Elektriciteit van Amber tot Onmisbaar

2 Elektriciteit, van Amber tot Onmisbaar

Inleiding........................................................................................................................................................................... 4

Een praktische toepassing van gelijkspanning ............................................... 5

Van amber tot een machine voor statische elektriciteit .................... 6Geschiedenis .....................................................................................................................................................6

De aantrekkingskracht van amber bij de oude Grieken ......................................................... 6

De mysterieuze krachten van magnetisme ................................................................................... 6

De eerste ‘elektriseermachine’ voor statische elektriciteit..................................................... 6

Eerste ervaring met een geleider en isolator voor elektriciteit ............................................. 6

Wat we nu weten ...........................................................................................................................................7De rol van elektronen ............................................................................................................................... 7

Geleiders en isolatoren voeren elektriciteit in de juiste banen ............................................. 8

Doorslag en overslag ................................................................................................................................. 8

Supergeleiders .............................................................................................................................................. 8

Richting van een elektrische stroom in een gesloten stroomkring ................................... 9

Statische elektriciteit .................................................................................................................................. 9

Van statische elektriciteit tot de batterij ..................................................................10Geschiedenis ................................................................................................................................................. 10

De eerste opslag van elektriciteit voor later gebruik .............................................................. 10

Levensgevaarlijke experimenten met bliksem ........................................................................... 10

Eerste inzichten in elektriciteit ............................................................................................................ 11

De eerste batterij ....................................................................................................................................... 11

Relatie spanning, stroom en weerstand....................................................................................... 12

Uitvinding van de ‘droge’ batterij ..................................................................................................... 12

Uitvinding van de loodaccu ................................................................................................................. 12

Wat we nu weten ....................................................................................................................................... 13Batterijen ....................................................................................................................................................... 13

Brandstofcel ................................................................................................................................................ 13

Zonnepaneel ................................................................................................................................................ 14

Van elektriciteit naar warmte .....................................................................................................15Geschiedenis ................................................................................................................................................. 15

De stoommachine voor het verrichten van arbeid .................................................................. 15

Paardenkracht ............................................................................................................................................ 15

Eerste omzetting van elektriciteit in een andere energievorm .......................................... 15

Wat we nu weten ....................................................................................................................................... 16Elektrische warmte................................................................................................................................... 16

Vermogen ...................................................................................................................................................... 16

Inhoud

3Elektriciteit, van Amber tot Onmisbaar

Van magnetisme tot dynamo .....................................................................................................17Geschiedenis ............................................................................................................................................... 17

Eerste omzetting van elektriciteit in mechanische kracht ................................................... 17

Sterker magnetisch veld door middel van een solenoïde ................................................... 17

Ontdekking van de elektromagnetische inductie .................................................................... 17

Eerste machine voor productie van elektriciteit ....................................................................... 18

Constructie van de eerste gelijkstroomgenerator voor hoog vermogen .................... 19

Eerste transport van elektrische energie als bron voor mechanische energie ........ 19

Aandrijving van de dynamo door een turbine ........................................................................... 20

De eerste grootschalige praktische toepassingen van elektriciteit .............................. 20

De eerste productie van elektriciteit in Antwerpen ................................................................. 21

Wat we nu weten ....................................................................................................................................... 23Magnetisme ................................................................................................................................................. 23

Primaire energie ......................................................................................................................................... 23

Productierendementen .......................................................................................................................... 24

Galvanometer en universeelmeter ................................................................................................. 24

AC en DC stroom ..................................................................................................................................... 25

Snelheid van een elektrische stroom ............................................................................................. 25

Wet van Ohm .............................................................................................................................................. 25

Spanningsval ............................................................................................................................................... 25

Voorkeur voor wisselspanning ............................................................................................... 26Geschiedenis ................................................................................................................................................. 26

Het eerste transport van elektriciteit op hoogspanning ....................................................... 26

De uitvinding van de transformator ................................................................................................. 26

De eerste distributiezone van elektriciteit .................................................................................... 26

Ontwikkeling van driefasige stroom en de eerste hydro-elektrische centrale ......... 27

Wat we nu weten ....................................................................................................................................... 27Transformatoren ........................................................................................................................................ 27

Netfrequentie ............................................................................................................................................. 28

Sinusoïdale spanning .............................................................................................................................. 28

DC versus AC ............................................................................................................................................. 29

Effectieve waarde van een spanning.............................................................................................. 29

Driefasige wisselspanning .................................................................................................................... 29

Netaftakking ................................................................................................................................................. 30

Een eenvoudige toepassing van elektriciteit op wisselspanning .................................... 30

Elektrisch ééndraadschema ............................................................................................................... 31

Elektrische voedingskringen ............................................................................................................... 31

Genormaliseerd tekenen ....................................................................................................................... 31

Elektrische belasting .............................................................................................................................. 32

Parallel en serieschakeling ................................................................................................................... 32

Vectoriële voorstelling ............................................................................................................................. 33

Arbeidsfactor en elektrisch vermogen ........................................................................................... 33

Piekvermogen ............................................................................................................................................. 34

Bescherming tegen de gevaren van elektriciteit ...................................................................... 34

Ontwikkeling na de eerste centrales ............................................................................ 35

4 Elektriciteit, van Amber tot Onmisbaar

Deze brochure wil inzicht geven in het ontstaan en de werking van elektriciteit.

Alle ontwikkelingen in detail behandelen, kan natuurlijk niet. We beperken ons daarom tot de belangrijkste.

We behandelen tevens bepaalde elementaire begrippen, manieren van voorstellen en de typische woordenschat van de elektriciteitssector.

Aan de vele toepassingen van elektriciteit die we momen-teel kennen is een periode voorafgegaan van ontdekkin-gen en proefnemingen die ongeveer 600 jaar voor onze tijdsrekening begon.

Lange tijd kon men zich geen nuttige toepassing van dit toch wel eigenaardig verschijnsel indenken. Een verschijn-sel dat men niet kan zien, niet kan ruiken en niet kan vastnemen.

Momenteel is het gebruik van elektriciteit vanzelfsprekend en onmisbaar. Toch blijft het nog steeds voor velen iets mysterieus.

Elektriciteit, zoals we het nu kennen, is het resultaat van talrijke experimenten, het doorgedreven zoeken naar ver-klaringen voor waarnemingen en het leggen van verban-den.

Heel deze ontwikkeling gebeurde met soms zeer lange tussenpauzen en dankzij mensen die op grote afstand van elkaar woonden, geen rechtstreeks contact hadden met

elkaar en zeer uiteenlopende beroepen uitoefenden.

In het eerste deel van deze brochure hebben we het over de geschiedenis van de elektriciteit : hoe zij werd ontdekt en gaandeweg werd bedwongen tot een onmisbare bron van energie.

In deel twee lichten we toe hoe de elektriciteit vanuit de productiecentrales, over transport- en distributienetten, uiteindelijk in het stopcontact bij de gebruiker terechtkomt.

Deel drie brengt honderd en een tips voor een verstandig en dus spaarzaam gebruik van elektriciteit.

Deel vier, tenslotte, leert aan welke regels je je het beste houdt om veilig met elektriciteit om te springen. Wij wensen je alvast veel leesplezier.

Inleiding

Elektriciteitscentrale in 1919

5Elektriciteit, van Amber tot Onmisbaar

Eén van de eenvoudigste toepassingen van elektriciteit is een zaklamp.

Als we die openen, zien we een batterij die via draadjes of koperstrips verbonden is met een lampje. Ergens in deze schakeling zien we een schakelaar.

Sluiten we deze schakelaar, dan zal het lampje branden, openen we dit contact, dan zal het lampje doven.

Batterij, geleiders, lampje en schakelaar vormen een ‘elek-trische kring’, ook ‘stroomkring’ genoemd.

Op het eerste gezicht een zeer eenvoudige situatie, maar wat gebeurt er eigenlijk elektrisch ?

Laten we beginnen met de elektrische voeding, in dit geval een batterij. Hierin bevinden zich twee verschillende metalen in een zure omgeving. Daardoor is er in de batterij een chemische reactie waardoor op één aansluiting van de batterij een hoger elektrisch potentiaal ontstaat dan op de andere aansluiting. Tussen de twee aansluitingen van de batterij, ook ‘polen’ genaamd, is er dus een verschil van potentiaal: een elektrische spanning.

Sluiten we op deze spanning een lamp aan, dan zal doorheen de elektrische kring een stroom vloeien die in het lampje wordt omgezet in licht en ook (ongewenste) warmte.

De spanning van een batterij is een gelijkspanning (meestal aangeduid als DC spanning, wat staat voor Direct Current).

Bij gelijkspanning blijft de polariteit van de beide polen steeds dezelfde.

Wensen we meer licht, dan moeten we een zaklamp gebruiken met een zwaardere batterij (doorgaans ook een groter model van zaklamp), waardoor we een hogere spanning hebben en hiermee een krachtiger lampje kun-nen laten branden.

Deze stroomkring is een van de eenvoudigste toepassin-gen van elektriciteit.

Het heeft echter geduurd van 600 voor Christus tot het begin van de negentiende eeuw vooraleer men het gedrag en de mogelijkheden van dergelijke stroomkring kon doorgronden en zicht kreeg op de relatie tussen spanning, stroom en het vermogen om een lamp te doen branden en dus arbeid te verrichten via elektriciteit.

Tot 1830 was er enkel gelijkspanning uit een batterij. Later werd ook wisselspanning uitgevonden.

Een praktische toepassing van gelijkspanning

LampjeSchakelaar

Verbindingsstrippen

Batterij

Geopende zaklampGeopende zaklamp

- +

Stroomkring zaklamp

Geleiders

Gloeilamp

Schakelaar

Batterij

6 Elektriciteit, van Amber tot Onmisbaar

GeschiedenisDe aantrekkingskracht van amber bij de oude Grieken

Het waren de Grieken die rond 600 voor Christus de be-denking maakten dat elektriciteit (dat toen echter nog geen naam had) een eigenschap van bepaalde materialen is.

Thales van Milete (natuurwetenschapper en filosoof) ontdekte dat hij na het ‘opwrijven van een stuk barnsteen (amber) hiermee bepaalde lichte voorwerpen kon aantrek-ken. Barnsteen is een lichtgeel, doorzichtig fossiel ge-steente dat de capaciteit heeft om lichte voorwerpen zoals papier en veren aan te trekken wanneer het door wrijving, bijvoorbeeld met een wollen doek, elektrisch wordt gela-den.

Hij kon het verschijnsel echter niet verklaren en zijn vast-stelling had geen gevolg tot 1600.

Later heeft men hier inspiratie gevonden voor het woord ‘Elektron’, wat het Griekse woord is voor barnsteen.

De mysterieuze krachten van magnetisme

Een eerste stimulans voor een breder verder onderzoek naar dit verschijnsel werd in 1600 vanuit Engeland gegeven door William Gilbert, geneesheer van de Engelse koningin Elisabeth 1, met de publicatie van ‘De Magnete’.

Het was een werk over de aantrekkingskracht van amber (barnsteen) en van magneten. Hij suggereerde onder meer dat de aarde zelf als een reuzenmagneet moet worden beschouwd, wat tevens de werking van een kompas kon verklaren. De mysterieuze krachten die hiervoor zorgden noemde hij ‘electrics’.

De eerste ‘elektriseermachine’ voor statische elektriciteit

Het verschijnsel van elektrostatische elektriciteit werd verder bestudeerd in 1660 in Duitsland door Otto von Guericke, burgemeester van Maagdenburg

Hij bouwde de eerste ‘elektriseermachine’.

Deze machine bestond uit een draaiende zwavelbol die door wrijving met droge handen elektrostatisch kon wor-den opgeladen en daarna terug ontladen.

Hier werd dus voor de eerste keer op een gecontroleerde wijze elektriciteit opgewekt.

De Engelsman Hawbeskee werkte verder aan de elek-triseermachine en perfectioneerde ze in 1707 door de zwavelbol te vervangen door een glazen bol.

In het begin van de 20e eeuw construeerde Robert van de Graaff een variante op de elektriseermachine, de zoge-naamde ‘Van de Graaffgenerator’.

Met dergelijk toestel kan een statische spanning worden bekomen van 5 miljoen Volt.

Het toestel werd vooral gebruikt voor testen op hoogspan-ningsmateriaal en is nog in tal van labo’s operationeel.

Eerste ervaring met een geleider en isolator voor elektriciteit

Rond 1732 experimenteerde in Engeland Stephen Gray, een handelaar in verven en amateur astronoom, met een elektriseermachine en slaagde erin om de opgewekte statische elektriciteit over een 800 meter lang henneptouw te geleiden.

Dat henneptouw was opgehangen aan zijden draden en daardoor geïsoleerd van de aarde.

Stephen Gray bouwde hier eigenlijk als eerste een primitief elektriciteitsnet, met een doordacht gebruik van geleiders en isolatoren om elektriciteit te transporteren.

Van amber tot een machine voor statische elektriciteit

Elektriseermachine Van de Graaffgenerator

7Elektriciteit, van Amber tot Onmisbaar

Wat we nu wetenDe rol van elektronen

Om een degelijke uitleg te kunnen geven voor het fe-nomeen elektriciteit, was het wachten tot 1920, toen in Nieuw-Zeeland de natuurkundige Ernest Rutherford erin slaagde het atoom te ontleden.

Rutherford stelde dat een atoom is samen-gesteld uit een kern waarrond elektronen draaien.

De kern heeft een positieve lading en de elektronen een ge-lijke negatieve lading, waardoor het geheel elektrisch neutraal is.

Verder onderzoek toonde aan dat de kern is samengesteld uit protonen en neutronen.Onafhankelijk van het atoom waarvan ze deel uitmaken, bevat elk elektron een zelfde negatieve lading en elk proton een zelfde positieve lading.

Neutronen hebben geen elektrische lading.

Tussen kern en elektronen is er een aantrekkingskracht, vanwege de tegengestelde lading.

De elektronen zijn door hun draaiende beweging rond de kern ook onderhevig aan een middelpuntvliedende kracht, die hen van de kern wil wegslingeren.

Beide krachten compenseren elkaar, wat maakt dat de elektronen op een zelfde baan rond de kern blijven draaien.

Elektronen kunnen in zeven ‘schillen’ draaien rond de kern, ook energieniveaus genoemd. Deze schillen worden aangeduid door de letters K, L, M, N, O, P, Q en aan elk niveau wordt een getal toegekend, het ‘hoofdquantumge-tal n’.

Iedere schil kan maar een beperkt aantal elektronen bevat-ten.

In rust is het aantal protonen in de kern van een atoom steeds gelijk aan het aantal elektronen. Dit aantal wordt weergegeven door het ‘atoomgetal’ of ‘atoomnummer’ (tabel van Mendelejev).

Het wegnemen van elektronen of het toevoegen van elektronen kan de elektrische lading van een atoom veranderen, zodat het respectievelijk een positieve of een negatieve lading heeft.

Dit laatste gebeurt dus bij de ‘elektriseermachine’. Zonder wrijving van de zwavelbol of de glazen bol, bevatten de atomen van de bol evenveel protonen als elektronen. De atomen zijn dus in evenwicht en de bol heeft geen lading.

Door de wrijving met bijvoorbeeld een wollen doek, wor-den elektronen afgevoerd naar het wollen doek en krijgen de atomen een positieve lading doordat er meer protonen zijn dan elektronen.

Door externe invloeden is het bij bepaalde materialen mogelijk om elektronen los te maken van hun atoomkern zodat ze vrij kunnen bewegen.

Dergelijke elektronen noemt men ‘vrije elektronen‘of ‘gelei-dingselektronen’. Zij zijn de ladingdragers van elektrische stroom.

Atoomnummer Naam Symbool

1 Waterstof H

8 Zuurstof O

14 Silicium Si

26 IJzer Fe

29 Koper Cu

30 Zink Zn

47 Zilver Ag

79 Goud Au

92 Uranium U

Het atoomnummer of atoomgetal geeft het aantal protonen en het aantal elektronen van een bepaald atoom en geeft tevens zijn plaats in de tabel van Mendelejev.

Gelijksoortigeladingen stoten

elkaar af

Tegengestelden ladingentrekken elkaar aan

Onderling gedrag van ladingen

K

L

M

elektron

protonen

neutronen

Siliciumatoom

Rutherford

8 Elektriciteit, van Amber tot Onmisbaar

Geleiders en isolatoren voeren elektriciteit in de juiste banen

Bij geleiders moeten de elektronen vlot kunnen bewegen en dus gemakkelijk kunnen overgaan naar vrije elektronen. Dat is het geval bij alle metalen zoals bijvoorbeeld koper, zilver en goud. Kenmerkend voor de meeste elektrische geleiders is ook hun goede thermische geleiding.

Andere materialen, waarin de elektronen stevig gebonden zijn aan hun atoom, laten dus geen beweging toe van elektronen en zijn isolatoren, zoals bijvoorbeeld glas, hout en kunststoffen.

Doorslag en overslag

Wanneer de isolatie van een elektrische geleider te zwak is voor de aanwezige spanning kan er een doorslag optreden van de isolatie.

Meestal is dergelijke doorslag een gevolg van een bescha-diging aan de isolatie.

Eigenlijk wordt hier de (beschadigde) isolatie overbrugd door de (plaatselijk te hoge) spanning.

Dat is een zeer gevaarlijke situatie met kans op elektrocutie of het ontstaan van brand.

Een gelijkaardig verschijnsel kan zich voordoen bij isolato-

ren voor de bevestiging van elektriciteitskabels. Hierbij kan de spanning overslaan langs de lucht.

Er ontstaat als het ware een vlamboog tussen de geïso-leerde spanning en de aarde of andere geleiders.

Ook dit is een zeer gevaarlijke situatie, vooral omdat het hier gewoonlijk hoogspanning betreft.

De kenmerken en eigenschappen van de geleiders en hun isolatie (draden of kabels) zijn momenteel gestandaardi-seerd.

Het te gebruiken type is bepaald door de spanning, de toepassing en de geldende veiligheidsnormen. Die worden beschreven in het AREI (Algemeen Reglement op de Elek-trische Installaties).

Hoogspanningsisolatoren zijn aan strenge specifieke vereisten gebonden. Ook de omgevende toegankelijke bewegingszone is strikt beperkt in functie van de waarde van de aanwezige hoogspanning omdat ook overslag naar personen mogelijk is.

Supergeleiders

Reeds in 1911 ontdekte men dat bij kwik op -273°C (bijna het absolute nulpunt) de elektrische weerstand onmeet-baar laag is.

Dergelijke ‘supergeleiding’ geeft zeer interessante moge-lijkheden voor, onder meer, het transporteren van elektri-sche stroom.

Elke geleider heeft immers een bepaalde weerstand tegen het doorgaan van een elektrische stroom. De waarde van die weerstand hangt onder andere af van de specifieke geleidende eigenschappen van het materiaal of van de specifieke weerstandswaarde.

Deze weerstand heeft als effect dat er bij het doorgaan van een elektrische stroom in deze geleider een energieverlies optreedt dat zich manifesteert als warmte. We komen hier later op terug bij de wet van Ohm.

Bij een lagere spanning zou de capaciteit van de netten sterk toenemen als we de weerstand van de transmissinet-ten zouden kunnen uitschakelen.

Momenteel wordt in Amsterdam gewerkt aan een experi-mentele 6 kilometer lange supergeleidende stroomkabel uit keramisch koperoxide die gekoeld wordt op een ‘hoge temperatuur’ boven -196 graden Celsius, wat het kook-punt is van vloeibaar stikstof.

9Elektriciteit, van Amber tot Onmisbaar

Richting van een elektrische stroom in een gesloten stroomkring

In een gesloten stroomkring mag men aannemen dat bui-ten de batterij de elektronen zich verplaatsen van de - naar de + pool.

Dit komt doordat er te veel elektronen aan de - pool zijn en te weinig aan de + pool.

Er is echter afgesproken dat de elektrische stroom buiten een batterij positief is als hij loopt van de + naar de - pool, of met andere woorden van een hogere spanning naar een lagere spanning, en dus eigenlijk tegengesteld aan de richting van de elektronen.

Statische elektriciteit

Statische elektriciteit wordt opgewekt door wrijving van elementen met verschillende atoomstructuur.

Statische elektriciteit is niet in staat om langdurig een stroom te leveren, maar kan wel op een hoge spanning komen.

Een klassiek voorbeeld van statische oplading ontstaat door wrijving van kleding met een stoel in kunststof terwijl je elektrisch geïsoleerd bent van de aarde.

Hierdoor kan het lichaam worden opgeladen.

Aanraking met bijvoorbeeld een aluminium deur kan dan voor een ontlading zorgen. Je voelt daarbij een kleine elek-trische schok en hoort vaak een zwak knetterend geluid.

Ook bliksem is een gevolg van statische elektriciteit, ver-oorzaakt door wrijving van waterdruppels met ijsdeeltjes. De bovenkant van de wolk wordt positief geladen en de onderkant negatief.

De statische spanningsverschillen worden hier zo hoog dat een overslag van de lucht kan plaatsvinden : de bliksem.

De lucht waar de bliksem doorheen gaat kan opwarmen tot 30 000 °C. Hierdoor zet de lucht uit met een snelheid hoger dan het geluid : de donder.

Door de hoge negatieve lading aan de onderkant van de wolk ontstaat er ook een hoog verschil in lading met de aarde onder de wolk. Ook hier kan een doorslag gebeuren tussen aarde en wolk.

Statische elektriciteit is, zelfs in een zeer kleine lading, ne-fast voor werken aan bepaalde elektronische onderdelen, zoals in een computer. Een klein ladingsverschil tussen de handen of het gereedschap van de technicus en dergelijke onderdelen kan de hardware beschadigen. Geheugen-chips worden om die reden verpakt in een materiaal dat niet statisch kan worden opgeladen.

Statische elektriciteit kent ook praktische toepassingen, zoals in kopieermachines, filterinstallaties en spuitcabines. Hierbij worden respectievelijk de toner, stofdeeltjes in de rookgassen en verfspatten statisch opgeladen om beter te ‘kleven’.

- +

Conventionele richting van de elektrische stroom

10 Elektriciteit, van Amber tot Onmisbaar

GeschiedenisDe eerste opslag van elektriciteit voor later gebruik

In 1745 bouwden twee onderzoekers die elkaar niet ken-den een toestel waarmee het mogelijk werd om elektrische ladingen uit een elektriseermachine op te slaan in flessen. Het waren de Nederlanders E.C. Kleist, een bisschop, en Pieter van Musschenbroek, hoogleraar in Leiden.

De verdienste van de uitvinding werd toegeschreven aan van Musschenbroek omdat zijn bevindingen werden voorgelezen op de Franse Academie. Het toestel heette voortaan ‘de fles van Leyde’.

De Leidse fles bestaat uit een brede glazen fles die van buiten met tinfolie is bekleed. De fles is gevuld met water. Een elektrode aan de bovenkant van de fles staat in verbinding met het water.

Door middel van een elektriseermachine wordt het water in de fles elektrisch opgeladen.

Met de uitvinding van de Leidse fles kon voort-aan een ‘grote’ hoeveelheid elektriciteit voor ‘lange tijd’ worden opgeslagen en gebruikt wanneer gewenst.

Oorspronkelijk fungeerde deze fles als een attractie op feestjes waarbij onder andere een lading doorheen een rij van mensen werd gestuurd.

Later werd dit toestel verder ontwikkeld tot wat men nu een condensator noemt, een onmisbaar onderdeel in elek-trische en elektronische toestellen.

Levensgevaarlijke experimenten met bliksem

Omwille van de gelijkenis tussen de vonken uit de elektri-seermachine en de bliksem veronderstelde de Amerikaan Benjamin Franklin (boekdrukker, hoofdredacteur, we-tenschapper en diplomaat) dat de bliksem een vorm van elektriciteit is. In 1746 slaagde hij erin om door middel van een vlieger die werd opgelaten met een vochtig touw, een deeltje van de energie van een bliksem op te slaan in een

verzameling Leidse flessen.

Benjamin Franklin werd ook aanzien als de uitvinder van de bliksemafleider.

Van statische elektriciteit tot de batterij

Leidse flessen

Benjamin FranklinPieter van Musschenbroek

11Elektriciteit, van Amber tot Onmisbaar

Eerste inzichten in elektriciteit

In 1747 stelde de Engelsman William Watson, een botanicus en arts, vast dat elektri-citeit een negatieve en een positieve component heeft.

Door geleiding langs een draad van 6,4 kilometer merkte hij ook dat er tussen de beide uiteinden geen waarneembaar tijdsverschil is tussen start en aankomst van elektriciteit. Hij ondervond wel een bepaalde ‘weer-stand’. Tot dan werd verondersteld dat elektriciteit de snel-heid van het geluid had.

De eerste batterij

Bekeken vanuit de huidige kennis werden bij de pogingen om inzicht te krijgen in het verschijnsel elektriciteit soms eigenaardige wegen gevolgd. Luigi Galvani, een Italiaans hoogleraar in de anatomie, wist dat sommige vissoorten schokken konden geven zoals uit de Leidse fles en ging op zoek naar elektriciteit in dieren. In 1786 liet hij een geam-puteerde bil van een kikker krampachtig samentrekken door hem (toevallig) aan te raken met twee verschillende metalen. Naar het voorbeeld van de sidderaal dacht hij dat elektriciteit de oorzaak was en deze in de kikker zat.

De Italiaanse natuurkundige Alessandro Volta was echter van mening dat de reden van de samentrekking niet in de kikker zat maar in het gebruik van de twee verschillende metalen.

In 1796 legde Volta een zilveren en een zinken schijfje, gescheiden door een doekje, natgemaakt in een zoutach-tige oplossing, op elkaar. Tussen boven- en onderkant van deze ‘cel’ stelde hij een spanning vast.

Door meerdere cellen op elkaar te stapelen in een zuil, verhoogde de spanning.

De eerste batterij was uitgevonden : de zuil van Volta (‘une pile’). Deze batterij was echter niet erg praktisch en had slechts weinig vermogen.

Al snel verbeterde Volta zijn uitvinding door glazen beker-tjes te vullen met een zwavelzuur oplossing en daarin me-talen strookjes te dompelen. De ene helft van de strookjes was van koper, de andere van zink.

Tussen beide metalen ontstaat hierdoor een ‘spanning’.

Globaal kan worden gesteld dat met de uitvinding van Volta de periode begint van de praktisch bruikbare elektri-citeit.

Naar Volta is in 1881 ook de eenheid van spanning genoemd : de Volt (V) (1881).

William Watson

Luigi Galvani Alessandro Volta

12 Elektriciteit, van Amber tot Onmisbaar

De reden van de ontstane spanning in de batterij van Volta zit hem in de aard van de materialen :

• Edele metalen (die geen of weinig corrosie vertonen als zij worden blootgesteld aan lucht en ook niet oplossen in zuren) zoals goud, zilver, platina en koper, staan in een zure oplossing geen elektronen af aan de omge-ving.

• Onedele metalen (die corrosie vertonen als ze worden blootgesteld aan lucht en die oplossen in zuren) zoals ijzer, zink, magnesium en aluminium, lossen op in een zure omgeving en staan hierbij elektronen af aan de

vloeistof waardoor het metaal positief wordt geladen.

Relatie spanning, stroom en weerstand

De Duitse natuurkundige Georg Ohm bepaalde in 1827 het verband tussen de drie grootheden in een elektrische voedingskring : spanning, weerstand en stroomsterkte.

Ohm stelde dat in een draadstuk de stroom recht evenre-dig is met de spanning aan zijn uiteinden en omgekeerd evenredig met zijn weerstand.

Voor de eenheid van stroomsterkte voerde hij de Ampère in, voor de eenheid van spanning de Volt (afgeleid van Volta) en aan de eenheid van weerstand gaf hij zijn eigen naam.

Deze eenvoudige wiskundige uitdrukking maakte het van nu af aan mogelijk om elektrische kringen doordacht te dimensioneren.

Uitvinding van de ‘droge’ batterij

In 1860 ontwikkelde de Franse ingenieur Georges Leclanché de zink-grafiet batterij, die later verder werd ontwikkeld tot de zogenaamde ‘droge batterij’. Eén element hiervan heeft een spanning van 1,5 V.

Dit type van batterij is nu bekend als de ‘wegwerpbat-terij’ en wordt nog steeds in grote hoeveelheden, onder verschillende vormen en met verschillende spanningen gefabriceerd.

Uitvinding van de loodaccu

In 1878 ontwikkelde Gaston Plante, Frans natuurkundige, de herlaadbare loodaccu. Deze is samengesteld uit loden platen gedompeld in verdund zwavelzuur.

In 1880 werd dit type batterij in de handel gebracht. Ze wordt vandaag nog altijd gebruikt in voertuigen, uiteraard in sterk verbeterde vorm.

R =U

I

I =U

R

U = I RXR in Ohm - ΩU in Volt - VI in Ampère - A

Wet van Ohm en afgeleide waarden

Batterij van Volta

Georg Ohm

13Elektriciteit, van Amber tot Onmisbaar

Wat we nu wetenBatterijen

Batterijen zijn samengesteld uit cellen die door een chemi-sche reactie een elektrische spanning produceren.

De spanning per cel is afhankelijk van de gebruikte mate-rialen.

Het aantal achter elkaar geschakelde cellen bepaalt de batterijspanning.

Elke cel heeft een negatieve pool (de minpool) waar in een gesloten kring de elektronen uitkomen (men noemt dit ook de kathode, van het Grieks ‘weg naar beneden’) en een positieve pool (de pluspool) waar de elektronen naartoe gaan (men noemt deze de anode van het Griekse ‘weg naar boven’).

In de cel wordt de verbinding tussen kathode en anode gemaakt door een elektrolyt.

Door de elektrochemische reactie tussen de elektrolyt met de kathode worden elektronen losgemaakt die een elektri-sche stroom geleiden.

De plus- en de minpool blijven steeds dezelfde, en dus ook de polariteit van de opgewerkte spanning. Men noemt deze spanning een DC spanning (Direct Current).

Een belangrijke ontwikkeling bij batterijen is ongetwijfeld de herlaadbare batterij. Door op dergelijke batterij een externe spanningsbron aan te sluiten, verloopt het chemisch ontladingsproces in de batterij in de omgekeerde richting, waardoor ze terug wordt opgeladen.

Voor tal van toepassingen volstaat hierdoor een relatief klein type van herlaadbare batterij. Het enige wat nodig is, is de mogelijkheid om ze tijdig en gemakkelijk terug op te laden. Dat gebeurt door middel van een batterijlader.

Vanaf het ontstaan van de ‘pile’ van Volta zijn vorsers con-stant op zoek geweest naar andere samenstellingen die een hogere spanning geven.

Belangrijk voor heel wat toepassingen is ook om de afmetingen en het gewicht van batterijen te reduceren en de cellen onder te brengen in een behuizing die optimaal is aangepast aan de toepassing.

In het recente verleden werd deze ontwikkeling sterk gestimuleerd vanuit de militaire sector (communicatieap-paratuur), de video sector (videocamera’s), de medische sector (gehoorapparaten) en sinds kort vanuit de automo-biel- (elektrische auto’s) en de telefoniesector (gsm).

Ondertussen zijn de elektrische kenmerken en de afmetin-gen van batterijen gestandaardiseerd.

Brandstofcel

Brandstofcellen hebben een doorgaande chemische reactie die direct wordt omgezet in elektrische energie. De chemische reactie wordt dus doorlopend gevoed. Dit in te-genstelling tot batterijen waar elektriciteit wordt opgewekt door een voorafgaande chemische reactie die na verloop van tijd is uitgeput.

Een wegwerpbatterij moet dan worden vervangen en een herlaadbare batterij moet worden ontkoppeld en opgela-den.

De uitgangsspanning van een brandstofcel is ongeveer 0,7 V.

In een typische brandstofcel wordt de chemische reactie veroorzaakt door waterstof in gasvormige toestand en zuurstof uit lucht. Beide reageren op een elektrolyt.

Er bestaan momenteel verschillende types brandstofcellen, elk met hun specifiek gebied van toepassing. De meeste brandstofcellen hebben, afhankelijk van de brandstof, schone afvalproducten die niet schadelijk zijn voor het milieu.

Door bij de fabricatie van de brandstof, zoals waterstof, te werken met bijvoorbeeld zonne-energie, komt men tot een 100 % milieuvriendelijke energiebron. Het afvalproduct is hier immers gewoon water.

Het principe van de brandstofcel werd reeds omstreeks 1843 ontwikkeld door de Engelsman William Grove.

De eerste praktische toepassingen vinden we in de ruimtevaart voor de productie van elektriciteit en water uit waterstof.

Momenteel is de techniek van de brandstofcellen voldoen-de ontwikkeld voor toepassing in bijvoorbeeld kleine warm-tekrachtinstallaties (waarmee men warmte en elektriciteit produceert) en auto’s.

Een praktisch probleem is echter een rendabele productie en distributie van waterstof.

Verwacht wordt dat voor auto’s binnen enkele jaren elektri-sche aandrijvingen, gevoed door brandstofcellen, kunnen concurreren met de huidige verbrandingsmotoren.

14 Elektriciteit, van Amber tot Onmisbaar

Zonnepaneel

Een totaal andere en tegenwoordig zeer actuele manier om gelijkstroom op te wekken is door middel van een zonnepaneel (ook pv-paneel genoemd naar het Engelse photovoltaic).

Een zonnepaneel is samengesteld uit fotovoltaïsche cellen waarin zonne-energie wordt omgezet in elektrische gelijk-spanning.

Momenteel is het geen enkel probleem om de gelijkspan-ning uit zonnepanelen door een invertor om te zetten naar wisselspanning. Elektriciteit uit zonlicht kan met de huidige technieken reeds een belangrijk deel van de energiebe-hoeften in een woning dekken.

De toepassing wordt momenteel sterk gestimuleerd door de hoge energieprijzen en de noodzaak om meer gebruik te maken van hernieuwbare energiebronnen.

Fotovoltaïsche cellen zijn opgebouwd uit halfgeleidend materiaal waarin, onder invloed van zonlicht, elektronen worden losgemaakt. Die elektronen kunnen maar in één richting bewegen.

Het effect was reeds in 1839 gekend. Het was echter onder impuls van de ruimtevaart dat de wetenschap vanaf 1950 op zoek ging naar mogelijkheden voor een rendabele praktische toepassing.

15Elektriciteit, van Amber tot Onmisbaar

GeschiedenisDe stoommachine voor het verrichten van arbeid

Door de eeuwen heen hebben mensen doorlopend naar mogelijkheden en middelen gezocht om lichamelijke arbeid te vergemakkelijken en menselijke beperkingen te elimine-ren. Naast paardenkracht opende de stoommachine hier-toe interessante perspectieven. Zij gaf een stevige impuls aan de industriële revolutie, die in Engeland startte op het einde van de 18e eeuw.

Een belangrijke bijdrage aan de ontwikkeling van de stoommachine leverde James Watt, een Schots ingenieur die in 1769 de eerder ontwikkelde primitieve stoommachi-nes verbeterde tot werkelijk bruikbare machines.

In 1784 verwierf Watt het patent op de stoomlocomotief.

Paardenkracht

Toen James Watt zijn stoommachine aanbood als alterna-tief voor een paard was het noodzakelijk om beide op hun ‘vermogen tot arbeid’ te kunnen vergelijken. Hij moest im-mers kunnen aantonen hoeveel paarden men kan uitspa-ren met een van zijn stoommachines.

Voor de classificatie van stoommachines introduceerde Watt de ‘paardenkracht’ als het gemiddelde vermogen dat een paard langdurig kon leveren.

Later werd 1 pk gedefinieerd als het vermogen dat nodig is om een last van 75 kg gedurende 1 seconde 1 meter omhoog te trekken.

Vermogen wordt hier dus een uitdrukking die de arbeid per tijdseenheid weergeeft.

Eerste omzetting van elektriciteit in een andere energievorm

Tot 1830 was het nog niet helemaal duidelijk wat men met elektriciteit zinvol kon aanvangen. Buiten het trekken van vonken en geven van elektrische schokken op feestjes waren er geen echt bruikbare toepassingen.

In de bierbrouwerij van de familie Joule in Salfort, Enge-land, onderzocht zoon James, de mogelijkheid om stoom-machines van de brouwerij te vervangen door elektrische machines.

James Joule ontdekte dat elektriciteit in een geleider in warmte kon worden omgezet en warmte dus eigenlijk een vorm van arbeid is.

Joule was de eerste die erin slaagde om elektriciteit om te zetten in een andere energievorm.

Later werd zijn naam ingevoerd als de eenheid van arbeid.

Arbeid = kracht * afgelegde weg

A = F * S

Joule = newton * meter

Van elektriciteit naar warmte

James Watt James Joule

16 Elektriciteit, van Amber tot Onmisbaar

Wat we nu wetenElektrische warmte

In tal van elektrische toepassingen is warmte een onge-wenst nevenproduct. Denk maar aan de gloeilamp of de motor van de stofzuiger. In heel wat elektrische toestellen vinden we dan weer elektrische verwarmingsweerstanden in alle afmetingen en vermogens.

Elektrische verwarming, vaatwasmachine, wasmachine, linnendroger, haardroger, kookfornuis, koffieautomaat, boiler … het zijn slechts enkele van de vele toepassingen waar warmte wordt geproduceerd door middel van een elektrische verwarmingsweerstand.

Dergelijke weerstanden worden gefabriceerd in diverse modellen en zijn vervaardigd uit een legering van metalen die wordt gekozen in functie van de toepassing en de gewenste hoeveelheid warmte.

De warmte, opgewekt door een elektrische stroom, wordt ook gebruikt in een smeltzekering of automaat.

Hier doet de warmte respectievelijk een gekalibreerde geleider doorbranden of ontgrendelt zij door middel van een bi-metaal een schakelmechanisme. De aangesloten voedingskringen worden hierdoor beveiligd tegen een te hoge elektrische stroom.

Vermogen

Het vermogen van machines en motoren werd vroeger uitgedrukt in pk (paardenkracht). Een uitdrukking van vermogen die dateert van de tijd van James Watt met zijn stoommachines.

Later werd de eenheid van vermogen naar hem genoemd : de Watt.1 pk komt overeen met ongeveer 735 W of 0,735 kW

1 kW komt overeen met ongeveer 1,36 pk

In de automobielsector spreekt men soms nog van pk maar over het algemeen wordt een vermogen vandaag uitgedrukt in Watt (W) met als veelvoud de kW, die gelijk is aan 1 000 W.

De warmteleer stelt dat de hoeveelheid warmte die nodig is om 1 gram zuiver water 1 graad te verwarmen gelijk is aan 1 calorie.

Een veelvoud is de kilocalorie (1 kcal = 1000 cal) : dat is de hoeveelheid warmte nodig om 1 liter water 1 graad te verwarmen.1 kcal = 1,16 W

1 kW = 860 kcal

In de voedingsleer wordt de kilocalorie (kcal) nog veel ge-bruikt, maar steeds vaker vervangen door de kilojoule (kJ), waarbij 1 kcal = 4,186 kJ

17Elektriciteit, van Amber tot Onmisbaar

Geschiedenis Eerste omzetting van elektriciteit in mechanische kracht

Tijdens een verder onderzoek naar de thermische werking van elektriciteit ontdekte de Deense natuur- en schei-kundige Hans Christian Oersted het verband tussen elektriciteit en magnetisme.

Door een stroomvoerende geleider (toevallig!) in de nabij-heid van een kompas te brengen, liet hij de naald van het kompas uitwijken. Zijn conclusie was dat de stroomvoe-rende geleider een magnetisch veld creëerde. Dergelijk veld heeft dus geen mechanische koppeling tussen ge-leider en kompasnaald, maar kan toch een kompasnaald doen bewegen. Het magnetisch veld realiseert dus een overbrenging van mechanische kracht die afkomstig is uit de stroomvoerende geleider.

Voor de verdere ontwikkeling van elektrische toepassin-gen was deze ontdekking zeer belangrijk.

Hier werd voor de eerste keer elektriciteit omgezet in een mechanische kracht : de elektromotor was geboren.

Oersted kon echter geen verklaring geven voor dit ver-schijnsel.

Later werd de eenheid van magnetisme naar hem ge-noemd : de Oersted.

Sterker magnetisch veld door middel van een solenoïde

Het was de Franse natuurkundige André-Marie Ampère die aantoonde dat het magnetisch veld rond een stroom-voerende geleider verloopt in concentrische cirkels en dat dit veld een aantrekkende of afstotende werking heeft naargelang de stroomrichting doorheen de geleider.

Ampère ontdekte ook dat het krachtveld kon worden versterkt door de geleider schroefvormig te wikkelen, de zogenaamde ‘Solenoïde’.

Ontdekking van de elektromagnetische inductie

De Amerikaan Joseph Henry en de Engelsman Michaël Faraday ontdekten rond 1831 dat het door Oersted en Ampère vastgestelde verschijnsel ook omkeerbaar is. Zij ontdekten dat een bewegende magneet een spanning kan opwekken in een gewikkelde geleider (een spoel).

Mechanische energie werd hier dus voor de eerste maal omgezet in elektriciteit.

Hier gebeurde ook de ontdekking van de elektromagne-tische inductie, waarmee de basis werd gelegd voor de elektrische motor en de stroomgenerator.

Van magnetisme tot dynamo

Z

N

Hans Christian Oersted André-Marie Ampère

Magnetisch veld rond een stroomvoerende geleider Solenoïde

18 Elektriciteit, van Amber tot Onmisbaar

Eerste machine voor productie van elektriciteit

De eerste machine om met een bewegende magneet elektriciteit op te wekken in een spoel werd in 1832 ge-bouwd door Nicolas-Constant Pixii, een instrumenten-bouwer uit Parijs. Zijn toestel, een zogenaamde ‘magneto’, bestond uit een houten statief waarop een vaste spoel met weekijzerkern was gemonteerd. Door middel van een hendel en een tandwieloverbrenging liet hij de polen van een U-vormige magneet tegenover de kern van de spoelen draaien.

Doordat de spoelen afwisselend onder invloed komen van de N-pool en de Z-pool van de magneet, wisselt de richting van de magnetische krachtlijnen en dus ook de richting van de geïnduceerde stroom. Deze machine ge-nereerde dus een wisselspanning.

Pixii voorzag zijn machine van een door André Ampère uitgevonden commutator. Dat is een mechanische ge-lijkrichter die de opgewekte wisselspanning omzette in gelijkspanning.

Uiteindelijk gaf de machine dus een pulserende gelijk-spanning. Telkens de magneet de spoelen passeerde, kreeg je een spanningspuls.

Een commutator is ook nu nog een onmisbaar onderdeel in elke gelijkstroommotor en enkelfasige wisselstroom-motor.

Bij verdere proefnemingen stelden onderzoekers vast dat de opgewekte spanning hoger werd als ze een sterkere (en dus grotere en zwaardere) permanente magneet gebruikten. De constructie werd dus zwaarder, waarbij het praktischer was om de permanente magneet vast te monteren en de spoelen te laten draaien in het magne-tisch veld.

Edward Clarke bouwde in 1836 een spanningsgenerator waarin de zware magneet, de stator, vertikaal staat opge-steld en de spoelen tussen de polen draaien.

De opgewekte spanning in de draaiende spoelen, de rotor, werd afgetakt door middel van glijcontacten op de commutator.

Een relatief krachtige gelijkstroomgenerator, de ‘mac-chinetta’ (klein machientje), werd in 1860 ontwikkeld door Antonio Pacinotti.

Hij verving de draaiende spoel door een ring in weekijzer waarop hij een spoel wikkelde. Men noemt dit ook een ringanker. Het magneetveld van de permanente mag-neet, de stator, loopt hier ook door het ringanker en over de wikkelingen op dit ringanker, waardoor een hogere geïnduceerde spanning wordt opgewekt. Elke wikkeling is afzonderlijk met segmenten van een commutator verbon-den.

Deze techniek is bekend als de ‘ring van Pacinotti’. Omdat er tijdens het draaien voortdurend een wikkeling voorbij de polen van de permanente magneet passeert, ontstaat een nagenoeg constante gelijkspanning.

Hier werd de eerste praktisch bruikbare gelijkstroomdy-namo ontwikkeld.

In 1866 gebruikte Henry Wilde een elektromagneet in plaats van een permanente magneet. De stroom voor het magnetisch veld van de elektromagneet werd geleverd door een batterij.

Het was Werner Von Siemens, Duits uitvinder en indu-strieel, die in 1867 een deel van de opgewekte stroom gebruikte voor het opwekken van het elektromagnetisch veld. De veldsterkte van de elektromagneet en het gepro-duceerde vermogen werd hierdoor veel hoger.

Machine van Clarke Werner Von Siemens

Ring van Pacinotti

19Elektriciteit, van Amber tot Onmisbaar

Constructie van de eerste gelijkstroomgenerator voor hoog vermogen

Zoals met vele uitvindingen het geval is, stelt zich ook in deze geschiedenis regelmatig de vraag wie van iets eigenlijk de eerste uitvinder is. Dit is ook het geval bij de Belg Zénobe Gramme, een timmerman die zich door zelfstudie opwerkte tot onafhankelijk onderzoeker en zich vestigde in Parijs.

Hij bouwde in 1869 een gelijkspanningsdynamo die (al dan niet toevallig) de kenmerken van de machines van Pacinotti, Wilde en Siemens in zich droeg : de ‘Gramme-dynamo’.

Bij deze dynamo zijn op het ringvormige anker een der-tigtal spoelen van koperdraad gewikkeld. Elke verbinding van twee opeenvolgende spoelen is verbonden met een commutator waarover twee koolborstels glijden. Het mag-netisch veld van de stator, geleverd door een permanente magneet, loopt door het ronddraaiende ringanker en over de ankerspoelen. Er wordt dus een spanning geïnduceerd in twee over elkaar liggende spoelen van het anker.

Door het grote aantal ankerspoelen in de Gramme-dy-namo is er nagenoeg op elk tijdstip van het ronddraaien een spoel voor de magneet en is de opgewekte spanning praktisch constant. Zo bekom je een nagenoeg gelijkma-tige gelijkstroom.

Vanaf nu werd het voor de productie van elektriciteit mogelijk om de zware batterijen te vervangen door een gelijkstroomgenerator (een dynamo) die permanent een grote stroom kon leveren.

Eerste transport van elektrische energie als bron voor mechanische energie

Op de wereldtentoonstelling van 1873 in Wenen demon-streerde Gramme de koppeling van twee generatoren die op 2 km afstand van elkaar waren opgesteld. Liet men één als generator werken, dan werkte de andere als elektrische motor. Dat principe werd eigenlijk ontdekt door een medewerker van Gramme : Hippolyte Fontaine.

Zénobe Gramme Gramme-dynamo

20 Elektriciteit, van Amber tot Onmisbaar

Aandrijving van de dynamo door een turbine

De experimentele dynamo’s evolueerden dus naar grotere exemplaren die aanzienlijke vermogens konden leveren. De rotor van de dynamo moest mechanisch worden aan-gedreven tot een hoog toerental.

Dat werd gedaan door een turbine. Hiermee werd stro-mingsenergie van een fluïdum (vloeistof, gas, stoom, wind …) omgezet in mechanische energie door middel van een schoepensysteem.

De naam turbine is afkomstig van het Latijnse turbinis, wat wervelstroom betekent.

Het principe was reeds gekend bij de wind- en watermo-lens die onder andere zware molenstenen deden rond-draaien.

Voor de productie van elektriciteit werd de turbine dus gekoppeld aan de rotor van een dynamo (voor de produc-tie van gelijkspanning) of een alternator (voor de productie van wisselspanning).

In een eerste fase waren het vooral stoomturbines. Met als primaire brandstof hout of steenkool werd stoom gepro-duceerd op hoge druk. Die stoom gaf de stuwkracht aan een stoomturbine.

In een hydro-elektrische centrale werd stromend water over schoepen van een waterturbine geleid.

De eerste grootschalige praktische toepassingen van elektriciteit

De telegraaf

Voortbouwend op de waar-nemingen van Faraday werd het mogelijk om door middel van een elektromag-netische spoel een metalen stift te laten bewegen.

De stroom naar deze elektro-magnetische spoel kon hierbij worden geschakeld op een (grote) afstand van de spoel.

Samuel Morse liet in 1837 de bewegingen van de stift gecodeerd verlopen door middel van een punt-streepjes code, het zogenaamde Morse alfabet.

Zo werd het mogelijk om geschreven berichten met be-hulp van elektriciteit en een elektrische draad direct over grote afstanden te verzenden. De telegraaf was geboren.

In september 1837 slaagde Morse erin een verbinding over 5 km te realiseren.

De eerste internationale zeekabel werd gelegd in 1850 tussen Dover en Calais en de eerste trans-Atlantische verbinding kwam in 1858 tot stand.

De telefoon

Na de telegraaf kwam de tele-foon. Verschillende uitvinders sleutelden aan een systeem om spraak over te brengen.

Alexander Graham Bell geldt als de uitvinder van de telefoon omdat hij erin slaagde een door iedereen bruikbaar toestel te ontwikkelen. Hij kreeg hier-voor een octrooi in 1876.

Telegraaf van Samuel Morse

Samuel Morse Alexander Graham Bell

21Elektriciteit, van Amber tot Onmisbaar

De gloeilamp

De ontwikkeling van de gloeilamp begon kort na de uitvinding van Volta. H. Davy deed in 1802 metaaldraden gloeien met een elektrische stroom.

Van een echte verlichting was echter nog geen sprake omwille van de snelle oxidatie en het doorbranden van de gloeidraden.

Dat veranderde in 1868 toen Swan de gloeidraad op-stelde in een vacuüm glazen omhulsel. De ‘lamp’ was geboren.

In 1878 nam Edison een eerste octrooi op een gloeilamp met gloeidraad in platina.

Edison experimenteerde verder, wat uiteindelijk een gloei-lamp opleverde met verkoolde bamboevezel als gloei-draad. De levensduur lag rond de 40 uur.

Om een snelle vervanging van een lamp mogelijk te ma-ken, ontwikkelde Edison ook de ‘Edison schroeffitting’, die nu nog steeds in gebruik is.

In 1882 werd de eerste straatverlichting met gloeilampen gerealiseerd in Pearl Street in New York.

De eerste productie van elektriciteit in Antwerpen

De mogelijkheid om op grote schaal elektriciteit te gebrui-ken, is uiteraard erg afhankelijk van de beschikbaarheid. Er waren dus elektriciteitscentrales nodig en elektriciteits-netten voor de verdeling van elektriciteit. Anderzijds moest er ook een vraag zijn naar elektriciteit. Elektrische verlich-ting creëerde dergelijke vraag.

Rond 1880 werd in Antwerpen de eerste elektriciteit geproduceerd, uitsluitend voor eigen (experimenteel) gebruik. Verdeling naar de bewoners van de stad was onmogelijk omwille van een ‘verlichtingsconcessie’ die de stad had verleend aan de Gasmaatschappij.

Die concessie was een gevolg van een decreet van 1789 waardoor de gemeenten verplicht waren te zorgen voor de verlichting van de wegen.

Door deze concessie was er geen toekomst voor elektri-citeit en ging de ‘Compagnie Générale d’Electricité’ ten onder.

De druk tot het herzien van deze concessie nam sterk toe naar aanleiding van de wereldtentoonstelling van 1885, die doorging in Antwerpen en in het teken stond van elektri-citeit.

Na lang onderhandelen werd de NV ‘Compagnie Hydro-Electrique Anversoise’ opgericht die in 1893 een veertigtal gebruikers bevoorraadde. Het was een financiële ramp.

De productietechniek was echter uniek : water onder hoge druk werd in leidingen over de stad Antwerpen verspreid en dreef waterturbines aan die in ‘omvormingsstations’ stonden opgesteld. Van hieruit vertrokken ondergrondse kanalen waarin blanke metalen geleiders de elektriciteit verdeelden.

Thomas Edison

Gloeilamp

Compagnie Hydro-Electrique Anversoise

22 Elektriciteit, van Amber tot Onmisbaar

Vanaf 1901 werden de voornaamste straten van Ant-werpen elektrisch verlicht. De eerste 152 ‘booglampen’ vroegen echter heel wat onderhoud. Om de twee dagen moesten de koolstiften worden vervangen en de armatu-ren gereinigd.

In 1908 werd de thermische centrale van Merksem in dienst genomen door de ‘Elektriciteitsmaatschappij der Schelde’ en richtte zich naar de omliggende gemeenten.

De productiecapaciteit was er, maar wegens de ‘verlich-tingsconcessie’ was het niet rendabel om een distributie-net uit te bouwen. Verlichting was toen immers zowat de enige praktische toepassing.

Hierin kwam verandering door de wet van 1922 die de productie en de hoogspanningsdistributie vrijmaakte, maar voor de laagspanningsdistributie een monopolie van de gemeenten maakte. Deze wet ligt tevens aan de basis van de vroegere zuivere en gemengde intercommunales. IMEA was de eerste gemengde intercommunale.

Von Siemens legde in 1881 de eerste (experimentele) tramlijn aan in de omgeving van Berlijn.

In België rijden de eerste elektrische trams in Brussel in 1894.

Deze trams reden op gelijkspanning. Ook nu nog rijden trams op een gelijkspanning van 600 of 750 V. De stroom wordt toegevoerd langs een bovenleiding en afgevoerd via de wielen en de rails.

1900 - Munt-kilowattuurmeterTelkens voor 10 cent stroom. Een budgetmeter avant la lettre

Paardentram Antwerpse Grote Markt, rond 1900

23Elektriciteit, van Amber tot Onmisbaar

Wat we nu wetenMagnetisme

We zagen reeds dat elk atoom elektronen heeft die draaien rond een kern. Nu draaien deze elektronen op hun beurt ook rond hun eigen as.

Volgens recent wetenschappelijk onderzoek wordt mag-netisme veroorzaakt door deze laatste beweging.

Elk elektron heeft dus een bepaald magnetisme in een bepaalde richting.

Al deze magnetische krachten van de verschillende elektronen in een atoom heffen elkaar op wanneer het materiaal niet in magnetische toestand is. Hierdoor oefent het atoom in zijn geheel, en dus ook het metaal waarvan het deel uitmaakt, geen magnetische kracht uit.

In gemagnetiseerde toestand worden al deze kleine magneetjes in een zelfde richting georiënteerd, zodat hun magnetische velden zich samenvoegen en er een magne-tische werking naar buiten ontstaat.

Enkel ijzer, staal, nikkel, kobalt en legeringen met deze metalen, kunnen worden gemagnetiseerd.

Deze magnetische werking manifesteert zich onder de vorm van een magnetisch veld dat we ons kunnen voor-stellen als een samenstelling van veldlijnen.

Deze veldlijnen verlaten de magneet via de noordpool en komen terug in de magneet via de zuidpool, net zoals dat bij het aardmagnetisme het geval is.

De dichtheid van de veldlijnen is het hoogste in de onmid-dellijke nabijheid van de polen en neemt af naargelang de afstand tot de magneet groter wordt.

Een andere manier om een magnetisch veld te creëren is, zoals Oersted ontdekte, een elektrische stroom doorheen een spoel (een solenoïde) sturen.

Dergelijke spoel is samengesteld uit vele windingen. Elke winding wekt een magnetisch veld op dat dezelfde grootte heeft en dezelfde richting. Al deze magnetische velden voegen zich samen tot één sterk magnetisch veld waarvan de polen zich aan de uiteinden van de spoel bevinden.

Primaire energie

Omdat niets uit het niets kan ontstaan, is voor elke productie van elektriciteit basisenergie nodig, onder een andere vorm, die wordt omgezet in elektriciteit. Deze ba-sisvorm van energie noemen we de primaire energie.

Bij zonnepanelen is de omzetting direct. De primaire ener-gie van de zon wordt door de zonnecellen direct omgezet in elektriciteit.

Bij thermische centrales wordt de alternator aangedreven door een stoomturbine.

Primaire energie voor het fabriceren van deze stoom zijn bijvoorbeeld :• Steenkool

• Aardgas

• Stookolie

• Kernbrandstof

• Gas uit biomassa

• Brandbaar restafval

• Houtpellets

• ….

In een ander type centrale wordt de alternator direct aan-gedreven door de schoepen van een windmolen of een waterrad.

Primaire energie is hier respectievelijk wind en water.

De benaming van een productie-eenheid of centrale verwijst gewoonlijk naar het soort primaire brandstof die wordt gebruikt.

Elektrische stroom

Veldlijnen van een staafmagneet Elektromagnetisch veld van een spoel

24 Elektriciteit, van Amber tot Onmisbaar

Productierendementen

Zowel vanuit commercieel oogpunt als gezien vanuit het milieu, is het interessant om zoveel mogelijk elektriciteit te produceren met een zo laag mogelijk verbruik van pri-maire energie, met andere woorden : te streven naar een zo hoog mogelijk rendement.

Met dat doel is onder meer veel werk gemaakt van de ontwikkeling van de turbines.

Vorm en opstelling van de schoepen in een turbine zijn bestudeerd op een minimum slijtage en een maximale omzetting van de energie uit stoom naar draaivermogen.

De eerste turbines verbruikten 90 kg stoom voor de pro-ductie van 1 kWh.

In 1887 was dit teruggebracht tot 25 kg en in 1892 tot 12 kg.

Rond 1910 verbruikten grote turbines slechts 4 kg stoom per kWh.

Omwille van het rendement wordt bij de productie van stoom ook getracht de warmteverliezen zo laag mogelijk te houden. Wat niet gemakkelijk is door de grote afmetin-gen van de stoomketel en de leidingen, maar ook door het proces zelf.

Op het einde van de cyclus, als de stoom doorheen de turbine is gegaan, moet de stoom worden gecondenseerd en terug omgezet in water. Bij dit condenseren gaat veel warmte verloren.

In bepaalde centrales wordt deze warmte gedeeltelijk ge-bruikt voor verwarming van industriële processen of voor de verwarming van gebouwen.

Elk type centrale heeft zijn specifieke kenmerken wat betreft rendement, productiepatroon en belasting van het milieu.

Sommige centrales kunnen snel reageren op wisselingen in energievraag, andere slechts heel traag.

Zonnecentrales, waterkrachtcentrales en windcentrales zijn bovendien afhankelijk van het weer.

Uiteraard spelen voor een commercieel interessante ex-ploitatie ook de specifieke investeringen en de brandstof-prijzen een belangrijke rol.

Dit alles maakt dat het kiezen van de optimale productie-middelen en primaire energie een complexe materie is.

Galvanometer en universeelmeter

Het principe van elektrome-chanische inductie werd rond het einde van de 19e eeuw onder meer toegepast voor de constructie van een meetinstru-ment voor elektrische stroom.

Als erkenning voor het werk van Luigi Galvani werd zijn naam gegeven aan dit toestel.

Tussen de polen van een permanente magneet staat een draaibaar spoeltje opgesteld

Galvanometer

Gedemonteerde stoomturbine

N Z

25Elektriciteit, van Amber tot Onmisbaar

waaraan een wijzertje is bevestigd. Het wijzertje wordt op een schaal in zijn beginstand gepositioneerd door middel van een spiraalvormig veertje. Als een stroom door het spoeltje wordt gestuurd, ontstaat een tweede magnetisch veld dat, afhankelijk van de stroomrichting, het veld van de permanente magneet zal meewerken of tegenwerken. Een grote stroom doorheen het spoeltje zal het spiraaltje ver kunnen opspannen, en dus de naald ver doen uitwijken. Een kleine stroom zal een kleine uitwijking geven.

De uitwijking van de naald is een indicatie voor de stroom doorheen het spoeltje. We zijn dus in staat om de stroom-sterkte te meten.

Mechanisch gezien is deze constructie zeer kwetsbaar.

Later werd de meter verder uitgewerkt tot ‘universeelme-ter’. Daarin worden verschillende grootheden op een ge-kalibreerde wijze omgezet naar een DC stroom, waardoor de naald op een specifieke schaal een aanduiding geeft.

Momenteel is het draadspoelmetertje vervangen door LCD displays.

Galvanometers worden wel nog gebruikt in onder andere laserprojectiesystemen. Aan het wijzertje is een spiegeltje bevestigd dat een laserstraal projecteert op een scherm.

AC en DC stroom

Een elektrische stroom is altijd het gevolg van een span-ning. Is het een wisselspanning, dan is het een wissel-stroom. Bij een gelijkspanning is het een gelijkstroom.

Snelheid van een elektrische stroom

Een elektrische stroom is een verplaatsing van lading door middel van elektronen.

In een elektrisch circuit zijn deze elektronen in elk gelei-dend onderdeel altijd aanwezig en komen allemaal op hetzelfde moment in beweging van zodra de spanning wordt ingeschakeld.

In het voorbeeld van de zaklamp is het zo dat, bij het slui-ten van de schakelaar, alle elektronen in de geleiders en de gloeilamp elkaar ogenblikkelijk in één richting beginnen voort te duwen.

De snelheid van het ‘doorstromen’ van de elektronen is dus afhankelijk van de spanning, het soort materiaal en de doorsnede van de geleiders.

In het voorbeeld van de zaklamp, bij DC spanning, is de snelheid van de elektrische stroom in de orde van een paar millimeter per seconde.

Bij AC spanning bewegen de elektrische ladingen heen en weer onder invloed van de wisselende elektrische span-ning.

Er is hier geen stroming van elektronen, maar een soort vibratie waarbij de elektronen over een korte afstand heen en weer gaan op de netfrequentie.

Wet van Ohm

Tussen de spanningswaarde, stroomwaarde en de weer-standswaarde van een elektrische kring is er altijd een vast verband : de weerstandswaarde is steeds gelijk aan de spanningswaarde gedeeld door de stroomwaarde.

De weerstandswaarde is onafhankelijk van de spanning. De stroomsterkte zal dus toenemen als de spanning toe-neemt en omgekeerd.

In een gesloten stroomkring van een voeding van 1 V en een weerstand van 1 Ω vloeit een stroom van 1 A.

Spanningsval

Elke voedingskring is een keten van componenten met elk specifieke elektrische kenmerken en dus elk een speci-fieke elektrische weerstandswaarde.

Ook de elektrische bedrading heeft een bepaalde weer-standswaarde.

Vloeit door deze bedradingsweerstand een elektrische stroom, dan ontstaat hierover een elektrische spanning die gelijk is aan de waarde van de bedradingsweerstand vermenigvuldigd met de stroomsterkte.

Neemt de stroomsterkte doorheen een bedrading toe, dan verhoogt ook de spanningsval over deze bedrading.

Tegenover de eigenlijk te voeden belasting (een woning of toestel) is er dus een verlies aan spanning, waardoor het toestel zelf op een lagere spanning komt.

Praktisch kan men de spanningsval laag houden, onder andere door te zorgen voor een bedrading met relatief lage elektrische weerstandswaarde (dikke koperdraad, bijvoorbeeld).

Digitale universeelmeter

26 Elektriciteit, van Amber tot Onmisbaar

GeschiedenisHet eerste transport van elektriciteit op hoogspanning

De verdere ontwikkelingen van de dynamo boden de mo-gelijkheid tot een ruimere toepassing van elektriciteit.

Het probleem dat zich echter stelde was de bouw van rendabele elektrische centrales en de mogelijkheid tot distributie van de gevraagde vermogens.

Door Ohm wist men dat de weerstand van een geleider (en de spanningsval) evenredig toeneemt met de lengte en dat voor transport van een bepaald vermogen de transportver-liezen minder worden bij een hoge spanning.

Men schrikt er echter voor terug om op een spanning hoger dan 110 of 220 V te werken.

In 1882 slaagt de Fransman Marcel Deprez erin om een vermogen van 115 pk te transporteren onder een spanning van 6 000 V.

Marcel Deprez bewees daarmee dat transport van een hoog elektrisch vermogen over een grote afstand mogelijk is.

In de productie bleef de noodzakelijke hoge draaisnelheid van dynamo’s echter een groot probleem.

Bovendien veroorzaakte een spanning hoger dan 2 500 V ook zoveel schade aan een dynamocollector dat de zaak niet rendabel is.

De uitvinding van de transformator

De uitvinding van de transformator, in 1884 door de Ame-rikaan Gibes en de Fransman Gaulard, brachten wissel-stroom volop in de aandacht.

Een transformator maakt het immers mogelijk om een spanning op een relatief gemakkelijke wijze naar een ho-gere of een lagere waarde over te brengen of te ‘transfor-meren’. Met gelijkspanning was dat toen niet mogelijk.

Het werd nu mogelijk om in een centrale wisselspanning te produceren op een relatief lage spanning, ze dan naar een hoge spanning te transformeren voor het transport (dus met minimale spanningsval) en ze op de plaats van bestemming terug naar omlaag te transformeren naar een lagere wisselspanning.

Een principe dat nog steeds wordt toegepast.

De eerste distributiezone van elektriciteit

George Westinghouse realiseerde in 1885 de eerste volwaardige distributiezone van elektrische energie met het gebruik van transformatoren en wisselspanning.

De wezenlijke doorbraak van wisselspanning kwam in 1896 door een samenwerking van Westinghouse met Nikola Tesla, een Kroaat die in 1884 naar Amerika was uitgeweken.

Voorkeur voor wisselspanning

Uitgangstransformator

Nikola Tesla

27Elektriciteit, van Amber tot Onmisbaar

Ontwikkeling van driefasige stroom en de eerste hydro-elektrische centrale

Nikola Tesla ontwikkelde een nieuwe generator waarin de spoelen van de stator zo waren opgesteld dat zij drie wisselstromen tegelijk opwekten, elk met een faseverschil van een derde van een periode (zie verder voor het begrip periode).

Hier werd dus voor de eerste maal een driefasige stroom opgewekt.

Moderne generatoren zijn nog steeds op deze manier gebouwd.

Westinghouse bouwde in 1885 aan de Niagara Falls de eerste hydro-elektrische centrale die met een alternator volgens het systeem van Tesla was uitgerust.

Wat we nu wetenTransformatoren

Transformatoren werken volgens het principe van het elek-tromagnetisme.

In een transformator zijn twee spoelen gewikkeld rond een gesloten ijzeren kern.

Door een wisselspanning aan te sluiten op de primaire wikkelingen ontstaat in de kern een wisselend magnetisch veld dat ook doorheen de secundaire wikkelingen vloeit.

In de secundaire wikkelingen wordt hierdoor een wissel-spanning opgewekt.

De grootte van het wisselend magnetisch veld is afhanke-lijk van de primaire spanning en van het aantal primaire wikkelingen.

De grootte van de geïnduceerde secundaire spanning is afhankelijk van de sterkte van het wisselend magnetisch veld en het aantal secundaire wikkelingen.

Vermits het wisselend magnetisch veld in de beide wik-kelingen hetzelfde is, volgt hieruit dus dat :Upr x npr = Usec x nsec

Of :

Upr/Usec = npr/nsec

Zijn er aan de secundaire kant meer wikkelingen dan aan de primaire kant, dan wordt de primaire spanning omhoog getransformeerd.

Zijn er aan de secundaire kant minder wikkelingen dan aan de primaire kant dan wordt de aangelegde spanning omlaag getransformeerd.

Primaire spanning

Secundaire spanning

IJzeren kern

Principe van een transformator. De primaire spanning creëert een magnetisch veld dat een spanning

induceert in de secundaire wikkeling

Transformatorenfabriek

28 Elektriciteit, van Amber tot Onmisbaar

Netfrequentie

De elektrische spanning in onze woning is een wisselspan-ning (AC wat staat voor Alternating Current).

Dat wil zeggen dat het potentiaalverschil tussen de polen van de voeding varieert in functie van de tijd.

Deze spanningsvariatie heeft een regelmatig sinusvormig verloop in de tijd, en herhaalt zich 50 keer per seconde.

We spreken dan van een netfrequentie van 50 Hz (Hertz) wisselspanning. De polariteit van de spanning wisselt dus 50 keer per seconde.

De tijd tussen twee opeenvolgende gelijke spanningswaar-den noemt men een periode.

De eenheid van frequentie is 1 Hertz (Hz)Veelvouden zijn :

1 kHz = 1 000 Hz

1 MHz = 1 000 000 Hz

1 Ghz = 1 000 000 000 Hz

Deze netfrequentie is voor heel Europa vastgelegd op 50Hz (in de Verenigde Staten 60Hz).

Voornaamste redenen zijn dat het gedrag en de werking van elektrische componenten, naast de waarde van de voedingsspanning, ook afhankelijk is van de frequentie van deze voedingsspanning. Fabrikanten van elektrische toestellen moeten dus kunnen rekenen op één stabiele netfrequentie. Toestellen voor gebruik op wisselspanning mogen ook nooit worden aangesloten op een DC span-ning en omgekeerd.

Een gestandaardiseerde netfrequentie is ook noodzakelijk om elektriciteitsnetten van verschillende uitbaters onderling te kunnen koppelen.

Sinusoïdale spanning

Het sinusvormig verloop van de netspanning heeft alles te maken met de wijze van productie van elektriciteit.

In een generator wordt elektriciteit opgewekt door middel van een magnetisch veld (de rotor) dat met een constante snelheid tussen spoelen draait (de statorwikkelingen).

In de startpositie, 0°, liggen de veldlijnen van het magne-tisch veld parallel met de wikkelingen van de stator. Deze snijden dus geen veldlijnen: er is geen opgewekte span-ning.

Naarmate de rotor verder draait, snijden steeds meer veld-lijnen de wikkelingen van de stator.

Op 90° wordt het maximale aantal veldlijnen gesneden en is de opgewekte spanning maximaal.

Vanaf 180° is de positie van de geleider volledig gedraaid en zal ook de opgewekte spanning van polariteit wisselen.

Ueff

Am

plit

ude

Tijd (t)

Umax

0

Umin

Periode

Spanning (U)

U

360° 0 90° 180°

270°

Draairichting rotor

Statorwikkelingen

30°

60°

90°

120°

180°150°

0°

Kenmerken

Verloop van de spanning in de statorwikkeling bij een constante draaisnelheid van de rotor

29Elektriciteit, van Amber tot Onmisbaar

DC versus AC

Opmerkelijk verschil tussen AC en DC spanning is dat wisselspanning kan worden getransformeerd van een lage naar een hoge waarde en omgekeerd.

Dat is een belangrijke eigenschap voor het vervoer van elektriciteit. Vandaar dat elektriciteitsnetten worden gevoed op wisselspanning.

Elektronische componenten werken echter op lagere DC spanning. Hiertoe wordt aan of in het toestel de AC spanning van het elektriciteitsnet omgevormd naar een lagere (DC) spanning. Dit kan door een uitwendige span-ningsadapter (zoals bijvoorbeeld bij een laptop) of door een ingebouwde voeding.

In tegenstelling tot de AC netspanning voor de woning, die gestandaardiseerd is op 230V of 400V, bestaat er een zeer grote variatie in DC spanningen, met dus telkens hun eigen specifieke spanningsadapter of ingebouwde voeding.

Effectieve waarde van een spanning

Grafisch gezien is bij een sinusoïdale spanning de gemid-delde spanning over één periode gelijk aan nul Volt.

Om een wisselspanning te meten, werkt men met de ‘ef-fectieve waarde’.

Onder effectieve waarde van een wisselspanning verstaat men de waarde die een constante gelijkspanning moet hebben om, in dezelfde tijd en in dezelfde weerstand, dezelfde hoeveelheid warmte te ontwikkelen als de be-schouwde wisselspanning.

Ueff = Umax / √2 of : Ueff=0,707 Umax

Als men spreekt over wisselspanning bedoelt men steeds deze effectieve waarde.

Het is ook deze waarde die wordt aangeduid door een meettoestel en die staat vermeld op het label van elektri-sche toestellen.

Driefasige wisselspanning

Wisselspanning wordt dus opgewekt door het magnetisch veld van de rotor te draaien tussen een spoel van de stator van de alternator.

In een alternator van een elektriciteitscentrale zijn in de stator drie groepen van spoelen gemonteerd, 120° ten opzichte van elkaar verschoven (dus mooi verdeeld over de omtrek van de turbines).

Het draaiende magnetisch veld gaat dus achtereenvolgens door de drie spoelen.

We bekomen hierdoor drie spanningen die tegenover elkaar 120° zijn verschoven.

Merk op dat in deze voorstelling op elk tijdstip de som van de drie spanningen gelijk is aan nul.

Bij een gelijke belasting van de drie spoelen zal dus ook de resulterende stroom gelijk zijn aan nul.Spanningsadapter Telenet-modem met twee spanningen

Spanning (U)

Tijd (t) 0

Driefasige wisselspanning

30 Elektriciteit, van Amber tot Onmisbaar

Netaftakking

Voor aftakking van de spanningen uit de drie spoelen van de stator zijn deze wikkelingen in ster geschakeld.

Elke spoel heeft hierbij een gemeenschappelijke geleider, de zogenaamde neuter of nulgeleider.

De spanningen op de drie andere aftakkingen zijn gelijk en 120° verschoven tegenover elkaar.

Een elektrische spanning wordt weergegeven door het symbool U en de waarde wordt uitgedrukt in Volt (V).

Een veelvoud is 1 kV = 1 000 V

Een deel is 1 mV = 0,001 V

De spanning tussen een fase en de nulgeleider noemt men de fasespanning.

Die bedraagt op de aftakking voor een woning 230 V.

De spanning tussen twee fasen noemt men de lijnspan-ning.

Die bedraagt voor de aftakking van een woning 400V

(= √3 * 230 V = 1,73 * 230 V)

Let op : voor het transport van elektriciteit uit een centrale naar de klanten toe, wordt de spanning meerdere keren getransformeerd naar een andere waarde.

Uiteindelijk worden residentiële klanten en kleine KMO ’s afgetakt op 230 V of/en 400 V.

Voor de voeding van een woning wordt normaal de nulge-leider en één fase in de woning gebracht. Voor specifieke toepassingen (meestal in een KMO) wordt de nulgeleider met twee of drie fasen afgetakt.

Sommige oude distributienetten worden nog gevoed op 3 x 230 V.

Een eenvoudige toepassing van elektriciteit op wisselspanning

Om in een woning een lamp te laten branden, weten we dat we ze in een verlichtingsarmatuur moeten draaien en de lichtschakelaar aanzetten.

Door middel van elektrische leidingen in de wanden zijn lamp, schakelaar en voedingsbord met elkaar verbonden.

Identiek aan het eerdere voorbeeld van de zaklamp heb-ben we hier een elektrische voedingskring gevormd door een voeding, elektrische leidingen, een schakelaar en een lamp.

Sluiten we de schakelaar, waardoor de voedingskring is gesloten, dan komt de lamp onder spanning te staan en vloeit er doorheen de kring een elektrische stroom. Die elektrische stroom wordt in de lamp voor een deel omge-zet in licht en voor een deel in (ongewenste) warmte.

Daarbij is de sterkte van de elektrische stroom afhankelijk van het vermogen van de lamp of omgekeerd : draaien we een lamp in met een hoger vermogen, dan wordt ook de elektrische stroom hoger.

Fasespanning 1230V

Fasespanning 3230V

Fasespanning 2230V

U1

U2U3

Lijnspanning 1-3400V

Lijnspanning 1-2400V

Lijnspanning 3-2400V

netaftakking

kWh-teller

Voedingsbord klant

Lamp

Lichtschakelaar

Leidingen

Spanningen op een distributienet

Situatieschets verlichtingskring

31Elektriciteit, van Amber tot Onmisbaar

Elektrisch ééndraadschema

Nemen we de elektrische voedingskring met de lamp : deze situatie kunnen we ook weergeven door middel van een elektrisch schema.

In dergelijke schema’s wordt gebruik gemaakt van genor-maliseerde symbolen. Op de plaats van de lichtschakelaar tekenen we een overeenkomend symbool dat telt voor alle modellen van schakelaars met dezelfde elektrische eigenschappen.

Genormaliseerde symbolen maken het mogelijk om een elektrische installatie op een relatief eenvoudige en over-zichtelijke wijze te ontwerpen en duidelijk weer te geven voor alle mensen die er later mee te maken krijgen.

Elektrische voedingskringen

Een woning bevat uiteraard meer dan één elektrische voedingskring. Bovendien hebben de meeste van deze kringen meerdere aftakkingen voor nog andere lichtpunten en stopcontacten. Het geheel van alle elektrische kringen vormt het elektrisch schema.

De uitwerking van dergelijk elektrisch schema is strikt gebonden aan de voorschriften van het AREI (Algemeen Reglement op de Elektrische Installaties). Die voorschrif-ten hebben tot doel om de praktische realisatie op een uniforme wijze uit te voeren die voldoet aan opgelegde veiligheidseisen.

Genormaliseerd tekenen

Exacte informatie hierover is moeilijk te vinden, maar we kunnen aannemen dat op een bepaald punt in de geschie-denis van de ontwikkeling van de elektriciteit, een behoefte ontstond aan gestandaardiseerde uitdrukkingen van fysi-sche en elektrische waarden en een gestandaardiseerde tekenmethode.

In 1890 werd op het vaste land het ‘Metriek Stelsel’ ingevoerd, dat in 1978 in de landen van de Europese ge-meenschap werd opgevolgd door het SI-stelsel (Système international, internationaal systeem van meeteenheden).

De grondslag voor het technisch tekenen werd gelegd door Leonardo da Vinci (1452-1519).

Er ontstond met de tijd ook een technisch vocabularium dat doorlopend wordt uitgebreid.

Voor de elektrische uitrusting van een woning zijn de hui-dige tekensymbolen weergegeven in het AREI.

Bij elektriciteit onderscheiden we verschillende soorten elektrische schema’s :• Een aansluitschema van een toestel waarop is weer-

gegeven welke draad aan welke klem moet worden aangesloten.

• Een aanzichttekening waarop de indeling van bijvoor-beeld een voedingsbord wordt weergegeven.

• Een blokschema waarop in blokken de verschillende functies of delen van een elektrische installatie worden weergegeven.

• Een ééndraadschema waarbij de verschillende elemen-ten, door middel van symbolen, en de leidingen met het aantal geleiders worden weergegeven.

• Een situatieschets waar op een bouwkundige plat-tegrond de exacte locatie van elektrische elementen (schakelaars, stopcontacten, aftakdozen…) wordt weer-gegeven.

• Een leidingenschema waar op een plattegrond van het gebouw of een terrein het tracé van leidingen wordt getekend.

Een ééndraadschema en een situatieschets zijn momen-teel wettelijk verplicht voor elke nieuwbouw en belangrijke verbouwing waar een keuringsattest is vereist.

300mA 10A

kWh-teller

Verliesstroomschakelaar 300mA

Automaat 10A

Tweepolige schakelaar

Lichtpunt

Eéndraadschema verlichtingskring

32 Elektriciteit, van Amber tot Onmisbaar

Elektrische belasting

Het is een algemeen fysisch verschijnsel dat, van zodra iets in beweging is, deze beweging wordt tegengewerkt. Op een actie volgt steeds een reactie. Dat is ook het geval bij de elektrische stroom.

Elektrische stroom bestaat uit elektronen die stromen van de ene pool van de voeding naar de andere. Ook die beweging wordt tegengewerkt door alle componenten van de elektrische voedingskring waar hij doorstroomt.

Elk elektrisch toestel is een verzameling van elektrische en elektronische onderdelen die allemaal zijn opgebouwd uit componenten met bepaalde elektrisch geleidende eigenschappen. Elektrische toestellen kunnen dus allemaal worden beschouwd als een ‘equivalente weerstand’.

De reactie op de doorstroming van een elektrische stroom (en dus de weerstand) hangt echter ook af van de aard van de spanning, AC of DC, en de aard van de belasting die wordt gevoed.

De meest eenvoudige elektrische belasting is de ‘resistieve belasting’.

Een resistieve belasting wordt gevormd door elektrische weerstanden.

Voorbeelden zijn verwarmingsweerstanden en gloeilam-pen. De reactie op AC spanning en DC spanning is enkel in dit geval identiek.

Het verloop van de stroom doorheen een resistieve belas-ting volgt volledig synchroon het verloop van de voedings-spanning. Bereikt de spanning haar maximum waarde, dan is ook de stroomsterke maximaal.

Bij een resistieve belasting, aangesloten op AC of DC spanning, zijn stroom en spanning in fase en werken opti-maal samen.

Een ‘inductieve belasting’ heeft als het ware een ’verende weerstand’ tegen elke verandering van stroomsterkte.

Een inductieve belasting wordt gevormd door spoelen, zoals in motoren. Op DC spanning is de weerstand laag. Bij een voeding op AC spanning is de weerstandswaarde relatief hoog.

In een gesloten stroomkring gevoed op wisselspanning volgt de stroom de spanning met een bepaalde vertraging.

Bij een inductieve belasting, aangesloten op AC spanning, ijlt de stroom na op de spanning. Stroom en spanning werken niet optimaal samen.

Een ‘capacitieve belasting’ is een barrière voor gelijkspan-ning, maar heeft een relatief lage weerstandswaarde bij elke verandering van spanning.

Bij een DC spanning is er een korte stroomstoot voor het opladen van de capaciteit. Eens opgeladen, vloeit er bij DC spanning geen stroom meer.

Elektronische voedingen zijn doorgaans capacitieve belas-tingen.

Bij een capacitieve belasting, gevoed op AC spanning, loopt de stroom voor op de spanning.

De meeste elektrische toestellen zijn een combinatie van resistieve, inductieve en capacitieve belastingen met uitein-delijk een resulterend gedrag.

Op gebied van netbelasting is een resistieve belasting het beste, omdat hierbij de minste netverliezen voorkomen. Vandaar dat in heel wat toestellen met inductief of capaci-tief gedrag compensaties worden toegepast. Een inductie-ve belasting van een motor, bijvoorbeeld, wordt verbeterd door bijschakeling van een capaciteit.

Al deze componenten vormen een ‘elektrische belasting’.

In het geval van een resistieve belasting spreken we ook van een weerstand. In geval van een inductieve of capaci-tieve belasting spreken we van een impedantie.

Een elektrische weerstandswaarde wordt weergegeven door het symbool R en uitgedrukt in Ω (Ohm) Veelvoud is 1 kΩ = 1 000 Ω

En 1 M Ω is gelijk aan 1 000 000 Ω

Parallel en serieschakeling

Elektrische belastingen kunnen worden geschakeld in serie, parallel of een combinatie van beide.

Bij een serieschakeling staan de verschillende belastingen achter elkaar geschakeld.

De stroom doorheen elke belasting is dezelfde.

De spanning over elke belasting hangt rechtstreeks af van de verhouding van haar respectievelijke weerstandswaarde ten opzichte van de som van alle weerstanden.

Een serieschakeling wordt weinig toegepast. We vinden ze wel nog in de klassieke kerstboomverlichting.

U

u1 u2 u3

R1 R2 R3

I

U=U1+U2+U3

Serieschakeling van weerstanden

33Elektriciteit, van Amber tot Onmisbaar

Bij een parallelschakeling zijn de verschillende belastingen afgetakt op twee voedingslijnen en staat elke belasting onder dezelfde spanning.

De totale stroom is gelijk aan de som van de verschillende aftakstromen.

De stroom doorheen een bepaalde belasting is omgekeerd evenredig met de betreffende weerstandswaarde.

Voorbeeld van een parallelkring zijn de verschillende stop-contacten en lichtkringen in een woning en de aftakking van woningen op het distributienet.

Vectoriële voorstelling

Om de onderlinge positie van spanning en stroom of van meerdere spanningen of meerdere stromen tegenover elkaar visueel weer te geven, wordt meestal gebruik ge-maakt van een vectoriële voorstelling.

Waarden van spanningen en stromen worden hierin voor-gesteld door vectoren met een respectievelijke grootte en zin.

Bij wisselspanning laat men deze vectoren met een ge-lijkmatige snelheid draaien rond één centraal punt in een richting tegengesteld aan de draaizin van de wijzers van een uurwerk.

De vectoren leggen één volledige toer af in de tijd van één periode van de wisselspanning.

Arbeidsfactor en elektrisch vermogen

We zagen eerder dat stroom en spanning enkel bij een resistieve belasting synchroon lopen.

Bij een inductieve belasting komt de stroomwaarde op haar maximum enige tijd later dan de spanning. Bij een capacitieve belasting komen eerst de stroom en dan de spanning op hun maximum waarde.

Dus enkel bij een resistieve belasting werken spanning en stroom optimaal samen en gebruiken we het maximale vermogen.

Lopen spanning en stroom niet in fase, dan is er een vermogenverlies. De grootte van dat verlies is afhankelijk van het tijdsverschil tussen het verloop van spanning en stroom.

In een vectoriële voorstelling is de cos-waarde van de hoek phi (φ) tussen spanning en stroom een indicatie van het rendement waarmee spanning en stroom worden gebruikt in een toepassing. We noemen dit de arbeidsfactor.

Bij wisselspanning moeten we een onderscheid maken tussen :• actief elektrisch vermogen (werkelijk vermogen)

Peff = Ueff * Ieff * cosφ (W)

Veelvouden zijn 1 kW = 1 000 W

en 1 MW = 1 000 000 W

• Schijnbaar elektrisch vermogen

P = Ueff * Ieff in VA

1 kVA=1 000VA

Bij gelijkspanning of bij AC voeding van een zuiver resis-tieve belasting is P = U * I (W)

U R1 R2 R3

I

I=I1+I2+I3

I1 I2 I3

Parallelchakeling van weerstanden

0°

90°

270°

180°

120°

120°12

0°

Vectoriële voorstelling van een driefasige wisselspanning

I

U

φ

Arbeidsfactor = cos-waarde van de hoek φ

34 Elektriciteit, van Amber tot Onmisbaar

Piekvermogen

Een woning heeft uiteraard meerdere toepassingen die werken op elektriciteit, met elk hun eigen vermogen. Zijn al deze toepassingen tegelijkertijd ingeschakeld, dan spreken we van een piekvermogen.

Indien we het elektrisch vermogen kennen van een elektrisch toestel (of van alle toestellen die tegelijkertijd kunnen worden ingeschakeld) en weten wat de nominale voedingsspanning is, dan kunnen we het te verwachten maximale vermogen berekenen en de bijbehorende maxi-male stroomsterkte.

Omgekeerd : kennen we de nominale spanning van een voedingskring en kennen we de maximaal toegestane stroomsterkte, dan kunnen we het vermogen berekenen dat maximaal op deze voedingskring mag worden aange-sloten.

Bescherming tegen de gevaren van elektriciteit

Heel wat processen in ons lichaam worden gestuurd door zeer kleine elektrische pulsen. Contact van ons lichaam met een uitwendige elektrische spanning (elektrocutie) kan de werking van ons ‘intern elektrisch systeem’ verstoren met ernstige gevolgen.

Ook ons lichaam of delen van ons lichaam gedragen zich als een elektrische weerstand. In een gesloten kring (bij elektrocutie) kan door ons lichaam een elektrische stroom vloeien die ernstige inwendige en/of uitwendige brandwon-den kan veroorzaken.

Te hoge stroomsterkten in elektrische installaties of over-gangsweerstanden kunnen een oververhitting veroorzaken waardoor brand kan ontstaan.

Deze mogelijke gevaren en het op zeer breed vlak gebruik van elektriciteit maken het noodzakelijk om elke installatie en alle toestellen maximaal te beveiligen tegen de gevaren van elektrocutie of overbelasting en dit in diverse specifieke gebruiksomstandigheden.

Elektrische toestellen moeten momenteel voorzien zijn van een CE-markering.

Die markering geeft aan dat het toestel voldoet aan de Europese richtlijnen betreffende veiligheid, gezondheid en consumentenbescherming. Zij is tevens een indicatie dat alle procedures tot de beoordeling van de conformiteit werden gevolgd.

Voor de installaties werden wettelijke voorschriften uitge-vaardigd die worden omschreven in het AREI. Elke nieuwe installatie of belangrijke aanpassing aan een bestaande installatie moet, voor de indienstneming, worden gekeurd door een erkende keuringsorganisatie.

35Elektriciteit, van Amber tot Onmisbaar

Globaal kan worden gesteld dat rond 1920 de belang-rijkste problemen voor de productie en de distributie van elektriciteit waren gekend en opgelost.

Zowel industrieel als in de woning namen de toepassingen die werkten op elektriciteit sterk toe, waardoor de produc-tie en distributie van elektriciteit meer rendabel werden.

In de marge van deze ontwikkeling ontstond ook een nieuwe techniek die de bediening en de afstelling van elek-trische installaties vergemakkelijkt: de domotica.

Productie van elektriciteit groeide van een lokale distributie-zone (met centrales die produceerden voor een begrensd geografisch gebied) uit tot een internationaal netwerk van aan elkaar gekoppelde centrales met grote diversiteit in primaire energie.

Tot juli 2003 werd nagenoeg alle elektriciteit voor de Belgi-sche markt geproduceerd door Electrabel.

Vanaf juli 2003 werd, als gevolg van Europese richtlijnen, in Vlaanderen de energiemarkt geliberaliseerd. (Wallonië en het Brussels gewest volgden later). Hierdoor werd een scheiding gemaakt tussen het produceren of leveren van de elektriciteit, het transport via het hoogspanningsnet (Elia) en de distributie naar de klanten (Eandis).

Bedoeling van deze splitsing van activiteiten en verant-woordelijkheden is om meerdere leveranciers, aan de-zelfde voorwaarden en tarieven, toegang te geven op de distributienetten en hierdoor tot een concurrentie tussen leveranciers te komen omtrent energieprijs en energiege-relateerde diensten.

De oliecrisissen van 1973 en 1979 maakten onze afhanke-lijkheid van energie duidelijk en brachten de economische kwetsbaarheid van onze bevoorrading aan het licht.

Stilaan kwamen we ook tot het inzicht dat fossiele energie niet onbeperkt zal beschikbaar blijven en dat moet worden uitgekeken naar alternatieven.

Veranderingen in het klimaat en de natuur tonen ook dui-delijk de negatieve invloed van de verbrandingsgassen op ons klimaat en het milieu.

De kwetsbare bevoorrading, de beperkte voorraad fos-siele brandstoffen en het milieu zijn de drie belangrijkste redenen die maken dat, op een steeds breder vlak, het belang doordringt van Rationeel Energiegebruik (REG) en de noodzaak tot het overschakelen naar hernieuwbare energie.

De verdere geschiedenis van elektriciteit zal zich vermoe-delijk afspelen op het terrein van de rendementen, alter-natieve en schone energiebronnen en mogelijkheden tot beperken van het verbruik.

Ook zullen steeds meer relatief kleine energiecentrales werkend op hernieuwbare energie zich integreren in de bestaande elektriciteitsnetten.

Binnen niet zo lange tijd zal er vermoedelijk ook een punt komen dat men bij de productie en distributie van elek-triciteit van een ‘voorzien in alle omstandigheden van de nodige productiecapaciteit’ zal overgaan tot een ‘selec-tieve sturing van toepassingen in functie van de beschik-baarheid’.

Ontwikkeling na de eerste centrales

36

Dringende oproepen

0800 65 0 65 Gasreuk

Hier kun je een gasreuk melden, 24 uur per dag en 7 dagen per week. Deze oproepen worden prioritair behandeld. Dit is een gratis nummer.

078 35 35 00 Storingen en defecten

Op dit nummer kun je terecht om storingen of defecten op het elektriciteits- of aardgasnet te melden. Het nummer is 24 uur per dag en 7 dagen per week bereikbaar. Je betaalt het zonale tarief.

8635 Mensen met een spraak- en/of gehoorstoornisSMS

Mensen met een spraak- en/of gehoorstoornis kunnen een gasreuk, storingen en defecten melden via een sms-codebericht naar 8635. Meer info vind je op www.eandis.be > Contact > Info voor mensen met spraak- of gehoorstoornis.

Hoe contacteer je Eandis ?

WebsiteSnel en makkelijk via het web.

www.eandis.be

Aansluitingen gas en elektriciteit: nieuwe aansluitingen, verzwaring van aansluitingen, verplaatsing en vervanging van meters.

www.eandis.be > Aansluitingen Doorgeven meterstanden

www.eandis.be > Meteropname Melden van verhuizing

www.eandis.be > Verhuizen Rationeel energiegebruik: premies, tips …

www.eandis.be > Energie besparen Dienstverlening van de sociale leverancier en

budgetmeters www.eandis.be > Sociale dienstverlening Oplaadpunten budgetmeters

www.eandis.be > Sociale dienstverlening > Een oplaadpunt zoeken

Stroomonderbrekingen www.eandis.be > Stroomonderbreking Op deze pagina krijg je een overzicht van alle

actuele en recente stroomonderbrekingen op het distributienet van Eandis.

Defecte straatlampen www.eandis.be > Een defect doorgeven aan Eandis Een defecte straatlamp opgemerkt? Geef de

adresgegevens van de paal door en we herstellen het defect zo snel mogelijk. Defecte straatlampen kun je ook telefonisch melden: 0800 6 35 35.

Klachten www.eandis.be > Eandis helpt je graag snel verder Heb je een probleem met de dienstverlening van

Eandis? We horen graag je reactie, zodat we onze werking kunnen verbeteren.

078 35 35 34 Algemeen telefoonnummer

Voor alle vragen kun je ook terecht op dit nummer. We zijn iedere werkdag bereikbaar van 8 tot 20 uur en op zaterdag van 9 tot 13 uur. Je betaalt het zonale tarief.

9010

049

- D

ecem

ber

2015

- v

.u. :

Isab

el V

an C

utse

m, C

omm

unic

atie

Ean

dis

- B

russ

else

stee

nweg

199

, 909

0 M

elle

- G

edru

kt o

p m

ilieuv

riend

elijk

pap

ier

@eandis_cvba eandis cvbacompany/eandis