Terug naar de schoolbanken: een kleine opfriscursus elektriciteit ✏️

Wat is energie eigenlijk?

Energie kunnen we zowel door een economische als een natuurkundige bril bekijken. Hebben we het over de economische definitie van energie, dan hebben we het over energie als natuurlijke hulpbron – datgene wat wij als mensen produceren en verbruiken. Op ons rooster echter geen economie vandaag, maar natuurkunde! En dus hebben we het over het vermogen om arbeid te verrichten, zoals de natuurkundige definitie van energie luidt. Dat kan zich op allerlei manieren uiten: denk bijvoorbeeld aan een lamp (stralingsenergie), warmte (thermische energie), een rondje hardlopen (bewegingsenergie) of de stroom uit je stopcontact (elektrische energie).

Joule (J)

Hoe kunnen we energie meten als het in zoveel verschillende vormen komt? Dat doen we met joule, de standaard eenheid voor energie. Joule wordt gedefinieerd als de energie die nodig is om een object te verplaatsen met 1 newton (de standaard eenheid voor kracht) over een afstand van 1 meter. Meten we specifiek elektrische energie, dan gebruiken we daar de eenheid 'watt' voor.

Watt (W)

Watt is de standaard eenheid voor vermogen, waarbij 1 watt gelijk staat aan 1 joule per seconde. Dat betekent dat een gloeilamp met een vermogen van 40 watt dus 40 joule per seconde aan energie verbruikt. Maar wat is vermogen dan precies? Daarvoor moeten we zowel naar volt als ampère kijken.

Volt (V) en ampère (A)

Het vermogen van een gloeilampje of een elektrisch apparaat wordt bepaald door de spanning (of voltage, gemeten in volt) vermenigvuldigd met de stroomsterkte (gemeten in ampère), en dus geldt: 1 watt = 1 volt x 1 ampère. Door elektriciteit met water te vergelijken, kun je goed zien hoe volt en ampère werken:

💧 Hoe snel een emmer vol loopt met water, hangt af van de hoeveelheid water die per seconde door de leiding stroomt én de druk op de waterleiding.

⚡ Hoe snel elektriciteit door een draad loopt, hangt af van de hoeveelheid elektronen die per seconde door de elektriciteitsdraad heen gaan (de stroomsterkte) én de spanning op de draad (de energie die de elektronen nodig hebben om van het ene naar het andere punt te bewegen).

Kilowattuur (kWh)

Zoals je inmiddels weet, drukken we het vermogen van onze elektrische apparaten uit in watt. Hoeveel stroom die apparaten vervolgens verbruiken, drukken we uit in kilowattuur. 1 kWh betekent niets anders dan dat je 1 kilowatt (1000 watt) aan stroom hebt verbruikt over een periode van 1 uur.

Hertz (Hz)

Ook hertz is relevant voor onze natuurkundige kennis van elektriciteit. Het is de standaard eenheid van frequentie, wat aangeeft hoe vaak iets per seconde gebeurt. Hebben we het over elektriciteit, dan is dat 'iets' de zogenaamde wisselspanning. Om uit te leggen wat wisselspanning is, moeten we eerst terug in de tijd – naar het einde van de 19e eeuw, om precies te zijn.

War of the currents

Een grootschalig elektriciteitsnet zoals we dat nu hebben, was in de Verenigde Staten van de 19e eeuw nog lang niet aan de orde. Wel was het daar dat de toekomst van het elektriciteitsnet werd bepaald. De 'war of the currents' werd uitgevochten door George Westinghouse en Nikola Tesla aan de ene kant, en Thomas Edison aan de andere. Gelijkstroom is de toekomst, zei Edison, waarbij de elektronen in een stroomkring altijd dezelfde kant op bewegen. Westinghouse en Tesla waren daarentegen kamp wisselstroom, waarbij de elektronen binnen een stroomkring constant en in een vaste regelmaat van richting veranderen. 

👆 De gelijkstroom van Edison: in de stroomkring bewegen de elektronen altijd dezelfde kant op, in de grafiek zichtbaar als een rechte lijn die de constante spanning representeert.

👆 De wisselstroom van Westinghouse en Tesla: in de stroomkring veranderen de elektronen constant en in vaste regelmaat van richting, in de grafiek zichtbaar als een golvende lijn die de wisselende spanning representeert.

Westinghouse en Tesla zaten op het goede spoor, want wisselstroom is het energiesysteem dat we vandaag de dag gebruiken – onder meer omdat het destijds veiliger was dan gelijkstroom, maar ook omdat het goed over lange afstanden getransporteerd kan worden en de spanning makkelijk te verhogen en te verlagen is. De frequentie van de steeds wisselende spanning van wisselstroom wordt gemeten in hertz, de eenheid die we bespraken vóór onze kleine tijdreis. In heel Europa is deze netfrequentie 50 Hz.

Driefasenstroom

Voor het opfrissen van onze elektriciteitskennis is nog één ding van belang: driefasenstroom. In de grafiek hierboven zie je dat de spanning constant van een positieve naar een negatieve waarde beweegt, waarbij deze tussendoor steeds (dicht bij) nul is. Voor een stabiel elektriciteitsnet willen we daarentegen juist een constante spanning. De driefasenstroom die we vandaag de dag gebruiken, helpt ons daarbij: in deze stroomkring geen nuldraad, maar drie fasedraden die op gelijke afstand van spanning wisselen. Driefasenstroom maakt het transport van stroom makkelijker, omdat we minder materiaal nodig hebben om meer energie te verplaatsen. ⚡️⚡️⚡️

Over elektriciteit valt natuurlijk nog véél meer te vertellen, maar met deze kennis zou je de basis scherp moeten hebben. En dus zeggen we: class dismissed! 💚

Benieuwd wat voor rol elektriciteit in je dagelijks leven speelt? Met de Tibber Pulse zie je in real-time het effect van je elektrische apparaten op je stroomverbruik. Je vindt 'm in de Tibber Store. Als klant van Tibber krijg je er korting op alle producten.