriciteit, van Amber tot Onmisbaar

21 De gloeilamp De ontwikkeling van de gloeilamp begon kort na de uitvinding van Volta. H. Davy deed in 1802 metaaldraden gloeien met een elektrische stroom. Van een echte verlichting was echter nog geen sprake omwille van de snelle oxidatie en het doorbranden van de gloeidraden. Dat veranderde in 1868 toen Swan de gloeidraad opstelde in een vacuüm glazen omhulsel. De lamp was geboren. In 1878 nam Edison een eerste octrooi op een gloeilamp met gloeidraad in platina. Edison experimenteerde verder, wat uiteindelijk een gloeilamp opleverde met verkoolde bamboevezel als gloeidraad. De levensduur lag rond de 40 uur. Om een snelle vervanging van een lamp mogelijk te maken, ontwikkelde Edison ook de Edison schroeffitting, die nu nog steeds in gebruik is. In 1882 werd de eerste straatverlichting met gloeilampen gerealiseerd in Pearl Street in New York. Thomas Edison De eerste productie van elektriciteit in Antwerpen De mogelijkheid om op grote schaal elektriciteit te gebruiken, is uiteraard erg afhankelijk van de beschikbaarheid. Er waren dus elektriciteitscentrales nodig en elektriciteitsnetten voor de verdeling van elektriciteit. Anderzijds moest er ook een vraag zijn naar elektriciteit. Elektrische verlichting creëerde dergelijke vraag. Rond 1880 werd in Antwerpen de eerste elektriciteit geproduceerd, uitsluitend voor eigen (experimenteel) gebruik. Verdeling naar de bewoners van de stad was onmogelijk omwille van een verlichtingsconcessie die de stad had verleend aan de Gasmaatschappij. Die concessie was een gevolg van een decreet van 1789 waardoor de gemeenten verplicht waren te zorgen voor de verlichting van de wegen. Door deze concessie was er geen toekomst voor elektriciteit en ging de Compagnie Générale d Electricité ten onder. De druk tot het herzien van deze concessie nam sterk toe naar aanleiding van de wereldtentoonstelling van 1885, die doorging in Antwerpen en in het teken stond van elektriciteit. Na lang onderhandelen werd de NV Compagnie Hydro- Electrique Anversoise opgericht die in 1893 een veertigtal gebruikers bevoorraadde. Het was een financiële ramp. De productietechniek was echter uniek : water onder hoge druk werd in leidingen over de stad Antwerpen verspreid en dreef waterturbines aan die in omvormingsstations stonden opgesteld. Van hieruit vertrokken ondergrondse kanalen waarin blanke metalen geleiders de elektriciteit verdeelden. Gloeilamp Compagnie Hydro-Electrique Anversoise Elektriciteit, van Amber tot Onmisbaar 21

22 Vanaf 1901 werden de voornaamste straten van Antwerpen elektrisch verlicht. De eerste 152 booglampen vroegen echter heel wat onderhoud. Om de twee dagen moesten de koolstiften worden vervangen en de armaturen gereinigd. In 1908 werd de thermische centrale van Merksem in dienst genomen door de Elektriciteitsmaatschappij der Schelde en richtte zich naar de omliggende gemeenten. De productiecapaciteit was er, maar wegens de verlichtingsconcessie was het niet rendabel om een distributienet uit te bouwen. Verlichting was toen immers zowat de enige praktische toepassing. Hierin kwam verandering door de wet van 1922 die de productie en de hoogspanningsdistributie vrijmaakte, maar voor de laagspanningsdistributie een monopolie van de gemeenten maakte. Deze wet ligt tevens aan de basis van de vroegere zuivere en gemengde intercommunales. IMEA was de eerste gemengde intercommunale. Von Siemens legde in 1881 de eerste (experimentele) tramlijn aan in de omgeving van Berlijn. In België rijden de eerste elektrische trams in Brussel in Deze trams reden op gelijkspanning. Ook nu nog rijden trams op een gelijkspanning van 600 of 750 V. De stroom wordt toegevoerd langs een bovenleiding en afgevoerd via de wielen en de rails Munt-kilowattuurmeter Telkens voor 10 cent stroom. Een budgetmeter avant la lettre Paardentram Antwerpse Grote Markt, rond Elektriciteit, van Amber tot Onmisbaar

23 Wat we nu weten Magnetisme We zagen reeds dat elk atoom elektronen heeft die draaien rond een kern. Nu draaien deze elektronen op hun beurt ook rond hun eigen as. Volgens recent wetenschappelijk onderzoek wordt magnetisme veroorzaakt door deze laatste beweging. Elk elektron heeft dus een bepaald magnetisme in een bepaalde richting. Al deze magnetische krachten van de verschillende elektronen in een atoom heffen elkaar op wanneer het materiaal niet in magnetische toestand is. Hierdoor oefent het atoom in zijn geheel, en dus ook het metaal waarvan het deel uitmaakt, geen magnetische kracht uit. In gemagnetiseerde toestand worden al deze kleine magneetjes in een zelfde richting georiënteerd, zodat hun magnetische velden zich samenvoegen en er een magnetische werking naar buiten ontstaat. Enkel ijzer, staal, nikkel, kobalt en legeringen met deze metalen, kunnen worden gemagnetiseerd. Deze magnetische werking manifesteert zich onder de vorm van een magnetisch veld dat we ons kunnen voorstellen als een samenstelling van veldlijnen. Deze veldlijnen verlaten de magneet via de noordpool en komen terug in de magneet via de zuidpool, net zoals dat bij het aardmagnetisme het geval is. De dichtheid van de veldlijnen is het hoogste in de onmiddellijke nabijheid van de polen en neemt af naargelang de afstand tot de magneet groter wordt. Een andere manier om een magnetisch veld te creëren is, zoals Oersted ontdekte, een elektrische stroom doorheen een spoel (een solenoïde) sturen. Dergelijke spoel is samengesteld uit vele windingen. Elke winding wekt een magnetisch veld op dat dezelfde grootte heeft en dezelfde richting. Al deze magnetische velden voegen zich samen tot één sterk magnetisch veld waarvan de polen zich aan de uiteinden van de spoel bevinden. Primaire energie Omdat niets uit het niets kan ontstaan, is voor elke productie van elektriciteit basisenergie nodig, onder een andere vorm, die wordt omgezet in elektriciteit. Deze basisvorm van energie noemen we de primaire energie. Bij zonnepanelen is de omzetting direct. De primaire energie van de zon wordt door de zonnecellen direct omgezet in elektriciteit. Bij thermische centrales wordt de alternator aangedreven door een stoomturbine. Primaire energie voor het fabriceren van deze stoom zijn bijvoorbeeld : Steenkool Aardgas Stookolie Kernbrandstof Gas uit biomassa Brandbaar restafval Houtpellets. In een ander type centrale wordt de alternator direct aangedreven door de schoepen van een windmolen of een waterrad. Primaire energie is hier respectievelijk wind en water. De benaming van een productie-eenheid of centrale verwijst gewoonlijk naar het soort primaire brandstof die wordt gebruikt. Elektrische stroom Veldlijnen van een staafmagneet Elektromagnetisch veld van een spoel Elektriciteit, van Amber tot Onmisbaar 23