Wat is elektriciteit en hoe werkt het?

Wat is elektriciteit en hoe werkt het?

21 mrt 2018

Wat is elektriciteit

Elektriciteit bestaat uit een aantal verschillende elementen die in verhouding tot elkaar staan. Deze elementen zijn gelijk voor vrijwel alle zaken binnen de elektronica.

Inhoud

  1. Wat is elektriciteit?
  2. Spanning, stroom en weerstand
  3. Wisselspanning vs. Gelijkspanning
  4. The War of Currents
  5. Conversietabel elektrische eenheden

Wat is het verschil tussen spanning, stroom en weerstand?

Wat is het verschil tussen spanning, stroom en weerstand?

Spanning uitgedrukt in volt  weergegeven als U
Stroom uitgedrukt in ampère  weergegeven als I
Weerstand uitgedrukt in ohm  weergegeven als R


Er loopt pas stroom door een schakeling als er sprake is van een spanning. Deze spanning komt pas tot stand wanneer er een weerstand is gevormd.

De vergelijking rechts laat duidelijk zien hoe deze elementen zich tot elkaar verhouden.

Er is pas sprake van stroom (de hoeveelheid water die door het systeem loopt) als er spanning is opgebouwd in het systeem (de waterdruk). Deze waterdruk komt pas tot stand wanneer er een bepaalde weerstand is (een open- of dichtgedraaide kraan).

Wet van Ohm

De verhouding tussen spanning, stroom en weerstand laat zich berekenen via de zogenaamde
Wet van Ohm. In formulevorm ziet deze er als volgt uit:

U (spanning) = I (stroom) x R (weerstand)

Wanneer er twee elementen bekend zijn, dan kan het derde element hiermee worden berekend.

Als laatste is er nog het vermogen. Deze waarde wordt uitgedrukt in watt en is een afgeleide van de spanning en stroom. Vermenigvuldig de spanning met de stroom en u heeft het vermogen in Watt. Een stopcontact met een spanning van 230V/AC en een stroom van 16A levert dus maximaal een vermogen van 3680 watt.

Let op: bij de Wet van Ohm moeten altijd volledige eenheden worden gebruikt. Dit houdt in ampère, dus niet milliampère. Zie de conversietabel voor een complete conversietabel.

Bijvoorbeeld:
Een apparaat werkt op een spanning van 12 volt en vraagt hierbij een vermogen van 24 watt. U wilt een geschikte netvoeding vinden voor dit apparaat, maar weet niet welke. U kunt hiervoor de Wet van Ohm toepassen. Want u moet weten hoeveel stroom het apparaat vraagt.
Je kunt hiervoor het vermogen delen door de spanning. Dit levert een stroom van 2 ampère op. U kunt in dit geval dus een netvoeding kiezen die een spanning van 12 volt levert en minimaal 2 ampère kan leveren. De weerstand in dit voorbeeld komt neer op 6 ohm, maar dit is voor het vinden van een netvoeding niet relevant. Bij het kiezen van een voorschakelweerstand voor een schakeling zal u deze bijvoorbeeld wel willen berekenen.

Wisselspanning of Gelijkspanning

Er bestaan twee soorten spanning, namelijk wisselspanning (AC – Alternating Current) en gelijkspanning (DC – Direct Current). Beide soorten bestaan naast elkaar en hebben hun eigen kenmerken.

Wisselspanning (AC)

De sinus van 230V wisselspanning

Een elektrische spanning waarbij de spanning wisselt tussen positieve en negatieve spanning noemen we wisselspanning. Er is hier geen sprake van een duidelijke plus- en minpool. Dit laat zich het beste uitleggen aan de hand van een elektriciteitsnetwerk zoals u deze thuis (in het stopcontact) ook tegenkomt.

Een elektriciteitskabel bestaat bij huisinstallaties in de basis uit twee draden. Een bruine fasedraad en een blauwe nuldraad. De bruine fasedraad wisselt hierbij 50 maal per seconde (50 hertz) tussen een positieve spanning van 325 volt en een negatieve spanning van 325 volt. De blauwe nuldraad sluit de stroomkring; hier zal normaal gesproken geen spanning op staan. Dit levert een effectieve wisselspanning op van ongeveer 230 volt. In grafische vorm zou dit er als volgt uitzien. Deze vorm noemt men een ‘sinus’.

Een andere soort van wisselspanning is bijvoorbeeld krachtstroom (400 volt). Krachtstroom is een driefasenspanning (drie fasedraden in plaats van één) en wordt relatief veel gebruikt voor bijvoorbeeld inductiemotoren in de industrie.

Een vergelijkbare vorm van een driefasenspanning vindt u ook dikwijls terug bij de aansluiting van elektrische (inductie)kookplaten in een keuken. Deze vragen een hogere spanning dan normaal gesproken aanwezig is in een normale woning. Sommige woningen zijn voorzien van drie fasen in de meterkast. Is dit niet het geval, dan kunnen er meerdere fasedraden worden gecombineerd tot één driefasenaansluiting.

Gelijkspanning (DC)

Driefasenspanning

Hoewel het elektriciteitsnetwerk is ingericht op wisselspanning, werkt de meeste apparatuur juist op gelijkspanning. Bij deze vorm van elektriciteit is er sprake van een vaste plus en een vaste min. De stroom zal hier dus altijd in dezelfde richting stromen (van plus naar min). Gelijkspanning werkt goed bij lagere spanningen en kent wat uitdagingen bij grotere spanningen. In de meeste gevallen komen we daarom vooral gelijkspanningen tegen tussen de 0,01 volt en ca. 24 volt. In de industrie zien we dat apparatuur voornamelijk werkt op 24 volt.

Enkele voorbeelden van stroombronnen die een gelijkspanning leveren zijn batterijen en accu’s (de boordspanning in een auto is gelijkspanning). Maar ook zonnepanelen leveren energie in de vorm van gelijkspanning.

The War of Currents

ACDC

We weten nu dat er twee spanningsvormen bestaan; wisselspanning en gelijkspanning. Ook weten we dat apparatuur voornamelijk op gelijkspanning werkt. Maar waarom bestaat er dan überhaupt wisselspanning?

De gelijkspanning is eind 19e eeuw uitgevonden door Thomas Edison. Deze vorm van elektriciteit kende echter één groot nadeel. Het was niet op efficiënte wijze te transporteren over grotere afstanden. Rond diezelfde tijd is ook de wisselspanning uitgevonden. George Westinghouse heeft deze elektriciteitsvorm samen met Nikola Tesla zodanig verder ontwikkeld dat wisselspanning wel over grote afstanden getransporteerd kon worden, zonder veel energieverlies.

Na flink getouwtrek betekende dit voordeel op het gebied van energieverlies de grote doorbraak voor wisselspanning. Deze geschiedenis is de boeken in gegaan als The War of Currents en sindsdien is wisselspanning leidend in elektriciteitsnetwerken. Met alle voor- en nadelen van dien.

Wisselspanning omzetten in gelijkspanning

Wisselspanning omzetten in gelijkspanningWanneer u apparatuur (gelijkspanning) aansluit op uw stopcontact (wisselspanning) dan zal hier een probleem ontstaan. De meeste apparatuur kan namelijk alleen omgaan met een stroom in de juiste richting (gelijkspanning). Loopt de stroom andersom dan werkt het apparaat niet of gaat deze zelfs defect.

Hier komt wat elektronica bij kijken. Vrijwel alle wisselspanningen worden namelijk omgevormd tot een gelijkspanning. Dit gebeurt soms in de netvoeding (adapter), maar soms ook in het apparaat zelf. Door een gelijkrichter (een soort diode1) toe te voegen aan een schakeling wordt de stroom de juiste kant op geleid en ontstaat er een gelijkspanning. Om ook de sinus-achtige-vorm af te vlakken wordt vaak nog een condensator2 toegevoegd, deze zorgt voor een mooie vlakke gelijkspanning.

[1] Een diode laat stroom door in één richting en blokkeert (spert) de stroom in de andere richting.

[2] Een condensator slaat energie op en geeft deze weer af, hiermee kunnen spanningspieken worden opgevangen.

The War of Currents – het vervolg?

Het converteren van wisselspanning naar gelijkspanning kent wel een belangrijk nadeel. Er gaat namelijk energie verloren in dit proces. Moderne technieken maken gelijkspanning mogelijk op hoge spanningen (HVDC – High Voltage Direct Current). Een doorontwikkeling van deze techniek zou transport van gelijkspanning over grotere afstand mogelijk maken, zonder energieverlies. Met als grote voordeel dat u thuis de gelijkspanning niet meer hoeft om te zetten en de spanning van uw zonnepanelen direct kunt gebruiken. Hier gaan we ongetwijfeld nog meer over horen.

Conversietabel elektrische eenheden

Spanning (in volt) Vermogen (in watt)
Waarde Factor Eenheid Symbool Waarde Factor Eenheid Symbool
1.000.000 10-6 microvolt µV 1.000.000 10-6 microwatt µW
1.000 10-3 millivolt mV 1.000 10-3 milliwatt mW
1
100
volt V 1
100
watt W
0,001 103 kilovolt
kV
0,001 103 kilowatt kW
0,000001 106 megavolt MV 0,000001 106 megawatt MW
0,000000001 109 gigavolt GV 0,000000001 109 gigawatt GW
        0,000000000001 1012 terawatt TW
        0,000000000000001 1015 petawatt PW
 
Weerstand (in ohm)  Stroom (in ampère)
Waarde Factor Eenheid Symbool Waarde Factor Eenheid Symbool
1.000 10-3 milliohm 1.000.000 10-6 microampère µA
1 100 ohm Ω 1.000 10-3 milliampère mA
0,001
103 kilo-ohm 1 100 ampère A
0,000001 106 megaohm        


> Bekijk hier direct het complete assortiment