Elektriciteit

Dag Jan Broekhuizen,

Je schreef:

• is spanning de hoeveelheid elektronen die staat te wachten bij de + pool van een batterij of bij de fase aansluiting vanuit het stopcontact?

 Spanning is de druk die je op de elektronen in een geleider zet. De hoeveelheid elektronen speelt geen enkele rol, Hoe hoger die spanning, hoe sneller elektronen kunnen gaan stromen zodra ze daartoe de gelegenheid krijgen.

•  En op het stopcontact wisselt de spanning (elektronen) 50 x per seconde, dus van + naar -, dan komt er toch geen elektronenstroom uit op het moment dat je er een lamp of iets anders op aansluit. Want hij gaat van + naar -, en dan weer van - naar +, dan staan ze toch stil zeg maar?

 Die elektronen staan niet stil in zo'n wisselspanningsgeval, maar wisselen net als de spanning ook 100 keer per seconden van richting (gaan dus 50 keer per seconde heen en weer). Denk voor mijn part aan een schommel die aan twee kanten afwisselend wordt aangeduwd. Ja, van heel veraf lijkt het net of die schommel stilstaat.

•  de nuon zorgt voor een spanning van 230 of 400 volt op ons net, dit wordt gevoed door een elektriciteitscentrale. Dit zijn een behoorlijke hoeveelheid elektronen denk ik zo, kunnen die maar eindeloos aangeleverd worden op het stopcontact zonder dat daar iets mee kan gebeuren als er geen afname is. Want als je continue een steeds hogere waterdruk op een klep zet, kan deze stuk gaan op een gegeven moment. Gezien het feit dat we elektriciteit met een waterstroom konden vergelijken.

 De leveranciers zorgen er juist voor dat die spanning redelijk constant is. Is er minder afname, dan worden er generatoren (vermogen) afgeschakeld. Perfect loopt dat niet, netspanningsvariaties tussen 220 en 240 V zijn heel normaal, en variaties tot 207 respectievelijk 253 volt zijn toegestaan, mits dat niet te vaak gebeurt.

•  als je een regelkring hebt met een weerstand gaat er een stroom lopen begrijp ik. Stel je hebt een regelkring met een weerstand van 100 ohm, en daarna 2 van 100 ohm die parallel staan en daarna weer een van 100 ohm. Heb je dan ook 5 stromen lopen die je kan meten? Ik denk dan een stroom van de + naar de eerste weerstand, dan een stroom door de parallelle weerstanden, dan een stroom door de 4de weerstand en als laatste een stroom na de laatste weerstand naar de - van de batterij?

 Op elke plaats in een stroomkring kun je stroomsterkte meten. Er komen elke seconde evenveel elektronen bij de min eruit als dat er bij de plus binnenkomen, maar in vertakte stroomkringen verdeelt die stroom zich over de takken.

•  kan ik dus in een stroomkring met 1 weerstand dus 2 stromen meten, een stroom van de + naar de weerstand toe, en dan pakt de weerstand dus stroom af, en dan een weer andere stroom meten na de weerstand naar de - van de batterij?

 Een weerstand pakt geen stroom af, er verdwijnen geen elektronen. Denk hierbij aan de ketting van je fiets: je trapastandwiel trekt aan de schakels, de schakels trekken aan elkaar en tenslotte aan het achterwieltandwiel, en weer verder aan elkaar om terug naar het trapastandwiel te gaan. De trapas is hierbij de spanningsbron (energieleverancier), het achterwiel is de energieverbruiker (de weerstand), de schakels zijn de elektronen die rondgepompt worden. Waar je in dit rondje ook gaat tellen, óveral zie je per seconde evenveel schakels langskomen. De stroomsterkte is dus overal in zo'n serieschakeling gelijk.

•  hoe blijft een elektromotor draaien door de spoelen die hierin zitten? Ze duwen elkaar weg begrijp ik door de magnetische velden die er blijkbaar ontstaan! En waar zit dan een noord- en zuidpool als deze steeds wisselen 50x per seconde. Als ze steeds wisselen dan hebben ze toch ook geen duwende krachten op elkaar. Dat heft elkaar dan dus toch op lijkt mij en staat alles gewoon stil?

 Ook weer net als die schommel, het komt erop aan om steeds op het juiste moment een duwtje in de juiste richting te geven. 

Wat betreft stroomkringen, en de verdeling van die stroom over vertakkingen in een parallelschakeling, \"speel\" eens met deze applet:

 http://phet.colorado.edu/nl/simulation/circuit-construction-kit-ac-virtual-lab

 Je \"ziet\" de elektronen nu stromen, ook hoe ze zich verdelen over parallelle takken, maar kunt ook op elke gewenste plek meten door stroommeters in te bouwen.

 Wat betreft die elektromotor en een wisselende stroom steeds op het juiste ogenblik de juiste kant op te laten duwen is deze van Walter Fendt redelijk helder:

 http://www.walter-fendt.de/ph14nl/electricmotor_nl.htm

( OK, dat is een gelijkstroommotor, die door een slim stroomomkeerdertje in de as elke halve ronde de stroomrichting in de spoel van de motor omkeert. Maar daardoor gaat er dus ook een wisselstroom door de spoel.)

 Dit soort applets heb ik al meer verheldering zien brengen dan om het even welk dik boek.

 Groet, Jan

Geachte meneer van de Velde, de site met de proefjes is echt geweldig en geeft heel veel meer inzichten dank u wel.

Helaas kon ik de site met de elektromotorlink niet openen, er was iets met de site, helaas. Heeft u hier misschien nog een andere site of antwoordt op, dit zou fijn zijn.

Ik heb nu in de proefjes gezien dat er een elektronenstroom gaat lopen vanuit een batterij als een stroomkring is gesloten. En ook gezien hoe stromen zich splitsen in parallele schakelingen aan de hand van de weerstanden in die schakeling. Zeer handig.

Er loopt wat wij geleerd hebben toch altijd een stroom van de + naar de -. Hier zie ik de elektronen de andere kant op lopen, kunt u mij uitleggen hoe dit komt?

Verder schrijft u dat er een druk aan het begin aanwezig moet zijn om de elektronen bij een gesloten kring aan het stromen te brengen. Ik snap nog niet helemaal hoe die druk tot stand komt en hoe deze druk de elektronen door de leidingen en stopcontact duwt. Duwt het elektriciteitsbedrijf dan miljarden elektronen door het net die bij het stopcontact staan te wachten tot ze eruit kunnen! En die druk heet dan spanning? Dit is toch moeilijk voor te stellen allemaal moet ik zeggen.

Ik heb ook een proefje gedaan met wisselspanning. In de stroomkring zie ik dan echter dat de elektronen niet gaan stromen zoals bij een gelijkspanning maar alleen een stukje heen en weer bewegen, waarbij de lamp wat flikkert. Hoe moet ik mij dan een stroming door de kring voorstellen, want die loopt er wel toch? Die zou gaan van de fase naar de nul heb ik begrepen op de les. In het proefje zie ik dit niet namelijk. Kunt u mij helpen ook dit beter te begrijpen meneer van de Velde.

Nog even een vraagje over elektromotoren. Hoe bereken je het vermogen van een 3fasemotor en wat gebeurt er als er 1 fase wegvalt door kortsluiting van bv een van de 3 spoelen. Of loopt de motor dan helemaal niet meer?

Ik hoor weer graag van u.

Groeten, Jan

• Er loopt wat wij geleerd hebben toch altijd een stroom van de + naar de -. Hier zie ik de elektronen de andere kant op lopen, kunt u mij uitleggen hoe dit komt?

Dat is een stukje wetenschapsgeschiedenis. Al honderden jaren voordat we iets van atoombouw begrepen werd er met elektriciteit geëxperimenteerd en uiteindelijk ook gewerkt. Men nam aan dat er iets stroomde, en wel van een plaats waar er teveel (+) was naar een plaats waar er te weinig (-) was. Pas tegen het einde van de 19e eeuw kregen we in een ander vakgebied meer zicht op atoombouw, en daar werden deeltjes in de kern positief geladen genoemd, elektronen negatief geladen. Tegen de tijd dat dat goed doordrong waren er al zoveel elektrische installaties en apparaten dat het ondoenlijk zou zijn dat allemaal te gaan aanpassen. We zeggen dus bij afspraak dat “stroom” van + naar – loopt, hoewel er feitelijk elektronen van – (teveel aan negatief geladen elektronen) naar + stromen.

• Verder schrijft u dat er een druk aan het begin aanwezig moet zijn om de elektronen bij een gesloten kring aan het stromen te brengen. Ik snap nog niet helemaal hoe die druk tot stand komt en hoe deze druk de elektronen door de leidingen en stopcontact duwt. Duwt het elektriciteitsbedrijf dan miljarden elektronen door het net die bij het stopcontact staan te wachten tot ze eruit kunnen! En die druk heet dan spanning? Dit is toch moeilijk voor te stellen allemaal moet ik zeggen.

Moeilijk voor te stellen misschien, toch is dat wel zo. Er zijn chemische reacties (redox) waarbij sommige atomen elektronen kwijt willen en dus afstoten, en andere die weer graag opnemen. Laat die reactie verlopen in een handig potje waarbij die elektronen per se buitenom het potje moeten en je hebt een batterij. Met bewegende magneten kun je ook tegen elektronen duwen, steek dat handig in elkaar en je hebt een dynamo.

Vergis je overigens niet, een geleider bestaat uit atomen, met kernen met positieve deeltjes en daaromheen een “wolk” met negatieve elektronen, en is dus gewoon neutraal, en eigenlijk dus een soort slang gevuld met elektronen. Vergelijk het met een waterslang, vul die met spons en vul de spons geheel met water. Pers er aan één kant een druppel water bij, dan duwt die druppel tegen de watermoleculen verderop, en die weer tegen hun buren, net zo lang totdat er aan de andere kant van de slang een (andere) druppel water uitkomt. Ook in die PHET-simulatie zie je dat de geleider, of er nu wat stroomt of niet, of er een batterij is aangesloten of niet, gewoon vol zit met elektronen. Alles wat wij met batterijen of dynamo’s doen is die elektronen rondpompen.

• Ik heb ook een proefje gedaan met wisselspanning. In de stroomkring zie ik dan echter dat de elektronen niet gaan stromen zoals bij een gelijkspanning maar alleen een stukje heen en weer bewegen, waarbij de lamp wat flikkert. Hoe moet ik mij dan een stroming door de kring voorstellen, want die loopt er wel toch?

Dat is ook exact wat er gebeurt, de elektronenzee in die draad schommelt een beetje heen en weer. Het enige verschil tussen de simulatie van PHET en de werkelijkheid is dat dat in het echt veel sneller gaat (50 Hz, dus 50 keer per seconde heen en weer, en de hoogste frequentie waarop je die simulatie kunt instellen is 2 Hz). Door die hoge frequentie heb je van dat flikkeren geen last: ten eerste, je ogen kunnen die snelheid niet volgen, denk maar aan een film: die bestaat uit losse dia’s die je snel achter elkaar laat zien, en voor je hersenen wordt dat een vloeiende beweging. Ten tweede krijgt de gloeidraad in die paar milliseconden dat er steeds eventjes weinig stroom is (als de boel omdraait staat het natuurlijk zelfs ook eventjes stil) niet de tijd om af te koelen.

• Die zou gaan van de fase naar de nul heb ik begrepen op de les. In het proefje zie ik dit niet namelijk. 

Nou gaan we de elektrotechniek in. Als je wisselstroom gebruikt heb je niet per se draad terug naar de centrale nodig. Neem een groot vat met water en noem dat “nul” of “massa”. Pak dan een dun slangetje, zuig het slangetje en je mond vol met water. Pers en zuig afwisselend met je mond (de “fase”) water door het slangetje. Het water in het slangetje gaat heen en weer, en je zou zo ergens onderweg in het slangetje een klein turbinetje (energieverbruiker) kunnen aandrijven. Het waterniveau in je vat varieert niet merkbaar (0).

De simulatie werkt niet met een echte massa, de wisselstroombron fungeert daar als zijn eigen massa. 

• Nog even een vraagje over elektromotoren. Hoe bereken je het vermogen van een 3fasemotor en wat gebeurt er als er 1 fase wegvalt door kortsluiting van bv een van de 3 spoelen. Of loopt de motor dan helemaal niet meer?

Sorry, maar driefasenmotoren en alles wat daarbij komt is niet iets dat je eventjes op een forum uitlegt. Basisprincipes van elektriciteit en zo gaat nog wel, maar voor dit soort toepassingen zul je toch echt je boeken moeten induiken, en je docent aan het werk zetten.

Overigens, voor die simulatie van een gelijkstroommotor van Fendt kun je dan misschien beter googlen totdat je er een vindt die werkt. Gebruik als zoektermen gelijkstroommotor Walter Fendt. 

Groet, Jan

Geachte meneer van de Velde, bedankt voor u reactie en het wordt steeds iets meer duidelijk allemaal.

Als het goed is noemen we het heen en weer bewegen van een elektronenzee zoals u het noemt bij een wisselstroom dus ook wel \" rondpompen \" in de stroomkring. Ook al lopen ze dus niet echt rond zoals bij een gelijkstroom wel het geval is, klopt dit?

De dynamo zorgt dus voor een wisselstroom, maar zorgt dus voor het \"rondpompen\" van de stroom.

Is dit dan omdat alle elektronen in de geleider of stroomkring heen en weer bewegen, en dus ook een lampje of elektromotor of verwarmingselement van stroom (energie) voorzien?

Bij een gelijkstroom kun je de stoom berekenen door de wet van ohm omdat deze ook echt stroomt en er een hoeveelheid elektronen per seconde vloeit. Bij een wisselstroom stromen er geen elektronen maar trillen iets op hun plek, hoe bepaal je dan deze stroomsterkte, want er stromen geen grote hoeveelheden elektronen, ze blijven bijna op hun plek?

Ik begrijp uit u uitleg over fase en nul dat je eigenlijk geen nul nodig hebt om een stroom te laten lopen. Waarom zit er dan een nul op ons stopcontact? En op een stekker?

Wij hebben uitgelegd gekregen dat een stroom van de fase naar de nul loopt in een netspanningsnet, net zoals er een stroom loopt van de + naar de -. Er moet toch een gesloten stroomkring zijn?

Verder hadden wij een vraag over signaaloverdracht, deze ging als volgt: Als we een signaal omzetten in stoomsterkte is dit beter dan in een spanning bij grote afstanden tussen een meting in de fabriek en het uitlezen in de controlekamer. Bij een omzetting in een spanning zou het signaal beïnvloed worden door de lengte van de kabels! Hoe kun je een signaal uberhaupt omzetten in een spanning of stroomsterkte, en zit de beïnvloeding van kabels in dit geheel?

Ik hoor weer graag van u.

Groeten, Jan

• Is dit dan omdat alle elektronen in de geleider of stroomkring heen en weer bewegen, en dus ook een lampje of elektromotor of verwarmingselement van stroom (energie) voorzien?

Ja, of jij met je hand in één richting over heel de richting van de tafel wrijft, of je wrijft op een klein stukje heen en weer, je hand wordt even warm

• Bij een gelijkstroom kun je de stoom berekenen door de wet van ohm omdat deze ook echt stroomt en er een hoeveelheid elektronen per seconde vloeit. Bij een wisselstroom stromen er geen elektronen maar trillen iets op hun plek, hoe bepaal je dan deze stroomsterkte, want er stromen geen grote hoeveelheden elektronen, ze blijven bijna op hun plek?

Ja, ze blijven BIJNA op hun plek, ze gaan een beetje heen en weer. Stroomsterkte bepaal je door het aantal elektronen te tellen dat in één seconde een bepaald punt in je draad passeert. Welke kant dat op gaat is voor veel apparaten (bijv een gloeilamp) niet van belang. Bouw in die PHET-simulatie maar eens een schakeling met een AC bron, een lampje en een stroommeter, en stel de frequentie van de AC-bron in op bij 0,2 Hz. Je speelt nu als het ware wisselstroom af in slow-motion.

• Ik begrijp uit u uitleg over fase en nul dat je eigenlijk geen nul nodig hebt om een stroom te laten lopen. Waarom zit er dan een nul op ons stopcontact? En op een stekker?

Dat heb je dan niet helemaal goed begrepen, ik liet je water door een dun slangetje uit een groot voorraadvat heen en weer blazen en zuigen. Als er geen “voorraadvat” is kunnen die elektronen nergens heen of nergens vandaan komen.

Doe dit niet in het echt thuis, maar je kunt een stevige koperpijp in de grond slaan, een draad naar een lamp en via die lamp naar de fase van het lichtnet leggen. De lamp zal normaal branden, de (letterlijke) aarde fungeert nu als voorraadvat. Maar de nul die overal door het huis loopt is veiliger.

• Wij hebben uitgelegd gekregen dat een stroom van de fase naar de nul loopt in een netspanningsnet, net zoals er een stroom loopt van de + naar de -. Er moet toch een gesloten stroomkring zijn?

Zie ook dat voorraadvatverhaal van hierboven

• Verder hadden wij een vraag over signaaloverdracht, deze ging als volgt: Als we een signaal omzetten in stoomsterkte is dit beter dan in een spanning bij grote afstanden tussen een meting in de fabriek en het uitlezen in de controlekamer. Bij een omzetting in een spanning zou het signaal beïnvloed worden door de lengte van de kabels!

Sorry, geen idee, dit is een beetje té toegepaste elektrotechniek voor mij.

• Hoe kun je een signaal uberhaupt omzetten in een spanning of stroomsterkte?

Hangt helemaal af van wat je wil meten. Lichtsterkte kun je meten door een stroom door een LDR te laten lopen, temperatuur kun je meten door een stroom door een NTC te laten lopen, en zo is er voor bijna alles wat je wil meten wel iets elektronisch te verzinnen.

Groet, Jan