In de NRC van 21 januari 2023 bespreekt columnist Karel Knip een natuurkundig verschijnsel uit het dagelijks leven dat op het eerste gezicht een raadsel lijkt.
In deze editie onderzoekt hij of het mogelijk is zelf elektriciteit op te wekken met behulp van een fietsdynamo en een straal water uit de kraan.
a) Op welke manier wordt gewoonlijk elektriciteit gemaakt met gebruik van water?
1. In de bergen wordt water dat opgeslagen is in een stuwmeer gebruikt om al vallend naar beneden, grote turbines aan te drijven. Die turbines zijn verbonden met grote dynamo’s (generatoren).
2. In gewone centrales wordt water onder gebruik van (meestal fossiele) brandstof verhit tot stoom. Die stoom drijft de turbines aan.
In het artikel lezen we:
Nederland kreeg in de laatste winter van de 2e wereldoorlog ook te kampen met een haperende stroomvoorziening, de elektriciteitscentrales hadden gebrek aan steenkool. Veel huishoudens gingen er in arren moede maar toe over zelf stroom op te wekken met behulp van een fietsdynamo waarop een blikken schoepenrad was gemonteerd. Dat werd met een krachtige waterstraal tot draaien gebracht, de kraan in de keuken ging er wijd voor open. Een snoertje bracht de opgewekte stroom naar een koplamp van een fiets in de huiskamer.
b) Maak een tekening van de genoemde oorlogsopstelling en benoem de onderdelen.
c) Welk principe ligt ten grondslag aan het opwekken van elektriciteit in de dynamo?
Ten gevolge van een verandering van het magnetisch veld in een spoel zal er een inductiespanning ontstaan in die spoel. Met deze spanning kun je bijvoorbeeld een lampje laten branden als je dat opneemt in een stroomkring.
d) Welke energieomzetting vindt plaats bij de oorlogsopstelling?
Bewegingsenergie van het water (Ekin) wordt omgezet in elektrische energie, plus een beetje warmte.
De schrijver berekent in het artikel ook wat het vermogen is van de waterstraal.
Hij geeft de volgende gegevens, die hij overigens zelf geschat heeft:
‘Als er uit een waterkraan per seconde een halve liter (dus 0,5 kg) water stroomt met een gemiddelde snelheid van 4 m/s heeft die straal een vermogen van 4 watt.’
e) Laat door een berekening zien dat het vermogen van de straal inderdaad 4 watt is.
Als 0,5 kg water met een snelheid van 4 m/s valt is de bewegingsenergie gelijk aan:
$E_k=\frac{1}{2}mv^2=\frac{1}{2}\cdot 0,5\cdot 4^2=4~\mathrm{J}$
Dus 4 J/s, dat is 4 W. De bewering is dus juist.
Het rendement van de overdacht van energie van het water naar elektrische energie schat de schrijver op 75 procent.
f) Hoe groot is het vermogen van de dynamo dan?
Het vermogen van de dynamo is dan 4∙0,75 = 3 W.
g) Zoek uit wat het vermogen van een fietsdynamo in de praktijk is. Vergelijk dat met de oorlogsdynamo.
Een typische fietsdynamo levert zo'n 3 watt vermogen. Deze oorlogsdynamo levert dus hetzelfde vermogen als een fietsdynamo.
