5 SPANNINGSBRONNEN en VERBRUIKERS

Transcriptie

1 5 SPANNINGSBRONNEN en VERBRUIKERS Om een lamp te laten branden, een rekenmachine te laten rekenen, een walkman muziek te laten weergeven heb je een bron van elektrische energie nodig. Een spanningsbron is een bron van elektrische energie en komt voor in verschillende uitvoeringen. Er zijn twee soorten stroombronnen 1 Gelijkstroom Gelijkstroom is een elektrische stroom die altijd in dezelfde zin vloeit. Deze figuur toont een eenvoudige schakeling: een weerstand, aangesloten op een 9 V -batterij en een ampèremeter. Op de grafiek is de stroomsterkte die de ampèremeter aanwijst grafisch uitgezet in functie van de tijd. Erg spectaculair is die grafiek niet. Op ieder ogenblik zal de ampèremeter een stroomsterkte van 9 A door de weerstand meten. Pas na lange tijd, als de batterij leeg raakt, zal de spanning van de batterij dalen en de stroomsterkte afnemen. Wanneer we de polariteit van de batterij (spanningsbron) omkeren door de klemmen te verwisselen, dan blijft de stroomwaarde gelijk. De zin van de stroomsterkte verandert echter. We stellen dit grafisch voor op volgend blad. Het teken dat de stroomwaarde voorafgaat, wijst enkel op de stroomzin, hier +9 ma en -9 ma Meettechniek Hoofdstuk 5 1

2 Afhankelijk van de waardeverandering van de elektrische stroom in functie van de tijd spreken we van een constante, een veranderlijke of een periodieke gelijkstroom. Meettechniek Hoofdstuk 5 2

3 Als in de opstelling van de eerste figuur de bronspanning of de weerstandswaarde voortdurend verandert dan zal ook de stroomsterkte voortdurend in waarde veranderen. De zin van de stroomsterkte blijft hierbij steeds gel uk (zelfde polariteit). Bovenstaande figuur toont het verloop van een veranderlijke gelijkstroom. Bovenstaande figuur toont het verloop van een periodieke gelijkstroom. Een periodieke gelijkstroom of pulserende stroom is een gelijkstroom die na gelijke tijdsintervallen ( T ) telkens dezelfde kenmerken aanneemt. 2 Wisselstroom In onderstaande figuur sluiten we de weerstand R via een omschakelaar S aan op een spanningsbron. In de getekende stand van de schakelaar zal de stroomsterkte door R vloeien zoals in figuur 1. De ampèremeter zal +9 ma aanwijzen. Zet je de schakelaar in de andere stand, dan worden (+) en (-) van de batterij gewisseld. De ampèremeter zal dan een stroomsterkte van -9 ma aanduiden. Als we nu de omschakelaar voortdurend van stand verwisselen, dan zal de stroomzin voortdurend wisselen. In dat geval spreken we van wisselstroom. Meettechniek Hoofdstuk 5 3

4 Dit kunnen we grafisch weergeven zoals in onderstaande figuur is gedaan. We gaan ervan uit dat de wisselschakelaar S elke seconde wordt omgeschakeld. De positieve stroomsterkte wordt uitgezet boven de horizontale lijn, die je tijdas noemt. De negatieve stroomsterkte zet je uit onder de tijdas. Uit de grafiek kan je aflezen dat na 5 seconden (punt A) de A-meter +9 ma aanwijst en na 6,5 seconden (punt B) -9 ma. In ons voorbeeld verandert de stroom iedere 1,5 seconde ( T) van zin. Daarom spreken we van een periodieke wisselstroom. Een veel voorkomende periodieke stroom is de sinusvormige wisselstroom. In het vervolg zullen we met wisselstroom altijd de sinusvormige veranderlijke stroom bedoelen. Meettechniek Hoofdstuk 5 4

5 5.1 Batterijen Een batterij is een spanningsbron die chemische energie omzet in elektrische (zie paragraaf 3). Figuur 16 de toont meest voorkomende typen batterijen OPBOUW De dikkestaaf en de penlite - of penlight -batterij zijn opgebouwd uit een enkele cel. Zo n cel bestaat uit een zinken bus, gevuld met bruinsteenpoeder dat gedrenkt is in een samiakoplossing. In het midden is een staaf van geperste koolstof aangebracht. Tussen de zinken bus en de koolstaaf ontstaat een spanning van 1,5 V, tenminste als de batterij niet leeg is. De koolstaaf is de positieve pool, de zinken de negatieve pool. Figuur 17 geeft dit nog eens schematisch weer. Meettechniek Hoofdstuk 5 5

6 5.1.2 SERIESCHAKELING VAN BATTERIJEN Je hebt in oefening 2 proefondervindelijk vastgesteld dat het mogelijk is hogere spanningen te verkrijgen door twee of meer cellen in serie te schakelen. Voorbeeld: Als je 3 cellen van 1,5 V in serie plaatst, dan verkrijg je een spanning van 3x1,5V = 4,5V tussen de uiteinden. Op deze wijze kan in principe elke willekeurige spanning verkregen worden die een veelvoud is van 1,5 V. Het woord batterij betekent eigenlijk een groep bij elkaar horende elementen. Zo zijn er batterijen van 1,5 V, 3V, 4,5V, 6V, 9V enz. In de praktijk worden de cellen niet altijd achter elkaar gelegd. Figuur 19 toont bijvoorbeeld de opbouw van een platte batterij. De drie cellen zijn als bet ware opgevouwen tot een pakketje. De vrije koolstaaf van de linkercel is verbonden met een korte koperen strip. de bus van de rechtercel met een langere koperstrip. De korte strip is de positieve pool, de lange de negatieve. Meettechniek Hoofdstuk 5 6

7 Figuur 20a is het schemasymbool van een 4,5 V-batterij. Als een batterij uit veel cellen bestaat, tekenen we niet alle cellen, maar kiezen we de oplossing in figuur 20b OPLAADBARE BATTERIJEN Oplaadbare batterijen kan je als zij ontladen zijn terug opladen met een andere spanningsbron zoals een elektronische voeding of een generator. Voorbeelden van oplaadbare batterijen zijn de accu van een wagen (fig. 21) of de NiCa (nikkel-cadmium) batterij van een draagbare computer CAPACITEIT VAN EEN BATTERIJ Naast de spanning is de capaciteit een belangrijk kenmerk van een batterij. De capaciteit van een batterij geeft aan hoe lang een batterij een bepaalde stroomsterkte door een verbruiker kan laten vloeien. De capaciteit drukt men uit in ampère-uur (Ah). Heeft een accu van een wagen bijvoorbeeld een capaciteit van 50 Ah. dan kan hij gedurende 5 uur een stroom van 10 ampère leveren of gedurende 10 uur een stroom van 5 ampère. De capaciteit van een batterij is sterk afhankelijk van de temperatuur. Hoe lager de temperatuur hoe kleiner de capaciteit van een batterij is. Dit merkje in de winter als bij plots lagere temperaturen je wagen moeilijk of niet start. Meettechniek Hoofdstuk 5 7

8 5.2 Elektronische voeding De elektriciteitsmaatschappij levert ons elektrische energie in de vorm van wisselspanning. Een elektronische voeding vormt deze wisselspanning om tot gelijkspanning en dan kan je deze als spanningsbron gebruiken worden in plaatst van batterijen voor het voeden van een toestel of apparaat. Bij de meeste toestellen is deze elektronische voeding ingebouwd. Soms vind je een extreme gelijkspanningsvoeding (in het Engels AC-DC adapter) zoals in figuur Zonnecellen Het proces bij zonnecellen heet fotovoltaïsche omzetting. Hierbij wordt zonne-energie in elektrische energie omgezet. Meettechniek Hoofdstuk 5 8

9 Een zonnecel bestaat uit twee laagjes halfgeleidermateriaal (silicium). Als er lichtstralen op de zonnecel vallen, dan komen er in het materiaal elektronen vrij die een spanningsverschil veroorzaken tussen de twee lagen. Er ontstaat een spanningsbron. Zonnecellen worden steeds meer als spanningsbron gebruikt. Denken we aan rekenmachines, horloges, parkeermeters enz Generatoren Generatoren zijn machines die mechanische energie omzetten in elektrische energie. Generatoren werken volgens het principe van elektromagnetisme (zie lespakket 3). Door het bewegen van een geleider in een magnetische veld wordt er in de draad een spanning opgewekt. Vroeger werden alle machines die mechanische energie omzetten in elektrisch energie dynamo s of alternatoren genoemd. Tegenwoordig spreken we van gelijkstroom- of wisselstroomgeneratoren. Auto s zijn veelal uitgerust met een wisselstroomgenerator (figuur 25) voor het opwekken van een wisselspanning. Deze wisselspanning wordt na omvorming tot een gelijkspanning Meettechniek Hoofdstuk 5 9

10 5.4.1 ELEKTRICITEITSCENTRALE Hoewel het dikwijls mogelijk is de ene soort energie om te zetten in een andere, gebeurt dat bijna nooit volledig. Als voorbeeld nemen we een elektriciteitscentrale (figuur 25a). FIG 25a Bij bet verbranden van de steenkool of bet aardgas wordt bijna alle chemische energie in de stoomketel omgezet in warmte die water verhit tot stoom. Van die warmte verdwijnt echter een groot gedeelte via het koelwater en de verbrandingsgassen naar buiten toe. De stoom (thermische energie) doet een turbine draaien (mechanische energie) die een generator aandrijft. In de generator wordt de toegevoerde mechanische energie omgezet in elektrische energie. De condensor en koeltoren worden gebruikt om de stoom af te koelen tot water. Van de mechanische energie die de turbine aan de generator levert, wordt opnieuw een gedeelte omgezet in warmte. De generator wordt immers warm en aan die warmte hebben we eigenlijk mets. Het gevolg van al deze verliezen is dat van alle chemische energie, aanwezig in de brandstof, slechts 40% uiteindelijk wordt omgezet in de elektrische energie die we wensen. Je zegt dan dat bet rendement van de centrale 40% bedraagt. Het rendement wordt aangeduid met de Griekse letter η (spreek uit: èta). Wat is er met de overige 60% gebeurd? Twee opmerkingen hierover: Er gaat nooit energie echt verloren gaan. Die 60% energie die niet wordt omgezet in elektriciteit, is niet nuttig gebruikt. Die wordt gebruikt om bet koelwater en de lucht te verwarmen. Meettechniek Hoofdstuk 5 10

11 5.4.2 DISTRIBUTIENET De opgewekte elektriciteit moet vanuit de centrales over bet heel land verdeeld worden. Daarvoor zijn vele elektrische leidingen nodig. Deze kunnen bovengronds of ondergronds geplaatst zijn. Samen vormen ze de distributie installatie. De alternatoren in de elektrische centrales produceren elektriciteit onder een spanning van tot Volt. Dit noemen we de productiespanning Om echter elektriciteit onder gunstige voorwaarden te vervoeren hebben wij een geschikte transportspanning nodig. Deze bedraagt tot V en zelfs V. Het vervoer van elektriciteit over grote afstanden gebeurt altijd onder hoogspanning (tot V.) Via hoogspanningsleidingen, zowel bovengronds als ondergronds. wordt de elektrische energie vanaf de hoogspanningspost naar de industriële afnemers en de distributiecentra gebracht. In d.c distributiecabines wordt de spanning verlaagd tot 220/380 V. Tenslotte komt uit d.c cabines de zogenaamde laagspanningleiding waarop onze huizen zijn aangesloten. De bovengrondse leidingen treffen we aan in de landelijk gemeenten; d.c ondergrondse leidingen worden aangelegd in steden en dicht bebouwde centra TRANSFORMATOR Het toestel waarmee we de spanning kunnen veranderen noemen we de transformator. In een transformator vinden wij een gesloten U-vormige kern waarop twee spoelen geplaatst zijn. De ene spoel is de primaire. de andere de secundaire spoel. FIG 26 De spoelen bevatten een verschillend aantal windingen. BV. primaire spoel -weinig windingen: laagspanning secundaire spoel - veel windingen: hoogspanning Meettechniek Hoofdstuk 5 11

12 Willen we de spanning met een transformator opdrijven. dan moet de secundaire meer windingen bevatten, wil men de spanning verlagen, dan zal de secundaire spoel minder windingen moeten tellen dan de primaire spoel. Het verlagen van de spanning is ook van toepassing in het huishouden, b.v. elektrische bel. elektrisch speelgoed. enz. 5.5 VERWARMINGSELEMENTEN In een weerstand wordt de elektrische energie omgezet in warmte. Hoe komt dat? Eerst even bekijken wat warmte is. Vrijwel iedere stof is opgebouwd uit moleculen, die op hun beurt bestaan uit atomen van gelijke of verschillende elementen. De atomen bestaan op hun beurt uit positieve kernen en negatieve elektronen. Die elektronen zijn praktisch nooit in rust. Ze bewegen voortdurend en botsen daarbij tegen elkaar aan. Hoe heftiger de bewegingen zijn, des te hoger is de temperatuur van een lichaam. Je zegt dat bij stijgende temperatuur de inwendige energie van dat lichaam toeneemt. Een weerstand die geen elektrische stroom voert, neemt de temperatuur van zijn omgeving aan. Hij staat dan geen warmte aan zijn omgeving af en neemt ook geen warmte op. Dit betekent niet dat de inwendige energie nul is. Laten we nu een elektrische stroom door de weerstand vloeien. dan ontstaat er een verplaatsing van de elektronen. Bij hun tocht door de weerstand botsen de elektronen, die daardoor heftiger gaan bewegen. De temperatuur van de weerstand zal stijgen. Hierdoor zal de weerstand warmer worden dan zijn omgeving. Omdat de natuur altijd naar evenwicht streeft. zal de weerstand warmte afstaan aan zijn omgeving. De elektrische energie is omgezet in thermische energie en die wordt afgestaan aan de omgeving. Soorten verwarmingstoestellen Van de mogelijkheid elektrische energie om te zetten in warmte maken we dankbaar gebruik. Dat doen we met behulp van verwarmingselementen. Op figuur 27 hebben we enkele soorten verwarmingstoestellen afgebeeld, een straalkachel (figuur 27 a), een ventilatorkachel (figuur 27 b). In beide de toestellen wordt de warmte geleverd door een elektrisch verwarmingselement (weerstand). FIG 27 Meettechniek Hoofdstuk 5 12

13 De twee verwarmingselementen uit figuren 27 hebben we niet willekeurig gekozen. Ze illustreren dat er twee manieren zijn waarop een warm lichaam warmte kan afstaan aan de omgeving, er is nog een derde wijze. Die drie manieren zijn: - straling (figuur 27a); - convectie (figuur 27b); - geleiding. Alle voorwerpen zenden warmtestraling uit. Hoe hoger de temperatuur, des te meer straling. Deze straling is een vorm van elektromagnetische straling, net als licht en radiogolven. De warmtestraling gedraagt zich dan ook tot op zekere hoogte net als licht: ze plant zich rechtlijnig voort. Dat kan je voelen als je in de zon staat, een gigantische warmtebron. De kant van je lichaam die naar de zon is gekeerd wordt warm, de schaduwkant niet. We maken gebruik van stralingswarmte als we ons snel willen warmen. Om die reden worden in badkamers vaak warmtestralers gebruikt. Een kenmerk van stralingswarmte is datje er moeilijk een ruimte mee kan verwarmen. Als je een straalkachel uitschakelt, is het vrijwel onmiddellijk weer koud. Een warm voorwerp, bijvoorbeeld een kachel, kan ook warmte afstaan door convectie, dat wil zeggen door die warmte over te dragen aan de lucht die langs bet warme oppervlak strijkt. Bij een ventilatorkachel gebeurt dat geforceerd: een ventilator zorgt ervoor dat er lucht langs bet verwarmingselement wordt geblazen. Bij sommige verwarmingstoestellen. zoals de kolen- convector, vindt de luchtcirculatie op natuurlijke wijze. dus niet-geforceerd, plaats. De derde manier waarop een warm lichaam warmte kan is door middel van geleiding. Daarbij zijn het verwarmingselement en datgene dat we willen verwarmen in direct contact met elkaar. Voorbeelden hiervan zijn een strijkijzer en een elektrische soldeerbout. Bij deze toestellen gebruiken we materialen die de warmte goed geleiden, zoals aluminium en koper. In de praktijk geeft een verwarmingstoestel dikwijls op verschillende manieren warmte af Een radiator geeft bijvoorbeeld zowel stralings- als convectiewarmie af. En een hete soldeerbout geeft alleen geleidingswarmte af tijdens bet solderen; als hij ongebruikt op de werktafel ligt, verdwijnt alle warmte door middel van straling en convectie. Dat is maar goed ook, anders zou oververhitting optreden. 5.6 GLOEILAMPEN Een gloeilamp (figuur 28) is in feite ook een verwarmingselement. Iedere gloeilamp bevat een spiraal van metaaldraad (meestal wolfram) dat goed bestand is tegen zeer hoge temperaturen. De elektrische stroom verhit de gloeidraad tot een zo hoge temperatuur. dat zij licht gaat uitstralen. Dat neemt niet weg dat de meeste elektrische energie wordt omgezet in warmte: circa 95%! Slechts ongeveer 5% wordt omgezet in licht. Dit is een benadering, want er zijn tamelijk grote verschillen tussen verschillende soorten gloeilampen. Overigens blijkt hieruit weer dat warmte- en lichtstraling aan elkaar verwant zijn. Een belangrijk gegeven van een gloeilamp is de brandspanning, aangegeven in volt. Lampen die bestemd zijn om op bet net te worden aangesloten hebben een brandspanning van 230 V. Maar er zijn ook lampen voor lagere brandspanningen, bijvoorbeeld voor gebruik in auto s. Deze hebben doorgaans een brandspanning van 12 V (soms 6 V). Het is nodig zo nauwkeurig mogelijk de juiste brandspanning aan te houden. Bij een te lage spanning geeft de lamp te weinig licht, maar bovendien vermindert bet rendement. Een lamp voor 230 V, aangesloten op Meettechniek Hoofdstuk 5 13

14 een spanning van 100 V. geeft bijna uitsluitend warmte en dat terwijl het rendement toch al niet om over naar huis te schrijven was. Een te hoge spanning heeft tot gevolg dat de levensduur van de lamp sterk terugloopt. Als de spanning veel te hoog is, kan de gloeidraad binnen enkele seconden doorbranden. FIG 28 Een ander belangrijk gegeven van elk elektrisch toestel, dus ook van een gloeilamp, is de belasting die ze vormt voor het net waarop ze is aangesloten. De belasting is het vermogen. uitgedrukt in watt, dat het toestel (in dit geval de lamp) opneemt bij de opgegeven brandspanning. 5.7 ELEKTROMOTOR Elektromotoren zijn machines die elektrische energie omzetten in mechanische energie. Je hoeft niet de deur uit te gaan om een elektromotor te zien. Er zijn talrijke voorbeelden van elektrische huishoudelijke apparaten: wasmachines, centrifuges, scheerapparaten, keukenmixers, ventilatoren, handboormachines, stofzuigers en droogtrommels. FIG 29 Figuur29 toont een opengewerkte handboormachine. Ook in de auto gebruikt men elektromotoren: de ruitenwisser, de startmotor, de ventilator en de motor voor het openen en sluiten van portierramen en schuifdak. Meettechniek Hoofdstuk 5 14

15 5.8 OPMERKING ELEKTROCUTIE Kom je met je lichaam in aanraking met bet elektriciteitsnet, dan zoekt de elektrische stroom zich een weg door je lichaam. Dit veroorzaakt in je lichaam ernstige letsels (verbranden) of zelfs de dood door spierkramp of verlamming (elektrocutie) Bij werkzaamheden aan de elektrische installatie of bij het herstellen van defecte toestellen of machines is het daarom belangrijk te werken volgens de veiligheidsvoorschriften (zie hoofdstuk Veiligheid). Meettechniek Hoofdstuk 5 15