De ontdekking: Ørsteds collega’s maakten de wereld elektromagnetisch

Ørsted verandert de wereld

Begin 19e eeuw kenden wetenschappers het magnetisme van magnetisch gesteente, en ze wisten dat de aarde een magnetisch veld heeft waarop je kunt navigeren met behulp van een kompas.

Elektriciteit daarentegen gold als een mysterieuze kracht die vooral biologisch was – zoals bij sidderalen – maar ook vonken kon geven en een metaaldraad kon laten gloeien.

Ørsted vermoedde dat er een verband was tussen het magnetisme en stroom – en wilde het aantonen.

H.C. Ørsted maakte een proefopstelling in het auditorium van de universiteit van Kopenhagen. Die bestond uit zinkplaten in een koperen vat met zuur: een primitieve batterij.

Toen Ørsted het negatief geladen zink en het positief geladen koper met een metaaldraad verbond, liep er stroom door de draad.

En zodra hij een kompas richtte op de metaaldraad, sloeg de naald daarvan uit. De stroom had volgens Ørsted een magnetisch veld gecreëerd dat lokaal krachtiger was dan het magnetisch veld van de aarde.

Na de ontdekking bracht de Deen verslag uit bij de academie van wetenschappen in Parijs. De Franse natuurkundigen hadden meteen in de gaten dat ze hun opvatting van elektriciteit volledig moesten herzien als Ørsted gelijk had.

Velen waren sceptisch, maar toch werd er een demonstratie op touw gezet. Toen het publiek met eigen ogen zag hoe de kompasnaald uitsloeg, was het in rep en roer.

De lezing was nog niet ten einde of de Franse natuurkundige André Marie Ampère vloog naar huis, waar hij als een bezetene aan het experimenteren sloeg.

Na een paar hectische weken ontdekte hij dat een ijzeren staaf met een stroomgeleidende spoel eromheen in een magneet verandert.

Wetenschappers wereldwijd stortten zich nu op het elektromagnetisme, volgens Hans Christian Ørsted ‘de nieuwe natuurkracht’.

Meester bouwt de elektromotor

H.C. Ørsted schoof zijn ontdekking ter zijde en begon aan nieuwe projecten.

En de Britse natuurkundige Michael Faraday, destijds ‘de meester van het experiment’ genoemd, ging aan de slag met het elektromagnetisme en ontketende een technologische revolutie.

Al in 1821 demonstreerde Faraday het principe in elektromotoren. Hij bracht een staafmagneet in een vat met vloeibaar kwikzilver aan.

Daarna dompelde hij er een metaaldraad in en stuurde er stroom doorheen, zodat er een magneetveld ontstond.

Het magneetveld rond de draad reageerde met het magneetveld van de staafmagneet, waarna de metaaldraad zich om de magneet wond.

Deze ontdekking maakte de weg vrij voor de ontwikkeling van elektromotoren, waarbij magneten een as laten draaien of heen en weer laten bewegen.

Tien jaar later ontwikkelde Faraday een primitieve generator: hij liet een metalen schijf in een magnetisch veld draaien tussen de uiteinden van een hoefijzermagneet, waarna er stroom ontstond.

Daarmee deden elektrische apparaten hun intrede in de landbouw en industrie, en nu is bijna alle stroom in het elektriciteitsnet afkomstig van gigantische generatoren.

Faradays grootste ontdekking was echter dat magneetvelden in beweging stroom in elektrische geleiders kunnen opwekken.

Hij toonde met een vrij simpel experiment het inductieprincipe aan door een magneet langs een koperen spoel heen en weer te laten gaan.

De bewegingen van het magnetisch veld wekten elektrische spanning en stroom op in de spoel.

Hiertoe werd de transformator ontwikkeld, die hoge spanningen kan opwekken en veel stroom transporteert in de elektriciteitsleidingen van duizenden fabrieken en huizen.

Later vond inductie haar weg naar kookplaten.

Magnetische velden zijn golven

Ondanks dit succes ontwikkelde de Britse natuurkundige James Clerk Maxwell pas in 1865 een theorie over deze nieuwe natuurkracht.

Hij ontdekte dat elektromagnetische velden met de lichtsnelheid door de ruimte golven – met verschillende golflengten, en dus verschillende eigenschappen.

Maxwell beschreef met vergelijkingen de golffunctie van het hele elektromagnetische spectrum, van kortgolvige gamma­straling via gewoon zichtbaar licht tot de lange radiogolven.

Ook het geheim van elektriciteit werd opgehelderd, want de Britse natuurkundige J. J. Thomson toonde in 1897 aan dat stroom uit negatief geladen deeltjes bestaat, die elektronen gingen heten.

Langzaam begon het de natuurkundigen te dagen dat de basis van elektromagnetisme is dat alle stoffen en atomen bestaan uit geladen deeltjes.

Als die in beweging zijn, creëren ze magneetvelden, die elkaar aantrekken of afstoten.

Maar pas in 1913 werd de aard van het elektromagnetisme volledig doorgrond, toen de Deense natuurkundige Niels Bohr zijn atoommodel presenteerde: rond de atoomkern cirkelen elektronen in een vaste schil met een bepaald energieniveau.

Het atoom kan een hogere energietoestand bereiken als het een lichtdeeltje – foton – absorbeert met een energie die overeenkomt met het verschil tussen twee schillen.

Als het atoom terugkeert naar de basistoestand, zendt het een foton met een overeenkomstige energie uit.

Dit principe, de kwantummechanica, drijft alle natuur- en scheikundige reacties aan, wat elektromagnetisme tot de natuurkracht van het leven maakt.

Dit is te zien bij de fotosynthese van planten, waarbij de energie in de fotonen van zonlicht omgezet wordt in groei.

Maar het verschijnsel leidt ook tot de elektrische zenuwsignalen die door je hersenen razen terwijl je dit leest.

Al werd het elektromagnetisme 200 jaar geleden ontdekt, het volledige potentieel ervan is nog lang niet benut.

Binnenkort is je dagelijkse elektromagnetische dag bijvoorbeeld draadloos en wordt je elektrische voertuig opgeladen tijdens het rijden.