Samenvatting · Natuurkunde · vwo 4 Elektrische energie, spanning en stroom

Elektrische energie, spanning en stroom

Elektrische energie en energieomzetting

Elektrische apparaten zetten elektrische energie om in andere energiesoorten. Welke omzetting nuttig is, hangt af van het doel van het apparaat:

• Een gloeilamp zet elektrische energie om in stralingsenergie en warmte. Alleen de stralingsenergie is nuttig.
• Een stofzuiger zet elektrische energie om in bewegingsenergie van lucht, warmte in de motor en warmte in het snoer.
• Een kookplaat zet elektrische energie om in warmte van de kookplaat en warmte in het snoer.

Volgens het energiebehoud verdwijnt energie nooit: alle ingaande elektrische energie komt als andere energiesoorten weer uit het apparaat. In het dagelijks taalgebruik spreek je van energieverbruik, maar natuurkundig gezien wordt elektrische energie omgezet.

De energie die een apparaat gebruikt hangt af van het vermogen en van de tijd dat het apparaat aanstaat:

• $E$: energie in joule (J) of kilowattuur (kWh)
• $P$: vermogen in watt (W) of kilowatt (kW)
• $t$: tijd in seconde (s) of uur (h)

Een vermogen van 1 W betekent dat er elke seconde 1 J energie wordt omgezet:

Voor energiekosten gebruikt het energiebedrijf meestal kilowattuur:

Toepassing: energiegebruik

Een waterkoker van $2,0\text{kW}$ staat $3,0\text{min}$ aan.

Eerst moet de tijd naar uur worden omgerekend:

Daarna:

De waterkoker gebruikt dus $0,10\text{kWh}$ elektrische energie.

Rendement

Het rendement geeft aan welk deel van de ingaande energie wordt omgezet in de gewenste, nuttige energiesoort. Bij een apparaat dat elektriciteit gebruikt, is de elektrische energie de ingaande energie. Bij een generator is juist de elektrische energie de nuttige energie.

Het rendement heeft geen eenheid. Als percentage geldt bijvoorbeeld:

Bij een laag rendement wordt relatief veel energie omgezet in meestal ongewenste warmte. Een gloeilamp heeft daarom een laag rendement. Apparaten met een elektromotor, zoals een elektrische auto, hebben meestal een hoog rendement, omdat een groot deel van de energie wordt omgezet in nuttige beweging.

Toepassing: nuttige energie

Een lamp neemt $12\text{kJ}$ elektrische energie op en heeft een rendement van $25\%$.

De lamp produceert $3,0\text{kJ}$ nuttige stralingsenergie. De overige $9,0\text{kJ}$ komt vooral vrij als warmte.

Elektrische lading, stroom en spanning

Een elektrisch apparaat werkt alleen in een gesloten stroomkring: de positieve pool en negatieve pool van de spanningsbron zijn dan via geleidende materialen met elkaar verbonden.

Elektrische stroom bestaat uit bewegende elektrische lading:

• In een metaal bewegen vrije elektronen.
• In een geleidende vloeistof, zoals zout water, bewegen positieve en negatieve ionen.

De lading wordt gemeten in coulomb (C). De lading van één elektron is:

De stroomsterkte geeft aan hoeveel lading per seconde door een apparaat gaat:

• $I$: stroomsterkte in ampère (A)
• $Q$: lading in coulomb (C)
• $t$: tijd in seconde (s)

Daaruit volgt:

De afgesproken richting van de elektrische stroom is van de pluspool naar de minpool. In een metalen draad bewegen de negatieve elektronen juist van de minpool naar de pluspool.

De spanning geeft aan hoeveel elektrische energie de spanningsbron meegeeft per coulomb lading:

• $U$: spanning in volt (V)
• $\Delta E$: afgegeven elektrische energie in joule (J)
• $Q$: lading in coulomb (C)

Dus:

Een spanningsmeter wordt parallel over een apparaat aangesloten. Een stroommeter wordt in serie opgenomen, zodat alle stroom door de meter gaat.

Vermogen, spanning en stroomsterkte

Het elektrisch vermogen hangt zowel van de spanning als van de stroomsterkte af:

• $P$: vermogen in watt (W)
• $U$: spanning in volt (V)
• $I$: stroomsterkte in ampère (A)

Bij gelijke stroomsterkte zorgt een grotere spanning voor een groter vermogen. Bij gelijke spanning zorgt een grotere stroomsterkte ook voor een groter vermogen.

Toepassing: stroomsterkte berekenen

Een apparaat van $60\text{W}$ is aangesloten op $230\text{V}$.

De stroomsterkte is $0,26\text{A}$.

De formule voor vermogen volgt uit de definities van spanning en stroomsterkte:

Energie per tijd is vermogen. Daarom geldt:

Gelijkspanning en wisselspanning

Een adapter zet de wisselspanning van het stopcontact om in gelijkspanning om bijvoorbeeld een laptopaccu op te laden. Daarbij verlaagt de adapter ook de spanning.