BBEMG - Belgian BioElectroMagnetics Group

Belgian BioElectroMagnetics Group

Gebruik van EM eigenschappen

Gebruik van EM eigenschappen

Inleiding

In deze module zullen we trachten meer inzicht te krijgen in de werking van courant gebruikte elektrische apparaten: verwarmingstoestellen, verschillende soorten lampen, motoren, computer, laserprinter en de lader van een elektrische tandenborstel.

Op basis van enkele voorbeelden zullen we een algemeen overzicht geven van de werking van apparaten die elektrische energie omzetten in warmte- en/of mechanische energie of die gebruik maken van de eigenschappen van de elektrostatica en het elektromagnetisme.

 

De verwarmingstoestellen

Bij de beschrijving van het werkingsprincipe van een gloeilamp hadden we het al eens over het joule-effect. Bij een gloeilamp is het joule-effect een nevenproduct van de werking. De eerste taak van de gloeilamp bestaat er immers in om ons te verlichten! 

Dat geldt niet voor de verwarmingsweerstanden van elektrische kookplaten, broodroosters, ovens, haardrogers, elektrische dekens, … De eerste taak van deze apparaten bestaat er wel degelijk in om elektrische energie om te zetten in warmte-energie.

Om dat doel te bereiken is het verwarmingselement (de weerstand) vaak samengesteld uit nichroom, een legering van chroom en nikkel. Die biedt het voordeel dat ze een hoge resistiviteit heeft (bijna 60 keer groter dan die van koper) en hoge temperaturen verdraagt zonder te denatureren.

Het elektrische vermogen van een broodrooster ligt om en bij de 500 W, dat van een kookplaat bedraagt 2000 W. Als deze apparaten worden aangesloten op een elektriciteitsnet van 230 V loopt er een stroom door van respectievelijk 2,2 en 8,7 A.

Het werkingsprincipe van kookplaten zoals hiervoor is beschreven mag niet worden verward met dat van inductiekookplaten die verwarmen volgens het principe van de geïnduceerde stromen.

Werking van de inductiekookplaten

De bijzonderheid van inductiekookplaten is dat alleen ferromagnetische materialen (gietijzer, ijzer), die doorgaans voor de bodem van kookpannen gebruikt worden, ad hoc verwarmd worden.

Hun werking is gebaseerd op twee mechanismen:

  • De eigenlijke inductie: onder de plaat bevindt zich een spoel die met de wisselstroombron op hoge frequentie is verbonden. De variatie van de stroom in de spoel doet een wisselend magnetisch veld rond de spoel ontstaan dat op zijn beurt een stroom creëert in het ferromagnetisch materiaal.
  • Joule-effect: we zagen al dat als een stroom door een weerstand gaat, deze weerstand verwarmd wordt. Het materiaal "biedt weerstand" aan de doorgang van de stroom. Ook de stroom die door inductie in een metaal opgewekt wordt, veroorzaakt een verlies en dus verwarming als gevolg van het joule-effect. Elektrische inductieplaten verwarmen rechtstreeks het metaal van de kookpan, dat deze warmte dan doorgeeft aan de inhoud van de pan. Tijdens de werking blijven de kookplaten dus betrekkelijk koel aangezien zij niet rechtstreeks verwarmd worden, in tegenstelling tot klassieke elektrische kookplaten.

Voor meer informatie kunt u de FAQ van de BBEMG raadplegen.

Lampen

Gloeilampen werken net als halogeenlampen volgens het principe van het joule-effect. Dat geldt niet voor fluorescentielampen, fluocompactlampen (of spaarlampen) of LED’s. Laten we dat eens van naderbij bekijken.

Werking van een halogeenlamp

Halogeenlampen zijn gloeilampen: het licht wordt geproduceerd door de verhitting van een wolframdraad. Wat hen onderscheidt van klassieke lampen is de aanwezigheid van een halogeengas in de bol. Dankzij dit gas wordt de wolframdraad minder snel beschadigd onder het effect van de warmte. De draad kan zo aan hogere temperaturen werken en gaat ook langer mee.

Bij gloeilampen wordt de draad beschadigd door het effect van de temperatuurstijging: hij verliest wolframatomen.

Bij halogeenlampen vormen de wolframatomen met het halogeengas in de bol (jodium of broom) een verbinding die we wolframhalogenide noemen. Deze verbinding beperkt de wolframaanslag op de wanden van de lamp (die we zien bij een klassieke lamp). 

De wolframhalogenide circuleert in de bol door convectie: bij de nadering van de warme punten van de draad maakt het wolfram zich los van de verbinding en zet hij zich af op de draad, zodat een te snelle beschadiging wordt verhinderd.

Dankzij deze truc kan de draad aan hogere temperatuur functioneren (kijk uit voor het verbrandingsrisico wanneer u een brandende lamp aanraakt) en gaat hij langer mee.

Doordat de lamp aan een hogere temperatuur werkt, benadert het uitgezonden licht het zonlicht en creëert ze dus een natuurlijker verlichting dan een klassieke lamp.

Er bestaan verschillende modellen van halogeenlampen:

  • Werking aan 230 V of lagere spanningen (bijvoorbeeld 12 V, wanneer de stroom door een transformator gaat),
  • Langwerpige lamp of in de vorm van een kleine “spot” (zoals in de bovenstaande illustratie).

Werking van een fluorescentielamp

Zichtbaar licht wordt geproduceerd in 2 etappes:

1) Opwekking van de gasatomen in de lamp en generatie van een UV-straling

De fluorescentielampen bevatten een mengeling van argon en kwikdamp.

Als de schakelaar gesloten is (de lamp brandt), creëert het potentiaalverschil tussen de twee uiteinden een kracht die de elektronen van de ene kant naar de andere kant van de lamp voert. Tijdens hun traject door de lamp komen de elektronen in botsing met de kwikatomen.Tijdens de botsing geven de elektronen energie aan de kwikatomen. De kwikatomen zenden de gekregen energie terug uit in de vorm van een onzichtbare straling, voornamelijk ultravioletstraling.

2) Absorptie van de UV-stralen door het fluorescentiemateriaal dat de binnenzijde van de lamp bedekt en omvorming tot licht

De ultravioletstraling die wordt uitgezonden door de elektronen van het kwik wordt geabsorbeerd door het fluorescentiemateriaal dat de binnenkant van de lamp bedekt. De elektronen van dit materiaal worden op hun beurt opgewekt: ze gaan over van hun fundamentele toestand naar een hogere energietoestand. Na de opwekking keren ze terug naar hun fundamentele toestand en zenden ze zichtbaar licht uit ... het licht dat ons verlicht!

De kleur van het geproduceerde licht wordt bepaald door de samenstelling van het fluorescentiemateriaal. Hier zien we een licht ‘blauwachtig’ wit licht.

Opmerking: fluorescentielampen worden vaak ten onrechte neonlampen genoemd. Een neonlamp is in feite een lamp die neongas bevat en rood licht voortbrengt.

Dit lamp is een fluocompactlamp, een fluorescentielamp die op zichzelf aangewezen is.

Werking van een LED

Een LED (Light Emitting Diode) is zoals zijn naam al aangeeft samengesteld uit een bepaalde diode die licht uitzendt wanneer er een elektrische stroom doorloopt.

De spots die u hiernaast ziet, zijn samengesteld uit verschillende LED’s. Dit soort lamp heeft geen draad: LED’s gebruiken de eigenschappen van de halfgeleidende materialen (zie Elektriciteitsbegrippen). Deze verlichtingswijze is volop in ontwikkeling en zou in de nabije toekomst wel eens alle andere verlichtingswijzen kunnen vervangen.

Deze lampen zijn samengesteld uit halfgeleidende materialen. Wanneer er door deze materialen stroom loopt, worden er elektronen bevrijd en zenden ze licht uit.

Het halfgeleidende materiaal zet de elektrische energie om in monochromatische lichtstralen. Vervolgens worden deze monochromatische lichtstralen geabsorbeerd door het fosforescerende materiaal aan het oppervlak van de LED (volgens hetzelfde principe als in een fluorescentielamp) en opnieuw uitgezonden in een breder spectrum dat dan overeenstemt met een wit licht.

De LED’s zijn bijzonder schokbestendig en quasi onverslijtbaar. Hun grootste nadeel ligt momenteel nog in de kleurtemperatuur die ze uitzenden (het wit licht is "kouder" dan bij klassieke of halogeenlampen).

Opmerking:
De waarde van het elektrische vermogen van de lampen (in watt, W) is niet rechtstreeks verbonden met de hoeveelheid uitgezonden licht: men moet rekening houden met hun lichtefficiëntie (in lumen/watt, lpW).

Meer informaties in annexes.

De motoraangedreven toestellen

Bij motoraangedreven toestellen wordt de elektrische energie voornamelijk omgezet in mechanische energie. Hoe zorgt elektriciteit ervoor dat een motor kan draaien?

Motor driven appliances Motor driven appliances

Er bestaan verschillende soorten motoren: universele, synchrone, asynchrone, brushless … Kleine draagbare knutselapparaten of huishoudelijke elektrische toestellen zoals boormachine, steekzaag of mixer zijn meestal uitgerust met een universele motor. Over hem zullen we het hier hebben.

Nemen we de motor van een steekzaag:

Bekijk de informatie in geanimeerd formaat (Flash-speler vereist)

De waarde van het elektrisch vermogen (in W) van een motoraangedreven toestel geeft al een eerste idee van zijn reële vermogens. De getoonde steekzaag heeft een vermogen van 500 W.

Bij een boormachine bijvoorbeeld moet u letten op het koppel, d.w.z. zijn draaikracht. Via de verstelbare koppelfunctie kunt u het vermogen aanpassen aan het werk dat u moet uitvoeren.

De computer

We worden omringd door apparaten die zijn aangesloten op het wisselstroomnet van 50 Hz en 230 V (in Europa) maar die werken op gelijkstroom (vaak maximaal 12 V). Denk maar aan computers, tv-toestellen en meer in het algemeen apparaten die een elektronisch circuit nodig hebben. Deze apparaten kunnen enkel functioneren als ze aan de ingang van hun circuit zijn uitgerust met een voeding die de wisselspanning omzet in gelijkspanning.

Voor deze omzetting zijn er verschillende technieken voorhanden. Zonder in detail te treden vermelden we hier enkel de voedingen door gelijkrichterbruggen (deze worden in de informatica echter niet gebruikt vanwege hun zwakke rendement) en de schakelende voedingen (gebruikt voor computers vanwege hun uitstekende rendement). Computer

Het elektriciteitsverbruik van een computer is de som van het verbruik van zijn componenten (de microprocessor, de grafische kaart, de disklezers, de ethernetkaarten, audio …) en de randapparatuur (scherm, modem, printer, luidsprekers, webcam ...).

Het verbruik van deze apparaten hangt af van het gebruik van de computer en van de tijd waarbinnen de computer “light” wordt gebruikt (bijvoorbeeld bij tekstverwerking, muziek beluisteren of surfen op het internet), “intensief” (bijvoorbeeld 3D-games spelen of multimediaoplossingen ontwikkelen) en in stand-by. 

Voor een computer (alleen de “driver”, zonder scherm) benaderen deze waarden de 200 tot 250 W. In stand-by en zelfs in langdurige stand-by verbruikt de computer nog enkele watt. 

Wat de computerschermen betreft, verbruiken de LCD-modellen (flatscreens) minder elektriciteit dan kathodische schermen. Het verbruik verschilt aanzienlijk naargelang het model, het formaat, de resolutie, de lichtsterkte ... Geïnteresseerde lezers kunnen de documentatie van hun computerscherm raadplegen.

De laserprinter

De laserprinter reproduceert het beeld dat hij ontvangt van de computer met behulp van puntjes. Dankzij de laser zijn de puntjes kleiner dan die van de intkjetprinter, wat de afdrukdefinitie verbetert.

Om zo nauwkeurig te kunnen werken maakt de laserprinter gebruik van de eigenschappen van de statische elektriciteit.

Zie de 6 afdrukstadia:

Bekijk de informatie in geanimeerd formaat (Flash-speler vereist)

1ste etappe: De cilinder is vervaardigd uit metaal dat is bedekt met een laag halfgeleidend materiaal. In deze 1ste etappe is deze laag isolerend: de positieve ladingen die voortvloeien uit de ionisatie van de cilinder blijven ter plaatse

2de etappe: De laser transcribeert de af te drukken informatie op de cilinder (in de vorm van puntjes).  De verlichte zones worden negatief geladen. Op de plaatsen verlicht door de laser wordt het halfgeleidend materiaal geleidend: het laat de negatieve ladingen van de metalen cilinder circuleren.  De verlichte zones worden dus negatief geladen. Dankzij de spiegel kan de laserbundel georiënteerd worden.

3de etappe: De toner (mengeling van inktpoeder en plastic), positief geladen, fixeert zich op de zones die vooraf werden verlicht door de laser.

4de etappe: De ionisator van het papier laadt het papier negatief. Het papier gaat onder de cilinder door.  Deze blijft draaien en zet de (positief geladen) inkt op het (negatief geladen) papier.

5de etappe: Een verhitte draad fixeert de inkt op het papier (door het plastic te laten smelten).

6de etappe: De cilinder wordt ontladen.  De inktresten worden verwijderd.  Alles is klaar om verder te gaan: de cyclus herbegint!

Het elektriciteitsverbruik van de printers varieert aanzienlijk van model tot model; de waarden schommelen tussen de 250 en de 1500 W! In stand-by situeert het elektriciteitsverbruik zich rond de 50 W.

De draadloze lader

We beëindigen onze reis door het land van de elektrische apparaten bij de draadloze lader. 

Neem bijvoorbeeld een elektrische tandenborstel: u zet hem in een houder en hij wordt opgeladen zonder enig fysiek contact (geen contact tussen geleidende elementen). Toverij? Helemaal niet! Het zijn de stromen die worden geïnduceerd door de magnetische velden die het hem doen. We illustreren dat met een beeld:

Bekijk de informatie in geanimeerd formaat (Flash-speler vereist)

Ter hoogte van de houder wordt een vermogen van 2 W vrijgegeven om de batterij van het type Ni-MH op te laden.

Opmerking:
Nadeel van deze technologie is het zwakke rendement: tijdens het proces gaat er immers heel wat energie verloren! Daardoor is ze enkel voorbehouden voor toepassingen met een klein vermogen.

Quiz

Bijlagen

Betekenis van lichtefficiëntie

Wie al eens fluocompactlampen of LED-lampen heeft gekocht werd zeker al geconfronteerd met de vele verschillende eenheden op de verpakkingen. 

Voor gloeilampen spreken we gewoonlijk van watt: we kennen lampen van 25 W, 60 W of 100 W. Bij fluocompactlampen of LED's is het echter vruchteloos zoeken naar dergelijke eenheden: de fabrikanten kondigen waarden aan die respectievelijk maximaal 25 en 15 W benaderen bij huishoudelijk gebruik!

Het elektrisch vermogen verschilt aanzienlijk naargelang het soort lamp. Daarom wordt aanbevolen om rekening te houden met de lichtefficiëntie (in lumen/watt, lpW).

We zullen trachten om wat meer klaarheid te scheppen in de verschillende verlichtingseenheden:

Er bestaan nog heel wat andere eenheden om verlichting aan te duiden (*). Bovendien verschillen de lampen ook volgens de temperatuur van het licht dat ze uitzenden. De kleurtemperatuur (in kelvin, K) kenmerkt de zichtbare kleur van het licht dat wordt uitgezonden door een bron:

  • Wit “warme kleur” (geel - oranje): < 3500 °K;
  • Wit “tussenkleur”: < 3500 °K “;
  • Wit “koude kleur” (blauwachtig): > 5000 °K 

(*) De candela (in cd) is de eenheid van lichtsterkte:

1 cd = de lichtsterkte in een gegeven richting, van een bron die monochromatische stralen uitzendt aan een frequentie van 540.1012 Hz (of 555 nm golflengte, d.w.z. een groene kleur) met een vermogen van 1/683 watt per steradian (konische vorm).

De candela per vierkante meter (in cd/m²) is de meeteenheid van lichtluminantie:

1 cd/m² =  luminantie van een bron van 1 m² oppervlakte met een lichtsterkte van 1 cd.

De lumen (lm) is de eenheid van lichtstroom:

1 lm = de stroom uitgezonden door een bron met een lichtsterkte van 1 cd, in een hoek van 1 steradian. De lichtstroom houdt rekening met de gevoeligheidscurve van het menselijk oog; bij eenzelfde lichtenergie neemt ons oog de kleur groen duidelijker waar dan de andere kleuren. 

De lux (lx) is de eenheid van verlichting:

1 lx = 1 lumen/m². Het is de hoeveelheid licht die wordt verkregen op een oppervlakte van één vierkante meter.  Ze wordt gemeten met behulp van een luxmeter.

De waarde van het elektrisch vermogen

In Elektriciteitsbegrippen zagen we dat we bij de berekening van de waarde van het vermogen van een motor op wisselstroom rekening moeten houden met de defasering tussen de spanning en de stroom. De formule is als volgt:

De defaseringsfactor is met name verbonden aan de aanwezigheid van magnetische verschijnselen in de spoelen van de motoren.

Het elektrisch vermogen van een motor (in W) is in feite zijn actieve vermogen, d.w.z. het vermogen dat hem in staat stelt zijn mechanische werk uit te voeren. Als men echter werkelijk de effectieve spanning en de effectieve stroom in een motor meet, bekomen we een hogere vermogenswaarde: het schijnbare vermogen (in V A). Het "verschil" tussen het actieve vermogen en het schijnbare vermogen is het reactieve vermogen.

De verhouding tussen de drie vermogens wordt schematisch als volgt voorgesteld:

Nutsbedrijven en gebruikers trachten altijd de reactieve energie tot een minimum te beperken om de stroom die vereist is voor dezelfde hoeveelheid arbeid tot een minimum te beperken.

Documenten & Links

Andere informatie dat u wellicht interessant zult vinden ...

  • Elektriciteitsbegrippen - verschillende tools om uw kennis over elektriciteit te vervolmaken.
  • Elektrische en magnetische velden - De elektrische en magnetische velden zijn afzonderlijke concepten die werden uitgevonden om de verschijnselen van de interactie met elektriciteit op afstand te verklaren. (...)
  • Elektromagnetisme - Het elektromagnetisme bestudeert de interacties op afstand van de ladingen, de stromen en de elektrische en magnetische velden. (...)
  • Traject van de elektriciteit - Transmissie van elektriciteit vanaf de elektriciteitscentrale tot het stopcontact in onze woningen. (...)

Share on Facebook

Laatste update op 26/08/2016

Zie ook...

Health

Gezondheid

Na ongeveer 40 jaar onderzoek naar de effecten 50 Hz EMV op de gezondheid zijn de resultaten nog steeds onbeslist. Zie een overzicht van recent onderzoek.

Problematiek van gezondheid risico's >>
Hypersensitivity

Elektromagnetische hypergevoeligheid

Wat mensen hebben een brede waaier aan niet-specifieke klachten en symptomen die zij toeschrijven aan elektriciteit of EMV. Dit resulteert in verschillende gradaties van ongemak en gezondheidsklachten. (...)

Elektromagnetische hypergevoeligheid >>