ENERGIE en VERMOGEN
Energie en vermogen bestaan in verschillende vormen, zoals mechanisch (beweging), thermisch (warmte) en elektrisch.
Voor vakmensen die met hun werk te maken hebben met elektrische apparaten, machines en installaties is kennis van elektrische energie en vermogen noodzakelijk.
|
Elektrische stroom bevat energie. Daarmee wordt bedoelt dat de stroom elektrische apparaten en machines zoals bijvoorbeeld lampen, stofzuigers en computers kan laten werken.
Dankzij stroom kunnen apparaten en machines iets doen: de lamp geeft licht, met de stofzuiger kan vuil opzogen worden en met de computer kan informatie gevonden worden op het internet.
Een apparaat dat op elektriciteit werkt, verbruikt zolang als het aanstaat elektrische energie.
Het verbruik van elektrische energie wordt gemeten door een kilowattuurmeter. Voor het verbruik van elektrische energie moet betaald worden aan de leverancier van de elektriciteit.
Om aan te geven hoeveel energie er in de stroom zit, hebben we een eenheid nodig. Daar zijn verschillende mogelijkheden voor.
Internationaal is afgesproken dat de eenheid van energie Joule is.
De joule is de eenheid van energie in het SI-stelsel. Het is de energie die nodig is om een voorwerp over één meter te verplaatsen met een kracht van één newton.
Om een idee te krijgen van wat 1 joule is:
- Als je een aardappel van 100 gram een meter optilt, gebruikt je ongeveer één joule aan energie.
- Een lamp met een elektrisch vermogen van 1 Watt verbruikt in 1 seconde 1 joule aan elektrische energie.
EENHEID VAN ELEKTRISCHE ENERGIE
Uit het voorgaande voorbeeld van de lamp blijkt dat elektrische energie van 1 Watt gedurende 1 seconde hetzelfde is als 1 Joule.
1 joule is een erg kleine hoeveelheid energie.
Als het energiebedrijf het energieverbruik in joules zouden aangegeven, worden dat hele grote getallen.
Voorbeeld: het verbruik van een gemiddeld gezin per jaar is ongeveer elf en een half miljard (11.500.000.000) joule.
Het tarief wat voor 1 joule betaald moet worden is ongeveer 0,00000005 euro.
Daarom wordt er in de elektrotechniek een andere eenheid bij energie gebruikt namelijk: kilowattuur (kWh).
1 kWh = 1.000 Wh = 3.600.000 Ws (= 3.600.000 J)
Voor het bovenstaande voorbeeld van het verbruik bij een gemiddeld gezin worden de getallen dan als volgt:
Een gemiddeld gezin verbruikt ruim 3.200 kWh per jaar.
Eén kWh kost ongeveer € 0,20.
Met de energie van 1 kWh kun je:
- Een half uur stofzuigen met een stofzuiger van 2.000 Watt
- 12 gerechten vijf minuten in een magnetron opwarmen
- Een LED lamp van 5 Watt 200 uur laten branden
- 5 avonden tv kijken
- Een zuinige koelkast 2 dagen laten koelen
- 25 uur lang een laptop gebruiken
- Tot wel 100 keer een smartphone opladen
- Ongeveer 7 kilometer rijden met een elektrische auto
- 1x de wasmachine gebruiken
- Een half uur de wasdroger gebruiken
REKENEN MET ELEKTRISCHE ENERGIE
Om het energiegebruik te kunnen berekenen wordt de onderstaande basisformule gebruikt.
1.000 Wh = 1 kWh (1.000 wattuur = 1 kilowattuur)
1 kV = 1.000 V
1 mA = 0,001 A
De tijd moet in het aantal uren (h komt van het Engelse hour) worden ingevuld.
Eén uur heeft 60 minuten dus:
Voorbeeldberekeningen
Voorbeeld 1
- Gegeven:
Een boormachine is aangesloten op een spanning van 230 V en neemt gedurende tien minuten een stroom van 3 A op.
- Gevraagd:
Bereken de hoeveelheid elektrische energie die de boormachine heeft gebruikt.
- Oplossing:
De tijd van tien minuten is 1/6 uur.
De formule is: W = U x I x t
Waarden ingevuld geeft: W = 230 V × 3 A × 1/6 h
Antwoord: W = 115 Wh
Voorbeeld 2
- Gegeven:
Een ouderwetse gloeilamp van 75 W wordt aangesloten op een netspanning van 230 V.
De lamp neemt een stroom op van 330 mA.
De lamp gaat 1.000 branduren mee.
De energieprijs is € 0,20 per kWh.
- Gevraagd: Hoeveel kost deze lamp de gehele levensduur aan energieverbruik?
- Oplossing:
De stroom van 330 mA = 0,33 A
De formule is: W = U x I x t
Waarden ingevuld geeft: W = 230 V × 0,33 A × 1000 h
Energieverbruik is: W = 75.900 Wh = 75,9 kWh
1 kWh kost € 0,20 dus de totale kosten van het energieverbruik zijn:
75,9 kWh x € 0,20 = € 15,18
ELEKTRISCH VERMOGEN
Als het over het over apparaten en machines gaat wordt er niet veel gebruik gemaakt van de begrippen weerstand en stroom.
Niemand vraagt in de winkel om een boormachine met een weerstand van 70Ω of een wasmachine met een weerstand van 18Ω.
Ook wordt bij een lamp niet verkocht met de mededeling dat de lamp 0,1 Ampère nodig heeft om te branden.
Bij apparaten en machines wordt het vermogen vermeld wat ze gebruiken als deze apparaten of machines aanstaan.
EENHEID VAN ELEKTRISCH VERMOGEN
Het elektrisch vermogen wordt uitgedrukt in watt (W). Zo is het vermogen van een lamp voor de auto bijvoorbeeld 55 W.
Een magnetron heeft een vermogen van 650 W en een zaagmachine heeft een vermogen van 800 W. Dit zijn zo maar wat voorbeelden, per merk of type apparaat kan het vermogen verschillen.
REKENEN MET ELEKTRISCH VERMOGEN
Om aan vermogens te kunnen rekenen zijn een aantal formules beschikbaar.
De eerste (basis)formule is:
1000 W = 1 kW (1000 watt = 1 kilowatt)
1000 Wh = 1 kWh (1000 wattuur = 1 kilowattuur)
Voorbeeld berekening:
Gegeven: Een wasmachine heeft in 1 uur en een kwartier 3 kWh aan energie verbruikt.
Gevraagd: Wat is het vermogen van deze wasmachine.
Oplossing:
De tijd is 1 uur en een kwartier, dat is 1¼ (1,25) uur.
De elektrische energie is 3 kWh, dat is 3000 Wh.
P = W / t
P = 3000 Wh / 1,25 h
P = 2400 W
Een andere (basis)formule om het elektrisch vermogen uit te rekenen is:
Voorbeeld berekeningen:
Voorbeeld 1
Gegeven: Een afzuiginstallatie in een werkplaats is aangesloten op een spanning van 230 V en neemt een stroom van 3 A op.
Gevraagd: Bereken het elektrisch vermogen van de afzuiginstallatie.
Oplossing:
P = U · I
P = 230 V × 3 A
P = 690 W
Voorbeeld 2
Gegeven: Een straatlantaarn met een vermogen van 9,2 W is aangesloten op een spanning van 230 V.
Gevraagd: Bereken de stroom die de straatlantaarn nodig heeft om te branden.
Oplossing:
P = U · I
Deze moet omgezet worden zodat de stroom uitgerekend kan worden. De formule wordt dan:
I = P / U
I = 9,2 W / 230 V
I = 0,04 A (= 40 mA)
VERMOGENS BEREKENINGEN MET WEERSTANDEN
Bij het onderdeel “spanning, stroom en weerstand” is de wet van Ohm behandeld.
De formules I = U / R en U = I x R zijn toen aan bod gekomen.
Vaak is bij het rekenen aan weerstanden in schakelingen de weerstandswaarde en het toelaatbare vermogen van de weerstand bekend.
Door de formules van de wet van Ohm te combineren met de formule van het vermogen kan de toelaatbare spanning of stroom bij een weerstand uitgerekend worden.
Hiernaast zijn een aantal uitvoeringsvormen van weerstanden afgebeeld. Er staat aangegeven tot welk vermogen de weerstanden belast mogen worden.
Vaak wordt een weerstand gebruikt om een spanning te verlagen voor een ander component, bijvoorbeeld een LED. Of om de stroom door een deel van de schakeling te begrenzen.
Het vermogen wat door de weerstand wordt opgenomen wordt omgezet in warmte. Deze warmte wordt meestal gezien als energieverlies. Dit verlies van energie wordt dissipatie genoemd.
Formule omzetten zodat de toelaatbare stroom uitgerekend kan worden als de weerstandswaarde en het vermogen van de weerstand bekend zijn.
P = U x I
In de formule voor het vermogen kan de spanning (U) ook vervangen worden door I x R want U = I x R .
De formule wordt dan: P = I x R x I
Anders geschreven: P = I x I x R
Waarbij I x I hetzelfde is als I2
De formule die dan ontstaat is:
Om de toelaatbare stroom door een weerstand uit te kunnen rekenen moet de formule worden omgezet.
De formule voor het uitrekenen van de stroom wordt dan: