wisselstroom en nul

Sophie stelde deze vraag op 12 november 2017 om 10:49.

 Hallo,
Ik heb een vraag over wisstroom en gelijkstroom: Het principe van gelijkstroom begrijp ik wel. Hierbij loopt er een stroom van elektronen van + naar - rond vanuit de voedingsbron of accu. Bij wisseltroom snap ik niet precies hoe het zit. Er is één pool die voortdurend van + naar - verandert; iets van 50x per seconde. De andere pool is 0. De stroom gaat dan aldoor heen en weer in de fasedraad. Maar hoe zit het dan met de 0 draad ? Er is wel een soort circuit vanuit de bron door bijvoorbeeld een lampje en aan de andere kant een aardingsdraad. Maar daar loopt blijkbaar geen stroom door. Waarom is er dan wel een draad aan die andere kant ? Je moet dus wel een circuit hebben, maar ik snap niet hoe het dan zit met de stroom van elektronen.
Kunt u vertellen hoe ik dat moet zien ?

Groeten, Sophie

Reacties

Theo op 12 november 2017 om 11:30
Stroom gaat van + naar - . We denken dat positieve lading zich beweegt. Dat is gewoon ooit eens afgesproken rond 1800 zoals we de ene kant "links" noemen en de andere "rechts". Dat hadden we ook andersom kunnen besluiten. Rond 1900 ontdekten we dat stroom uit negatief geladen deeltjes bestond. En daarmee werd duidelijk dat we in 1800 de verkeerde keuze gemaakt hebben. Maar om na een eeuw van publicaties alles nog "recht te zetten": hetwas veel simpeler te zeggen "stroom gaat van + naar - maar de elektronen gaan van - naar +. En elk vertrekkend elektron uit een neutrale omgeving laat een positief gat achter, dus of nu elektronen naar links of positief geladen gaten naar rechts bewegen (de stroom) maakt voor de meeste situaties niet uit. 

Wisselstroom kun je het best zien als een batterij met + en - kant die telkens omgedraaid wordt. Waar eerst de + zat komt (bij 50 Hz) na 1/50ste seconde ineens de - kant. En dan weer de +. Deze wisseling geeft wisselstroom.
Het is dus niet zo dat één kant 0 blijft en de andere kant steeds wisselt van bijv -230V naar +230V.
Tussen de + en - pool van de batterij staat 230V. Omdraaien van de batterij verandert niet het spanningsverschil (blijft 230V) maar wel de richting ervan (polariteit).

Door een wisselstroomkring met een lamp gaat dus door de "fase" draad (bruin) en door de "schakel"draad (zwart) stroom. En telkens van de + naar de - kant van de batterij. Als even later de richting wordt omgekeerd dan loopt de stroom opnieuw door beide draden, maar de andere kant op. Er is dus geen draad die niet mee doet in dit spel.

De spanning is alleen het verschil tussen beide batterijpolen. Als de - kant van een 6V batterij geaard wordt (0 V) dan is de + pool daardoor 0 + 6 = 6V.
Aard je de + pool dan is de spanning van de - pool 0 - 6V = -6V
Dat principe wordt gebruikt om batterijen in serie aan elkaar te koppelen zodat je bijv 2x6=12V spanningsverschil kunt krijgen door twee 6V batterijen te gebruiken. Tussen de - pool van de ene en de + pool van de andere staat dan 12V
Sophie op 12 november 2017 om 13:04
Bedankt voor de uitvoerige reactie. Maar ik begrijp één ding nog niet.
Bij een dynamo wordt wisselstroom opgewekt. Er loopt één draad naar een lampje. De andere draad loopt naar een vast onderdeel van de fiets of aarding. Daar kan toch nooit stroom vandaan komen ? Ik lees ook in artiekelen hierover dat er op de nuldraad nooit stroom staat; soms een beetje, maar officieel niet. Ook in een stopcontact kun je alleen maar stroom meten aan één kant. U zegt dat de stroom steeds van weer een andere kant komt. Hoe zit dan met bijvoorbeeld die dynamo en een stopcontact.
Kun u daar nog iets over zeggen ?
gr. Sophie
Theo de Klerk op 12 november 2017 om 13:25
>De andere draad loopt naar een vast onderdeel van de fiets of aarding. Daar kan toch nooit stroom vandaan komen 

De fiets zelf is van metaal en fungeert als tweede draad. De stroomsterkte is zo gering dat je er veilig op kunt zitten en het metaal van de fiets kunt aanraken.  Er is is een gesloten kring: vanuit de dynamo gaat 1 draad naar de lamp. De stroom die de dynamo opwekt gaat daardoor naar de lamp en vanuit de lamp gaat het door het fietsframe weer naar de dynamo. Die zou een tweede draad aan de fiets gemonteerd kunnen hebben, maar meestal is het "ijzer" van de dynamo rechtstreeks op de fiets aangesloten en zorgt dat voor de verbinding.



Op de "nuldraad" (blauw) staat geen stroom als de kring onderbroken is. Dan staat op de bruine "fasedraad" 230V. Maar als de kring sluit (je schakelt een lamp aan, zet de koffiemachine aan) dan gaat de stroom van de fasedraad via het aangesloten apparaat naar de nuldraad. Vanwege het wisselstroomkarakter gaat de stroom linksom of rechtsom door beide draden. Als er ook nog "schakeldraad" is (zwart) dan zijn bij goede aansluiting schakel- en nuldraad via een apparaat verbonden. De aan/uit schakelaar "stopt" de fasedraad stroom van stromen. Eenmaal aangezet, gaat de stroom door alle draden om samen een stroomkring te vormen.


In een stopcontact zitten op de beide "gaatjes" respectievelijk de fasedraad en de nul-draad. Met een spanningszoeker (zo'n schroevedraaier met lampje) zal je de fase draadpin vinden doordat het lampje gaat branden. Op dat moment loopt de stroom uit het stopcontact door de spanningszoeker door je hand en voeten naar de grond, de "aarde". En zo is de kring weer gesloten. De zoeker heeft zo'n weerstand dat er een veilig klein stroompje door je lichaam kan lopen. Steek je je vinger zonder spanningszoeker in dat stopcontactgat (met bijv een breinaald) dan loopt een grote stroom en wordt je ge-electrocuteerd.

Sophie op 12 november 2017 om 18:04
Heel fijn dat u het zo uitvoerig uitlegt. Ik begrijp het al veel beter.
Toch begrijp ik het nog niet helemaal, het laatste verhaal over de wisselspanning vanuit de dynamo is eigenlijk niet anders dan bij gelijkstroom. Bij uw verhaal gaan de elketronen ook gewoon rond in het circuit, net als bij gelijkstroom. Ik lees in andere artikelen dat wisselstroom de eigenschap heeft dat het als het ware heen en weer gaat in de fasedraad. Dus de elektronen worden erin geduwd en weer uitgetrokken 50x per seconde. Op de nuldraad staat dan geen spanning, maar is er wel voor een soort overloop en terugvoer van energieloze elekronen ? Ik zie het verschil tussen het circuit van wisselstroom en gelijkstroom niet echt.
is het mogelijk daarop nog iets te zeggen. Het is erg moeilijk te vinden ergens anders.
Gr., Sophie
Theo de Klerk op 12 november 2017 om 18:19
Wisselstroom is net als gelijkstroom, alleen verandert bij de eerste de richting waarin de stroom (of de elektronen de andere kant op) loopt en bij gelijkstroom blijft het 1 kant op gaan, van + naar - omdat de polen niet veranderen van polariteit.
Een dynamo is in zoverre anders dan een batterij dat een dynamo door rond te draaien stroom kan opwekken. Maar door de constructie en eigenschappen van lading, werkt dat alleen maar door steeds de stroom van richting om te draaien. Er is dus geen gelijkstroomdynamo (wel schakelingen die de wisselstroom in een soort gelijkstroom omzetten - zoals speelgoed trafo's voor treintjes dat kunnen).
De nuldraad is geen nul-stroom draad, het is gewoon een draad die deel vormt van het stroomcircuit. Als de schakelaar dicht is gaan er net zoveel elektronen doorheen als alle andere draden. Zie het als een weg met een brug: als de brug voor de fiets open is gaat er aan de andere kant geen fiets langs. Als de brug sluit en je kunt oversteken, dan gaat door beide stukken weg aan weerszijde van de brug evenveel fietsen door.

Een wisselstroom circuit is precies hetzelfde als een gelijkstroomcircuit als het gaat om lading die van A naar B gaat. Alleen bij wisselstroom is het telkens A naar B, dan B naar A, dan A naar B enz terwijl gelijkstroom altijd van A naar B gaat.
Het gaat in beide gevallen om de energie die de lading meeneemt en afstaat aan een lamp of apparaat om dit te laten werken. Het doet er daarbij niet toe of die energie steeds van doorgaande lading afkomt of van heen en weer gaande lading. De batterij of dynamo zorgt er steeds voor dat de ladingen steeds opnieuw van energie worden voorzien.
Harry op 01 januari 2020 om 17:17
Sofies vraag kan beantwoord worden als volgt: de nul leiding voert wel stroom ( afwisselend van richting) maar heeft geen spanning (tov aarde)

Harry
Jan van de Velde op 01 januari 2020 om 18:29
Je kunt het ook zó zien:

Neem een buis van bijv een meter lengte en een centimeter diameter, en bouw daar  een klein windmolentje ergens middenin. Aan een kant van de buis hang je een plastic zak met lucht, en dat bind je af op de buis. Aan de andere kant zet je je mond en ga je afwisselend inblazen en opzuigen. 
Het stuk buis tussen je mond en het windmolentje is de fasedraad, het stuk buis tussen het windmolentje en de zak is de nuldraad. Je mond/longsysteem is de spanningsbron, aangedreven door ribbenkast en middenrif.

Groet, Jan
Gilles op 13 mei 2020 om 11:45
Bedankt allen in dit draadje, het is mij veel duidelijker geworden. Een speciaal compliment voor de kwaliteit en vasthoudendheid van de vragen van Sophie!
Robert op 04 oktober 2020 om 22:35
Ik weet dat het zo is (ivm die spanningszoeker in het stopcontact), maar snap toch niet waarom er op die blauwe draad dan ook niet afwisselend spanning staat? De "batterij" wordt immers 50x p/s gewisseld met zijn + en -. Die blauwe draad hangt toch ook aan die "batterij"?
Robert op 04 oktober 2020 om 22:39
n.b. Ik bedoel bovenstaande bij een niet gesloten circuit, dus bijvoorbeeld de twee gaten van het stopcontact.
Theo de Klerk op 04 oktober 2020 om 22:40
Als de schakelaar open staat (licht uit of geen apparaat aangesloten) dan hoort op de bruine draad 230 V wisselstroom (eventjes +230V, dan -230 V) te staan en loopt geen stroom (0 A), op de blauwe draad (of zwarte draad in hotelschakeling) een spanning 230 V lager (dus 0 V) en geen stroom (0 V en 0 A) .

Zo gauw je iets aansluit, loopt er stroom door beide draden. Alleen is de spanning op de bruine draad 230 V, daalt de spanning naar 0 V in de lamp of het apparaat. En 0 V op de blauwe draad. Maar 0 V wil niet zeggen dat er geen stroom loopt.

Bovendien gaat het altijd om spanningsverschillen en niet om absolute waardes.
Robert op 04 oktober 2020 om 22:50
Theo, bedankt voor de uitleg. Ik moet het dus zien dat de alleen fasedraad de "motor" is: die "duwt" (+230V) of "trekt" (-230V), zoals Jan hierboven uitlegt.
Robert op 04 oktober 2020 om 22:53
(Je voorbeeld van die wisselende polariteit van de batterij bracht mij in verwarring: daarmee leek het alsof de "motor" telkens wisselde van draad)
Jan van de Velde op 05 oktober 2020 om 01:22
Dag Robert,

dat hele wisselstroomgebeuren blijft een beetje vaag, toch zeker als je over die "magische" nul gaat nadenken. Laat ik daarom eens een poging wagen het verhaal van die nul wat vollediger uit te leggen.

Kijken we even naar een model van de fietsdynamo:



Voor die spoel, om aan één kant elektronen weg te kunnen duwen, zal die voorraad aan de andere kant moeten kunnen worden aangevuld. 

In een éénfasig, gesloten wissselspanningscircuit als hierboven is het dus inderdaad net alsof er een batterij steeds andersom wordt aangesloten. Er is geen draad die steeds op een potentiaal van 0 V staat, geen "blauwe draad" , geen "nul", zoals het lichtnet thuis.

Maar, vooral als de spanningsbron vér van de verbruiker (hier de weerstand R ) staat, kan dat handiger:



We laten onze spanningsbron aan één kant elektronen uit de aarde "zuigen" en aan de andere kant weer in de aarde pompen (en kort daarna andersom enz.) . 
Aan weerszijden fungeert de aardbol als een "ballonnetje"dat je kunt oppompen of weer leegzuigen. Dat scheelt een draad. Je zou ook kunnen zeggen, we gebruiken die aardbol als draad. 

Dat betekent wel dat die ene kant van die weerstand rechtstreeks met de aarde is verbonden, die draad heb ik in de afbeelding hierboven dan ook maar eens blauw gekleurd. Die aardbol is echter zó groot dat een paar elektronen meer of minder niks meetbaars veranderen aan de potentiaal van die aardbol, die blijft for all practical purposes neutraal, ongeladen, en dus op een potentiaal van 0 V. En dus meet je in dit systeem op die blauwe draad altijd nagenoeg 0 V. 

Om allerlei installatietechnische reden moet je het vooral NIET !!!! doen, maar je lamp in huis zou dus in principe prima branden als je die vastknoopte tussen de bruine fasedraad en de geelgroene (aarde)draad. Met grotere apparaten zou de aardpijp onder je huis overigens al wel problemen gaan krijgen, daar is 'ie niet op berekend.

Maar het kan nòg handiger: een woonwijksysteem (het lichtnet) is aangesloten op een driefasen-wisselspanningssysteem, drie dynamo's in één, elke fase 120o verschoven t.o.v. de andere twee,  en dat werkt net weer een tikje anders:




ik heb op een handig tijdstip dat meelopende potentiaalgrafiekje van die drie fasen even stilgezet:


Op het punt van die bolletjes zie je duidelijk dat
  • de blauwe fase eventjes niet "duwt" of "trekt", potentiaal 0.
  • de rode fase "duwt", positieve potentiaal,
  • de groene fase "trekt", en wel met een even grote negatieve potentaal.
Som van alledrie de potentialen is 0, neutraal :) 

MAAR, DAT GELDT OVERAL IN DIE GRAFIEK, kijk maar goed




Maakt niet uit wanneer ik meet, op elk moment is de optelsom van de positieve en negatieve potentialen gelijk aan 0. 

Dat betekent dus dat als ik aan elke fase een verbruiker hang, en dan voorbij die verbruikers de drie fasen aan elkaar knoop, ze kunnen fungeren als elkaars elektronenleverancier of -opslagplaats, in animatie: 



En in de draadkleuren die je kent van je huisinstallatie ziet dat er dan zó uit:




Dat scheelt me drie "terug"draden in mijn circuit,  ÉN ik hoef ook niet onder elk huis een zware aardpijp te hangen. 

Er is één voorwaarde: de drie fasen moeten wel even zwaar worden belast, zodat er in alle fasen even grote stromen lopen. In een driefasenmotor is dat geen enkel probleem, er zitten drie even grote spoelen in de motor.  En met allerlei verschillende éénfase-apparaten in een woonwijk lost zich dat op via de wet van de grote getallen. Helemaal perfect verdeeld lukt natuurlijk nooit, daarom gaat er nog één gemeenschappelijke nuldraad terug naar de centrale om de oneffenheidjes op te vangen:



Maar dat kunnen relatief dunne draden zijn omdat ze maar zelden significante stromen hoeven te voeren. Wanneer de drie fasen in een wijk een beetje uit evenwicht zijn kun je dat meten: de nul zal dan niet netjes nul zijn, maar een lage potentiaal te zien geven, zoals ergens eerder in dit topic ook al eens is opgemerkt.


Is het me gelukt om die NUL duidelijk te krijgen? 

Groet, Jan
Hans Hokke op 18 november 2020 om 11:25
Is die laatst nuldraad dan echt nodig om het systeem te laten werken? De stroom kan toch ook gewoon de grond in verdwijnen? Of is die er om te meten of er voldoende evenwicht is tussen de fasen?

En hoe zit het dan met aarding van stopcontacten en apparaten? Gooit die dit systeem niet een beetje in de war? Als stroom de weg van de mnste weerstand volgt dan zal die toch liever de aardedraad nemen dan de veel langere nuldraad?

(Ja ik weet dat stroom niet altijd de weg van de minste weerstand volgt)
Theo de Klerk op 18 november 2020 om 11:45
In de grond verdwijnen betekent "aarden" - aannemend dat de aarde een gigantische bol is met zoveel + en - lading (even veel) dat dit als "afvoerputje" kan dienen.
Een stroomcircuit dient echter rond te lopen, dwz. de ladingdragers dienen weer bij hun startpunt uit te komen. Dat is met een simpele aarding niet het geval. Dan "verdwijnt" alleen stroom. Vandaar dat een stroomcircuit een rondlopende draad is - aan de ene kant aanvoer en aan het andere uiteinde een afvoer. Bij wisselstroom verandert deze functie met de frequentie van wisselen.

Aarden van stopcontacten betekent in 1 richting snel een stroom afleiden als het normale circuit niet werkt (draadbreuk, kortsluiting en zo). Vaak neemt de stroomsterkte dan zo toe dat even later de stop doorslaat (boven 12A of 16A meestal).  Een aardlekschakelaar is dan beter: die meet hoeveel stroom de leiding inkomt en (via retourkanaal) weer uitgaat. Dat moet gelijk zijn. Het kleinste verschil doet meteen de afsluitschakelaar openspringen. Dat gaat zo snel dat een aardlekschakelaar vele malen sneller en beter reageert dan een aarding. En daarmee veiliger is.

De aardleidingsdraad in geaarde apparaten en snoeren "doet" niks tot het moment dat de gewone leiding faalt. Dan komt de stroom ineens op de ommanteling te staan (als een onbeschermde draad bijv. contact maakt met die mantel doordat ie losgeschoten is uit een bevestiging) en DAN voert de aarde-draad de stroom af naar de aarde.  De aarddraad is dus verbonden met alle onderdelen die geleiden en bij veilig gebruik nooit onder stroom zouden staan. Het is een soort "overloop" functie.
Hans Hokke op 18 november 2020 om 15:29

Theo de Klerk plaatste:

Dat is met een simpele aarding niet het geval. Dan "verdwijnt" alleen stroom.
Stroom "verdwijnt" volgens mij nooit. In dit geval zou de "gebruikte stroom" in de aarde verdwijnen en bij de centrale "nieuwe stroom" uit de aarde getapt worden. Dan zou de aarde werken als "extra draad" door zichelf te egaliseren. Zoals de heer v d Velde hier beschrijft:

Jan van de Velde plaatste:

Maar, vooral als de spanningsbron vér van de verbruiker (hier de weerstand R ) staat, kan dat handiger:



We laten onze spanningsbron aan één kant elektronen uit de aarde "zuigen" en aan de andere kant weer in de aarde pompen (en kort daarna andersom enz.) . 
Aan weerszijden fungeert de aardbol als een "ballonnetje"dat je kunt oppompen of weer leegzuigen. Dat scheelt een draad. Je zou ook kunnen zeggen, we gebruiken die aardbol als draad. 

Dat betekent wel dat die ene kant van die weerstand rechtstreeks met de aarde is verbonden, die draad heb ik in de afbeelding hierboven dan ook maar eens blauw gekleurd. Die aardbol is echter zó groot dat een paar elektronen meer of minder niks meetbaars veranderen aan de potentiaal van die aardbol, die blijft for all practical purposes neutraal, ongeladen, en dus op een potentiaal van 0 V. En dus meet je in dit systeem op die blauwe draad altijd nagenoeg 0 V. 

Om allerlei installatietechnische reden moet je het vooral NIET !!!! doen, maar je lamp in huis zou dus in principe prima branden als je die vastknoopte tussen de bruine fasedraad en de geelgroene (aarde)draad. Met grotere apparaten zou de aardpijp onder je huis overigens al wel problemen gaan krijgen, daar is 'ie niet op berekend.

Ha, het antwoord staat er ook al. Alleen wat onduidelijk gedrukt in grijs.

Zo'n groot systeem kan nooit helemaal gesloten zijn. Er moet hier en daar wel stroom weglekken. Wordt die nuldraad nog ergens geaard? Vlak bij de centrale bijvoorbeeld?
Hans Hokke op 18 november 2020 om 15:32
Of juist vlak bij de verbruikers?
Jan van de Velde op 18 november 2020 om 15:47

Hans Hokke plaatste:

Zo'n groot systeem kan nooit helemaal gesloten zijn. Er moet hier en daar wel stroom weglekken. Wordt die nuldraad nog ergens geaard? Vlak bij de centrale bijvoorbeeld?
Die nuldraad of wat anders, maar ja, er wordt op verschillende plaatsen geaard. 

Maar de details en redenen daarvan ken ik allemaal niet. Wil je meer weten, op Wetenschapsforum surft er ene Klazon rond, die daar vast meer van weet.

Groet, Jan 
Hans Hokke op 18 november 2020 om 16:07
Haha 'tis niet dat ik mijn eigen stroomnetwerk wil gaan bouwen of zo. Ik vindt dit een interessant verhaal en probeerde alleen wat details scherper te krijgen.
Theo de Klerk op 18 november 2020 om 17:16
"verdwijnt" staat ook tussen aanhalingstekens. Het verdwijnt niet echt - lading blijft behouden. Maar het verdwijnt uit het gezichtsveld of uit het beschouwde systeem.

Een retourdraad (bij wisselstroom wisselt die rol steeds tussen beide draden) is theoretisch niet nodig: je kunt via de aarde weer naar de centrale gaan. In de praktijk is dit niet goed mogelijk. Een koperdraad heeft vrijwel geen weerstand en kan een (grote) stroom vanuit een stopcontract naar een apparaat leiden en weer terug. Als de aarde ertussen zit dan is er een grote weerstand waardoor de stroom tot een kleine waarde terugvalt en een apparaat niet zal werken.

De aarding is aan de aarde (grondwater geleidt dan beter dan klei of zand) als nood-uitweg. Als een beschadigde/kapotte blote toevoer- of afvoerdraad aan een ommanteling raakt dan kan de stroom niet meer via draden terugvloeien en zoekt het een andere geleiding. Een 70% uit water bestaand menselijk lichaam bijvoorbeeld dat met de voeten aan aarde gekoppeld is, is dan een "redelijke" geleider. Het hart kan niet goed tegen stroomsterktes boven een paar mA - de meeste mensen overlijden door kortsluiting via het lichaam waarbij stromen vaak 1 A of meer zijn.
Dus is de aarding probeert die situatie te voorkomen. De aarddraad heeft ook vrijwel geen weerstand en zal de grootste hoeveelheid stroom afvoeren. Het lichaam relatief weinig en kan het meestal overleven (aarddraad en lichaam staan parallel geschakeld). Een fractie later slaat de stop door omdat de stroomsterkte door een bijna 0 ohm draad sterk toeneemt en de stop smelt.
Een nog betere oplossing is de aardlekschakelaar. Die heeft (via magneetvelden) door dat er wel stroom binnenkomt maar niet (of minder) teruggaat. Dan slaat direct de schakelaar af en onderbreekt de toevoer. Veel vlugger dan een geaard apparaat dat kan. Vrijwel altijd voordat de mens aan kortsluiting kan overlijden.

Plaats een reactie

+ Bijlage

Bevestig dat je geen robot bent door de volgende vraag te beantwoorden.

Ariane heeft zes appels. Ze eet er eentje op. Hoeveel appels heeft Ariane nu over?

Antwoord: (vul een getal in)