Haspel moeten uitrollen

[Aristos]

Iedereen, nou ja bijna iedereen, weet dat je een haspel moet afrollen voordat je hem in het stopcontact stopt. Dit omdat er na enige tijd warmte optreedt die ervoor zorgt dat de draden smelten en zo kortsluiting ontstaat.

Nu is ons dat afgelopen week per ongeluk gebeurd, nu hadden we naderhand een discussie hóe dat is ontstaan. Nu waren er twee theorieen die ik ook beide op internet heb kunnen vinden.

1. Door weerstand in de draad ontstaat warmte:

Een haspel, 50 meter rubberkabel 3 X l½ mm2, heeft een weerstand van 2 x (heen en terug) l ½ = 3 Ohm. Bij een belasting van 1 Ampère (= 220 Watt) berekenen we met de Wet van Ohm het spanningsverlies in de haspel:

Stroomsterkte x Weerstand = Spanning.

1 Ampère x 3 Ohm = 3 Volt.

Nemen we echter 4 Ampère af (= 880 Watt) van het campingkastje, dan wordt dit al 12 Volt.

Een haspel, 50 meter rubberkabel van 3 X 1,0 mm2, heeft een weerstand van 2 x (heen en terug) 2 Ohm = 4 Ohm. Het spanningsverlies wordt dan bij 4 Ampère al 16 Volt.

Een bijkomstigheid hierbij is, dat dit spanningsverlies in de haspel wordt omgezet in warmte. Nemen we de haspel van 50 meter 3 x 1,0 mm2 als voorbeeld, dan kunnen we ook de warmteontwikkeling berekenen. Bij 4 Ampère en dus een spanningsverlies van 16 Volt, is de warmteontwikkeling

(I2 x E) 4 x 4 x 16 = 256 Watt. En 256 Watt is al een aardig kacheltje.

Blijft de haspel opgerold, dan wordt de kabel onvoldoende gekoeld en kan zo heet worden dat de kabel met haspel en al smelt en vervolgens kortsluiting oplevert of zelfs brand.

en

2. Inductie

Beste gast, de opleiders hebben natuurlijk altijd gelijk. Een kabelhaspel die niet afgerold is kan wel een temperatuur bereiken van 800 graden !! Dit geldt ook voor een stofzuiger. Je hebt gelijk dat door de fase en nuldraad dezelfde tegengestelde stroom loopt. Er onstaan dus 2 spoelen met een tegengesteld veld. Deze heffen elkaar echter niet op. Er onstaat dus warmteontwikkeling door de draadweerstand (R) + warmteontwikkeling door de inductieweerstand (Xs). De totale warmteontwikkeling is dus = stroomsterkte * (R + Xs).

Aangezien je niet makkelijk te overtuigen bent, kun je zelf met een simpele test de warmteontwikkeling bepalen.

Lees verder............


Neem een kabelhaspel en een goede voltmeter. Meet de spanning op het stopcontact. Steek de haspel in het stopcontact en meet de uitgaande spanning van de haspel (deze zijn hetzelfde want er loopt nog geen stroom). Ga nu de haspel belasten met b.v. een machine van 1000 Watt. Je zult zien dat de spanning nu aardig is gedaald. De warmteontwikkeling is het verschil in spanning * de stroomsterkte (ongeveer 4,5 A bij 1000 W) [ W = V * I ]. Herhaal dit maar dan met een uitgerolde kabel en je zult zien dat de spanning nu stukken minder daalt. De component Xs is nu namelijk weg en je houdt alleen de draadweerstand R over.

Pas bij het uitrollen wel een beetje op, want bij het eerste experiment is, afhankelijk van de tijd dat je de haspel belast hebt de kabel al aardig warm geworden. Doe dit dus niet te lang.

Kom graag ook met goede argumenten wáárom het zo is.

[KillerAce_NL]

Onderste is tóch al een goed argument ? Nu moeten wij ook weer theoretisch bevestigen dat het zo is ? Waarom zou iemand je hier wél overtuigen dan ?

[DRaakje]

Vergeet niet dat door de toegenome weerstand de temperatuur toeneemt. En hogere temperatuur => hogere weerstand => loopt uit de klauwen

[ Voor 9% gewijzigd door DRaakje op 02-06-2005 15:46 ]

[KillerAce_NL]

Het staat zelfs in de lijst met meest voorkomende oorzaken van branden:

Door niet volledig afrollen van kabelhaspel (ook in stofzuiger!) treedt er een spoelwerking op waardoor kortsluiting ontstaat, met de hitte en vonkenregen vandien.

[Aristos]

Volgens mij is het het tweede alternatief, maar Natuurkunde is te lang geleden hoe het nu ook alweer precies in elkaar zat. Misschien iemand die dat wél weet? Overigens klinkt het eerste alternatief ook wel goed...

[Confusion]

Aristos schreef op donderdag 02 juni 2005 @ 15:40:
Nu waren er twee theorieen die ik ook beide op internet heb kunnen vinden.

Hoezo sluiten deze twee elkaar uit? Het is eerste is mogelijk een onvolledige verklaring, omdat je een weerstand vergeet. Aan de andere kant is die 256 W misschien al voldoende om de zaak om zeep te helpen. Dat hangt af van de snelheid waarmee de haspel warmte kwijtraakt aan de omgeving. Als dat te snel gaat, dan is ongetwijfeld het verhaal over de inductieweerstand waar, hoewel ik zo schat dat dat verwaarloosbaar is op de draadweerstand. Maargoed, ik heb het niet uitgerekend, dus dat is natte vinger werk.

[BARACUS]

KillerAce_NL schreef op donderdag 02 juni 2005 @ 15:50:
Het staat zelfs in de lijst met meest voorkomende oorzaken van branden:
[...]

Ik heb tijden een haspel gewoon onder mijn bed gehad om stroom te tappen, niks gebeurd ja een echte van 20m ofzo

[joopv]

De sw van Cu is 17,5mOhm per m en per mm^2 koperoppervlakte. 100 meter 1,5mm^2 is dus 1,17 ohm.
De opgewekte warmte P = I^2 * R, bij zware belasting (b.v. 10A, 2300W) wordt er dus ca 120W in de kabel gedissipeerd. Bij 15A (3500W) zelfs 260W.

Dat wordt binnenin de haspel opgewekt. De plastic isolatie is ook een goede warmte isolatie, de lucht tussen de kabelwikkelingen kan nauwelijks weg.

Kortom: het scenario voor - in het gunstigste geval - een opgeblazen zekering of - in het ongunstigste geval - een brand ligt klaar.

Bij lage belasting (tot 700W of zo) is uitrollen niet nodig, bij hoge belastingen wel. Dat staat ook altijd met grote stickers op de haspel.

De eerste helft van punt 2 - Inductie van het verhaal van de TS is klinkklare onzin. Inductie speelt totaal geen rol. De velden heffen elkaar wel degelijk bijna volledig op, en bovendien hebben we het over 50Hz en een luchtspoel zonder ijzerkern dus.

De 2de helft van het 2de punt is inhoudelijk hetzelfde als het 1ste punt.

[ Voor 22% gewijzigd door joopv op 02-06-2005 23:47 ]

[Glashelder]

BARACUS:
Het ligt er maar net aan wat je aansluit. Voor een wasmachine/stofzuiger van 1400+ watt dan moet je die inderdaad uitrollen. Maar voor een TV met videorecorder hoeft die haspel echt niet uitgerold te worden.

[rapture]

Vrij simpel, als je het oprolt, dan maak je van die kabel een spoel.

Reken eens de impedantie van een spoel eens uit met de volgende formule:
Xspoel = 2 * pi * f * L => X spoel = 2 * 3,14... * 50 * L

L (zelfinductiecoëfficiënt) kan je gaan uitrekenen, hoedan ook komt de impedantie van de spoel boven op je de weerstand van die spoel. Alhoewel spoelen meestal in de orde van milliHenry's zitten, de impedantie van een spoel is niet niks. Impedantie is eenvoudig gezegd een soort extra weerstand, deze is wel afhankelijk van de frequentie, dus je kan het niet met je multimeter meten.

De stroom door je haspel is constant en de weerstand stijgt, dan gaat de spanningverlies over de haspel stijgen. Meer spanning bij dezelfde stroom zorgt voor meer vermogen, de haspel warmt op.

Tel dan nog het gedrag van ferro-materiaal in een wisselend magnetisch veld, de magneculen (zoiets als atomen, maar voor magnetisme) zitten continue als een gek rond te draaien. Dit zorgt voor extra warmte, gelukkig steekt men niet al teveel metaal midden in de kern van de spoel.

Het is uiteraard afhankelijk van hoeveel stroom je door je haspel jaagt, dus 12V / 10A is een pak erger dan 230V / 5A.

Rey Nemaattori schreef op vrijdag 03 juni 2005 @ 00:16:
Magnetonen?

ff googlen, het zijn magneculen.

joopv schreef op vrijdag 03 juni 2005 @ 00:19:
Er is helemaal geen sprake van een zelfinductie. Dat de kabel opgerold zit houdt niet automatisch in dat er een zelfinductie ontstaat.

2 draden naast elkaar en stromen in tegengestelde richting... je hebt gelijk.

Dan blijft er eigenlijk alleen de draadweerstand en het gedissipeerd vermogen over.

[ Voor 35% gewijzigd door rapture op 03-06-2005 01:33 ]

[Rey Nemaattori]

Magnetonen?

[joopv]

rapture schreef op vrijdag 03 juni 2005 @ 00:04:
Vrij simpel, als je het oprolt, dan maak je van die kabel een spoel.

Reken eens de impedantie van een spoel eens uit met de volgende formule:
Xspoel = 2 * pi * f * L => X spoel = 2 * 3,14... * 50 * L

L (zelfinductiecoëfficiënt) kan je gaan uitrekenen, hoedan ook komt de impedantie van de spoel boven op je de weerstand van die spoel. Alhoewel spoelen meestal in de orde van milliHenry's zitten, de impedantie van een spoel is niet niks. Impedantie is eenvoudig gezegd een soort extra weerstand, deze is wel afhankelijk van de frequentie, dus je kan het niet met je multimeter meten.

Er is helemaal geen sprake van een zelfinductie. Dat de kabel opgerold zit houdt niet automatisch in dat er een zelfinductie ontstaat.

[Lustucru]

Het was in 2003 ? een vraag bij de roemruchte nationale wetenschapsquiz. Maar idd, een spoel bouw je niet tweeaderig op. Het inductieverhaal is flauwekul en de ohmse weerstand is meer dan voldoende om een behoorlijke warmte te ontwikkelen, die, als je de haspel opgerold laat zitten, onvoldoende afgevoerd wordt.

Dat het spoelverhaal niet opgaat kun je makkelijk aantonen door na te gaan of er buiten de haspel een magnetisch veld van enige betekenis wordt opgewekt. Niet dus.

Het experiment met het bepalen van het opgenomen vermogen in een afgerolde en in opgerolde haspel heb ik nog niet gedaan, maar is niet zondermeer overtuigend voor het spoelverhaal. Door de toenemende temperatuur neemt sowieso de ohmse weerstand toe, en daarmee de spanningsval over de kabel.

oops, wel heel erg spuit11erig.

[ Voor 27% gewijzigd door Lustucru op 03-06-2005 01:34 ]

[Anoniem: 124325]

Niesje schreef op vrijdag 03 juni 2005 @ 01:26:
Het was in 2003 ? een vraag bij de roemruchte nationale wetenschapsquiz. Maar idd, een spoel bouw je niet tweeaderig op. Het inductieverhaal is flauwekul en de ohmse weerstand is meer dan voldoende om een behoorlijke warmte te ontwikkelen, die, als je de haspel opgerold laat zitten, onvoldoende afgevoerd wordt.

Dat het spoelverhaal niet opgaat kun je makkelijk aantonen door na te gaan of er buiten de haspel een magnetisch veld van enige betekenis wordt opgewekt. Niet dus.

Het experiment met het bepalen van het opgenomen vermogen in een afgerolde en in opgerolde haspel heb ik nog niet gedaan, maar is niet zondermeer overtuigend voor het spoelverhaal. Door de toenemende temperatuur neemt sowieso de ohmse weerstand toe, en daarmee de spanningsval over de kabel.

oops, wel heel erg spuit11erig.

Twee draden naast elkaar in een snoer hebben echter wel hun eigen LCR kenmerken, waardoor een lange kabel (opgerold of niet) wel degelijk een LCR circuit is, waarvoor de effectieve weerstand (R+X) is. Als je een snoer oprolt is er een kleinschalige wisselwerking tussen de draden onderling (hoofdzakelijk capacitance(C)), waardoor het LCR effect versterkt kan worden. Het is juist dat buiten de haspel het magnetische veld zeer klein is en derhalve is het spoeleffect te verwaarlozen in verhouding tot de normale R*I² hitteontwikkeling.

[MSalters]

Vergeet niet dat de inductieterm evenredig is met f. Dat is hier 50Hz, te verwaarlozen dus.

[joopv]

Anoniem: 124325 schreef op vrijdag 03 juni 2005 @ 02:08:
[...]
Twee draden naast elkaar in een snoer hebben echter wel hun eigen LCR kenmerken, waardoor een lange kabel (opgerold of niet) wel degelijk een LCR circuit is, waarvoor de effectieve weerstand (R+X) is. Als je een snoer oprolt is er een kleinschalige wisselwerking tussen de draden onderling (hoofdzakelijk capacitance(C)), waardoor het LCR effect versterkt kan worden. Het is juist dat buiten de haspel het magnetische veld zeer klein is en derhalve is het spoeleffect te verwaarlozen in verhouding tot de normale R*I² hitteontwikkeling.

Je lijkt te vergeten dat door de 2 naast elkaar liggende draden een even grote maar tegengestelde stroom vloeit, en dat er dus geen sprake is van een netto magnetisch veld. En dus ook geen sprake van een zelfinductie. Niet alleen buiten- maar ook binnen de haspel is geen sprake van een magnetisch veld.

Bovendien - warmteontwikkeling kan alleen door ohmse verliezen (en eventuele ijzerkern verliezen) veroorzaakt worden en niet door de zelfinductie an sich. Een ideale spoel kan geen warmte dissiperen.

[Anoniem: 124325]

joopv schreef op zaterdag 04 juni 2005 @ 07:15:
[...]

Je lijkt te vergeten dat door de 2 naast elkaar liggende draden een even grote maar tegengestelde stroom vloeit, en dat er dus geen sprake is van een netto magnetisch veld. En dus ook geen sprake van een zelfinductie. Niet alleen buiten- maar ook binnen de haspel is geen sprake van een magnetisch veld.

Bovendien - warmteontwikkeling kan alleen door ohmse verliezen (en eventuele ijzerkern verliezen) veroorzaakt worden en niet door de zelfinductie an sich. Een ideale spoel kan geen warmte dissiperen.

Twee naast elkaar liggende draden (met tevens nog een isolatielaag voor elke draad er tussen) hebben wel degelijk een netto elektromagnetisch veld voor wisselstroom omdat de draad centers zich niet op dezelve locatie bevinden (wat wel het geval is voor een coaxiale kabel). Als je de vectorvelden zou plotten zie je direct dat er om een meeraderig snoer buiten het snoer wel een magnetische effect aanwezig is. Op grote afstand van het snoer is het effect echter klein.

Wat betreft warmteverliezen is er dus wel een extra effect maar dat is afhankelijk van de omgeving waarin de "spoel" zich bevindt. Het kleinschalige effect van het externe magnetische wisselveld creëert extra elektrische stromen in elk metaal in de omgeving (bijvoorbeeld ook de aardedraad van een 3-aderig snoer). Tevens is de warmteontwikkeling in de haspel sterk afhankelijk van het type externe belasting dat gebruikt wordt (pure weerstand dan wel een RC belasting).

Als je een motor hebt om een bepaald mechanisch vermogen te leveren van zeg 100 Watt dan is het V*A-product voor de voedingskabel(volt-ampere) een stuk groter dan 100 Watt. De extra stroom welke geleverd wordt buiten de behoefte van de 100 W voor de motor creëert extra R*I² verliezen in de voedingkabel en tevens vanwege de grotere stroomsterkte zijn er extra R-verliezen in metalen delen in de omgeving. . .niet alleen in de metalen delen van de motor zelf maar ook in metalen delen van de haspel en van metalen delen in de omgeving van de haspel (eddy current verliezen).

Dat deze RC-effecten in de haspel voor en daar buiten (voor 50 Hz) klein zijn staan buiten kijf, maar dat deze effecten bestaan is een feit: In microchipontwerp worden de verbindingen tussen elementen. . .de microscopische metaalsporen welke als "draadjes" functioneren. . . zonder meer als LCR-elementen in het ontwerp berekend. . .speciaal op hoger frequenties zijn deze LRC-elementen uiterst belangrijk als onderdeel van de chip.. . .het zijn in die applicaties geen kleinschalige storingen maar onderdeel van het ontwerp. Op hoge frequenties functioneert een eenvoudig snoertje zelfs als een effectieve antenna! Voor elke machine en de voedingkabels gelden ontwerpregels om de stralingseffecten te minimaliseren. . .het is nagenoeg onmogelijk om straling te elimineren en dus moet je soms een hele machine in een Faraday Kooi zetten en voedingkabels gebruiken met een metalen omhulsel.

Op je veronderstelling dat een spoel geen warmte kan ontwikkelen wil ik opmerken dat je dit bij definitie uitsluit door je gebruik van het woord "idale spoel" waarin de weerstand R=0 bij definitie zo is. Een draad zonder weerstand wekt ook geen ohmse verleizen op (superconductors). Een kabel haspel is uiteraard geen ideale spoel en vanwege de meeraderige constructie van het snoer is het zelfs een zeer inefficiënte spoel. Zoals ik al eerder opmerkte kan je met een twee-aderig snoer nagenoeg geen elektromagneet maken.

[Anoniem: 124325]

In toevoeging aan mijn bericht van 04 juni 2005 15:04 wil ik een element uit antenneontwerp opvoeren:

1. Neem twee rechte geleiders van lengte L en verbind deze met een wisselspanning bron. De geleiders zijn parallel en hebben een afstand van S van elkaar. De geleiders zijn niet met elkaar verbonden en vormen een open circuit;

2. Aan de uiteinden van de geleiders @ x=L is de stroomsterkte altijd I=0 maar de spanning varieert van -V tot +V over de wisselspanning cyclus;

3. Aan het aansluitpunt van de geleiders @ x=0 is er altijd een V(t) en I(t) van toepassing met een faseverschil welke veroorzaakt wordt door de RC-charteristics van de twee naast elkaar liggende geleiders. Als je de inductie L zou verwaarlozen is er zonder meer een niet-verwaarloosbare C van toepassing . . .C wordt groter naarmate de geleiders dichter bij elkaar liggen.

Ook al is het duidelijk dat voor een antenne de parallel constructie zeer inefficiënt is er zal zeker in de omgeving van de twee geleiders wisselende elektromagnetische velden ontstaan welke zich gedeeltelijk van de draden afscheiden. Deze afgescheiden velden vormen de e-m straling Naarmate de frequentie van de bron stijgt zal in het stralingsveld een grotere fractie van de totale e-m energie welke de draden op x=0 in gezonden wordt in beslag nemen:de stralingsenergie.

In toevoeging aan het bovengenoemde zal aan het punt x=0 er een wisselstroom aanwezig zijn welke voor R*I² warmteopwekking zorgt, ondanks het feit dat de draden een open circuit vertegenwoordigen. . .een vergelijkbaar effect ontstaat met een condensator en een lamp in een wisselspanning circuit: de lamp gaat gewoon branden ondanks het feit dat het circuit 100% open is (in de condensator).

Het antenneontwerp met de twee parallelle geleiders is niets anders dan een lang "snoer" zonder externe belasting maar waarvan de stekker in het stopcontact zit. Als je de V en I aan het stopcontact (x=0) zou meten zou je inderdaad een wisselstroom zowel als een wisselspanning meten. Aan het losse eind (x=L) zou je alleen een wisselspanning kunnen meten.

Als het snoer wordt opgerold zullen de e-m velden buiten de draden op de andere draden gaan inwerken en uiteraard zal hoe het oprollen uitgevoerd is (netjes in volgorde of slordig) een bepaalde eindconditie (LRC-karakteristiek) veroorzaken.

Als je ergens een paar gaten in een muur gaat boren hoef je met de bovengenoemde effecten uiteraard geen rekening te houden en kan je een haspel zonder uitrollen gebruiken. Pas als je een haspel continu gaat gebruiken (een elektrische kachel of een 500 W lamp bijvoorbeeld) wordt uitrollen noodzakelijk., maar dit is grotendeels een gevolg van het feit dat de R*I² energie niet goed kan weglekken uit de diverse lagen rubber of plastic isolatie.