Energieafgifte Wisselspanning

Naomi stelde deze vraag op 17 juni 2019 om 19:43.

Hoi,

Hier een studente uit klas VWO 4. Het is mij nog niet helemaal duidelijk hoe wisselspanning werkt. Nouja, alles is nu duidelijk, behalve dit: als de stroom met 50Hz per seconde wisselt van richting, dus 100x per seconde van polariteit verwisselt tussen (-325V en 325V), hoe kan de stroom dan een component energie blijven leveren?

Ik las op een pagina namelijk dat de elektronen bij wisselspanning alshetware ‘heen en weer’ bewegen op één en hetzelfde stuk. Als je dan bijvoorbeeld een elektron neemt dat nét door het lampje is gegaan en zijn energie heeft afgeleverd. Die wordt door de spanningsbron weer een stukje teruggetrokken en dan gaat hij opnieuw door de het lampje, maar hij is nu immers zijn elektrische energie al kwijt. Dan kan het lampje toch niet blijven branden? Of moet ik het zo voor me zien dat de elektronen zó snel bewegen dat hij allang weer nieuwe elektrische energie van de spanningsbron heeft meegekregen tegen de terede keer dat hij door het lampje gaat? 

Hiernaast nog een kleine vraag: het lijkt mij logisch dat een elektron bewegingsenergie met zich meedraagt, aangezien het deeltje met grote snelheid beweegt. Deze energie houdt het elektron bij zich en geeft het elektron niet af en raakt het niet kwijt lijkt mij?

Alvast bedankt! 

Reacties

Theo de Klerk op 17 juni 2019 om 20:40
Spanning is de reden voor een lading om te bewegen (van of naar een geladen uiteinde/pool/plaat). Een geladen deeltje als een elektron kan zijn energie kwijt raken aan een lamp, maar als de spanning even later omdraait dan heeft ie door zijn lading en de aanwezige spanning ineens weer wel energie. Niet uit het niks (dan zouden we een gratis energiebron hebben) maar omdat de elektrische potentiaal ineens is omgedraaid (waarvoor energie nodig is).

Zie het een beetje (analogie gaat maar beperkt op) als een tennisbal die telkens heen- en weer gemept wordt. Weggeslagen verliest het steeds energie aan de lucht (gaat langzamer) maar vanaf de andere kant krijgt hij opnieuw een mep (en weer energie - zoals bij een potentiaal die omdraait).

Verder is 50 Hz een verandering van 50 x en niet van 100 x.
Gedurende 1/100 s zal een potentiaal positief zijn ("berg"deel van een sinus) en 1/100 negatief ("dal"deel). Samen 1/50 seconde. In die 1/50ste seconde is de richting 1x verandert van (0 naar) positief (naar 0) naar negatief (naar 0).
Naomi op 17 juni 2019 om 20:56
Hartstikke bedankt! Het is wel zo dat het elektron pas weer nieuwe energie meeneemt als hij bij de spanningsbron is geweest, toch? Dus stel het elektron zit precies tussen het lampje en de spanningsbron in (dus driekwart de stroomkring rondgegaan), zou hij alsnog ‘onbepakt’ met energie weer terugkeren naar de andere kant van de stroomkring, om daar dan wel weer elektrische energie mee te kunnen nemen? 

Theoretisch gezien zou je dus bij een stroomkring met een wisselspanning van ontzettend veel Hertz kunnen zorgen dat de elektronen nooit bij het lampje aankomen en het lampje dus nooit gaat branden?
Theo de Klerk op 17 juni 2019 om 21:39
>Het is wel zo dat het elektron pas weer nieuwe energie meeneemt als hij bij de spanningsbron is geweest

Nee. De ineens ontstane spanning is genoeg.  

Je zou het kunnen zien als een wip waarbij een bal onderaan op de wip rolt. Iets (chemisch proces in batterij, jij aan de andere kant van de wip) duwt ineens de wip omhoog zodat de bal omhoog gaat, zwaarte-energie wint. Het elektron krijgt op die manier elektrische energie. 
Als je de wip nu stilhoudt begint de bal weer van zijn hoge naar het lage punt te rollen. Een elektron van de - pool richting + pool. 
Als je de wip regelmatig heen- en weer duwt, dan zal de bal nooit op een uiteinde aankomen. Een elektron zal nooit bij de batterij aankomen.
En toch ben jij (of de batterij) verantwoordelijk voor het telkens veranderen van de potentiele energie (zwaarte voor de bal, elektrische voor het elektron).

Het feit dat er een spanning tussen de uiteinden zit geeft een elektron elektrische energie. Het zal gaan bewegen naar de + pool. Als lang voor het daar aankomt de spanningsrichting omdraait, dan gaat het terug bewegen, richting nieuwe + pool. Het hoeft er nooit aan te komen. Bij zeer hoge frequenties zou je je kunnen voorstellen dat steeds dezelfde miljard elektronen door het lampje heen- en weer gaan en telkens energie die ze er net weer bijkregen door het potentiaalverschil, aan de lamp afstaan.  Tegelijkertijd zal een even groot aantal elektronen vlak bij de batterij eerst de + pool ingezogen worden en daarna weer (als + ineens - wordt) weer uitgeschoten te worden. Die elektronen bereiken nooit de lamp.
Jan van de Velde op 17 juni 2019 om 23:38
analogie:

https://www.youtube.com/watch?v=q-aFLWNtIFE
kijk vanaf ietsje vóór 2 minuten 

groet, Jan
Naomi op 18 juni 2019 om 00:33
Gigantisch bedankt! Het is me nu echt duidelijk. Laatste gedachte in mijn hoofd: u noemt “Tegelijkertijd zal een even groot aantal elektronen vlak bij de batterij eerst de + pool ingezogen worden en daarna weer (als + ineens - wordt) weer uitgeschoten te worden.”, deze elektronen hebben energie bij zich na het afschieten vanuit de - pool. Betekent dit dat deze elektronen dan ook weer mét elektrische energie de + pool ingaan en eruit enzenz? En uiteraard andersom beredeneerd voor de andere kant van de batterij: hier begint het dan met het afschieten van deeltjes die elektrische energie bij zich hebben vanuit de - pool, deze geladen deeltjes worden dan weer naar dezelfde kant getrokken, die nu + is geworden. Blijven deze deeltjes dan ook, tot de batterij het niet meer doet, telkens geladen met elektrische energie terwijl ze in- en uit de batterij gaan?
Theo de Klerk op 18 juni 2019 om 02:55
> deze elektronen hebben energie bij zich

De energie die ze hebben is afhankelijk van het potentiaalverschil dat ze "voelen". Een bal kan hoog of laag op een heuvel liggen: de bal heeft afhankelijk van zijn ligplaats een andere zwaarte-energie.

Bij een wisselstroom verandert het spanningsverschil steeds (bijv. +230 -> 0 -> -230 -> 0 V) en daarmee de energie van het elektron.  Zoals een bal in een kuil steeds zwaarte-energie verliest als hij in de kuil zakt, maar weer zwaarte-energie erbij krijgt als hij tegen de wand oprolt. In het ideale geval (geen verlies door wrijving) blijft de bal steeds van linkerwand via de bodem van de kuil naar de rechterwand gaan en weer terug. Steeds wisselend, zoals elektronen door wisselstroom steeds vooruit en achteruit bewegen. In beide situaties verandert de zwaarte- en elektrische energie steeds. E = (mg)h voor zwaarte-energie, E = qU voor elektrische energie. Als h=0 m of U = 0 V dan is even de energie ook 0 joule. Als hoogte of potentiaal toeneemt, dan neemt ook de energie weer toe.

Dus geladen deeltjes waar ook in een draad of batterij hebben steeds een andere energie omdat de spanning op de draad verandert. Maar die verandert overal in de draad hetzelfde. Er is geen energieverschil tussen elektronen aan het begin of einde van een (weerstandsloos) draadstuk omdat er geen spanningsverschil zit tussen die uiteinden.

Alleen als de draad verbonden is met iets wat weerstand heeft (lamp, kachel, motor) DAN verliest een geladen deeltje energie bij het passeren van die weerstand. Die energie moet dan door de krachtbron (elektrische centrale of batterij) weer worden aangevuld. Tot de bron "leeg" is. Bij een batterij gebeurt dat als de chemische reacties stoppen, bij een centrale als er geen gas of kolen meer worden verbrand (die via warmte energie afgeven).

En:
>Blijven deze deeltjes dan ook, tot de batterij het niet meer doet, telkens geladen met elektrische energie

Je "laadt" deeltjes niet met energie. Ze hebben een elektrische lading (we hebben geen idee wat dat is, maar er is een eigenschap waardoor deeltjes elkaar aantrekken of afstoten - we noemen die eigenschap "lading". Zoals we iets ook "wit" of "rood" kunnen noemen). Het is die ladings-eigenschap die in een potentiaalverschil tot elektrische energie leidt tov een of ander (willekeurig gekozen) nul-punt.
Op een zelfde manier als iets wat hoog staat zwaarte-energie tov de grond heeft.
Naomi op 18 juni 2019 om 19:23
Ontzettend goed uitgelegd! Het is me nu echt duidelijk!!!

Nog één ding dat ik me afvraag. Het is dan ook zo dat een elektron dus geen bewegingsenergie heeft, toch? Die ‘bewegingsenergie’ bestaat niet in een stroomkring, omdat het deeltje automatisch beweegt naar de tegengestelde lading toe? Of bestaat bewegingsenergie in een stroomkring wel? En zo ja, waar blijft die energie dan als de deeltjes stilstaan, bijvoorbeeld op het punt dat de spanningsbron even aan beide kanten 0 Volt is, bij wisselspanning?
Jan van de Velde op 18 juni 2019 om 21:19
Dag Naomi,

jij hebt mogelijk ooit een natuurkundeboek gehad waarin de energie in zo'n stroomkring werd uitgelegd aan de hand van vrachtwagentjes die in de batterij een lading energie aan boord namen, om die dan verderop in lampjes of motortjes uit te kiepen om dan via de andere draad terug te gaan naar de batterij voor de volgende lading. 

Die analogie breekt je nu op. 

Als het gaat om het transport van energie in een stroomkring kun je die kring het beste vergelijken met de ketting van je fiets. 

De schakels van de ketting staan dan model voor de elektronen, je trapas staat model voor de spanningsbron, en je achterwiel voor de energieverbruiker. 

De ketting transporteert de energie van trapas naar achterwiel, de schakels per seconde zijn de stroomsterkte en de kracht op die schakels is de spanning. 

meer schakels per seconde die rondgaan, en/of met een grotere kracht, en de schakeling geeft meer vermogen door. 

Neem een doortrapfiets en je kunt je ook een wisselstroom voorstellen: het zijn dan weliswaar steeds dezelfde paar schakels die steeds heen en weer langs het achterwiel gaan, maar dat wil niet zegen dat ze niet aan dat achterwiel kunnen trekken en dus energie kunnen doorgeven. 

Groet, Jan
Naomi op 18 juni 2019 om 23:05
Het klopt inderdaad dat dit zo aan mij is uitgelegd. In de opdrachten van het boek brak die analogie mij inderdaad op, omdat die theorie van de vrachtwagentjes natuurlijk niet meer klopt bij wisselspanning. Het hele verhaal is mij nu duidelijk, heel erg bedankt! Er gaat echt een wereld voor me open :) 

Even check puur voor de benaming: je spreekt in een stroomkring dus nooit van bewegingsenergie van de elektronen? Ze bewegen immers in die stroom, je zou denken dat ze dan ook bewegingsenergie met zich meedragen en je die energie dan bewegingsenergie noemt. Of valt de energie die ze dan met zich meedragen door de beweging juist onder de elektrische energie? Of is het zelfs de elektrische energie, gezien die energie ook pas aanwezig is als er potentiaalverschil aanwezig is en de elektronen dus stromen (bewegen)? En waar zou die bewegingsenergie dan blijven als het potentiaalverschil 0 is en de deeltjes dus geen energie meedragen én stilstaan (dus geen bewegingsenergie meedragen áls die bestaat in een stroomkring).

Nu heb ik alles gehad geloof ik. Bedankt voor jullie geduld en superfijne uitleg! Ik kan er weer tegenaan 💪🏼! We gaan ervoor om de 8.5 gemiddeld te houden dankzij jullie hulp!!!
Jan van de Velde op 18 juni 2019 om 23:18
Bij die fietsketting is het ook niet de bewegingsenergie van de schakel die wordt overgedragen op het achterwiel. De schakel beweegt en blijft bewegen. Evenzo voor dat elektron. Ja, door de botsing tegen een atoom in een weerstandsdraadje wordt er wel bewegingsenergie overgedragen van dat elektron op dat atoom, maar het is eerder de spanningsbron die op afstand via dat elektron tegen dat atoom duwt. 


Overigens, ook bij gelijkstroom is de zg driftsnelheid van elektronen in een draad verrassend laag. In heel gewone apparaten en draden van normale dikte meten we dat in meters per uur. Toch, zodra je de schakelaar omgooit, is het een kwestie van nanoseconden om alles te laten werken. De spanningsbron staat namelijk al te duwen...

Groet, Jan
Naomi op 19 juni 2019 om 00:42
Alles is mij duidelijk. Gigantisch bedankt, ik heb hier heel veel aan gehad!

Met vriendelijke groeten, Naomi.
Theo de Klerk op 19 juni 2019 om 01:10
>De spanningsbron staat namelijk al te duwen...
Zie het als (pingpong)balletjes in een lange buis. De hele buis is gevuld. Alles is in rust. Links duw je er een bal bij. Rechts valt er eentje uit. Alles schuift op. Maar in macro-termen (grote overzicht) lijkt het alsof wat er links inging vrijwel meteen rechts eruit valt. Zelfs bij snelheden van cm/s kun je dus toch ook meters verderop direct effect zien.
(en ja, het duurt wel even want de balletjes drukken elkaar een beetje in, veren weer uit, duwen de buurman weer in enz. Sneller dan het licht gaat het niet volgens de relativiteit dus tenminste  (lengte draad)/lichtsnelheid seconden duurt het wel voor rechts een balletje eruit valt...)

Plaats een reactie

+ Bijlage

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

Noortje heeft dertig appels. Ze eet er eentje op. Hoeveel appels heeft Noortje nu over?

Antwoord: (vul een getal in)