Elektriciteit: Basisbegrippen
Elektriciteit is overal aanwezig: in verlichting, huishoudtoestellen, computers, laadpalen en machines. Om elektrische installaties te begrijpen, moet je eerst enkele basisbegrippen kennen. De belangrijkste grootheden zijn spanning, stroomsterkte, weerstand en vermogen.
Spanning (U)
Spanning is het verschil in elektrische potentiaal tussen twee punten. Je kan het vergelijken met de druk in een waterleiding: zonder druk kan er geen water stromen.
Spanning wordt uitgedrukt in volt (V).
Stroomsterkte (I)
Stroomsterkte geeft aan hoeveel elektrische lading er per tijdseenheid door een geleider stroomt. Hoe groter de stroom, hoe meer lading zich op dat moment door de geleider verplaatst.
Elektrische stroom gaat van de minpool naar de pluspool, dit is de elektronenstroom. Meestal werken we met de aanduiding van pluspool naar minpool, dit noemen we de technische stroomzin of conventionele stroomzin.
Materialen die goed elektriciteit geleiden, hebben een lage weerstand. Deze noemen we “geleiders”, zoals:
- koper
- ijzer
- aluminium
Materialen die de stroom niet geleiden, hebben een zeer hoge weerstand. Deze noemen we “isolatoren”, zoals:
- plastic
- rubber
Stroomsterkte wordt uitgedrukt in ampère (A).
Weerstand (R)
Elke geleider of verbruiker heeft een bepaalde weerstand. Dit geeft aan hoe groot de weerstand is die een materiaal biedt aan de elektrische stroomdoorgang.
De weerstand kan je vergelijken met de werking van een kraan. Wanneer die helemaal openstaat, is er zo goed als geen weerstand en stroomt het water vlot door. Wanneer de kraan halfdicht wordt gedraaid, kan er minder water doorstromen en wordt de weerstand dus hoger.
Weerstand wordt uitgedrukt in ohm (Ω).
Wet van Ohm
De relatie tussen spanning, stroom en weerstand wordt beschreven door de Wet van Ohm:
U = I × R
waarbij:
- U = spanning (volt)
- I = stroomsterkte (ampère)
- R = weerstand (ohm)
Met deze formule kan je elektrische waarden berekenen.
Vermogen (P)
Het vermogen P is de hoeveelheid energie die in het toestel wordt omgevormd, en geeft dus aan hoeveel elektrische energie een toestel verbruikt of levert.
Vermogen wordt uitgedrukt in watt (W).
De formule voor elektrisch vermogen is:
P = U × I
Gelijkspanning en wisselspanning
Gelijkspanning (DC - Direct Current)
Bij gelijkspanning loopt de stroom altijd in dezelfde richting, van de minpool naar de pluspool. De polariteit blijft dus constant.
Voorbeelden:
- batterijen;
- zonnepanelen;
- USB-laders.
Wisselspanning (AC - Alternating Current)
Bij wisselspanning verandert de richting van de stroom voortdurend. Het elektriciteitsnet in woningen werkt met wisselspanning.
Polariteit
Bij gelijkspanning is er een positieve pool (+) en een negatieve pool (-).
Dit noemt men de polariteit van een stroomkring. Een correcte polariteit is belangrijk bij elektronische toestellen en batterijen.
Bij wisselspanning wisselt de polariteit voortdurend.
Op figuur 2 werd een lamp als verbruiker in een kring geschakeld met een batterij. De batterij levert een constante spanning (U). In een gesloten elektrische kring veroorzaakt die spanning een elektrische stroom (I). De grootte ervan hangt af van de weerstand van de lamp in de kring.
Deze opstelling wordt technisch uitgetekend in een schema zoals weergegeven op de figuur rechts. De elektronenstroom loopt van de negatieve pool naar de positieve pool. De richting van de elektrische stroom (I) is hier echter aan tegengesteld. De stroom vloeit van de positieve pool over de verbruiker naar de negatieve.
Frequentie
De frequentie geeft aan hoeveel volledige perioden de wisselspanning per seconde doorloopt, uitgedrukt in hertz (Hz). In Europa bedraagt de netfrequentie 50 hertz (Hz). De spanning doorloopt dus 50 volledige perioden per seconde. Omdat de stroom in elke periode twee keer van richting verandert, gebeurt dat 100 keer per seconde.
Elektrische energie en arbeid
Elektrische toestellen gebruiken energie om arbeid te verrichten. Energie is het vermogen om iets te laten werken of veranderen.
- Wanneer een lamp brandt, wordt elektrische energie omgezet in lichtenergie en warmte.
- Bij een motor wordt elektrische energie omgezet in bewegingsenergie.
Elektrische energie wordt uitgedrukt in joule (J) of in de praktijk vaak in kilowattuur (kWh). De elektriciteitsmeter in een woning meet het verbruik in kWh.
Elektrische arbeid
Elektrische arbeid (W) is de hoeveelheid energie die een toestel verbruikt gedurende een bepaalde tijd. De formule is:
W = P × t
waarbij:
- W = arbeid of energie
- P = vermogen
- t = tijd
Een toestel met een hoog vermogen dat lang werkt, verbruikt meer energie.
Let op, de W van arbeid is niet dezelfde W van vermogen!
Als we het vermogen (P) in watt (W) uitdrukken, en de tijd (t) in seconden (s), krijgen we Joule (J).
Hierbij is 1 J = 1 W x s
Een elektrische verwarming van 1.000 W die 1 uur aanstaat verbruikt 3.600.000 J of 3,6 MJ
1.000 W x 3.600 seconden = 1 kWh = 3.600.000 J = 3,6 MJ
Rendement
Bij machines wordt niet alle opgenomen energie nuttig gebruikt. Een deel gaat vaak verloren onder de vorm van warmte. Het rendement geeft aan hoeveel van de opgenomen energie nuttig gebruikt wordt, uitgedrukt in procent. Bij hetzelfde resultaat verbruikt een toestel met een hogere rendement minder energie.
Het joule-effect
Wanneer elektrische stroom door een geleider of weerstand vloeit, ontstaat warmte. Dit noemt men het joule-effect. Het joule-effect wordt bewust gebruikt in elektrische verwarming, waterkokers en kookplaten.
Soms is deze warmte ongewenst, bijvoorbeeld in kabels. Daarom moeten elektrische geleiders voldoende dik zijn en moet oververhitting vermeden worden.
Een kabelhaspel moet bijvoorbeeld altijd volledig afgerold worden bij zwaar gebruik, zodat de warmte goed kan ontsnappen.
Warmteontwikkeling in een weerstand
Elke elektrische verbruiker heeft een weerstand. Wanneer stroom door die weerstand vloeit, bewegen elektronen door het materiaal. Door botsingen ontstaat warmte.
Hoe groter:
- de stroomsterkte;
- of de weerstand,
hoe groter de warmteontwikkeling zal zijn.
Daarom worden beveiligingen zoals automaten gebruikt om oververhitting en brand te voorkomen.