ELEKTRICITEIT

Wanneer er gewerkt wordt met theatertechniek, of dat nu in een bestaand theater is of op lokatie, wordt er ook altijd gebruik gemaakt van electriciteit. Ook al behoort het meeste installatiewerk gedaan te worden door een erkend electro-monteur, toch moet een theatertechnicus wel het een en ander van electriciteit afweten. Een aantal fundamentele begrippen en formules moeten bekend zijn, zodat hij enigszins begrijpt waar problemen door ontstaan kunnen zijn. Niet alleen zorgt dat er voor dat hij eventueel zelf het een en ander kan verhelpen, ook kan hij daardoor de erkende installateur beter zijn wensen duidelijk maken.

Wanneer theater gemaakt wordt op locatie zal deze kennis meer van pas komen dan bij het werken in een theater, maar het kan ook nuttig zijn in vooral kleinere theaters, waar de installatie maximaal benut moet worden voor het daar uit te voeren lichtplan. Ook wanneer er in de verdere vormgeving van een voorstelling extra elektrische voorzieningen aangebracht moeten worden is het van belang dat het geheel zo goed en veilig mogelijk uitgevoerd en benut wordt.

Electriciteit is niet iets dat uitsluitend door de mens opgewekt en gebruikt wordt. Een duidelijk voorbeeld daarvan zien we wanneer het onweert: de natuur zorgt voor grote hoeveelheden electriciteit, die hun positieve en negatieve gevolgen achterlaten. Een blikseminslag kan het einde betekenen voor een boom, maar daarmee ook het begin voor ander leven. Electriciteit moet dus al om ons heen bestaan in de natuur, en hoeft niet alleen uit het stopcontact te komen.

Een belangrijk gegeven is dat ieder voorwerp, elk materiaal, een bepaalde hoeveelheid elektrische lading in zich heeft. Niet ieder object heeft echter dezelfde hoeveelheid lading in zich. Het ene object heeft een hogere elektrische lading dan het andere. Om de hoeveelheid lading te kunnen meten en bepalen heeft men op een bepaald moment een zogenaamd nulpunt afgesproken. Ten opzichte van dat nulpunt konden dan de ladingen in andere voorwerpen aangegeven worden. In eerste instantie heeft men de hoeveelheid lading die de aarde heeft nul genoemd. Een voorwerp met een hogere elektrische lading dan de aarde is dan een positief geladen voorwerp, een voorwerp met een lagere elektrische lading dan de aarde heeft een negatieve lading. De hoeveelheid lading die de aarde heeft schommelt echter wat. Doordat de aarde nooit exact dezelfde hoeveelheid lading bevat, is het nulpunt dat zo bepaald wordt ook niet constant.

Men heeft er daarom voor gekozen een bepaald nulpunt te kiezen, dat daarmee daadwerkelijk vast kwam te liggen. De lading van de aarde schommelt altijd rond dit nulpunt, zodat er in principe ook ladingsverschillen bestaan tussen het gekozen nulpunt en de aarde. Wanneer een apparaat niet geaard is kunnen er daardoor zogenaamde 'lekstromen' onstaan, waardoor het apparaat een beetje onder stroom komt te staan. Dit hoeft normaal gesproken geen probleem op te leveren, alleen in bijzondere gevallen kan dit gevaarlijk worden. Vandaar dat apparaten die een groot stroomverbruik kennen en/of in vochtige ruimtes staan absoluut geaard moeten zijn. Mocht er een stroom in de verkeerde richting ontstaan, dan kan deze 'weglekken' via de derde draad in de aansluiting, via de zogenaamde 'aardedraad'.

Als twee voorwerpen met een verschillende elektrische lading met elkaar in contact worden gebracht wordt de lading gelijkelijk verdeeld over de twee voorwerpen. De negatieve deeltjes, de elektronen, zullen van het meest negatief geladen voorwerp naar het andere voorwerp lopen. De afspraak die binnen de natuurkunde gemaakt is, is echter dat we zeggen dat de stroom in de tegengestelde richting loopt: van het object met de hoogste lading (dus de meest positieve lading) naar het object van de laagste lading. Deze afspraak berust op een analogie met andere gebieden: hoogteverschil, luchtdruk, waterdruk, enzovoort. We hebben op een dergelijk moment te maken met stroom. De hoeveelheid elektriciteit die optreedt is afhankelijk van de lading van de objecten. Het verschil in elektrische lading wordt het potentiaalverschil of spanningsverschil genoemd. Deze wordt gemeten in Volt (V). Een bepaald voltage geeft dus aan hoe groot het spanningsverschil is tussen twee verschillende punten. Wanneer we spreken over de spanning van 220 Volt die op een stopcontact staat, dan bedoelen we daarmee dat het verschil in lading tussen de nuldraad en de stroomdragende (fase)draad 220 Volt is. De stroom loopt daarbij altijd van het hoogste potentiaal naar het laagste.

Statische lading ontstaat door een bepaalde wrijving van een geïsoleerd voorwerp. Door die wrijving worden de elektronen naar een bepaalde richting 'gebracht'. Een goed voorbeeld van een dergelijk verschijnsel is het in een vaste richting wrijven van een plastic staaf met een wollen doek. Wanneer er lang genoeg gewreven is kunnen papiersnippers aangetrokken worden naar de staaf. Wanneer je een voorwerp met voldoende statische lading aanraakt kun je zelf een schok krijgen. Door wrijving heeft een voorwerp, bijvoorbeeld een rolsteiger op een volledig van de aarde geïsoleerde vloer, lading gekregen. Op het moment dat jij dit voorwerp beetpakt krijg je een stroomschok, omdat het voorwerp via jou zijn lading verliest. Net als de aarde heb je op dat moment een potentiaal van ongeveer nul: een eventuele extra hoeveelheid lading die je had heb je namelijk al eerder met de aarde uitgewisseld. Wanneer je zelf vervolgens ook van die geïsoleerde vloer af stapt kun je ook weer een schok krijgen: je hebt dan een deel van de lading van de steiger overgenomen, en raakt deze nu weer kwijt aan de aarde.

De hoeveelheid lading die zich verplaatst is niet alleen afhankelijk van het spanningsverschil. Het soort materiaal en de dikte en temperatuur ervan zijn bijvoorbeeld ook van belang. Door het ene materiaal kan elektriciteit zich sneller verplaatsen dan door het andere, met een hogere temperatuur gaat het ook weer makkelijker dan met een lagere. Materiaal waardoor elektriciteit zich snel kan verplaatsen heten geleiders, materiaal waarin dat moeilijk is, zijn isolatoren.

Geleiders en isolatoren danken hun eigenschappen aan de manier waarop zij met de bewegende elektronen omspringen. Metalen, die over het algemeen goede geleiders zijn, hebben altijd een aantal vrije elektronen in zich, die voor een stroom kunnen zorgen. Omdat de metaalatomen de elektronen niet direct aan zich binden kan een elektron van het ene atoom naar het andere verspringen. Bij isolatoren hebben we te maken met atomen die elektronen direct aan zich binden, waardoor er geen ruimte overgelaten wordt voor het verspringen van elektronen tussen de verschillende atomen. Iedere isolator heeft echter wel een bepaald potentiaalverschil waarbij plotseling wel een stroom kan gaan lopen. Dit wordt de 'doorslagspanning' van een materiaal genoemd.

Door de enorme hoeveelheid energie die daarbij vrijkomt worden de elektronen kortstondig vrij gemaakt van hun atomen, waarbij na de ontlading zo snel mogelijk de vroegere, stabiele, toestand teruggevonden wordt. Een voorbeeld hiervan dat we allemaal wel kennen is dat van de bliksem. Lucht is normaal gesproken een goede isolator, maar door de spanningsverschillen die op kunnen treden bij bepaalde weersomstandigheden, het zogenaamde onweer, slaat op een gegeven moment toch die spanning door en zien we een bliksemflits. De flits is slechts kortstondig omdat de lucht zich na het opheffen van het spanningsverschil weer herstelt.

Wanneer we ergens in een elektronenstroom een isolator aanbrengen kan daarom de stroom, zolang we maar onder de doorslagspanning blijven, niet meer verder. We kunnen dit vergelijken met een waterstroom waar we een damwand in bouwen. Het kanaal waardoor het water stroomt is de geleider, de elektronenstroom wordt weergegeven door het water en de damwand is de isolator. Het nut van een geleider en een isolator wordt hierdoor ook direct duidelijk: zonder een isolator - walkant - rond de geleider (kanaal) zou de stroom - water - alle kanten opgaan waardoor we uiteindelijk te weinig elektronen - waterdruppels - over zouden houden om een apparaat te laten werken - waterrad te laten draaien -. In een elektriciteitsdraad vormt de koperen kern de geleider en de rubberen of plastic mantel, tesamen met de lucht, de isolator.

Niet ieder materiaal laat dus even gemakkelijk elektriciteit door, elk materiaal heeft een bepaalde doorlaatbaarheid daarvoor. Hoe groot die doorlaatbaarheid is wordt bepaald door de Weerstand van het materiaal. Omdat die materialen weer verwerkt zijn in apparaten en voorwerpen, hebben ook zij een bepaalde weerstand. De eenheid die gebruikt wordt om de weerstand in uit te drukken is de Ohm.

Van belang is dat stroom altijd de weg van de minste weerstand zal nemen. Wanneer we een bepaald apparaat willen laten werken, moeten we er voor zorgen dat de stroom niet een kring kan maken met een veel mindere weerstand. Wanneer twee elektriciteitsdraden, waar een spanningsverschil tussen is, direct tegen elkaar komen te liggen zonder isolatiemateriaal, hebben we te maken met een dergelijke situatie. De stroom zal rechtstreeks van de ene draad naar de andere gaan, in plaats van eerst zijn weg door het apparaat te zoeken. Hierdoor kan de stroom te snel en eenvoudig zijn weg zoeken, zodat deze al snel in een te grote hoeveelheid rond kan gaan.

Om te voorkomen dat dit gevaarlijke situaties oplevert, zijn er in ieder stroomcircuit smeltpatronen of zekeringen te vinden. Bij een te grote hoeveelheid stroom, gemeten in Ampères (A), wordt de draad in het patroon waar de stroom doorheen moet gaan te warm, en smelt dus. Vandaar dat ook wel de naam 'smeltpatroon' gebruikt wordt voor een zekering. Door de gesmolten draad wordt de stroomkring onderbroken, en kan er verder dus geen stroom meer lopen. Het spanningsverschil tussen de twee uiteinden blijft bestaan, de stroom kan alleen zijn weg niet meer vinden.

Stroomsterkte en spanningsverschil bepalen samen hoe gevaarlijk het is om met een bepaalde stroom in contact te komen. Een groot potentiaalverschil (hoog Voltage) en een kleine stroomsterkte (laag Ampèrage) zijn veel minder gevaarlijk dan een klein potentiaalverschil (laag Voltage) en een grote stroomsterkte (hoog Ampèrage). Wanneer we statisch geladen zijn en een ander voorwerp aanraken waardoor we een schok krijgen, hebben we te maken met een groot potentiaalverschil (tussen de 10000 en 15000 Volt) maar met een zeer kleine stroomsterkte (tussen de 0,002 en 0,01 Ampère). We voelen de schok daarom wel, maar ondervinden er verder weinig last van.

Ook de manier waarop de stroom toegevoerd wordt is van belang. Normaal gesproken hebben we bij elektriciteit zoals deze door het stopcontact geleverd krijgen te maken met wisselspanning. Dat wil zeggen dat de spanning varieert van -220 tot +220 Volt. Het verschil tussen deze twee wordt de amplitude genoemd. Zou de spanning gelijk blijven, dan spreken we van gelijkspanning (ook wel gelijkstroom). De wisseling in de spanning gebeurt niet abrupt, geleidelijk verandert de waarde van -220 naar +220 Volt en weer terug. De manier waarop deze varieert is volgens een sinus-vorm.

Een andere vorm van spanningsverloop die we regelmatig tegen kunnen komen, bijvoorbeeld in het hoogspanningsgedeelte van een televisie, is de zaagtand. In korte tijd ontstaat een piek, waarna in een langere tijd teruggegaan wordt naar een minimum. Vooral door die piek die telkens terugkomt is dit spanningsverloop gevaarlijker dan een sinus-vormig spanningsverloop.

We hebben nu twee belangrijke maten voor elektriciteit gezien: het spanningsverschil, dat in natuurkundige formules aangeduid wordt met de letter U, en de stroomsterkte met als aanduiding I. De eenheid waarin de spanning uitgedrukt wordt, zo hebben we gezien, is de Volt (V), de stroomsterkte heeft als eenheid de Ampère (A). Samen geven deze waarden aan welk vermogen, met als aanduiding de letter P, een bepaalde stroom heeft. Dit vermogen wordt uitgedrukt in Watt (W), grotere hoeveelheden worden vaak in kiloWatt (kW) uitgedrukt. Eén kiloWatt is daarbij 1000 Watt.

Het vermogen geeft als het ware het verbruik van de stroom door een bepaald apparaat weer: het geeft aan welke stroomsterkte er gebruikt wordt bij een bepaald spanningsverschil. Het vermogen, het spanningsverschil en de stroomsterkte staan altijd in een bepaalde verhouding tot elkaar: wanneer het spanningsverschil vermenigvuldigd wordt met de stroomsterkte verkrijgen we het vermogen.

In formulevorm komt dat er dan als volgt uit te zien:

		P = U . I     ( . = vermenigvuldiging)

waarbij 			P	= vermogen uitgedrukt in Watts (W)

				U	= spanning uitgedrukt in Volts (V)

				I	= stroomsterkte uitgedrukt in Ampère (A)

Verwante Pagina's:

• Stroomaansluitingen

of:

Terug naar Inhoudsopgave