Categorieën
Bètacanon

Bètacanon (37): Elektromagnetisme

We hebben bijna allemaal een elektronenkanon in huis. Van achter in een ‘ouderwetse’ televisie vliegen elektronen, de dragers van elektrische lading, door een elektrisch veld richting scherm. Om de elektronen op de juiste plaats op het scherm te krijgen, worden ze onderweg afgebogen in een magnetisch veld. Als u een magneet bij uw beeldbuis houdt, ziet u het beeld vervormen.
Zonder elektriciteit zou de wekkerradio niet afgaan, bederft de melk in de koelkast, kan de oppas niet gebeld worden en gaat de computer niet aan. Wij kunnen ons een leven zonder elektriciteit haast niet meer voorstellen. Toch werden pas in de 18de eeuw materialen ontdekt die elektrische lading geleiden. Dat betekent dat er een elektrische stroom door die materialen kan lopen, zoals in het koperdraad dat overal in onze huizen ligt.
In de natuur hangen elektriciteit en magnetisme nauw met elkaar samen. De Deen Hans Christian Ørsted ontdekte dat verband in 1820 door een wel heel simpel experiment uit te voeren. Hij toonde aan dat een elektrische stroom een kompasnaald kan laten bewegen. Als u thuis een klein kompasje heeft, kunt u dit zelf gemakkelijk testen. Houd het kompas bij de voedingsdraad van een apparaat en zet het apparaat aan.
Er zijn ook stoffen die van zichzelf magnetisch zijn, zoals ijzer. Als zo’n stof in een magneetveld wordt geplaatst, wordt het materiaal gemagnetiseerd en het magneetveld nog versterkt. Zo zijn verwarmingsradiatoren vaak gemagnetiseerd door het magnetische veld van de aarde. Ook dit is makkelijk te controleren door een kompas bij de verwarming te houden.
In 1857 ontdekte de Brit Michael Faraday dat een veranderend magneetveld een stroom opwekt, ofwel induceert. Een technische toepassing van dit principe bevindt zich op de voorvork van uw fiets. Door de beweging van het fietswiel draait in een dynamo een magneetje rond. De ronddraaiende magneet verandert het magneetveld continu. In een spoel van koperdraad rond de magneet gaat dan een stroom lopen waarop de fietslamp brandt.

Een elektrische stroom is een hoeveelheid lading die in een bepaalde tijd langskomt. De grootte van zo’n stroom wordt uitgedrukt in ampère. De stroom gaat pas lopen als er druk op de lading staat. Dat noemen we spanning, uitgedrukt in volts. Denk aan een tuinspuit: het water dat uit de slang komt is de stroom, als de druk die te voelen is als je probeert de waterstraal me een vinger te stoppen is vergelijkbaar met de elektrische spanning.

De Duitse natuurkundige Georg Ohm ontdekte dat stroom niet zomaar door een materiaal kan lopen. Alle materialen hebben een weerstand, uitgedrukt in ohm. Door de wrijving die ontstaat tussen de passerende ladingen en het materiaal wordt het materiaal warm. De weerstand wordt groter als de temperatuur stijgt en zo kan een materiaal smelten of zelfs licht gaan geven, zoals in een gloeilamp gebeurt.
Eind 19de eeuw waren wetenschappers intensief op zoek naar praktische toepassingen van elektriciteit en magneten. Terwijl in laboratoria zelfs enkele doden vielen door elektrocutie, maakte men in het dagelijks leven kennis met de gloeilamp en niet veel later met de telefoon.
James Maxwell beschreef in 1865 het verband tussen elektriciteit en magnetisme dat in de natuur wordt gevonden. In vier elegante formules vatte hij daarmee 100 jaar wetenschappelijke vooruitgang samen.

Maxwells vergelijkingen beschrijven de richting en grootte van elektrische en magnetische velden. De oplossing van de vergelijkingen is een golf die zich voortbeweegt met de lichtsnelheid. Zo ontdekte Maxwell dat (zichtbaar) licht een vorm van elektromagnetische straling is. Andersom, weten we nu, worden elektrische en magnetische velden overgedragen door lichtdeeltjes, fotonen.

In de 19de eeuw was veel interesse in de manier waarop licht zich voortplant door de ether, de omgeving. Ook de vergelijkingen van Maxwell konden geen verklaring geven voor het feit dat licht zich verschillende stoffen verschillend gedraagt. De Nederlandse Nobelprijswinnaar Hendrik Lorentz veronderstelde dat licht en het materiaal waar dat door beweegt, samen bewegen in een ether. Hierop voortbordurend bedacht Einstein dat licht geen ether nodig heeft maar in lege ruimte kan bewegen. Lorentz legde zo de basis voor Einsteins speciale relativiteitstheorie uit 1905.
Elektromagnetische straling bleek een prachtig medium om informatie mee te verzenden. Zo hebben oude televisies een antenne. Die kan elektromagnetische golven van een bepaalde frequentie opvangen en omzetten in beelden. De radio doet hetzelfde op lagere frequentie. Straling van nog lagere frequenties gebruiken wij om eten op te warmen in de magnetron. Zichtbaar licht bestaat juist weer uit hogere frequenties en van nog hogere frequenties, zoals uv-straling versterken, kunnen we verbranden of ziek worden.

Hoewel er na de Maxwellvergelijkingen geen nieuwe revoluties zijn geweest op het gebied van elektromagnetisme, zijn er sindsdien steeds nieuwe technische toepassingen ontwikkeld. Zo deden de afgelopen tien jaar mobiel internet en flatscreens hun intrede?
Dus ook al is het vakgebied theoretisch af, wetenschappers kunnen nog heel lang bezig zijn met de technische mogelijkheden die elektriciteit en magnetisme met zich meegebracht hebben.

Tekst: Lucie de Nooij (1984)

Relevante boeken
Worden in de loop van 2020-2021 toegevoegd (3 september 2020)

Homepage Bètacanon
(zondag 16 september 2007)

Door Hans van Duijnhoven

Bibliothecaris sinds september 1979. Werkzaam in de regio Noord Oost Brabant.

Geef een reactie