nw i 3 elektriciteit

I 3 Elektriciteit

3.1 Elektriciteit: geen natuurlijk fenomeen?

Lading in beweging

3.1 Elektriciteit: geen natuurlijk fenomeen?

Elektriciteit = menselijke uitvinding

zuil

van

Vol

taΦ

rsted & A

mpère:

elektromagnetism

e

3.1 Elektriciteit: geen natuurlijk fenomeen?

Elektriciteit = menselijke uitvinding

George S Ohm

3.1 Elektriciteit: geen natuurlijk fenomeen?

Voordelen van elektriciteit als energiebron

3.2 Batterijen

Een elektrische energiebron.

• Wat is een batterij?

Elektrische STROOM = geladen deeltjes die zich verplaatsen doorheen een geleidende draad.

• Welke geladen deeltjes kunnen bewegen? Elektronen, die van de –pool naar de +pool

gaan. Elektronen zijn enkel mobiel bij chemische

reacties.

e- bestaan haast nooit apart, maar zijn betrokken in chemische reacties. Er moeten dus 2 reacties met e- -uitwisseling gebeuren.

• 2 delen: de –kant levert e- en de +kant slorpt e- op. Hoe kan je dat chemisch verklaren?

REDOX.

• Kennen jullie al een reactie waarbij elektronen worden uitgewisseld??

REDuctie – OXidatie.

• Waarvoor staat redox?

3.2 Batterijen

REDOX zoals je vorig jaar hebt gezien: eurocent in AgNO3

= kopermetaal in AgNO3

Cu lost op (onzichtbaar): oxidatie, wantCu(0) Cu2+ + 2e- (OG: 0 +II).

Ag2+ slaat neer (zichtbaar): reductie want Ag2+ + 2e- Ag(0) (OG: +II 0).

3.2 Batterijen

• Wat is het grote verschil met de redox-koppels uit chemie (4e jaar)?

Meestal gebeuren beide reacties in hetzelfde reactiemengsel, waardoor je enkel de reagentia ziet reageren tot nieuwe reactieproducten.

Nu worden beide reacties uit elkaar getrokken, zodat je de e- kan dwingen zich te verplaatsen doorheen een geleidende draad: elektrische STROOM.

3.2 Batterijen

Elektrische stroomsterkte

= hoeveelheid lading die zich verplaatst per seconde.

(aantal e- dat zich verplaatst per seconde x Qe-)

= I (intensiteit)

wordt uitgedrukt in ampère (A) – ampèremeter

1 mA: lichte schok;

> 30 mA: verkramping van spieren;

>100 mA: hartritmestoornissen (fibrillatie);

> 1 A: doorbranden van zachte weefsels.

3.2 Batterijen

Elektrische stroomsterkte

2 beveiligingen:

1. de aarding, om eventueel verliesstromen af te voeren naar de aarde;

2. de differentieelschakelaar, om het hoofd-circuit te onderbreken bij een verschil tussen inkomende en uitgaande stroom.

3.2 Batterijen

3.2 Batterijen

• Wanneer ondergaat een metaal een reductie? Of een oxidatie?

• Of beter: wat bepaalt welke kant van de batterij de +pool is en welke kant de –pool?

• En verder: wat is de drijvende kracht van een batterij?

3.2 Batterijen

Elektrische spanning

= potentiaalverschil van het REDOX-koppel.

(= hoeveelheid el. energie per lading)

= U

wordt uitgedrukt in volt (V, J/C) – voltmeter

3.2 Batterijen

Elektrische spanning

zuil van Volta (1800) en Daniell-cel (1836) gebruiken het redoxkoppel Cu – Zn (U = 1,10 V)

elektroden in elektrolyten

3.2 Batterijen

+ elektrode of kathode

- elektrode of anode

geleidende draad

zoutbrug

3.2 Batterijen

Elektrische spanning

Fruitklok: Daniell-cel met fruit als elektrolyten- en zoutbrugbron

3.2 Batterijen

Elektrische spanning

3.2 Batterijen

Elektrische spanning

Hoogspanning: 100000 V, netspanning: 220-230 V (beiden wisselspanning).

Spanning veranderen doen we via transformatoren of “adapters”.

Eventueel staan er in 1 batterij verschillende cellen achter elkaar

(in SERIE - dan tel je de verschillen op).

3.2 Batterijen

Kenmerken van een batterij

Zuur (~ accuzuur) of alkalisch (~ alkaline)

Oplaadbaar of niet oplaadbaar

Ladingscapaciteit = hoeveelheid lading (Ah)

(hoe minder, hoe kleiner: C > AA > AAA)

Vermogensdichtheid (Li- ion hoge stroom)

3.3 Elektrische toestellen

Metaalbinding = vrije e-, die kunnen bewegen.

• Elektronen (e-) vloeien van + naar –pool via een geleidende, metalen draad.

Waarom zijn metalen geleidend?

Metaalbinding = ionenrooster van (+)metaalkernen met e--mantel: dit veroorzaakt hinder of weerstand.

• De spanning dwingt de e- tot bewegen. Waarom gaan ze zich niet allemaal onmiddellijk verplaatsen?

4.2 Weerstand

Elektrische weerstand

= hinder die een e--stroom ondervindt door de bouw van het geleidende metaal

= R (re/ésistance)

wordt uitgedrukt in ohm (Ω)Bij de meeste huishoudtoestellen is R < 100 Ω.Rmenselijk lichaam tussen 200000 Ω (zuiver en droog)

en 200 Ω (vochtig of bezweet). Elektrische huisinstallatie :100 m koperen

kabel, Rtotaal = ca. 1 Ω.

4.2 Weerstand

In elke gegeven situatie is er een vast verband tussen U, I en R: de wet van Ohm,

U = R.Ihuishoudtoestellen (R < 100 Ω) I > 2 ARmenselijk lichaam : zuiver en droog I = ca. 1 mA

vochtig of bezweet I = ca 1 A

4.2 Weerstand

• Algemeen ontstaansprincipe van straling door elektronen:

- Stroom = (vrije) e- met Ekin door beweging.

- Atoom-gebonden e- : ook energie (schillen).

- Botsing = energieoverdracht gebonden e- ondergaat excitatie.

terugval : foton (bepaalde frequentie)

• Foton = warmte – rood – oranje – geel – groen – blauw – indigo – violet – UV

(ook bij verhit metaal).

4.2 Weerstand

Joule-effect

De warmte is

- het doel op zich (waterkoker, wasmachine, …)

- of eerder een bijproduct (gloeilamp 5% licht en 95% warmte).

WARMTE-elementen

4.2 Weerstand

Gloeilamp• W-draad • 3000 K• Rendement: 5% licht.

Om deze reden is de

gloeilamp van de

Europese markt gehaald.

LAMPEN

4.2 Weerstand

LAMPEN

Fluorescentie- (t(ube)l(uminescent)) /spaarlamp • edelgas en Hg • e- afgeschotenbotsingexcitatie: UVfluorescentie-poeder Pkleur Rendement: 20-30%.

4.2 Weerstand

LAMPEN

Merk op:

zowel bij de gloeilamp als de spaarlamp moeten de elektronen van de stroom andere elektronen exciteren. Dit verlaagt het rendement zeer gevoelig!

4.2 Weerstand

LAMPEN

L(ight)E(mitting)D(iode)• diode van 2 halfgeleiders

met ertussen een vast E

1 soort foton

= 1 soort licht• Rendement:

50% monochroom,

5% wit licht.

4.2 Weerstand

FOTOVOLTAÏSCHE CELLEN

Foto-elektrisch effect = stroom door licht

4.2 Weerstand

SENSOREN

• R ~ omgevingsparameter.

- NTC / PTC: afhankelijk van de temperatuur digitale

thermometers;

- LDR: afhankelijk van de lichtinval lichtmeters,

lichtsensoren.

4.2 Weerstand

ELEKTROMOTOREN

Eelek Erotatie

(zie I-5 Magnetisme)

3.4 Elektrische energie

Elektrische energie

= de energie van elk bewegend e- (spanning U) x aantal e- per seconde (I) x tijdsduur ( t)

= U.I. twordt uitgedrukt in joule (J)

• U = hoeveelheid energie per lading.• I = aantal elektronen per seconde• t = tijd, aantal seconden

3.4 Elektrische energie

• Wrijving veroorzaakt warmte: het joule-

effect.

• Weerstand overwinnen =energie verliezen.

(In de +pool zijn de e- hun elektrische energie kwijt en worden ze vastgezet in de oxidatie. Ze hebben niet meer de energie om te ontsnappen.

• Andere energievormen: licht, beweging, …

(zie later)

t varieert elke keer vermogen, de elektrische energie per seconde.

3.4 Elektrische energie

Elektrisch vermogen

= de energie van elk bewegend e- (spanning U) x aantal e- per seconde (I)

= U.I (= R.I² = U²/R)

= P (power)

wordt uitgedrukt in Watt (W, J/s)

Toestel: nominale spanning en het nominaal vermogen. optimale functie + bijhorend vermogen R = U²/P.

vermogen weerstand elektrische wekker ca. 2 W ca. 25 kΩhi-fi keten 30 - 80 W ca. 1 kΩkleurentelevisie 80 - 150 W ca. 0,5 kΩkoelkast 150 - 300 W ca. 0,25 kΩmixer 250 - 400 W ca. 150 Ωstofzuiger 250 - 1 200 W ca. 100 Ωklopboormachine 400 - 1 000 W ca. 80 Ωbroodrooster 500 - 1 000 W ca. 75 Ωmicrogolven 600 - 1 500 W ca. 50 Ωelektrische radiator 500 - 2 000 W ca. 50 Ωfrituurketel 1 500 - 2 000 W ca. 30 Ωwasmachine 3 000 - 4 500 W ca. 15 Ωelektrisch fornuis ca.10 000 Wca. 15 Ω (op 380 V!)

3.4 Elektrische energie

3.4 Elektrische energie

• U = R.I geldt bij 1 weerstand. Wat als er meerdere weerstanden (toestellen) tegelijk werken?

schakelingen (reeds gezien in TO of WW…)

huisinstallatie = parallel (allemaal

onafhankelijk)

3.4 Elektrische energie

• Voordeel:

elke toestel kan werken op dezelfde nominale spanning.

• Nadeel:

hoe meer toestellen, hoe groter I

3.4 Elektrische energie

• Rkabels < 1 Ω zeer weinig energieverlies.

• I ~ warmteproductie doorsmelten isolatie brand.

• Beveiliging noodzakelijk! de zekering, een effectieve stroombegrenzer.

- (vroeger) smeltzekeringen – Joule-effect.

- (nu) automatische zekeringen (elektromagnetisch - zie

I.4).

10 x 500Ω100V

500Ω

3.4 Elektrische energie

• Serie enkel bij spanningsdelers(volumeknop, dimmer)

3.4 Elektrische energie

stand Rtot I Ptot Pnuttig

10 500 Ω 200 mA 20,0 W 20,0 W

9 1000 Ω mA W W

7 Ω mA W W

3 Ω mA W W

1 Ω mA W W

100 10,0 5,0

50 5,0 1,252000

25 2,5 0,314000

20 2,0 0,205000