Computersystemen/Elektriciteit

Uit Wikibooks
Ga naar: navigatie, zoek

Doelstellingen[bewerken]

Onderstaande doelstellingen komen in meer of mindere mate aan bod.[1] De cursieve doelstellingen zijn praktijkoefeningen die aansluiten bij de theorie, maar in dit Wikibooks-boek niet behandeld worden.

  • De begrippen elektrische lading, stroom, weerstand, vermogen, spanning en elektrische arbeid toelichten.
  • De symbolen en eenheden van spanning, stroom, weerstand, vermogen en elektrische arbeid correct gebruiken.
  • De invloed van het toevoegen van vermogen op de totale stroom en op het ontwikkelen van warmte toelichten.
  • De soorten spanningen en stromen omschrijven, onder meer gelijkspanning en –stroom, wisselspanning en –stroom.
  • Het begrip aarding toelichten.
  • Enkele goede geleiders en isolatiematerialen opnoemen.
  • Het begrip ESD toelichten en enkele maatregelen opsommen om de gevolgen van ESD te minimaliseren.
  • De kenmerken en toepassingsgebieden van een aantal moderne batterijtypes toelichten en vergelijken.
  • Gelijk- en wisselspanning correct uitmeten.
  • Maatregelen om het verbruik van een computersysteem te beperken toelichten en uitvoeren.

Het gaat dus slechts over de basis van elektriciteit. Als je hierover meer wil weten bestaan er meer diepgaande cursussen.[2]

Overzicht van elektrische begrippen[bewerken]

Grootheid Afkorting grootheid Eenheid Afkorting eenheid
Stroom I (van intensiteit) ampère A
Weerstand R (van resistance) ohm Ω
Vermogen P (van power) watt W
Spanning U (van Unterschied of verschil) volt V
Elektrische arbeid W (van work) wattuur Wh

Uiteraard kan je ook afgeleide eenheden gebruiken, waarvan de meest gebruikte kilo = k, met als waarde 1000 = 103 en milli = m, met als waarde 0,001 = 10-3 zijn. Zo kan je bv. kWh of mA tegenkomen.

Het probleem met elektriciteit is dat je de elektriciteit zelf niet ziet, maar enkel de gevolgen ervan. Daardoor is het soms moeilijk om te weten wat al die grootheden precies betekenen. Vaak wordt de vergelijking met water gemaakt, omdat we water wél kunnen zien. Dit heet de hydraulische analogie.

Lading[bewerken]

Artistieke impressie van een atoomkern
Heliumatoom (vereenvoudigd weergegeven). De kern, met twee protonen (rood) en twee neutronen (groen), is omgeven door twee elektronen (geel).

Elektrische lading, vaak kortweg lading genoemd, is een natuurkundige grootheid die aangeeft op welke manier een deeltje wordt beïnvloed door elektrische en magnetische velden. Voorwerpen kunnen positief of negatief geladen zijn. Ladingen van dezelfde polariteit stoten elkaar af, terwijl ladingen van tegengestelde polariteit elkaar juist aantrekken.

Om dit te begrijpen moet je weten dat materialen opgebouwd zijn uit atomen. Een atoom bestaat intern uit een uiterst kleine, positief geladen atoomkern, die is opgebouwd uit protonen, positief geladen deeltjes, en neutronen (niet geladen). Rond deze kern zit een wolk van elektronen, die negatief geladen zijn. Een atoom is onvoorstelbaar klein; er gaan meer atomen in één glas water, dan er glazen water in alle oceanen op aarde gaan.

In een neutraal atoom zijn er evenveel elektronen als protonen. Als je er nu in slaagt om bijv. de elektronen “af te scheiden” kan je twee materialen hebben met een tegengestelde polariteit, waardoor ze elkaar aantrekken. Zo kan je door het wrijven van een ballon tegen een wollen trui papiersnippers aantrekken. Of door het lopen op een tapijt jezelf elektrisch laden, wat een schok(je) kan geven als je je daarna ontlaadt.[3]

Ter info: een toepassing van lading kan je terugvinden bij de laserprinter. Deze werkt met negatief geladen poeder (de toner), waarbij de stukken van het papier waarop geen toner moet komen ook negatief geladen is. Daar twee negatieve ladingen elkaar afstoten komt op het papier enkel toner waar de afbeelding komt. Door het tenslotte verhitten van het papier hecht de toner zich aan het papier.

In een materiaal waar de elektronen zich makkelijk verspreiden (bv. koper, goud) zal een eventueel ladingsverschil snel verdwijnen omdat de ontstane ladingen zich zullen 'verdelen' over de rest van de stof en zullen samengaan met eventuele positieve ladingen. Bij de experimenten van daarnet zal je dan ook materialen hebben zoals wol, PVC of glas.

Spanning[bewerken]

Elektrische spanning – ook bekend als het elektrische potentiaalverschil – is het verschil in potentiële elektrische energie tussen twee punten. Het potentiaalverschil wordt gedefinieerd als de hoeveelheid arbeid die per ladingseenheid verricht moet worden om een elektrische lading van het eerste punt naar het tweede punt te verplaatsen. De elektrische aarde is de belangrijkste potentiaalreferentie: de elektrische potentiaal van de aarde is per definitie nul volt.

Een voorbeeld is een stopcontact met als kenmerk '230 V', een batterij van '1,5 V' of een accu van '24 V'.

Met een hydraulische analogie kan je elektrische spanning vergelijken met waterdruk. Als er spanning is, is er niet automatisch stroom, net zoals het water in een regenton een druk kan uitoefenen, ook als het kraantje dicht is.

Stroom[bewerken]

Elektrische stroom is het verplaatsen van ladingdragers (elektronen of gaten of ionen) door een geleider (bv. ijzer, koper of goud) of een halfgeleider onder invloed van een potentiaalverschil.

Twee belangrijke aspecten die volgen uit de definitie:

  • Niet ieder materiaal is geschikt om bv. elektronen vlot te laten bewegen, dit lukt enkel bij geleiders of halfgeleiders.
  • Bij zo'n materiaal kan het zijn dat bv. de elektronen kriskras door elkaar bewegen, maar bij stroom moet je ze in één richting krijgen. Die ene richting kan je verkrijgen door het aansluiten van een spanningsbron, zodat een potentiaalverschil ontstaat.

Met een hydraulische analogie zou je dit kunnen vergelijken met water dat van hoog naar laag stroomt; stroom loopt van een punt met een hoge potentiaal naar een punt met een lage potentiaal.[4] De stroomsterkte wordt dan het debiet van het water genoemd.

Weerstand[bewerken]

Elektrische weerstand of resistantie is de elektrische eigenschap van materialen om de doorgang van elektrische stroom te belemmeren. Vloeit door een materiaal een elektrische stroom, dan gebeurt dit niet ongehinderd, er is energie voor nodig: de stroom ondervindt een zekere weerstand.

Het is duidelijk dat bij materialen met een erg hoge weerstand de doorgang van elektrische stroom zodanig wordt belemmerd dat we amper kunnen spreken van stroom. We noemen ze dan ook isolators, zoals glas, porselein, kunststof, olie of gedemineraliseerd (!) water.[5][6]

Ter info: naast geleiders en isolatoren heb je ook nog halfgeleiders en supergeleiders. De halfgeleider is heel belangrijk bij elektronische schakelingen en kan een signaal verzwakken, doorlaten of versterken. Bij een supergeleider wordt een signaal onverzwakt doorgegeven.

Met een hydraulische analogie kan je wijzen op de weerstand van waterleidingen waarbij een dunne tuinslang het stromend water een grotere weerstand zal laten ondervinden dan een regenafvoerpijp (de hydraulische straal). Je kan ook wijzen op "verbruikers" zoals een waterrad dat er ook voor zal zorgen dat het stromend water een extra weerstand ondervindt, net zoals het toevoegen van een lamp in een stroomkring ook zorgt voor een hogere weerstand.

Vermogen[bewerken]

Het vermogen is gedefinieerd als de opgewekte of verbruikte hoeveelheid energie per tijdseenheid. Zo heeft een elektrische vuurtje van 1000 watt een hoger vermogen dan een spaarlamp van 11 watt, op zijn beurt meer dan een LED-lamp van 3 watt.

Elektrische arbeid[bewerken]

Arbeid is in de natuurkunde een maat voor het werk dat gedaan wordt, of de inspanning die door een krachtbron geleverd wordt bij verplaatsing van een massa. Bij elektriciteit zijn het bv. elektronen die verplaatst worden en geeft men het over elektrische energie of het verbruik. Het is logisch dat als je een spaarlamp van 11 watt een uur aanlaat, dit meer dan zal verbruikt hebben dan een LED-lamp van 3 watt.

Een lamp met een elektrisch vermogen van 1 Watt verbruikt in 1 seconde 1 Joule aan elektrische energie. In de dagelijkse praktijk worden grotere hoeveelheden uitgedrukt in kilowattuur (kWh). 1 kWh komt overeen met 3.600.000 Joule.

Aarding[bewerken]

Het gebruikelijke symbool voor aarde. Soms ook aangegeven als GND (van ground) of COM.

Aarding is het geleidend verbinden van een object met aarde (als planeet bedoeld). Het resultaat van aarding is, dat het geaarde object daardoor een spanning krijgt van nul volt: de "elektrische aarde".

Voor een goed begrip van aarding dient men te begrijpen wat in de elektriciteitsleer onder aarde wordt verstaan. Daarnaast dient men het doel van de aarding voor ogen te hebben; gaat het om:

  • het voorkomen van statische elektriciteit
  • het afvoeren van de bliksem
  • een chassis of de geleidende behuizing van een elektrisch apparaat.

Voorkomen van statische elektriciteit[bewerken]

Meestal is men er zich niet van bewust dat het menselijk lichaam zeer hoge spanningen kan hebben in droge (isolerende) lucht op een isolerende ondergrond. Men kan zich dan opladen door schuifelen over de grond, zonder dat je merkt dat je “opgeladen bent”. Met een hydraulische analogie verwijst men dan vaak naar waterdruppels (de 'ladingen') in de lucht die condenseren op bv. een spiegel.

Nu kan er een ladingsvereffening zijn, nl. het verschijnsel dat de elektrische lading zich van een lichaam met een hogere elektrische potentiaal naar een lichaam met een lagere potentiaal verplaatst als beide lichamen galvanisch met elkaar worden verbonden. Met een hydraulische analogie zou je kunnen verwijzen naar de wet van de communicerende vaten.

In het voorbeeld van daarnet kan deze ontlading optreden als een ander de hand geeft en er een felle pijnlijke vonk overspringt. Stel dat je bezig bent met het verwisselen van spanningsgevoelige geheugenchips bij computers of het solderen van bepaalde elektronische componenten, dan is het duidelijk dat dit deze chips geen goed doet. In de elektronicawereld heeft men het vaak over een elektrostatische ontlading (met name in de elektronica vaak met het Engelse ESD, electrostatic discharge, aangeduid). Sommige elektronica is daar gevoelig aan, wat dan ook met ESD wordt aangegeven. Deze keer staat het echter voor Electrostatic-sensitive device.

Daar ESD een defect kan veroorzaken aan de elektronica, doe je er goed aan dit te mijden. Met een wollen trui aan werken aan elektronica is geen goed idee. Sowieso doe je er goed aan jezelf eerst te ontladen door bv. een radiator vast te nemen. Op het vlak van fabricage en assemblage van elektrische apparaten wordt veel aandacht besteed aan het voorkomen van het elektrostatisch opladen van machines en personeel. Met geaarde gereedschappen, polsbanden en schoenzolen die met aarde zijn verbonden en elektrisch licht geleidende vloerbedekking, verpakkingsmaterialen en stoelzittingen wordt de strijd tegen ESD aangebonden.[7]

Afvoeren van bliksem[bewerken]

Potential.jpg

Bij onweer kan een groot potentiaalverschil ontstaan tussen de wolken/atmosfeer en de aarde. Als er dan een elektrische ontlading volgt spreken we over bliksem. Vrijwel alle dingen geleiden stroom beter dan lucht dat doet. Daarom zal de bliksem bij voorkeur via bijvoorbeeld bomen en hoge gebouwen stromen. Ook ijzeren hekwerken zijn goede geleiders. Bij de bliksem gaat het om zeer grote en tevens zeer snelle stromen. Bij een (nabije) blikseminslag kan de elektrische stroom zich een weg banen langs leidingen en zo elektrische apparaten beschadigen.

Vandaar wordt vaak een bliksemafleider met voldoende grote diameter voorzien. Er mogen geen scherpe bochten zijn: vanwege de hoge snelheid gaat de stroom toch rechtdoor. Bekend is het geval van een bocht van de bliksemgeleider om een uitstekend kozijn heen; de bliksem ging dwars door het kozijn heen en liet een gaatje achter.

Geleidende behuizing[bewerken]

Om een chassis of behuizing veilig te kunnen aanraken door de mens, die op natuurlijke wijze elektrisch verbonden met de aarde is, moet ook dat chassis of die behuizing geaard zijn. Aanraakbare metalen delen van elektrische apparatuur mogen (in normaal gebruik) niet elektrisch in verbinding staan met het elektriciteitsnet; ze moeten dus geïsoleerd van het net zijn. In dat geval kun je ze veilig aanraken. De eventuele statische elektriciteit van zo'n apparaat is ongevaarlijk.

Echter, wanneer er een defect optreedt, dan kan onverhoopt wel een elektrische verbinding van het net met de metalen behuizing ontstaan. In de volksmond: het apparaat staat "onder stroom". In theorie echter, staat het apparaat dan "onder spanning" en gaat de stroom pas lopen als iemand het aanraakt. Die stroom gaat dan door de mens heen. Het gevaar bestaat dan, dat door de (wissel)spanning op een bepaald ongunstig moment een stroompuls het hart kan laten fibrilleren. Afgezien van verbranding bij vochtige huid, de huidweerstand is dan laag en daardoor kan de stroom groter worden.

Om die reden is de behuizing "geaard". De potentiaal van het apparaat blijft dan nul. Er is geen potentiaalverschil met de mens: beiden zijn nul volt en er loopt geen stroom.

Alle systemen zijn op de aarde (planeet) geaard. Dus kunnen er door de aarde allerlei ongedefinieerde zogenoemde zwerfstromen lopen, van een huis naar een transformatorhuisje of een verdeelstation of een centrale en onderling. Die stromen kunnen dan in de bodem metalen verbindingen en constructies elektrochemisch afbreken. Daarom zijn er aardlekschakelaars die de ongewenste aardstromen uitschakelen.

Wissel versus gelijk[bewerken]

Symbool voor gelijkspanning
Wisselspanning met 230 volt en frequentie 50 Hz als functie van tijd.

Gelijkspanning is een elektrisch potentiaalverschil tussen twee punten dat in de tijd stabiel blijft. Ook spreekt men wel van gelijkspanning als een potentiaalverschil tussen twee punten niet van teken wisselt, maar overigens wel in grootte kan veranderen. Dit in tegenstelling tot wisselspanning, waarbij het potentiaalverschil meestal met een vaste frequentie wisselt als functie van de tijd.

Gelijkspanning wordt opgewekt in bijvoorbeeld een batterij en zonnecel. Wisselspanning wordt meestal opgewekt door rotatie zoals bij een dynamo of generator. Er bestaat elektronica om het ene in het andere om te zetten. Zo zal de PSU van een pc de wisselspanning (vanuit het stopcontact) omzetten naar gelijkspanning (voor de elektronica). Bij een UPS zal de wisselspanning worden omgezet naar gelijkspanning (om de accu te laden) om het terug om te zetten naar wisselspanning (om aan te sluiten aan de PSU van de server).

Beide systemen hebben hun voor- en nadelen wat bij het ontstaan van het elektriciteitsnet zorgde voor een "Oorlog van de stromen" tussen de verschillende uitvinders. Ondertussen weten we een huishouden aangesloten is op wisselspanning, toch zijn er ook experimenten om een huis (deels) op gelijkspanning te laten werken.[8]

Als je gelijkspanning gebruikt in een schakeling zal een gelijkstroom ontstaan (in het Engels direct current of kortweg DC). Dit wordt aangegeven door de symbolen =, ​⎓​ of DC. Bij wisselspanning zal wisselstroom ontstaan (in het Engels alternating current of kortweg AC). Dit wordt aangegeven door de symbolen ≈, ~ of AC.

Het verband tussen elektrische begrippen[bewerken]

Je voelt al aan vanuit de definities dat de elektrische grootheden niet losstaan van elkaar, maar elkaar beïnvloeden. Zonder in te gaan op de formules hierachter (bv. de wet van Ohm) worden toch enkele verbanden nader beschreven.

Lading, spanning en stroom[bewerken]

Bij het bespreken van de aarding hebben we al gemerkt dat er “opgehoopte lading” een “spanningsverschil” kan ontstaan wat bij de “ladingsvereffening” een “stroom” kan doen ontstaan.

Stroom, spanning en weerstand[bewerken]

Stel dat je je eigen elektronische schakeling wil bouwen, bv. met een batterij en een lampje. Dit lampje zal een zekere weerstand hebben. De spanning van de batterij blijft stabiel en ook de weerstand van het lampje is een vaste waarde. Als je het lampje toevoegt aan jouw schakeling zal de totale weerstand toenemen en de stroom t.o.v. de situatie zonder lampje afnemen.

Met een hydraulische analogie heb je een tuinslang om het gazon mee te besproeien. Als nu iemand met zijn voet op de tuinslang staat, dan voeg je a.h.w. weerstand toe. Het gevolg zal zijn dat de waterstroom minder hard zal zijn.

Als je geen verbruiker toevoegt aan jouw kring, heb je een zodanig lage weerstand (nl. enkel van de geleider) dat de stroom héél erg hoog wordt: we spreken over kortsluiting. De kortsluitstroom kan zo groot zijn dat veel warmte en vonken of zelfs een vlamboog ontstaat, met het risico van brand. De warmte die ontstaat in koperbanen op een printplaat kan de koperbaan doen verdampen. Sommige batterijen kunnen ontploffen als ze door kortsluiting te veel stroom moeten leveren. We doen er dus goed aan om bij een kortsluiting de kring te onderbreken, bv. met een smeltveiligheid of installatieautomaat.

Vermogen en stroom[bewerken]

Uit een stopcontact komt altijd ongeveer 230 V wisselspanning. Stel dat je op één stopcontact een verdeelstekker aansluit. Op ieder stopcontact blijft 230 V spanning (gelukkig, want alle apparaten die je aanschaft zijn gemaakt voor 230 V). Stel dat je achtereenvolgens een computer, een koffiezetapparaat en een elektrisch vuur aansluit. Het is logisch dat daarmee het totaal vermogen toeneemt. Door het toegenomen vermogen zal ook de stroomsterkte moeten toenemen, daar de spanning gelijk blijft.

We weten al dat ook geleiders een zekere weerstand hebben, wat zich zal uiten in warmte. Als de stroom zodanig hoog wordt, zodat de warmte zodanig toeneemt (het zogenaamde joule-effect), dan kan de isolatie van de geleider smelten, waardoor je kortsluiting krijgt. We weten al dat een zekering ervoor zal zorgen dat de stroomkring onderbroken wordt. Op zo'n zekering staat altijd vermeld voor welke stroom hij ontworpen is. Uiteraard kan je een goede zekering hebben en toch problemen krijgen als je kabels gebruikt die niet geschikt zijn voor bepaalde stromen, waardoor je alsnog een risico op brand hebt.

Vermogen en verbruik[bewerken]

Stel dat je twee stopcontacten hebt met in het ene een LED-lampje van 3 Watt en in het andere een elektrische vuurtje van 2000 Watt en je laat deze elk een half uur werken. Dan weten we uit het vorige al dat de stroom bij het LED-lampje lager zal liggen dan bij het elektrisch vuurtje. Het is echter ook duidelijk dat het verbruik (en dus de kostprijs) bij het elektrische vuurtje hoger zal liggen.

Batterij als spanningsbron[bewerken]

Een batterij (of accu) is een spanningsbron (net als een PSU of dynamo) omdat deze een elektrische spanning afgeeft waarvan de grootte bij het aansluiten van een elektrische belasting niet (veel) afneemt. Met andere woorden, als er een stroom gaat lopen blijft de spanning tussen de twee aansluitpunten van de spanningsbron gelijk. De stroomsterkte die de spanningsbron levert, wordt bepaald door de aangesloten belasting.

Met een hydraulische analogie wordt soms verwezen naar een pomp die gebruikt kan worden om water te laten stromen, maar het concept van "opslag van energie" is hier niet zo aanwezig. Een andere analogie is een spaarbekken waar je water in opslaat.

Kenmerken[bewerken]

Onderstaande kenmerken kan je tegenkomen als specificaties van een batterij, waarvan sommige kenmerken enkel toepasbaar zijn op oplaadbare batterijen. Sommige kenmerken zijn duidelijk te bepalen (bv. bronspanning), terwijl andere moeilijker af te lijnen zijn (bv. levensduur).

  • De capaciteit van (oplaadbare) batterijen, uitgedrukt in ampère-uur of Ah, een eenheid voor elektrische lading (en niet van energie). Het is de totale hoeveelheid lading die bij 1 ampère in 1 uur heeft gestroomd. Zo kan een 100 Ah accu 20 uur lang 5 ampère leveren (bij 20° C). Op wegwerpbatterijen laten fabrikanten dat meestal achterwege.
  • De energiedichtheid is de hoeveelheid energie per massa- of volume-eenheid en is dus belangrijk bij mobiele toepassingen. Bij een batterij kan dit bv. worden uitgedrukt in Wh/kg of Wh/l. Dit wijst dus op de maximale energie die er per kg of per liter kan worden in opgeslagen.
  • De vermogensdichtheid is een maat voor de effectiviteit van accu's en batterijen en wordt weergegeven in watt per kilogram (W/kg). Hoe hoger dit getal, hoe effectiever de accu of batterij zal zijn en hoe minder een accu met hetzelfde vermogen weegt. Dit getal wijst dus op het maximale vermogen dat de accu per kilo kan leveren. De vermogensdichtheid lijkt goed op de energiedichtheid, maar het zijn zeker geen synoniemen. Voor sommige toepassingen (bv. de loodaccu van een auto) is niet superveel energie nodig (een lage energiedichtheid is niet erg), maar moet er wel kortstondig een hoog vermogen kunnen aangeboden worden (een hoge vermogensdichtheid is dus wel nodig).
  • De laad/ontlaadefficiëntie. Als dit bv. 50-92% is dan zal van de 100% energie die je gebruikt om te laden, er 50% in de accu terechtkomen (de rest gaat verloren als restwarmte). Ga je vervolgens de accu gebruiken, dan zal 92% van de energie benut kunnen worden en zal de overige 8% verloren gaan als restwarmte.
  • De prijs is uiteraard een belangrijk kenmerk, vaak bekeken als energie/prijs, uitgedrukt in Wh/EUR.
  • Zelfontlading is een vervelende eigenschap van een accu waarbij de elektrische lading langzaam verdwijnt ondanks dat je geen gebruik maakt van de accu. Met een hydraulische analogie zou je de accu kunnen vergelijken met een emmer: wat je er in stopt kan je er ook weer uithalen. Als je echter te lang wacht verdwijnt (bij een emmer: verdampt) de inhoud.
  • De bronspanning, uitgedrukt in volt. Door het serieel schakelen van batterijen kan de totale bronspanning verhoogd worden of door het parallel schakelen de totale capaciteit.
  • De laadtemperatuur waarbij de batterij het meest optimaal laadt.
  • Het aantal laadcycli die de batterij kan verdragen, zonder dat de capaciteit of bronspanning al teveel afneemt. Bij sommige types batterijen telt het twee keer ontladen en terug opladen maar als één laadcycli. Dit is bv. als je de helft van de batterij ontlaadt door gebruik, daarna terug volledig oplaadt, om deze daarna terug voor de helft te ontladen en om deze tenslotte terug volledig op te laden.
  • De levensduur van een batterij is uiteraard belangrijk, maar hangt ook af van de omstandigheden waarin de batterij wordt bewaard, geladen en ontladen. Dit kan worden uitgedrukt in maanden of jaren, maar ook als aantal laadcycli.

Toepassingsgebieden[bewerken]

Als je de toepassingsgebieden van een batterij bekijkt, kan je dat doen op basis van het formaat of op basis van de technologie.

Het formaat is in grote mate gestandaardiseerd, wat toelaat dat diegene die apparaten maken hun batterijhouder hierop kunnen ontwerpen.

  • Een knoopcel is een schijfvormige batterij, ongeveer ter grootte van een knoop. Knoopcellen worden toegepast in veel draagbare elektronische apparaten die een zeer gering stroomverbruik hebben. Voorbeelden hiervan zijn: de CMOS-batterij op het moederbord, horloges, rekenmachines, analoge camera's, digitale camera's, memorecorders, mp3-spelers, afstandsbedieningen, computers, hoortoestellen, allerlei speelgoed en dergelijke.
  • Van de cilindervormige batterijen zijn de meest bekende waarschijnlijk de AA en AAA batterijen zijn. Afhankelijk van hoeveel ruimte er is wordt de grotere AA (bv. bij een fietslamp) of de kleinere AAA (bv. bij een afstandsbediening) gebruikt.
  • Van de blokvormige batterijen is de 9-volt batterij wellicht de bekendste. Deze wordt vaak gebruikt bij walkie talkies, sommige klokken en rookdetectoren.

Waar de formaten gestandaardiseerd zijn is er bij de technologie heel wat onderzoek, door de vraag vanuit de mobiele wereld (laptop, gsm, smartphone, tablet,...), de autowereld (met de elektrische auto) en hernieuwbare energie. De ideale batterij bestaat niet en dus is het vaak een afweging van situatie tot situatie: zo zal bij een thuisbatterij het gewicht minder belangrijk zijn dan bij de elektrische auto. Je kan ver gaan in de vergelijking tussen de verschillende types, hier wordt de lijst beperkt:

  • Een loodaccu is vooral bekend als startaccu voor een auto en deze kunnen korte tijd hoge stroom leveren. De voordelen zijn oa.: de eenvoud, relatief goedkoop te maken en relatief gemakkelijk te recycleren.
  • Een alkalinebatterij is een niet-oplaadbare batterij die vaak gebruikt wordt voor speelgoed, flitslampen van camera's en mp3-spelers. De alkalinebatterij is een batterij met goede prestaties, zelfs bij lage temperaturen. Ook hebben deze batterijen een hoog opslagvermogen en een lange levensduur.
  • Een Lithium-ion-accu of Li-ion-accu is een accu die vaak in consumentenelektronica, elektrische auto's en elektrische fietsen wordt gebruikt, vooral vanwege de hoge energiedichtheid. Een nadeel is dat dit type niet te ver ontladen mag worden en daarom wordt deze gebruikt in een apparaat dat voorzien is van een regelsysteem (BMS, battery management system). Er zijn gevallen van explosie en brand door hoge temperaturen.

Verbruik beperken[bewerken]

Hoe hoger het verbruik, hoe hoger uiteraard de kostprijs. Vandaar doe je er goed aan om maatregelen te nemen om het verbruik van een systeem te beperken. Hoe je dit kan aanpakken wordt besproken als onderdeel van Groene ICT > Verbruik.

Misverstanden[bewerken]

Ter info enkele misverstanden.

Verbruik[bewerken]

Eigenlijk is verbruiken niet het beste woord, omdat energie niet kan worden gecreëerd of vernietigd, maar alleen kan worden omgezet van de ene in de andere vorm (omwille van de wet van behoud van energie). Energie wordt wel omgezet:

  • Bij een batterij kan chemische energie worden omgezet in elektrische energie.
  • Deze elektrische energie kan worden omgezet in kinetische energie wanneer deze batterij gebruikt wordt in een telegeleide auto.
  • Een stuk van deze kinetische energie zal worden omgezet in warmte door wrijving.

Bij een energieomzetting wordt vaak een stuk omgezet als restwarmte. Zo was de gloeilamp bedoeld om licht te geven, maar eigenlijk ging er maar 5 à 10 % naar zichtbaar licht en de rest naar warmte. Bij elektronica is er soms zodanig veel restwarmte dat extra koeling nodig is, bv. een ventilator bij de processor of grafische kaart.

/uur versus *uur[bewerken]

In het dagelijkse leven zijn we zodanig gewend aan de eenheid kilometer per uur (km/h) dat we geneigd zijn om ook bij elektriciteit overal per uur te schrijven. Merk op:

  • Vermogen is gedefinieerd als de opgewekte of verbruikte hoeveelheid energie per tijdseenheid. Toch vind je bij een spaarlamp als kenmerk niet terug 11 W/h, omdat in de eenheid watt al een tijdseenheid zit! Een andere voorstelling voor watt is namelijk joule per seconde. De eenheid voor vermogen is dus wel degelijk W.
  • Elektrische arbeid (verbruik) wordt uitgedrukt als Wh. Als een spaarlamp van 11 watt 1 uur wordt gebruikt dan heeft hij verbruik van 11Wh (dus niet 11W/h!). Als je deze 2 uur gebruikt, dan wordt dit 11 W * 2 uur = 22 Wh. Bij grotere verbruikers krijg je snel grote getallen, dus wordt vaak kWh als eenheid gebruikt. Bijvoorbeeld 22 Wh = 22 / 1000 kWh = 0,022 kWh.[9]
  • Bij ampère-uur is de eenheid Ah en niet A/h!
  • bij energiedichtheid is de eenheid Wh/kg of Wh/l en niet W/h/kg of W/h/l!

Het net als batterij[bewerken]

Sommige mensen met zonnepanelen denken dat ze geen verbruik hebben omdat bij de afrekening de teller dankzij de zonnepanelen volledig is teruggedraaid. Het lijkt dan alsof je bij zonnige dagen je overschot aan elektriciteit “op het net stopt”, zoals je een batterij laadt. Op de minder zonnige dagen kan je dan die elektriciteit terug afnemen. In de praktijk klopt dit helemaal niet: om het net in evenwicht te houden moet er evenveel vraag, als aanbod zijn. Daar zit een beetje rek op, maar niet veel.

Zo kan in een wijk met veel zonnepanelen en een zonnige dag zodanig veel energie opgewekt worden dat de spanning boven zijn veiligheidsmarge stijgt, waardoor de omvormers van de zonnepanelen zichzelf uitschakelen, om het aanbod te laten dalen en terug te kunnen afstemmen op de vraag, zodat het net stabiel blijft.

Jaren was het net gewoon aan voorspelbare energiebronnen zoals kernenergie of gasturbines. Windenergie of zonne-energie is een stuk minder voorspelbaar. Deze laatste hebben een zodanig klein aandeel dat dit meestal geen probleem is. Met de stijging van hun aandeel moet steeds meer rekening gehouden worden met energiebronnen die flexibel aangezet kunnen worden (bij bv. weinig zon of wind) of uitgezet kunnen worden (bij bv. veel zon of wind).

Een mooi voorbeeld van het overeenstemmen van vraag en aanbod is de TV pickup in het Verenigd Koninkrijk. Het treedt op wanneer een groot aantal mensen op hetzelfde moment, hetzelfde TV-programma bekijken. Op hetzelfde moment hebben ze dus ook allen pauze. Populair is bv. de waterkoker om thee te zetten: dit zorgt voor een piek in de vraag, dus moet het aanbod volgen.

Om terug te keren op de eerste alinea: als je zonnepanelen meer energie opwekken dan je zelf kan verbruiken, dan zal deze energie zich een weg zoeken naar diegene die wél deze energie vraagt. In eerste instantie jouw buren, maar deze energie kan zich ook verder verplaatsen.

's Nachts of als er weinig zon is kan het zijn dat je zonnepanelen te weinig energie opwekken om het eigen huishouden te dekken. Op datzelfde moment moet er dus wel een andere energiebron zijn die aan jouw vraag kan voldoen. Dat kan een grote accu zijn die op een ander moment is opgeladen (maar dit is op dit moment een heel dure oplossing, bv. de Tesla batterij), een windturbine in de buurt, gasturbine, kernenergie, een waterkrachtcentrale in Noorwegen,…

De elektriciteitsfactuur[bewerken]

Als je als particulier jouw elektriciteitsfactuur wil doorgronden en wat opzoekwerk doet blijken er heel wat spelers op die energiemarkt te zijn.[10] Een misverstand is dat sommigen denken een contract af te sluiten met een producent en dat als je zou veranderen van producent je een nieuwe kabel en meter zou nodigen hebben. Het contract wordt echter afgesloten met een leverancier. De kabels in de straat en de meter van jouw huis worden geplaatst door de distributienetbeheerder. Deze kan je niet vrij kiezen, want deze wordt bepaald door waar je woont. De leverancier moet zelf één of meerdere producenten zoeken, zodat hij aan alle abonnees voldoende elektrische energie kan leveren. De leverancier kan zelf ook (een deel van) de energie produceren.

De factuur ontvang je van de leverancier en bevat dus niet alleen de zuivere kostprijs voor het maken van de elektriciteit, maar ook voor heffingen, het gebruik van het distributienet,...

Als consument doe je er goed aan om de goedkoopste leverancier te zoeken: elektriciteit is namelijk elektriciteit. Bij het veranderen van leverancier blijven dezelfde kabels (beheert door de distributienetbeheerder) tot aan jouw huis gebruikt worden. Meer zelfs: de kans bestaat dat je de elektriciteit van dezelfde producent blijft gebruiken als voordat je veranderde. Stel bv. dat je het groenste abonnement neemt, maar je woont net naast een kerncentrale: dan zal je wellicht díe elektriciteit gebruiken. Terwijl iemand anders die ultra-pro-kernenergie is net de elektriciteit gebruik van het windmolenpark naast de deur. Uiteraard moet de leverancier wel garanderen dat hij die producent(en) heeft gezocht, zodat voldaan wordt aan de omschrijving van al zijn abonnementen.

Bronnen, noten en/of referenties
  1. (nl) De doelstellingen komen uit het leerplan D/2015/7841/003 het leerplan Toegepaste Informatica van de richting informaticabeheer, derde graad tso.
  2. Bv. de St(r)oomcursus voor beginners.
  3. Op Elektrische lading en kracht staat nog extra informatie. Op de website van Phet kan je ook interactieve simulaties uitvoeren, bv. deze van 'Balonnen en statische elektriciteit' en 'John Tra(voltage)'.
  4. Op de website van edumedia-sciences.com kan je een interactieve simulatie uitvoeren.
  5. Hoe goed een materiaal de elektrische stroom kan weerstand wordt uitgedrukt door de soortelijke weerstand.
  6. Opgelet: met een voldoende hoog spanningsverschil zal ook gedemineraliseerd water geleiden. Zie bv. The King of Random: Don't Mix Electricity And Water!.
  7. Ook een auto kan vanwege de wrijving met de lucht een hoge spanning verkrijgen net als een elektriseermachine. Met een "aardende" geleidende strip die over de grond sleept kan men dit tegengaan. Het gaat bij deze aarding om kleine stromen en hoge spanningen.
  8. De Decker, K. (2016, 7 februari). Een huishouden op gelijkstroom? en De Decker, K. (2016, 22 februari). Hoe bouw je een 12 volt zonne-installatie?
  9. De oplettende lezer zal opmerken dat elektrische arbeid dus niet alleen kan worden uitgedrukt in kWh, maar evengoed in het aantal verbruikte Joules (de gebruikelijke eenheid voor energie).
  10. Zie bv. de webpagina op de VREG: Wie doet wat op de energiemarkt?
Informatie afkomstig van http://nl.wikibooks.org Wikibooks NL.
Wikibooks NL is onderdeel van de wikimediafoundation.