Natuurwetenschappen Materie, energie en leven Tom MortierUrsulinen Mechelen

7 Elektrische energie

Natuurwetenschappen Materie, energie en leven Tom MortierUrsulinen Mechelen

gloeilamp

7.1 Van elektrische energie naar comfort

elektrolysezaal

calorimeter

Elektrische energie kan worden omgezet in mechanische energie, warmte-energie, lichtenergie, chemische energie

lift

Natuurwetenschappen Materie, energie en leven Tom MortierUrsulinen Mechelen

7.1.1 Van elektrische energie naar warmte-energie: het joule-effect

Omzetting naar warmte-energie gewenst

Omzetting naar warmte-energie niet gewenst

Natuurwetenschappen Materie, energie en leven Tom MortierUrsulinen Mechelen

7.1.2 Van elektrische energie naar lichtenergie: de gloeilamp

2,5% van elektrische energie omgezet in licht, de overige 97,5% in warmte

Gloeidraad (wolfraam) = één meter

Waarom inert gas (Ar) en geen lucht?

wolfraam zou verbranden vanwege het zuurstofgas aanwezig in de lucht

Natuurwetenschappen Materie, energie en leven Tom MortierUrsulinen Mechelen

7.2 Energie en vermogen van elektrische stroom

7.2.1 Elektrische energie E

Experiment 1

Benodigdheden: een regelbare spanningsbron, 2 lampjes, een voltmeter en een ampèremeter, verbindingsdraden

A

6 V

I = 0,1 A

L1

Stroomsterkte

Experimentele afleiding van elektrische energie E

Natuurwetenschappen Materie, energie en leven Tom MortierUrsulinen Mechelen

A

U2

= 6

V

I = 0,1 A

L1

L2

U1

= 6

V12 V

E ~ U

Experiment 2

Experimentele afleiding van elektrische energie E

E en U zijn recht evenredig met elkaar

In experiment 2 is de geproduceerde energie dubbel zo groot als in het eerste proefje.

Natuurwetenschappen Materie, energie en leven Tom MortierUrsulinen Mechelen

I = 0,2 A

L2

A

6 V L1

I 1 =

0,1

A

I 2=

0,1

A

E ~ I

Experimentele afleiding van elektrische energie E

Experiment 3

In het derde proefje is de geproduceerde energie (lichtenergie) dubbel zo groot als in het eerste proefje

E en I zijn recht evenredig met elkaar

Natuurwetenschappen Materie, energie en leven Tom MortierUrsulinen Mechelen

E ~ t

E van verschillende huishoudtoestellen meten

E=U∙I ∙t

Experimentele afleiding van elektrische energie E

Experiment 4

Besluit van de vier experimenten

SI-eenheid voor energie

James Prescott Joule (1818 – 1889)

1 Joule = 1 J

Natuurwetenschappen Materie, energie en leven Tom MortierUrsulinen Mechelen

7.2.2 Elektrisch vermogen (P )

Vermogen is de geleverde arbeid (W) per tijdseenheid

Definitie

James Watt (1736 – 1819)

SI-eenheid voor vermogen

1 watt = 1 W = 1V x 1 A

1 kilowatt (kW) = 10³ W1 megawatt (MW) = 106 W

Natuurwetenschappen Materie, energie en leven Tom MortierUrsulinen Mechelen

7.2.3 Elektrische energie en elektrisch vermogen in het dagelijkse leven

Het verbruik van elektrische energie wordt aangegeven in kWh (kilowattuur)

E = P ∙ t1 J = 1 W.s

1 kWh = (1000 W)(3600 s) = 3 600 000 J

Natuurwetenschappen Materie, energie en leven Tom MortierUrsulinen Mechelen

Vragen

Gloeilamp P = 60 WSpaarlamp P= 12 W

t = 3h/dag

Gevraagd

kostprijs c€ 15,64/kWh

Verschil in kostprijs

Oplossing

0,060 kW ∙ 3h∙ 365 ∙ € 0,1564/kWh = € 10,28

Gloeilamp

Spaarlamp

0,012 kW ∙ 3h∙ 365 ∙ € 0,1564/kWh = € 2,06

Verschil = € 10,28 - € 2,06 = € 8,22

Vraag 1Gegeven

Natuurwetenschappen Materie, energie en leven Tom MortierUrsulinen Mechelen

Vraag 2

Bereken voor elk van onderstaande toestellen de stroomsterkte en de weerstand op basis van de gegevens in kolom 2

Haardroger 220 V – 1400 W

Broodrooster 220 V – 550 W

Gloeilamp 220 V – 25 W

I = 6,36 A R= 34,6 Ω

I = 2,50 A R= 88,0 Ω

I = 0,114 A R=1930 Ω

Natuurwetenschappen Materie, energie en leven Tom MortierUrsulinen Mechelen

Een gloeilamp is geconstrueerd voor een netspanning van 220 V en een stroomsterkte van 0,50 A. Bereken de kostprijs voor 24 h belichting door deze lamp, als de kostprijs c€ 15,64/kWh is

Vraag 3

Gegeven

Gevraagd

Kostprijs 24h

Oplossing

[(220V∙ 0,50 A)/1000] ∙ 24h ∙ c€ 15,64/kWh = c€ 41,3

U = 220 V I = 0,50 At = 24h kostprijs c€ 15,64/kWh

Natuurwetenschappen Materie, energie en leven Tom MortierUrsulinen Mechelen

1 Kortsluiting en elektrocutie

7.3 Hoe gevaarlijk/veilig is elektrische stroom?7.3.1 Gevaren van elektrische stroom

Hoe ontstaat kortsluiting ontstaat?

Wat betekent kortsluiting elektrisch?

Hoe voorkomt men kortsluiting?

Kortsluiting ontstaat wanneer twee of meer draden van een elektrische stroomkring met elkaar in aanraking komen alvorens de stroom de verbruikstoestellen bereikt.

Kortsluiting betekent dat de stroom dan een kortere weg volgt met een te geringe weerstand zodat de stroomsterkte zeer hoog wordt, wat in bepaalde gevallen tot gloeien van de draden kan leiden met brand tot gevolg.

Om kortsluiting te voorkomen zijn de elektrische draden met een isolerende stof omwonden.

Natuurwetenschappen Materie, energie en leven Tom MortierUrsulinen Mechelen

Wat men verstaat onder elektrocutie?

Elektrocutie is het overlijden tengevolge van een te grote elektrische stroom die door het lichaam loopt.

2 Overbelasting

een te hoge stroom door de huisinstallatie

Natuurwetenschappen Materie, energie en leven Tom MortierUrsulinen Mechelen

3 Overschrijden van de toegestane stroomsterkte

Maximale toegestane stroomsterkte in de kabelleidingen

volledig afgerold → I = 6,0 A.

opgerolde kabel → 2,75 A

In opgerolde toestand is de warmteafgifte aan de omgeving minder. Bij te grote stroomdoorgang zou de isolatie smelten.

Mag je een boormachine van 400 W aansluiten op de kabelhaspel in opgerolde toestand?

I= P/U = 400 W/220 V = 1,82 A Ja

Vragen

Mag je een straalkachel van 1000 W aansluiten op de kabelhaspel in opgerolde toestand

I=P/U =1000 W/220 V = 4,55 A Nee

Natuurwetenschappen Materie, energie en leven Tom MortierUrsulinen Mechelen

4 Welk zijn de gevaren in volgende situaties?

De kok heeft in de ene hand de watersproeier. Als hij de broodrooster,die aangesloten is op het elektriciteitsnet, aanraakt, is er een gevaar voor elektrocutie.

Situatie 1

Natuurwetenschappen Materie, energie en leven Tom MortierUrsulinen Mechelen

Er is hier gevaar voor overbelasting

Vermeld een veiligere oplossing:

contactdozen gebruiken

Situatie 2

Natuurwetenschappen Materie, energie en leven Tom MortierUrsulinen Mechelen

Situatie 3

Beschadigde isolatie kan kortsluiting veroorzaken, (links en midden), losliggende kabels kunnen beschadigd worden met kortsluiting als gevolg, de verdeelstekker (‘kattekop’) kan overbelasting veroorzaken (rechts).

Wees Voorzichtig!

Natuurwetenschappen Materie, energie en leven Tom MortierUrsulinen Mechelen

7.3.2 Smeltveiligheden of zekeringen

1 Werkingsprincipe

zekering in een auto

automatische zekering

Een  zekering heeft een smeltdraad

Bij een te hoge stroomsterkte smelt de draad door.

Natuurwetenschappen Materie, energie en leven Tom MortierUrsulinen Mechelen

Benodigdheden:

Platte batterij (4,5 V) of ronde batterij (1,5 V), een aangepast lampje,

verbindingssnoeren,

een ijzeren spijker,

een houten plankje,

twee punaises,

een geleidend draadje en

doorzichtige kleefband

2 Experiment met een smeltveiligheid

Natuurwetenschappen Materie, energie en leven Tom MortierUrsulinen Mechelen

Resultaat experiment met een smeltveiligheid

Zonder spijker Met spijker

Natuurwetenschappen Materie, energie en leven Tom MortierUrsulinen Mechelen

3 Opgaven

a) In de keuken zijn het koffiezetapparaat (800 W), de koelkast (300 W) en de vaatwasmachine (2000 W) op 1 stroomkring aangesloten en beveiligd met een smeltveiligheid met nominale waarde 16 A. Bereken of de smeltveiligheid al dan niet zal doorsmelten als al deze toestellen in werking zijn

Gegeven

Gevraagd

Oplossing

P (koffiezetapparaat) = 800 W P (koelkast) = 300W P (vaatwasmachine ) = 2000W

Imax = 16 A

Zal de smeltveiligheid doorsmelten?

Koffiezetapparaat : I = 800 W / 220V = 3,64A

Koelkast: I = 300 W / 220V = 1,36 A

Vaatwasmachine: I = 2000 W / 220V = 9,09A

Itot = (3,64 + 1,36 + 9,09) A =14,09 A (parallelschakeling)

De smeltveiligheid zal dus niet doorsmelten.

Antwoord

Natuurwetenschappen Materie, energie en leven Tom MortierUrsulinen Mechelen

b) Ga na of het naar veiligheid verantwoord is extra een frituurketel (2000 W) op dezelfde stroomkring aan te sluiten als al deze toestellen in werking zijn

Oplossing

Frituurketel: I = 2000 W/220 V = 9,09 A

Itot =14,09 A + 9,09 A = 23,18 A > 16 A

De smeltveiligheid zal doorsmelten.

FYSICA VOOR HET LEVEN = TE ONTHOUDENMen mag nooit een veiligheid van hogere nominale waarde aanbrengen.Een gesmolten veiligheid mag men nooit herstellen.

Natuurwetenschappen Materie, energie en leven Tom MortierUrsulinen Mechelen

7.4 Netstroom versus batterijen

7.4.1 Kostprijsberekening van een batterij

Natuurwetenschappen Materie, energie en leven Tom MortierUrsulinen Mechelen

Opdracht

Wat is de betekenis van 2300 mAh?

2300 mAh (milli-ampère-uur = I x t) is de opgeslagen hoeveelheid elektriciteit QE = Q x U = 2300 mAh x 1,5 V = 3450 mWh

Natuurwetenschappen Materie, energie en leven Tom MortierUrsulinen Mechelen

Bereken de kostprijs per kWh. Houd er wel rekening mee dat er vier batterijen in deze aanbieding zitten en dat de batterijen tot 1000x oplaadbaar

. Prijs per kWh = 25 euro/13,8 kWh = 1,81 euro/kWh

Vergelijk deze prijs met de prijs die je thuis moet betalen per kWh

Afhankelijk van de verdeler. ~ c€ 14,0/kWh

Opgeslagen hoeveelheid elektriciteit Q = 4 x 2300 mAh = 9200 mAh.

1000 x opladen totale hoeveelheid opgeslagen elektriciteit Q = 1000 x 9200 mAh = 9200 Ah⇒

E = Q x U = 9200 Ah x 1,5 V = 13800 Wh = 13,8 kWh

Natuurwetenschappen Materie, energie en leven Tom MortierUrsulinen Mechelen

7.4.2 Mileuaspecten van batterijen

vzw BEBAT (Fonds Ophaling Batterijen)

http://www.bebat.be/pages/nl/main.html

Ingezamelde batterijen x 1000