Spanning
Tussen een positieve en een negatieve lading bestaat een aantrekkingskracht. Een bepaalde hoeveelheid van energie moet in de vorm van Arbeid aanwezig zijn om de kracht op te heffen en deze ladingen een bepaalde afstand van elkaar te laten bewegen. Alle tegengestelde ladingen bezitten een bepaalde potentiële energie omwille van de afstand tussen beiden. Het verschil in potentiële energie van de ladingen is het potentiaalverschil of de spanning. Spanning is de drijvende kracht in elektrische schakelingen en is datgene wat stroom door een schakeling veroorzaakt.
Wat onthoud je best?
De definitie van spanning en zijn kenmerken
De formule voor spanning.
Naam en definitie van de eenheid van spanning.
Beschrijving van de elementaire spanningsbronnen.
De eenheid van spanning : Volt
Spanning is gedefinieerd als energie per eenheid van lading en wordt uitgedrukt als:
(2-2)
Hierin stelt U de spanning voor in volt (V), W de energie in joule (J) en Q de lading in coulomb (C).
Spanning kan je vergelijken met het drukverschil tussen de druk op het water in een watertoren en de luchtdruk van een open kraan. Dit drukverschil zorgt ervoor dat het water uit de leiding stroomt.
Figuur 2-12 : Analogie tussen elektriciteit en het stromen van water in leidingen.
De eenheid van spanning is de volt en wordt gesymboliseerd door V . Per definitie is één volt gelijk aan het potentiaalverschil (spanning) tussen twee punten als er één joule energie wordt gebruikt om een hoeveelheid lading van één coulomb te laten bewegen van het ene punt naar het andere.
DC-spanningsbron
Een spanningsbron levert elektrische energie of elektromotorische kracht (EMK). Dit is beter bekend als spanning. Spanning kan worden geproduceerd door middel van chemische energie, lichtenergie of magnetische energie in combinatie met mechanische beweging.
Een ideale spanningsbron is een bron die een constante spanning levert voor elke stroom die door een schakeling vloeit. Echter een ideale spanningsbron bestaat niet. Werkelijke spanningsbronnen kunnen in de praktijk de ideale spanningsbron dicht benaderen. Daarom wordt in deze cursus de spanningsbron als ideaal beschouwd tenzij anders vermeld.
Naast spanningsbronnen die een bepaalde gelijkspanning leveren bestaan er ook bronnen die wisselspanning kunnen leveren. Het symbool van een gelijkspanningsbron is weergegeven in figuur 2-13 (a). Gelijkspanningsbronnen worden meestal DC-bronnen genoemd. DC staat voor Direct Current. Wisselspanningsbronnen worden meestal AC-bronnen genoemd wat Alternated Current betekent.
Figuur 2-13 : (a) Symbool DC-spanningsbron; (b) Spanning-stroom-karakteristiek van een DC-spanningsbron
Figuur 2-13(b) toont de stroom versus spanningskarakteristiek voor een ideale DC-bron en een werkelijke DC-bron. Bij een ideale DC-bron is de spanning constant voor alle stroomwaarden. Voor een praktische (niet-ideale) DC-bron, die verbonden is met een schakeling, neemt de spanning enigszins af bij toenemende stroom (zoals getoond door de stippellijn). Wanneer een belasting wordt aangesloten op een spanningsbron vloeit er steeds stroom van deze bron naar de belasting toe en van deze belasting terug naar de spanningsbron. Deze stroom verlaat de negatieve pool van de spanningsbron, vloeit door de belastingsweerstand en keert terug naar de spanningsbron via de positieve pool.
De batterij
Een batterij bestaat uit één of meerdere cellen die chemische energie direct omzetten in elektrische energie. De verhouding energie op lading ( W/C ) per laadbeurt is de basiseenheid voor de spanningswaarde van de batterij. In feite wordt een batterij niet echt opgeladen maar slaat deze chemische potentiele energie op. Alle batterijen gebruiken een specifiek type chemische reactie die oxidatie-reductie reactie wordt genoemd. In dit type reactie worden de elektronen overgebracht van de ene reactant naar de andere reactant. Als in de batterij de in de reactie gebruikte chemicaliën gescheiden worden gehouden, is het mogelijk een stroom te veroorzaken in het externe circuit. Deze stroom kan worden verwezenlijkt door een belasting aan te sluiten tussen de zogenaamde positieve pool van de batterij en de negatieve pool. Via deze belasting kunnen elektronen zich verplaatsen vanaf de negatieve batterijzijde door deze externe belasting naar de positieve zijde van de batterij. Zolang dit externe pad voor de elektronen aanwezig is kan de chemische reactie verder verlopen. Dit heeft als gevolg dat chemische energie wordt omgezet in elektrische energie, welke verantwoordelijk is voor het vloeien van de elektrische stroom. Als het externe pad verbroken wordt, stopt de reactie en is de batterij in evenwicht.
In een batterij heeft de terminal die elektronen levert een overschot van elektronen. Deze terminal wordt de negatieve elektrode genoemd of anode. De elektrode die elektronen verwerft heeft een positief potentiaal en wordt de kathode genoemd.
Oplaadbare eencellige koper-zink batterij
Figuur 2-14 : werkingsprincipe van een oplaadbare eencellige koper-zink batterij
De zinkmetaal elektrode levert Zn2+ ionen aan de oplossing en elektronen aan het extern circuit. Telkens een extern circuit is aangesloten op de batterij kan er een elektronenstroom vloeien van de zink-elektrode naar de koper-elektrode. Enkel wanneer er stroom vloeit kan de reactie aan de zink-elektrode doorgaan en wordt er zink weggevreten. De zoutbrug laat ionen passeren om het ladingsevenwicht in de cel te behouden.
Er zijn geen vrije elektronen in de oplossing. Door het circuit met de stroommeter aan te sluiten wordt er voor de vrije elektronen een stroompad gecreëerd die de elektronen van de ene elektrode door de stroommeter naar de andere elektrode laat vloeien. Sluit men een andere belasting aan dan een stroommeter dan vloeit er eveneens een elektronenstroom.
Wanneer de vrije elektronen de kathode bereiken (koper-elektrode) combineren ze met de koper-ionen die aanwezig zijn in de kopersulfaatoplossing. Dit leidt tot afzettingen van koper aan de koper-elektrode. De chemische reacties, die in de figuur worden getoond, treden op in de elektrode. Verschillende types van batterijen hebben verschillende types van reacties. Alle betrokken reacties leveren een overdracht van elektroden in het externe circuit en intern een migratie van ionen tot als de batterij leeg is.
Een enkele cel zal een bepaalde vaste spanning hebben. Hoe groot die spanning is hangt af van de chemie die in de cel aanwezig is. In een koper-zink cel bedraagt deze spanning 1,1 V. Een lood-zuur cel (het best bekend als autobatterij) levert een potentiaalverschil van 2,1 V tussen anode en kathode. Een typische auto-accu heeft zes van dergelijke cellen aanwezig di e in serie zijn geschakeld. Dit levert een totale spanning op van 12,6 V op. Een nikkel-cadmium cel levert ongeveer 1,2 V op. Bij lithiumcellen kan deze spanning, afhankelijk van de tweede reactant, oplopen tot bijna 4 V .
De gebruikte chemie in een cel bepaalt ook de houdbaarheid en de afvoer kenmerkend voor een batterij. Bijvoorbeeld een lithium-mangaanoxide (MnO2) batterij heeft vijf maal de houdbaarheid van een vergelijkbare koolstof-zink batterij. Hoewel de spanning van een batterijcel wordt vastgesteld door de chemie, de capaciteit is variabel en afhankelijk van de hoeveelheid materiaal in de cel. De capaciteit van een cel is afhankelijk van het aantal elektronen dat kan worden verkregen en wordt weergegeven door de hoeveelheid stroom (gedefinieerd in sectie 2-4) die gedurende een bepaalde tijd kan worden geleverd. Bijvoorbeeld een batterij waarop vermeld staat 600 mA/h kan een stroom leveren van 600 mA gedurende één uur. Indiende stroom 300 mA bedraagt dan kan deze batterij die stroom leveren gedurende twee uur enz…
Figuur 2.15 : Batterijen bestaan meestal uit met elkaar verbonden cellen
Batterijen bestaan meestal uit meerdere cellen die intern elektrisch met elkaar verbonden zijn. De celtypen en de manier waarop deze batterijen met elkaar verbonden zijn bepalen de spanning en de batterijcapaciteit. Plaatst men de cellen in serie dan spreekt men van serieconnectie. Cellen worden in serie geplaatst om de spanning van de batterij te verhogen. Worden de cellen in parallel geplaatst, dan wordt gesproken van parallelconnectie. Een parallelconnectie zorgt ervoor dat de stroomcapaciteit wordt verhoogd.
Indeling van batterijen
Batterijen kunnen ingedeeld worden volgens de grote van batterij. Grotere batterijen beschikken over meer materiaal en leveren bijgevolg meer stroom. Tevens kan men batterijen ook indelen naargelang hun chemische samenstelling en of ze al dan niet oplaadbaar zijn. Men spreekt van een primaire batterij als deze niet oplaadbaar zijn. Tijdens gebruik van deze primaire batterijen zal deze leeg lopen. Eens de batterij leeg is, kan ze niet meer als batterij gebruikt worden vermits de gebruikte chemische reactie in dit type batterij onomkeerbaar is. Naast primaire batterijen bestaan er ook secundaire batterijen. Dit zijn herbruikbare batterijen omdat hun chemische reacties omkeerbaar zijn. Beschouwen we tot slot nog enkele belangrijke soorten batterijen :
Alkaline-MnO 2
Dit is een primaire batterij die gewoonlijk gebruikt wordt in palm-type computers, fotografische apparatuur, speelgoed, radio’s en recorders. Deze batterij heeft een langere houdbaarheid en een hogere vermogensdichtheid dan een koolstof-zink batterij.
Koolstof-zink
Deze primaire batterij wordt gebruikt voor zaklantaarns en kleine apparaten. De batterij is verkrijgbaar in verschillende formaten zoals AAA, AA, C en D.
Lood
De loodbatterij is een secundaire (oplaadbare) batterij die gewoonlijk wordt gebruikt in de automobielindustrie, marine- en andere soortgelijke toepassingen. Deep-cycle lood-zuur batterijen worden vaak gebruikt in back-up systemen.
Lithium-ion
Dit is een secundaire batterij die gewoonlijk wordt gebruikt in alle typen draagbare elektronica zoals laptops. Dit type batterij wordt steeds vaker gebruikt in de defensie, lucht- en ruimtevaart en automobieltoepassingen.
Lithium-MnO 2
Deze batterij is een primaire batterij die gewoonlijk wordt gebruikt in fotografisch en elektronische apparatuur, rookmelders, personal organisers, geheugen back-up en communicatieapparatuur.
Nikkelmetaalhydride
Een secundaire (oplaadbare) batterij die vaak is gebruikt in draagbare computers, mobiele telefoons, camcorders en andere draagbare consumentenelektronica.
Zilveroxide
Een primaire batterij die gewoonlijk wordt gebruikt in horloges, fotografische apparatuur, gehoorapparaten en elektronica die batterijen met een hoge capaciteit nodig heeft.
Zink-lucht
Dit is een primaire batterij die meestal wordt gebruikt in gehoorapparaten, medische controle-instrumenten, pagers en soortgelijke toepassingen.
Brandstofcellen
Een brandstofcel is een apparaat dat elektrochemische energie omzet in een gelijkspanning. Brandstofcellen combineren brandstof (meestal waterstof) met een oxidatiemiddel (gewoonlijk zuurstof). In de brandstofcel reageren waterstof en zuurstof tot water. Dit water is het enige bijproduct dat gevormd wordt. Dit betekent dat het proces schoon, stil en efficiënter is dan het verbranden.
Brandstofcellen en batterijen zijn vergelijkbaar met elkaar in het feit dat ze beide gebruik maken van een chemische reactie. Namelijk een oxidatiereductie waarbij elektronen gedwongen worden zich te verplaatsen langs een extern circuit. Een accu (batterij) is een gesloten systeem met alle chemicaliën in opgeslagen terwijl bij een brandstofcel de waterstof en zuurstof constant worden aangeleverd in de cel waar ze combineren en elektriciteit produceren.
Waterstof brandstofcellen worden meestal ingedeeld naar hun bedrijfstemperatuur en het soort elektrolyt dat ze gebruiken. Sommige soorten werken goed voor gebruik in elektriciteitscentrales. Andere kunnen nuttig zijn voor kleine draagbare toepassingen of voor het leveren van energie aan een auto. Bijvoorbeeld het type dat het meest belofte houdt voor automobieltoepassingen is de polymeer uitwisselbare membraam brandstofcel (PEMFC).
De kanalen dispergeren onder druk gebracht waterstofgas en zuurstofgas gelijkmatig over het oppervlak van de katalysator. De katalysator is ingebracht om de reactie van waterstof met zuurstof eenvoudiger te maken. Wanneer een waterstofmolecule langs de anodezijde in contact komt met de platina katalysator van de brandstofcel, splitst deze in twee H + - ionen en twee elektronen ( e - ). De waterstofionen worden doorgegeven via het polymeerelektrolytmembraan (PEM) naar de kathode. De elektronen passeren de anode en veroorzaken in het externe circuit een elektrische stroom.
Figuur 2-16 : Princewerking van een brandstofcel
Wanneer een zuurstofmolecule in contact komt met de katalysator langs de kathode, breekt de zuurstofmolecule in twee zuurstof-ionen. De negatieve lading van zulk zuurstofion trekt 2 positieve waterstofionen aan. Deze waterstofionen bewegen door het elektrolytmembraan en combineert met het zuurstofion tezamen met twee elektronen die afkomstig zijn vanuit het extern circuit. Op die wijze wordt in de brandstofcel water gevormd ( H 2 O ). Dit water wordt afgevoerd van de cel als een bijproduct. In een brandstofcel levert deze reactie slechts 0,7 V op. Om hogere spanningen te verkrijgen dienen er meerdere brandstofcellen in serie te worden geschakeld.
Momenteel is er nog steeds lopend onderzoek aan de gang dat gericht is op het ontwikkelen van betrouwbare, kleinere en kosteneffectieve componenten voor voertuigen en andere toepassingen. De conversie naar brandstofcellen vereist ook onderzoek over hoe het verkrijgen en leveren van waterstof waar nodig. Potentiële bronnen voor waterstof zijn het gebruik van zonne-energie, aardwarmte of windenergie om het water te breken. Waterstof kan ook worden verkregen door het afbreken van steenkool- of aardgasmoleculen die rijk aan waterstof zijn. Diverse (demonstratie)projecten voor het gebruik van waterstofbrandstofcellen zijn reeds verwezenlijkt. Zo bestaan er bijvoorbeeld 5200 kW brandstofcellen om gebouwen te verwarmen.
Zonnecellen
De werking van zonnecellen is gebaseerd op het fotovoltaïsch effect. Dit is het proces waarbij lichtenergie direct wordt omgezet in elektrische energie. Een elementaire zonnecel bestaat uit twee lagen van verschillende halfgeleidende materialen die samengevoegd een junctie vormen. Als een laag wordt blootgesteld aan licht gaan vele (valentie)elektronen voldoende energie verwerven en uit hun atomen breken. Als vrij elektron kunnen ze door de junctielaag heen. Dit proces vormt negatieve ionen aan één zijde van de verbinding en positieve ionen aan de andere zijde. Er is bijgevolg een potentiaalverschil (spanning) ontwikkeld. Figuur 2-17 toont het werkingsprincipe van een zonnecel.
Figuur 2-17 : opbouwprincipe van een zonnecel
Wetenschappers werken aan flexibele zonnecellen die kunnen worden gedrukt volgens een analoog proces als bankbiljetten. De technologie maakt gebruik van organische cellen die goedkoop in massaproductie gefabriceerd kunnen worden door ze af te drukken op dezelfde manier als geld wordt afgedrukt. “Printable elektronica” is heden te dage een belangrijk item van polymeeronderzoek.
Zonnecellen hebben onder andere hun toepassingen in rekenmachines, nachtverlichting, batterijladers, … Veel onderzoek wordt verricht in het verhogen van de efficiëntie van zonnecellen en fotovoltaïsche (PV) modules. Een compleet systeem voor continu vermogen vereist in het algemeen geval een batterijback-up systeem om energie te leveren wanneer de zon niet schijnt. Zonnecellen zijn zeer geschikt voor afgelegen locaties waar energiebronnen niet beschikbaar zijn zoals bijvoorbeeld het leveren van stroom aan satellieten.
Generatoren
Elektrische generatoren zetten mechanische energie om in elektrische energie door gebruik te maken van een principe genaamd elektromagnetische inductie. Een spoel wordt geroteerd door een magnetisch veld waardoor er een spanning wordt geproduceerd in de spoel.
(Labo)voedingen – power supply
Een voeding of power supply is een toestel dat verbonden is met de netspanning (AC-spanning). Een voeding transformeert deze AC-spanning naar een bepaalde DC-spanning. De omvorming gebeurt via een transformator om de AC-spanning naar beneden toe te converteren. Daarna wordt deze spanning gelijkgericht met zogenaamde gelijkrichterschakelingen. Deze gelijkgerichte spanning wordt vervolgens gestabiliseerd tot een bepaalde DC-spanning via een spanningsregelaar.
Thermokoppels
Een thermokoppel is een thermo-electric type spanningsbron die gewoonlijk gebruikt wordt om een temperatuur te meten. Een thermokoppel wordt gevormd door een verbinding van twee ongelijksoortige metalen en de werking is gebaseerd op het Seebeck-effect dat de spanning beschrijft die opgewekt wordt bij een verbinding (junction) van de metalen als functie van de temperatuur.
Standaardtypen thermokoppels worden gekenmerkt door de specifiek gebruikte metalen. Deze standaard thermokoppels produceren voorspelbare uitgangsspanningen voor een reeks van temperaturen. De meest voorkomende is type K , gemaakt van chromel en alumel. Andere vormen zijn ook ontworpen en worden weergegeven door de letters E, J, N, B en R . De meeste thermokoppels zijn aanwezig in draad- of probevorm.
Piëzo-elektrische sensoren
De piëzo-elektrische sensoren werken als een zeer lage spanningsbron en zijn gebaseerd op het piëzo-elektrisch effect waar een spanning wordt gegenereerd wanneer een piëzo-elektrisch materiaal mechanisch wordt vervormd door een externe kracht. Kwarts en keramiek zijn twee typen piëzo-elektrisch materiaal. Piëzo-elektrische sensoren worden gebruikt in verschillende systemen zoals druksensoren, krachtsensoren, accelerometers, microfoons en ultrasone apparaten.
Test jezelf aangaande spanning
Wat is de definitie van spanning?
Wat is de eenheid van spanning?
Hoeveel spanning is er aanwezig wanneer 24 J energie nodig is om 10 C lading te verplaatsen?
Noem zeven verschillende soorten spanningsbronnen op.
Welk type van chemische reactie doet er zich voor in alle batterijen en brandstofcellen?
Last updated
