Samenvatting voor natuurkunde - Energie, rendement en huishouden

Energie en vermogen

Als we het over energie en vermogen hebben, dan gaat het over elektrische energie (E). Elektrische energie wordt door middel van stroomdraden vervoerd naar apparaten die het op hun beurt kunnen omzetten in licht, warmte of beweging.

Als ik bijvoorbeeld de koelkast voor een uur aanzet, dan zal hij een bepaald aantal elektrische energie hebben verbruikt. De eenheid van energie is Joule (J). Als we geïnteresseerd zijn in de zuinigheid van de koelkast, dan willen we eigenlijk weten wat het verbruik van het apparaat per seconde of per uur is. Deze grootheid noemen we Vermogen, met symbool P en eenheid Watt (W).

Vermogen is dus energieverbruik per seconde. Dan is de eenheid Watt eigenlijk hetzelfde als Joule per seconde, omdat we het energieverbruik in Joule per seconde willen weten bij Vermogen.

Energieverbruik berekenen

Dit is handig als we willen kijken naar het energieverbruik van elektrische apparaten. Als we het hebben over het energieverbruik van elektrische apparaten, is er namelijk een andere eenheid van energie die gemakkelijker te gebruiken is dan Joule. Dat is kilowattuur (kWh), ofwel duizend Watt per uur. We gebruiken de eenheid kWh omdat de eenheid van Joule vaak te klein is voor elektrische apparaten. Je zou dan constant met gigantische getallen rekenen.

Formule energieverbruik

Een apparaat met een vermogen van 1 kW, dus duizend Watt, zet in 1 uur 1 kWh energie om. We kunnen energieverbruik en vermogen met een formule berekenen. Deze luidt:

E = P * t.

Hierin is:

E = de elektrische energie in kWh;

P = het vermogen in kW;

T = de tijd in uur.

Als je de energie E in kWh wilt weten, dan zul je dus het vermogen P in kilowatt en de tijd in uur willen nemen. Let op, de standaard SI eenheden van vermogen is Watt en niet kilowatt! De SI eenheid van tijd is ook seconde, en niet uur. Je zult het vermogen en de tijd dus bij sommige opgaven moeten omrekenen naar kilowatt en uur om de juiste eenheden voor energie te krijgen.

Vermogen berekenen

Het is ook mogelijk om vermogen te berekenen zonder eerst te weten hoeveel energie een dergelijk apparaat verbruikt. De formule die dat doet is de volgende:

P = U * I

Hierin is:

I de stroomsterkte in Ampère. Stroomsterkte is de hoeveelheid lading die per seconde rond stroomt.
U is de spanning in Volt. De spanning is de elektrische energie die aan de lading wordt meegegeven.

Het vermogen P is de elektrische energie die per seconde wordt omgezet. Uit de formule blijkt dat dit recht evenredig is met de spanning en met de stroomsterkte. Als de U of I groter wordt, gaat er meer stroom in het apparaat. Het is dus logisch dat het vermogen P, dat aangeeft hoeveel stroom per seconde wordt omgezet, dan ook omhoog gaat.

Rendement

Bij het omzetten van de stroom gaat er echter vaak elektrische energie verloren. Bij een lamp kan het bijvoorbeeld zo zijn dat een deel van de energie in warmte wordt omgezet. Als je je hand in de buurt van een gloeilamp en een spaarlamp houdt, dan voel je al veel verschil in warmte die er vanaf komt. Bij een gloeilamp gaat er meer warmte verloren, en dat voel je.

We zijn vaak geïnteresseerd in hoe efficiënt een apparaat de energie kan omzetten in het type energie dat nuttig is voor de werking van het apparaat. De efficiëntie van een proces waarbij energie wordt omgezet noemen we het rendement. Het rendement is een percentage van de toegevoerde energie dat nuttig wordt gebruikt.

Rendement berekenen: formule

Het is te berekenen met de volgende formule:

Hierin is eta (de n met een te lange rechterpoot) het rendement en is dus een percentage. Etotaal wordt ook wel eens Ein genoemd, omdat het de totale instroom van energie is.

Efficiëntie van energie berekenen

We kunnen uiteraard ook kijken naar de efficiëntie van de energie die per seconde wordt omgezet. We kunnen de formule van E = P * t invullen in de formule voor rendement. Dan krijgen we de volgende formule:

Eigenlijk is dit dezelfde formule, omdat E en P aan elkaar gerelateerd zijn via tijd. Houdt dus in je achterhoofd dat ze in een opgave bijvoorbeeld Enuttig en Ptotaal kunnen geven. Dan zal je dus een van de twee moeten omrekenen, zodat je het rendement kunt berekenen. Dit omrekenen kan je natuurlijk makkelijk doen met de formule E = P * t.

Energie in een huishouden

Als je thuis de meterkast opentrekt, zie je waarschijnlijk een hoop schakelaars en apparaatjes. Er is bijvoorbeeld een kilowattuurmeter, die houdt bij hoeveel elektrische energie er verbruikt wordt. Ook zit daar de hoofdschakelaar waarmee je de spanning in het hele huis kunt aan of uitschakelen. De leidingen van de hoofdschakelaar vertakken zich in enkele groepen. Elke groep heeft een eigen groepsschakelaar. De draden tussen die schakelaars en de lampen heten ‘schakeldraden’: hier staat alleen spanning op als de schakelaar gesloten is.

Groepen

Elk huis heeft een aantal preventieve maatregelen om te voorkomen dat er iets misgaat in de stroomkring. Als door alle apparaten en lampen van een groep samen meer dan 16 A loopt, is er overbelasting op de groep. Dat betekent dat de draden te heet kunnen worden, wat gevaarlijk is, omdat deze kunnen doorbranden.

Zekeringen

Als de draden te heet worden, dan brandt de zekering door, waardoor de stroomkring wordt onderbroken. Een zekering is eigenlijk een soort stukje geleidend materiaal in de stroomkring dat een relatief laag smeltpunt heeft. Als de zekering doorbrandt wordt de stroomkring dus onderbroken, om zo schade aan apparaten of zelfs brand te voorkomen.

Moderne installaties hebben automatische zekeringen. Dit zijn elektronische schakelaars die de groep uitschakelen als de stroom te groot wordt. Ze dienen dus eigenlijk als groepsschakelaar, maar je kunt ze ook met de hand uitschakelen.

Kortsluiting

Naast overbelasting is kortsluiting een ander gevaarlijk fenomeen. Kortsluiting betekent dat de stroom vrijwel zonder weerstand van de ene pool naar de andere kan lopen. De stroom kan dan zeer groot worden en de zekering reageert onmiddellijk. Kortsluiting ontstaat meestal doordat twee stroomdraden elkaar raken. Dat kan gebeuren als er een draad los schiet of als de isolatie beschadigd is.

Aardlekschakelaar

Naast de zekeringen is de aardlekschakelaar de andere belangrijke beveiliging van de stroomkring. De aardlekschakelaar controleert of de stroom die het huis binnen gaat verschilt van de stroom die het huis verlaat. De aardlekschakelaar schakelt de stroom uit als het verschil groter is dan 30mA. Hij kan bij kortsluiting de stroom uitschakelen.

Defecten

Minstens zo gevaarlijk als kortsluiting is een defect van een aangesloten elektrisch apparaat. Het is mogelijk dat de buitenkant van een elektrisch apparaat onder spanning komt te staan, wat schadelijk of zelfs dodelijk kan zijn als het door een mens wordt aangeraakt.

Als de buitenkant van het apparaat goed geleidend met de aarde is verbonden, dan loopt er een grote stroom door die aardleiding. De aardlekschakelaar zal de stroom dan uitschakelen, omdat die kan meten wat het verschil is tussen de stroom die binnenkomt en de stroom die het huis weer verlaat. De aardlekschakelaar kan de stroom dus uitschakelen als er kortsluiting is, of als er een defect is aan een aangesloten apparaat.

11. Oefenopgave: Lorentzkracht op een stroomdraad