Gebruik van elektriciteit

Leerdoelen

•Je kunt elektrisch vermogen (P) en elektrische energie (E_{el}) definiëren en hiermee rekenen.

•Je kunt het rendement van een elektrische energieomzetting berekenen met behulp van energie en vermogen.

•Je kunt uitleggen hoe elektriciteit wordt opgewekt in een klassieke centrale en de duurzaamheid en het rendement van verschillende energieopwekkingsmethoden vergelijken.

•Je kunt drie manieren benoemen om zuinig om te gaan met elektrische energie.

•Je kunt de onderdelen van een huisinstallatie benoemen en de werking van een aardlekschakelaar uitleggen.

Wat zijn elektrisch vermogen en elektrische energie?

Elektrisch vermogen (P) geeft aan hoeveel elektrische energie er per seconde door een elektrisch apparaat wordt omgezet. Het elektrisch vermogen zegt daarmee ook iets over het gebruik van elektriciteit: hoe groter het vermogen van een apparaat, hoe meer elektrische energie het per seconde gebruikt. De eenheid van elektrisch vermogen is watt (W). De formule voor elektrisch vermogen is: P=U\cdot I Hierin is U de spanning (in volt, V) en I de stroomsterkte (in ampère, A). Deze formule geldt voor weerstanden, apparaten, spanningsbronnen en gehele schakelingen.

Bij weerstanden en apparaten ontstaat er ook warmte. Dit wordt het warmtevermogen genoemd en kan worden berekend met: P=R\cdot I^2 Hierin is R de weerstand (in ohm, Ω).

Elektrische energie (E) is de energie die elektrische apparaten omzetten in andere soorten energie, zoals warmte, beweging, licht en geluid. De formule voor elektrische energie is: E=P\cdot T Hierin is T de tijd (in seconde, s). Als je de formule voor P invult, krijg je: E=U\cdot I\cdot T

Warmte, ook wel Q genoemd, is een vorm van energie en kan ook worden berekend met de formule: Q=R\cdot I^2\cdot T

Hoe bereken je het rendement van elektrische energieomzetting?

Het rendement geeft aan welk deel van de totale elektrische energie nuttig wordt gebruikt en welk deel verloren gaat, vaak als warmte. Je kunt het rendement berekenen met behulp van energie of vermogen.

De formule voor rendement is: Rendement = (Nuttige energie / Totale energie) of Rendement = (Nuttig vermogen / Totaal vermogen)

Het resultaat is een getal tussen nul en één. Om het rendement als percentage aan te geven, vermenigvuldig je het resultaat met honderd procent.

Hoe wordt elektriciteit opgewekt in een klassieke centrale?

In een klassieke elektriciteitscentrale wordt elektrische energie opgewekt door een reeks energieomzettingen. Vaak begint dit met fossiele brandstoffen.

1.Chemische energie (fossiele brandstoffen) wordt omgezet in warmte door verbranding.

2.Deze warmte verwarmt water, waardoor het water verandert in stoom.

3.De stoom spuit tegen de schoepen van een turbine, waardoor de turbine gaat draaien. Dit zet warmte om in kinetische energie (bewegingsenergie).

4.Aan de as van de turbine zit een generator (of dynamo). De generator zet kinetische energie om in elektrische energie.

Hoe werkt een generator of dynamo?

Een generator of dynamo wekt elektrische energie op door een wisselend magnetisch veld te maken in een spoel. Een spoel is opgerold koperdraad. Wanneer een magneet in en uit de spoel beweegt, verandert het magnetisch veld. Dit veranderende magnetische veld zorgt voor een spanning over de spoeldraad, wat een elektrische stroom kan veroorzaken.

Hoe werkt het transport van elektriciteit?

Na opwekking in de centrale wordt elektriciteit getransporteerd naar huizen en bedrijven. Bij dit transport vinden nog een paar stappen plaats:

1.In een verbrandingsketel komt warmte vrij door de verbranding van brandstof (bijv. kolen).

2.Water wordt stoom.

3.Stoom laat turbines en generatoren draaien, waarbij warmte wordt omgezet in elektrische energie.

4.Verbrandingsgassen ontsnappen via schoorstenen.

5.Koeltorens laten de stoom condenseren tot water.

6.Transformatoren verhogen de spanning van de opgewekte elektriciteit om energieverlies tijdens transport te minimaliseren.

7.De stroom gaat via kabels langs hoogspanningsmasten.

8.Verdere transformatoren verlagen de spanning weer.

9.Verdeelstations verlagen de spanning nog een keer.

10.Elektriciteit gaat via ondergrondse en bovengrondse kabels naar huizen.

De spanning wordt eerst verhoogd naar bijvoorbeeld 380 kilovolt (kV) en vervolgens verlaagd via 10 kV naar 230 volt (V) voor thuisgebruik.

Waarom worden transformatoren gebruikt bij elektriciteitstransport?

Transformatoren worden gebruikt om energieverlies te beperken. Wanneer stroom door een kabel gaat, ontstaat er warmte (Q=R\cdot I^2\cdot T). Hoe hoger de stroomsterkte (I), hoe groter de warmteontwikkeling en dus het energieverlies. Omdat het vermogen (P=U\cdot I) hetzelfde moet blijven, wordt de spanning (U) verhoogd, waardoor de stroomsterkte (I) lager wordt en de warmteontwikkeling afneemt.

Methoden voor energieopwekking en duurzaamheid

Naast klassieke centrales zijn er andere methoden voor het opwekken van elektriciteit. Deze methoden verschillen in duurzaamheid, milieubelasting en rendement.

Hoe reken je met elektrische energie in kilowattuur en megajoule?

Elektrische energie kan worden uitgedrukt in joule (J), maar ook in kilowattuur (kWh) of megajoule (MJ). 1 kilowattuur is gelijk aan 3,6 megajoule. 1 kWh = 3.600.000 J = 3,6 MJ

Rekenvoorbeeld: Wasmachine Een wasmachine gebruikt 30 minuten lang een piekvermogen van 2400 W.

1.Bereken de energie in megajoule (MJ):

1.Vermogen P = 2400 W

2.Tijd t = 30 minuten = 30 × 60 = 1800 seconden

3.E=P\cdot T = 2400 W × 1800 s = 4.320.000 J = 4,32 MJ

2.Bereken de energie in kilowattuur (kWh):

1.Vermogen P = 2400 W = 2,4 kW

2.Tijd t = 30 minuten = 0,5 uur

3.E=P\cdot T = 2,4 kW × 0,5 h = 1,2 kWh

3.Controle (omrekening):

1.1,2 kWh × 3,6 MJ/kWh = 4,32 MJ

Rekenvoorbeeld: LED-lamp versus gloeilamp Een LED-lamp van 8 W geeft evenveel licht als een gloeilamp van 40 W. De lamp staat 5,0 uur per dag aan. Bereken hoeveel energie men per dag bespaart.

1.Verschil in vermogen:

1.P_{gloei} = 40 W

2.P_{LED} = 8 W

3.Verschil in P = 40 W - 8 W = 32 W

2.Bespaarde energie per dag:

1.Tijd t = 5,0 uur = 5,0 × 3600 = 18.000 seconden

2.E=P\cdot T= 32 W × 18.000 s = 576.000 J = 5,8 × 10⁵ J

Rekenvoorbeeld: magnetron Een magnetron staat 3 minuten aan. De stroomsterkte is 4,2 A. Bereken hoeveel energie de magnetron heeft omgezet.

1.Bepaal de spanning (U):

1.Een magnetron wordt aangesloten op het stopcontact, dus U = 230 V.

2.Bereken het vermogen (P):

1.P=U\cdot I = 230 V × 4,2 A = 966 W

3.Bereken de omgezette energie (E):

1.Tijd t = 3 minuten = 3 × 60 = 180 seconden

2.E=P\cdot T = 966 W × 180 s = 173.880 J = 1,7 × 10⁵ J

Zuinig omgaan met gebruik van elektriciteit

Je kunt op drie manieren zuiniger omgaan met elektrische energie:

1.Verminder sluipverbruik: Haal stekkers van apparaten die je niet gebruikt uit het stopcontact. Zet apparaten volledig uit in plaats van in de stand-bystand te laten staan.

2.Bewustwording: Gebruik minder energie door je gedrag aan te passen. Denk aan korter douchen (warm water kost veel energie) of de was ophangen in plaats van een droger te gebruiken.

3.Gebruik energielabels: Koop energiezuinige apparaten met hoge energielabels (bijvoorbeeld A+++) en isoleer je huis goed.

Uit welke onderdelen bestaat een huisinstallatie?

De huisinstallatie is het elektriciteitsnetwerk in huis. Belangrijke onderdelen en hun functie:

•Hoofdleiding: Hier komt de elektriciteit het huis binnen.

•Kilowattuurmeter: Meet het totale elektriciteitsverbruik in kWh.

•Groepenkast: Verdeelt de elektriciteit over verschillende groepen in huis (bijv. keuken, woonkamer, badkamer). Elke groep heeft een eigen schakelaar.

•Draden:

•Fasedraad (bruin): Voert de wisselspanning aan. De spanning is 230 V met een frequentie van 50 Hz.

•Nuldraad (blauw): Voert de stroom terug. Hierop staat geen spanning (0 V).

•Schakeldraad (zwart): Loopt van een schakelaar naar een elektrisch apparaat.

•Aardleiding (geelgroen): Deze draad gaat naar de aarde en biedt bescherming tegen elektrische schokken.

•Zekeringen: Voorkomen dat de stroom te hoog wordt. Bij een te hoge stroom slaat de zekering door, wordt de stroomkring onderbroken en valt de stroom uit.

•Aardlekschakelaar: Voorkomt lekstromen. De aardlekschakelaar meet de stroomsterkte die het huis ingaat via de fasedraad en de stroomsterkte die het huis uitgaat via de nuldraad. Als het verschil tussen deze stroomsterktes groter is dan 30 milliampère (mA), schakelt de aardlekschakelaar de stroom uit om te voorkomen dat apparaten of personen onder stroom komen te staan.