Basisbegrippen electriciteit

stroom, spanning, weerstand en vermogen

Electriciteit

Root server » TechTalk » Electriciteit » Basisbegrippen

Het lijkt normaal dat een toestel gaat werken als die aangesloten wordt op het net. maar zo eenvoudig is het niet... Op deze pagina (andere site) worden de verschillende eenheden (volt, watt, ampère,...) uitgelegd door analogie met water (waterniveau, debiet,...).

Alles wat je moet weten

Spanning × stroom = vermogen

Electriciteit wordt gekenmerkt door twee basisparameters: spanning en stroom. Een vergelijking met water is hier zeker op zijn plaats: de spanning, dat is het verschil in niveau (bijvoorbeeld aan een dam of een sluis), en de stroom, dat is hoeveel water er door die sluis loopt.

Een watermolen kan aangedreven worden met een kleine spanning (laag verschil in niveau), maar dan heb je heel veel water nodig. Als je een groot waterverschil hebt, dan heb je minder water nodig om dezelfde taak te verrichten.

De spanning wordt in volt aangeduid. De voltmeter staat "buiten" het circuit en meet het verschil tussen twee punten.
De stroom wordt in ampère aangegeven. De ampèremeter wordt in het circuit geplaats om het debiet te meten (een beetje zoals een waterteller).

Vermogen

Het vermogen is het produkt van de spanning en de stroom en wordt in watt aangeduid. We hebben dus P = U × I (vermogen = spanning * stroom).

De electriciteitsmeter die het verbruikt meet gebruikt de spanning en de stroom. Het systeem ontworpen door Ottó Bláthy meer dan 100 jaar geleden wordt nog steeds gebruikt in de electromechanische meters.

Hoe hoger de stroom, hoe meer verliezen er in de geleiders ontstaan. Bij eenzelfde vermogen kan men werken met een hogere spanning, zodat er minder stroom door de leidingen moeten lopen.

Frekwentie

De frekwentie van het electrisch net geeft aan hoeveel keer de stroom van richting verandert per seconde. In Europa gebruiken we een frekwentie van 50Hz, in Amerika van 60Hz (in de meeste gevallen kunnen de toestellen op beide frekwenties werken).

Men is ongeveer 100 jaar geleden overgeschakeld naar wisselspanning zodat men gemakkelijk de spanning kan verhogen of verlagen. Dit gebeurt in een transformator, en een transformator werkt enkel met wisselspanning. Met de komst van de schakelende voedingen die zowel op gelijkspanning als op wisselspanning kunnen werken is het verschil wisselspanning/gelijkspanning minder belangrijk.

De frekwentiemeter die hier afgebeeld staat bestaat uit een reeks trilplaten die in beweging worden gezet door een kleine electromagneet. Ieder trilplaatje heeft een resonantiefrekwentie (zoals een stemvork). Het trilplaatje waarvan de eigen frekwentie het meest overeenkomt met de netfrekwentie zal heftig gaan trillen zoals op de afbeelding. De aanduiding is zeer onnauwkeurig, maar de meter kan gemakkelijk gefabriceerd worden. Tegenwoordig gebruikt men vooral electronische frekwentiemeters.

Weerstand

De weerstand beperkt de stroom en wordt aangegeven in Ω (ohm). Hoe hoger de weerstand, en hoe moeilijker de stroom circuleert. In een electrisch circuit hebben we minstens drie weerstanden:

De weerstand van de bron (batterij of spoel van de generator): dit is meestal een lage weerstand die weinig invloed heeft op de totale stroom.
De geleiders tussen de bron en de verbruiker hebben een zeer lage weerstand.
De weerstand van de verbruiker bepaalt in het algemeen hoeveel stroom er door de schakeling loopt.

Een klein lampje (achterverlichting van de auto) trekt minder stroom dan de koplamp. De achterverlichting heeft een vermogen van 4W (en een weerstand van 36Ω). Deze weerstand beperkt de stroom tot een lage waarde. De koplamp heeft een weerstand van 2.6Ω en beperkt minder de stroom.

Een autobatterij die een zeer lage inwendige weerstand heeft (lager dan 0.1Ω) kan probleemloos stroom leveren aan de achterlicht en aan de koplamp. Maar een klassieke staafbatterij heeft een inwendige weerstand van 4.5Ω (we plaatsen 6 staafbatterijen van 1.5V in serie om 12V te bekomen) en kan onvoldoende stroom leveren voor de koplamp. Nagenoeg al het vermogen wordt in de batterij ontwikkeld en niet in de lamp: de batterijen worden warm.

Autobatterij die een lamp van 4W van stroom voorziet

Als eerste voorbeeld nemen we een batterij van een kleine auto die stroom levert aan een achterlicht (4W).
De weerstand van het circuit bedraagt 36 + 0.1 + 0.02 Ω. De stroom bedraagt 12 / 36.12 = 0.33A.
Een autobatterij van 40Ah houdt het 121 uren vol, dus ongeveer 5 dagen.

Nu gaan we de spanningsval noteren over de verschillende weerstanden.
Zoals hierboven berekend bedraagt de stroom 0.33A.
De spanning die over een weerstand ontstaat is evenredig met de stroom (hoe hoger de stroom, hoe hoger de spanningsval) en de waarde van de weerstand (hoe nauwer de leiding, hoe groter de spanningsval).
We berekenen de spanningen over de verschillende weerstanden (dus ook over de inwendige weerstand van de batterij).
En uiteindelijk noteren we het vermogen dat in de betreffende weerstand ontwikkeld wordt. Hier wordt nagenoeg al het vermogen in de lamp ontwikkeld.

Autobatterij levert stroom aan een koplamp van 55W

We gebruiken nu een koplamp van 55W (weerstand van 2.6Ω)
De totale weerstand van de schakeling bedraagt 2.72Ω
De stroom bedraagt ongeveer 4.4A, zodat onze batterij in minder dan 10 uur leeg geraakt.

We noteren opnieuw de spanningen.
Verlies in de batterij zelf (inwendige weerstand): 0.44V
Dan noteren we de spanningen over de verschillende delen van het circuit.
Er wordt geen 55W in de lamp ontwikkeld, omdat verschillende weerstanden in het circuit de stroom beperken. Als de motor draait en de batterij opgeladen wordt, dan stijgt de batterijspanning, en dus ook de totale stroom. Bij draaiende motor wordt er meer dan 55W in de lamp ontwikkeld.

Staafbatterijen die een koplamp van stroom voorzien

Wat zou er gebeuren indien we de koplamp zouden voeden met alkaline batterijen (9 elementen, om 12V te bereiken)?
De inwendige weerstand van de batterijen bedraagt 4.5Ω
De totale weerstand van onze circuit bedraagt 7.12Ω, de stroom is dus slechts 1.69A.
We kunnen opnieuw de spanningen en de vermogens aangeven.
We merken op dat het totaal vermogen beperkt is (ongeveer 20W), dat de koplamp een te lage spanning krijgt om op te lichten, en dat ongeveer 2/3 van het vermogen in de batterijen ontwikkeld wordt. De batterijen worden warm en geraken snel leeg, maar ze hebben de lamp niet kunnen doen branden.
Oplaadbare batterijen hebben een lagere inwendige weerstand (ongeveer 0.9Ω) en kunnen dus meer stroom leveren. We hebben nog altijd grote verliezen in de batterijen zelf, maar de koplamp licht tenminste op.

We hebben hier een electrische schakeling met diverse componenten: een stroombron, kabels en een lamp. je kan de elementen veranderen en de stroom en vermogens worden automatisch opnieuw berekend.

Totale weerstand
Stroom
Verlies aan de bron
Verlies in de kabels
Nuttig vermogen
Rendement

Opgelet, JavaScript gebruikt binaire getallen en kan niet goed overweg met decimale getallen zoals “0.1”. Daarom zijn er afrondingsfouten in de berekening.

Je kan vonken trekken door een kortsluiting te maken tussen de polen van een autobatterij, omdat die een zeer hoge stroom kan leveren. Maar je riskeert geen electrokutie omdat de inwendige weerstand van het lichaam zeer hoog is. Films waarin iemand sterft nadat hij "geëlectrokuteerd" werd door een batterij: da's dus dikke zever. De stroom is zo laag dat je die zelfs niet merkt. Brandwonden krijg je enkel als je het batterijzuur zou drinken. Vanaf ongeveer 50V is de spanning voelbaar (dit hangt af van de vochtigheid van de huid).

Publicités - Reklame