Know-how: Geschiedenis elektrotechniek in honderd jaartallen (1)

(gepubliceerd op 16-04-2025)

Toegegeven, het is mogelijk honderd andere jaartallen te verzamelen die de geschiedenis van de elektrotechniek net zo goed (of beter) in beeld brengen. Dit is mijn persoonlijke keuze, die u hopelijk wat leerzaam leesplezier verschaft, en waarin ik bewust ook wat minder bekende data heb geselecteerd.

(Bij het schrijven van dit artikel werd uitgebreid geciteerd uit de gegevens die op 'Wikipedia' en 'Encyclopedia Britannica' ter beschikking staan en werd gebruik gemaakt van de zo goed mogelijk geverifieerde antwoorden van ChatGPT op mijn vragen.)

[1] 2750 v.Chr.: Egyptenaren ontdekken de elektrische schok

Uit ontcijferde hiërogliefen blijkt dat de oude Egyptenaren wisten dat er vissen rondzwemmen die niet alleen door te bijten of te steken pijn kunnen veroorzaken, maar ook op een magische manier op afstand, zonder enige vorm van rechtstreeks contact. Dat zijn ongetwijfeld siddermeervallen zoals de 'Malapterurus Electricus' die in staat zijn elektrische spanningen tot 350 V te genereren waarmee zij hun prooi kunnen verlammen. De Egyptenaren vonden uiteraard geen verklaring voor dit verschijnsel en noemden deze vissen de 'donder van de Nijl' en zagen ze als de beschermers van al het leven in de rivier.

De siddermeerval 'Malapterurus Electricus'. (© 2005 Stan Shebs)

[2] 1000 v.Chr.: De Grieken ontdekken het magnetisme

De oude Grieken hebben de oudste bewaard gebleven notities achtergelaten over magnetisme. In de streek Magnesia in Klein-Azië werd een mineraal gevonden, dat vreemdsoortige eigenschappen had. Dit mineraal werd 'magnetiet' genoemd. Een klomp van dit mineraal was in staat kleine stukjes ijzer aan te trekken. Als uit dit mineraal een staaf werd vervaardigd en deze staaf werd vrij opgehangen aan een touwtje, dan bleek de staaf steeds naar een welbepaalde stand te draaien en in die stand in rust te komen. Magnetiet werd 'richtende steen' genoemd, omdat men dank zij dit wonderbaarlijke mineraal steeds de richting van het noorden kon opzoeken. Toch schijnen de oude Grieken dit mineraal niet gebruikt te hebben bij hun scheepvaart. 

[3] 600 v.Chr.: Thales van Milete ontdekt statische elektriciteit

Thales van Milete (624 v.Chr. - 545 v.Chr.) was een belangrijke presocratische filosoof. Hij had twee uitgangspunten voor zijn filosofische gedachten:

• Conclusies omtrent het universum mogen alleen op het universum zelf worden gebaseerd, goddelijk ingrijpen telt niet als argument.
• Opvattingen moeten aan de hand van argumenten worden gestaafd.

Thales van Milete deed rond 600 voor Christus proefjes, waaruit bleek dat een bepaalde in de natuur voorkomende steen, 'electrum' genoemd, kleine voorwerpen zoals twijgjes en grassprietjes kon aantrekken als de steen eerst stevig was gewreven. Deze vreemde verschijnselen werden daarom 'electrium' genoemd en het zal duidelijk zijn dat het hedendaagse woord 'elektriciteit' hiervan werd afgeleid. Electrum is het oud-Griekse woord voor barnsteen. 

[4] 400 v.Chr.: In China ontdekt men dat zeilsteen ijzer aantrekt

Een zeilsteen is een natuurlijke permanente magneet uit varianten van het mineraal magnetiet. Het permanente karakter van een dergelijke natuurlijke magneet ontstaat waarschijnlijk door een heel sterk gepulst magnetisch veld rond een blikseminslag in de aarde. In zeer oude Chinese geschriften van 'De Meester uit het Demonendal' wordt vermeld dat dit zeilsteen in staat is ijzeren spijkers uit schoeisel aan te trekken. Uit deze tijd stammen ook de eerste Chinese kompaslepels (lees verder).

[5] 1187: Alexander Neckham beschrijft een primitief kompas

Alexander Neckam (1157 - 1217) was een Engelse dichter, theoloog en schrijver. Zoals zovelen van zijn theologische tijdgenoten was ook hij zeer geïnteresseerd in de natuurlijke historie. In zijn boeken 'De utensilibus' en 'De naturis rerum' geeft Alexander Neckam de vroegste Europese beschrijvingen van een primitief kompas als gids voor zeelieden. Naar wordt beweerd was hij in Parijs toen hij vernam dat een schip aan de kade lag dat een 'gemagnetiseerde Chinese lepel' aan boord had. Deze permanent magnetisch gemaakte lepel was zo gebogen dat hij in evenwicht bleef liggen en slechts met een heel klein oppervlak contact maakte met de harde ondergrond. Dat klein oppervlak vormde een vrijwel wrijvingsloos draaipunt. De lepel zou draaien totdat hij naar het noorden wees en zou zo het schip leiden bij somber weer of op sterrenloze nachten. Het ontwerp van dit primitieve kompas werd toegeschreven aan oeroude Chinese wetenschappers, vandaar de naam.

Een gemagnetiseerde Chinese lepel als eerste kompas.
(© https://sonofchina.com)

[6] 1269: Petrus Peregrinus experimenteert met magnetische stenen

Petrus Peregrinus was een unieke wetenschapper die, dwars tegen de mores van zijn tijdgenoten in, het experimenteel onderzoek heel erg waardeerde. Daarnaast zocht hij de dialoog met handwerklieden, die veel praktische kennis bezaten over de wetenschap.

Hij publiceerde het boek 'Epistola de Magnete' waarin hij een serie experimenten met betrekking tot magnetisme beschreef. Een eeuw nadat het kompas in Europa was geïntroduceerd, werd dank zij zijn experimenten duidelijk dat het kompas-verschijnsel werkte op basis van het magnetisme. Hij geloofde echter dat kompassen wezen naar de 'Hemelse pool'. In de middeleeuwse astronomie speelde het idee van de hemelse pool een belangrijke rol. Men dacht dat de hemel een bolvormige koepel was waarin de sterren vastgezet waren. De hemelse pool was als draaipunt de referentie waar de gehele schijnbare beweging van de sterren omheen was georganiseerd

[7] 1550: Girolamo Cardano onderscheidt elektrische en magnetische krachten

Girolamo Cardano (1501 - 1576) was een Italiaans arts en hoogleraar aan de Universiteiten van Pavia en Bologna. Hij beoefende de wiskunde en schreef over filosofie, astrologie, natuurkunde en het recht.

Hij maakte in zijn boek 'De Subtilitate' een belangrijk onderscheid tussen de twee onzichtbare natuurkrachten elektriciteit en magnetisme op basis van hun gedrag en oorsprong. Cardano meende dat magnetisme een eigenschap was die inherent was aan bepaalde materialen die zowel aantrekking als afstoting konden vertonen. Dit type kracht zat in het materiaal zelf, met als logisch gevolg dat een magneet altijd op dezelfde manier werkte en dat de eigenschappen stabiel waren over tijd.

Aan de andere kant beschreef hij de krachten die ontstonden bij bijvoorbeeld het wrijven over barnsteen. Hij merkte op dat dit fenomeen, statische elektriciteit, anders werkte dan magnetisme. Deze kracht werkte slechts tijdelijk en vertoonde andere effecten dan de aantrekking en afstoting die hij bij magnetische materialen zag.

Cardano legde met dit onderscheid de basis voor het verder begrip en de uiteindelijke scheiding van de natuurkrachten in de wetenschappelijke wereld.

[8] 1600: William Gilbert legt een verband tussen elektriciteit en magnetisme

William Gilbert (1544 - 1603) wordt algemeen geëerd als de grondlegger van het idee dat magnetisme en elektriciteit heel veel met elkaar te maken hebben. In zijn baanbrekende werk 'De Magnete' onderzocht hij zowel magnetische als elektrische verschijnselen en wees hij op opmerkelijke overeenkomsten. Hij voerde zorgvuldig gecontroleerde experimenten uit met natuurlijke magneten en met voorwerpen die elektrische eigenschappen vertoonden. Gilbert merkte op dat zowel magnetische als elektrische krachten eigenschappen vertoonden als aantrekken en afstoten. Hoewel hij de krachten toen nog niet als exact hetzelfde beschouwde, legde hij de basis voor de idee dat er mogelijk een onderliggend verband bestaat in hoe deze krachten werken. Zo observeerde hij dat de intensiteit van beide krachten afneemt met de afstand en dat ze in een bepaalde richting werkten.

Verder ontdekte hij, door ijzervijlsel rond een staaf magnetiet te strooien, het magnetisch veld. Hij ontdekte dat gemagnetiseerde naalden zich richten volgens dat magnetisch veld. Gilbert noemde dit verschijnsel echter 'de aura', een diepzinnig Goddelijk verschijnsel dat zich rond het magnetiet bevond en zich in alle richtingen uitspreidde. Een van zijn revolutionaire ideeën was dat de aarde zelf een grote magneet zou kunnen zijn. 

Gilbert was nog niet in staat de theoretische basis van elektriciteit en magnetisme te begrijpen. Echter, zijn nauwkeurige experimentele methodiek en zijn beschrijving van de eigenschappen van beide verschijnselen zorgde ervoor dat latere wetenschappers, zoals Coulomb, Faraday en Maxwell, verder konden bouwen op zijn inzichten om het verband tussen elektriciteit en magnetisme te verklaren.

De ontdekking van het magnetisch veld.
(© 1913 Newton Henry Black)

[9] 1629: Niccolò Cabeo beschrijft elektrische aantrekking en afstoting

Niccolò Cabeo (1586 - 1650) was een Italiaanse wiskundige die een omschrijving formuleerde van wat wij nu kennen als elektrische aantrekking en afstoting. Cabeo dacht dat een elektrisch geladen voorwerp een soort immateriële substantie, 'effluvia' genaamd, uitstraalde. Volgens zijn redenering was deze effluvia in staat om het omliggende medium te beïnvloeden en een druk of kracht uit te oefenen op nabije objecten. Wanneer twee geladen lichamen elkaar naderden, zorgde de interactie van hun uitgestoten effluvia's voor een afstotende werking, waardoor de lichamen van elkaar weg bewogen. Ook hij zag bovendien de analogie met magnetische verschijnselen.

Zijn historisch belang is dat hij voor het eerst het idee van immateriële elektrische en magnetische velden die op afstand werken aan de orde durfde te stellen. Zijn effluvia kan immers worden beschouwd als de beschrijving voor wat later het elektrisch veld zou gaan heten. 

[10] 1650: Otto von Guericke vindt de elektriseermachine uit

Otto von Guericke (1602 - 1686) vond de elektriseermachine uit door zijn waarneming dat wrijving tussen bepaalde materialen een elektrische lading kon opwekken. Hij gebruikte bij zijn experimenten met wrijvingselektriciteit een bolvormig object, gemaakt van zwavel. Dit chemisch element is namelijk zeer gevoelig voor het opwekken van statische elektriciteit door wrijving, een gevolg van het 'tribo-elektrisch effect'. Hij liet de zwavelbol ronddraaien terwijl hij tegen een ander materiaal, vaak leer of stof, aanwreef. Nadat de bol voldoende lading had opgebouwd, toonde hij de effecten van statische elektriciteit aan. De geladen bol was in staat om lichte objecten, zoals kleine stukjes papier of stofdeeltjes, aan te trekken of te laten bewegen. Zijn machine vormde de basis voor latere veel betere en grotere elektriseermachines.

De elektriseermachine van Otto von Guericke.
(© hydroelectricite.ca)

[11] 1729: Stephen Gray ontdekt dat materialen geleidende eigenschappen hebben

Stephen Gray (1666 - 1736) gebruikte een voorwerp dat door wrijving statisch was opgeladen en verbond dit met een ander, aanvankelijk neutraal voorwerp via een draad of touwtje. Hij probeerde zo de overdracht van de elektrische lading te volgen. Hij experimenteerde met verschillende soorten draden en ontdekte dat niet alle materialen hetzelfde gedrag vertonen. Bij gebruik van sommige materialen verplaatste de lading zich van het ene naar het andere voorwerp. Bij andere materialen verplaatste de lading zich nauwelijks of helemaal niet.

Gray merkte bovendien dat de geleidende eigenschappen van een materiaal onder bepaalde omstandigheden konden variëren. Natte draden van zijde geleidden de elektriciteit veel beter dan droge draden.

Stephen Gray leverde dus de basiskennis voor het onderscheid maken tussen geleiders en isolatoren. Deze ontdekking was essentieel voor het latere begrip van elektrische fenomenen en speelde een belangrijke rol in de ontwikkeling van de elektrotechniek.

[12] 1734: Du Fay ontdekt de onzichtbare 'elektrische vloeistof'

Charles François de Cisternay du Fay (1698 - 1739), ook wel gespeld als Dufay, was een Franse scheikundige en toezichthouder van de koninklijke tuinen van Frankrijk.

In het jaar 1734 ontdekte hij dat een glazen staaf die met een zijden doek was gewreven een tegengestelde kracht uitoefende op een naald dan een harsstaaf die met een dierenvel was gewreven. Bovendien kon hij aantonen dat deze krachten van het ene naar het andere materiaal konden worden overgebracht door ze te verbinden met een koperen draadje. Du Fay verklaarde dit verschijnsel door te veronderstellen dat er een soort onzichtbare 'elektrische vloeistof' bestond die op de een of andere manier van het ene naar het andere voorwerp kon stromen. Dit is de oorsprong van het begrip 'elektrische stroom'! Volgens Du Fay bestonden er twee soorten elektrische vloeistof, namelijk 'glasachtige' en 'harsachtige'. Door voorwerpen te wrijven met doeken of vellen werden deze 'volgeladen' met de vloeistof. Du Fay ontdekte experimenteel dat twee voorwerpen die met dezelfde elektrische vloeistof waren volgeladen elkaar afstootten en dat voorwerpen die met verschillende elektrische vloeistof waren volgeladen elkaar aantrokken. 

Ook Du Fay vroeg zich af of er verband bestond tussen elektriciteit en magnetisme. Men had in die tijd immers reeds ontdekt dat er ook twee soorten magnetisme bestaan, die elkaar kunnen aantrekken of afstoten.

[13] 1745: Pieter van Musschenbroek vindt de 'leidse fles' uit

De Nederlander Pieter van Musschenbroek (1692 - 1761) kan geboekstaafd worden als de uitvinder van de condensator. In die tijd werden allerlei pogingen ondernomen om die vreemde elektrische vloeistoffen ergens in te kunnen opslaan. Om een lang verhaal kort te maken volstaat het te vermelden dat van Musschenbroek, een professor aan de universiteit van Leiden, er in 1745 als eerste in slaagde om die vreemde onzichtbare vloeistoffen op te bergen in een fles. Die fles is sindsdien bekend onder de naam 'leidse fles'. Een leidse fles bestaat, zie de onderstaande figuur, uit een glazen vat dat aan weerszijden voorzien is van een geleidende laag. Men gebruikte in die jaren dunne folies van metalen, die op de glazen wanden van het vat werden gekleefd. Het glazen vat werd gevuld met metaalsnippers en voorzien van een centrale geleider, voorzien van een bolletje. 

Een batterij van leidse flessen. (© nemosciencemuseum.nl)

Als men de buitenste folie verbond met de aarde en het bolletje van de centrale geleider in aanraking bracht met een volgeladen voorwerp, dan bleek dat de elektrische vloeistof van het voorwerp afvloeide naar de glazen pot en zich daar verzamelde. Bracht men enige keren de elektrische vloeistof van een volgeladen voorwerp over naar de leidse fles en raakte men nadien het bolletje van de centrale geleider aan, dan kreeg men een flinke schok!

In feite was de leidse fles niets anders dan de eerste condensator die werd gemaakt. De twee metalen folies zou men nu de 'elektroden' van de condensator noemen, de glazen wand van het vat het 'diëlektricum'. 

[14] 1750: John Michell vindt de magnetische torsiebalans uit

In het jaar 1750 probeerde de Engelse theologiestudent John Michell (1724 - 1793) de aantrekkingskracht tussen twee magneten wiskundig te formuleren. Daarvoor ontwierp hij een heel gevoelige zogenaamde magnetische torsiebalans en kwam er achter dat de aantrekkingskracht F omgekeerd evenredig is met het kwadraat van de afstand tussen beide magneten en recht evenredig met de sterkte p1 en p2 van de magneten.

In formulevorm: 

F = Km • [(p1 • p2) / s²]

De term Km werd de 'magnetische constante' genoemd.

De magnetische torsiebalans van John Michell.
(© 1798 Henry Cavendish)

[15] 1752: Benjamin Franklin voert zijn vlieger experiment uit

De Amerikaan Benjamin Franklin (1706 - 1790) was geïntrigeerd door de elektrische experimenten die de Europese wetenschappers verrichtten en begon zelf met experimenteren in 1746. Al snel maakte hij baanbrekende observaties. Zo was hij de eerste, in 1747, die het over positieve en negatieve ladingen had in plaats van 'glasachtige' en 'harsachtige' vloeistoffen. Hij dacht dat die lading alleen in één richting kon vloeien, namelijk van een voorwerp met positieve lading naar een voorwerp met negatieve lading.

Ook had Franklin in 1749 al opgemerkt dat elektrische vonken veel overeenkomsten vertoonden met bliksemschichten. Hij was niet de eerste wetenschapper aan wie dit was opgevallen, maar wel de eerste die dit verschijnsel experimenteel wilde onderzoeken. Het beroemde levensgevaarlijke vlieger experiment van Benjamin Franklin was dus bedoeld om aan te tonen dat bliksem een vorm van elektriciteit is. Franklin liet tijdens een onweersbui een vlieger op met een sleutel bevestigd aan de onderzijde van het geleidende zijden vliegertouw. Toen de vlieger in aanraking kwam met de elektrische ladingen in de lucht, vond er een elektrische vonkontlading plaats tussen de sleutel en een leidse fles die in de buurt van de sleutel werd gehouden. De leidse fles werd dus geladen door de elektriciteit die in de lucht aanwezig was. Dit experiment bewees dat bliksem eigenlijk elektriciteit is, wat later leidde tot de uitvinding van de bliksemafleider.

Helaas hebben verschillende wetenschappers, die het experiment wilden herhalen, dit niet overleefd!

Het vlieger experiment van Benjamin Franklin. (© cpwv.org)

[16] 1759 - Elektriciteit wordt wiskundig beschreven door Franz Aepinus

Franz Aepinus (1724 - 1802), een vooraanstaand natuurkundige en wiskundige uit de 18e eeuw, was een van de eersten die probeerde elektrische verschijnselen in een wiskundig kader te vatten. Zijn werk 'Tentamen Theoriae Electricitatis et Magnetismi' was de eerste succesvolle poging om deze onderwerpen wiskundig te beredeneren. Hij veronderstelde dat elektrische lading zich kon verspreiden over een lichaam. Hij formuleerde differentiaalvergelijkingen die beschreven hoe die elektrische lading varieerde in de ruimte. In zijn denkbeelden zit al de intuïtie dat elektrische effecten afnemen met toenemende afstand. Hij voelde aan dat de invloed van ladingen kan worden beschreven door een wiskundige wet waarbij de kracht afneemt met het kwadraat van de afstand. Dit is dus een eerste benadering van de latere wet van Coulomb.

[17] 1772 - Henry Cavandish bepaalt de grootte van de elektrische lading

Henry Cavendish (1731 - 1810) was een Brits natuurkundige en scheikundige. Door de gedachten van Franklin waren onzinnige ideeën over elektrische vloeistoffen vervangen door zinnige ideeën over ladingen. Ladingen die elkaar aantrokken, bovendien. Dat voorwerpen op afstand elkaar konden beïnvloeden door aantrekking was niet nieuw. Newton had immers in het jaar 1687 zijn wereldberoemd boek 'Principia' geschreven, waarin een wiskundige beschrijving werd gegeven van de zwaartekracht (de gravitationele kracht) tussen voorwerpen in de ruimte. Newton bewees dat de gravitatiekracht tussen twee voorwerpen recht evenredig is met hun massa's en omgekeerd evenredig is met het kwadraat van hun onderlinge afstand. Met deze eenvoudige wiskundige wet bleek het mogelijk de bewegingen van alle planeten van ons zonnestelsel zeer nauwkeurig te beschrijven. Bovendien had Michell in 1750 een identieke wet opgesteld voor de kracht die twee magneten op elkaar uitoefenden. Het lag dus voor de hand dat men op zoek ging naar een soortgelijke wiskundige beschrijving van de elektrische aantrekkingskracht tussen positief en negatief geladen voorwerpen. Dank zij de elektroscoop kon men de grootte van elektrische ladingen meten. In het jaar 1772 deed de Engelsman Henry Cavendish een aantal proeven waaruit bleek dat de aantrekkende kracht tussen een positieve en een negatieve geladen voorwerp recht evenredig is met de grootte van hun ladingen en omgekeerd evenredig is met het kwadraat van de afstand tussen de geladen voorwerpen. Een meer dan toevallige overeenkomst met de formule die Newton vond voor de gravitationele aantrekking tussen voorwerpen en met de wet van Michell! 

Helaas verzuimde Cavendish de resultaten van zijn experimenten in een of ander beroemd wetenschappelijk tijdschrift te publiceren. Zijn geschriften werden pas later teruggevonden, lang nadat een andere wetenschapper dezelfde formule experimenteel had aangetoond. 

[18] 1775: Alessandro Volta verbetert de 'electrophorus'

Graaf Alessandro Giuseppe Antonio Anastasio Volta (1745 - 1827) was een Italiaans natuurkundige. De 'electrophorus' was een eenvoudig apparaat dat werd gebruikt om statische elektriciteit op te wekken voor experimenten. Het apparaat werd voor het eerst beschreven in de tweede helft van de 18e eeuw. Hoewel niet duidelijk is wie de electrophorus uitvond is men het er wél over eens dat Alessandro Volta het apparaat verbeterde tot het in de dagelijkse laboratorium praktijk bruikbaar was.

De electrophorus werkte op basis van inductie en de eigenschappen van isolatoren. Het apparaat bestond uit twee ronde onderdelen. Een isolerend plaatje werd eerst bedekt met statische elektriciteit door wrijving of een andere methode. Materialen zoals resin of rubber werden vaak gebruikt omdat zij goed isoleren. Een geleidend metalen plaatje werd bovenop het geladen isolerende plaatje geplaatst. Wanneer het geleidend plaatje in contact kwam met de geladen isolator, induceerde de statische lading een scheiding van ladingsdragers in het metaal. Hierdoor ontstond aan de onderkant van het metaal een netto lading die positief of negatief was, afhankelijk van de gebruikte materialen.

Nadat het geleidend plaatje voorzichtig werd verwijderd, behield het zijn lading die vervolgens gebruikt kon worden voor verdere experimenten of demonstraties.

De verbeterde 'electrophorus' van Alessandro Volta. (© 1840 Robert Hare)

[19] 1780: Luigi Galvani ontdekt de galvanische reactie

Luigi Galvani (1737 - 1798) was een Italiaanse arts en natuuronderzoeker die een opmerkelijke ontdekking deed die de basis legde voor ons begrip van elektrische verschijnselen in biologische organismen. In de jaren 1780 voerde Galvani experimenten uit waarin hij de spieren en zenuwen van kikkers onderzocht. Hij ontdekte dat wanneer hij zilveren en koperen naalden in contact bracht met de zenuwen van een kikker, de achterpoten van de kikker spontaan gingen bewegen. Galvani interpreteerde dit als bewijs dat er een soort 'dierlijke elektriciteit' in het weefsel van dieren aanwezig was. Hij meende dat deze elektrische kracht inherent was aan levende weefsels en dat deze door externe stimulatie kon worden opgewekt. 

Galvani’s experimenten vestigden de aandacht op het feit dat elektriciteit niet alleen in mechanische systemen of als statische kracht bestond, maar ook een rol speelde in de fysiologie van levende wezens.

Het kikker experiment van Luigi Galvani.
(© 2014 David Ames Wells)

[20] 1787: Abraham Bennet maakt de eerste goed bruikbare elektroscoop

De moderne elektroscoop, een instrument dat door middel van bewegende goudblaadjes de aanwezigheid van elektrische lading aantoont, werd in 1787 ontwikkeld door de Engelse natuurkundige Abraham Bennet (1749 - 1799). De elektroscoop zit in een glazen behuizing en bestaat uit een stevige metalen staaf met een metalen knop die door een isolerend deksel in de behuizing steekt. Aan het andere uiteinde van de staaf zijn twee dunne blaadjes bladgoud bevestigd. Een elektrisch geladen voorwerp (positief of negatief) wordt dicht bij de knop bovenop de elektroscoop gebracht. Door inductie of contact kan de lading zich verplaatsen naar de metalen staaf en de goudblaadjes. De goudblaadjes nemen dezelfde lading aan en aangezien gelijke ladingen elkaar afstoten, zullen de blaadjes uit elkaar worden getrokken. Hoe verder de blaadjes uit elkaar gaan, hoe groter de hoeveelheid elektrische lading. Als het voorwerp wordt weggehaald of de elektroscoop wordt ontladen vallen de blaadjes weer terug naar hun uitgangspositie.

De elektroscoop van Abraham Bennet.
(© percorsielettrici.it)

[21] 1788: Charles-Augustin de Coulomb stelt zijn beroemde wet op

Charles-Augustin de Coulomb (1736 - 1806) was een Franse natuurkundige die zich bezighield met elektriciteit en magnetisme. Het is volgens de officiële geschiedschrijving Coulomb die in het jaar 1788 met zijn beroemde 'wet van Coulomb' de eer kon opeisen om de elektrische aantrekking tussen geladen voorwerpen volledig wiskundig beschreven te hebben. Coulomb gebruikte voor zijn experimenten een heel ingenieus apparaat, getekend in de onderstaande figuur. Met deze 'elektrostatische torsiebalans' kon de kracht worden bepaald die twee even grote elektrisch opgeladen bolletjes in het luchtledige op elkaar uitoefenden. Het volstond de hoek te meten waarover de balans draaide om voor iedere afstand tussen de bollen een maat voor de kracht te berekenen.

Met dit apparaat ontdekte Coulomb hetzelfde als wat Cavendish zestien jaar eerder had ontdekt. De wiskundige wet die de aantrekkingskracht tussen twee elektrisch geladen voorwerpen definieert en bekend staat als de eerste wet van Coulomb luidt: 

F = Ke • [(q1 • q2) / s²]

In normale taal: de kracht F die twee elektrisch geladen voorwerpen op elkaar uitoefenen is gelijk aan het product van hun ladingen q1 en q2, gedeeld door het kwadraat van hun onderlinge afstand s en vermenigvuldigd met een bepaalde constante factor Ke. Die constante werd de 'elektrische constante' genoemd en nu is bekend dat deze constante, net als Km (de magnetische constante) een van de zogenoemde 'natuurconstanten' is. Dertien getallen voor constante factoren die in natuurkundige formules voorkomen en die in wezen er voor zorgen dat het heelal is zoals het is.

De elektrostatische torsiebalans van Coulomb.
(© Patrick Guenette)

[22] 1800: Alessandro Volta maakt zijn 'voltaische cel'

De Italiaan Alessandro Volta (1745 - 1827) werd geïntrigeerd door de experimenten van Galvani, maar concludeerde dat er geen sprake kon zijn van een andere soort elektriciteit. Hij dacht dat de samentrekkingen van de spieren van de kikker iets te maken had met het feit dat elektriciteit kon opgewekt worden als men geleiders van verschillende samenstelling in een vochtige omgeving aanbracht. Deze (juiste) conclusie voerde hem tot de uitvinding van het allereerste elektrische batterij, die 'voltaische cel' werd genoemd.

De cel bestond uit een koperen en een zinken ronde plaat, waartussen een in verdund zwavelzuur gedompelde doek was aangebracht. Met dit element kon men gedurende een kleine tijd een elektrische lading laten vloeien van de ene naar de andere plaat. Volta ontdekte bovendien dat men een aantal voltaische cellen in serie kon schakelen om meer elektriciteit op te wekken. Een dergelijke serieschakeling staat bekend als de 'zuil van Volta'.

Een zuil van Volta. (© ApicsItalianCulture)

Volta was ook de eerste wetenschapper die het vloeien van elektriciteit door een elektrische geleider consequent aanduidde met het begrip 'elektrische stroom'. Het verschil in lading tussen twee punten werd door hem 'het potentiaal' genoemd en dit was een maat voor de grootte van de elektriciteit. Als eerbewijs voor deze definitie van de grootte van elektrische spanning werd haar eenheid later de volt genoemd. 

[23] 1801: Humphry Davy ontdekt het fenomeen van de elektrolyse

Sir Humphry Davy (1778 - 1829) was een Brits scheikundige. Naast zijn vele scheikundige ontdekkingen is hij ook bekend als de uitvinder van de naar hem vernoemde mijnlamp.

Humphry Davy gebruikte een volta-zuil om zouten in hun elementen te scheiden door middel van wat nu bekend staat als elektrolyse. Met een groot aantal batterijen in serie geschakeld was hij in staat om de metalen kalium en natrium vrij te maken. Het jaar daarop volgden calcium, strontium, barium en magnesium. Zijn werk leidde bij hem tot de conclusie dat de elementen in scheikundige verbindingen niet door newtoniaanse krachten bijeen werden gehouden, maar door elektrische krachten. Davy bestudeerde ook de energie die benodigd was voor het vrijmaken van elementen uit deze zouten, iets dat nu bekend staat onder de naam elektrochemie.

[24] 1802: Humphry Davy vindt de koolstof booglamp uit

Humphry Davy vond een jaar later de koolstof booglamp uit door zijn experimenten met elektriciteit en de eigenschappen van koolstof elektroden. Davy experimenteerde met grote volta-zuilen en ontdekte dat wanneer een hoge elektrische stroom door twee geleiders, omgeven door gas of vloeistof, werd gestuurd er een lichtverschijnsel kon ontstaan. Dit verschijnsel werd de 'elektrische boog' genoemd.

Davy gebruikte twee gepunte koolstofstaven als elektroden in zijn opstellingen. Wanneer een sterke elektrische stroom door deze elektroden werd gestuurd en deze nadien iets van elkaar werden verwijderd ontstond er een intense lichtboog tussen de twee punten. Het licht was zo intens dat het als straatverlichting kon worden gebruikt.

Deze experimenten van Humphry Davy op het gebied van elektrische boogverlichting waren revolutionair. Ze hadden niet alleen praktische toepassingen, maar gaven inzicht in de onderliggende fysische en chemische processen, zoals de ionisatie van gassen en de eigenschappen van elektrische bogen.

De booglamp van Humphry Davy. (© 1873 Augustin Privat Deschanel)

[25] 1809: Samuel Thomas von Sömmerring construeert de elektrochemische telegraaf

Samuel Thomas von Sömmerring (1755 - 1830) was een Duitse arts, anatoom, antropoloog, paleontoloog en uitvinder. Als uitvinder is hij bekend gebleven dankzij zijn 'elektrochemische telegraaf'. Dat was de eerste poging om via elektriciteit berichten over te brengen van punt A naar punt B. 

De idee achter de elektrochemische telegraaf was het omzetten van een elektrische puls in een chemische reactie die door een verandering in het uiterlijk van een elektrolyt zichtbaar werd. In de onderstaande figuur is het apparaat voorgesteld. De opstelling wordt gevoed door een grote volta-zuil (rechts). Tussen de zender (midden) en de ontvanger (links) loopt een groot aantal van elkaar geïsoleerde elektrische geleiders, iets dat wij nu een kabelboom zouden noemen. In de zender zijn die geleiders verbonden met koperen toetsen die alle letters van het alfabet en de cijfers voorstellen. In de ontvanger eindigen alle geleiders in naalden in een glazen vat dat gevuld is met een elektroliet. Als de twee draden van de volta-zuil in de zender worden verbonden met twee toetsen zullen in de ontvanger aan de corresponderende naalden gasbelletjes ontstaan. Op deze manier weet de ontvanger welke twee letters werden verzonden door de zender.

De elektrochemische telegraaf van Samuel Thomas von Sömmerring.
(© 1809 Christian Koeck)

[26] 1811: Siméon-Denis Poisson toont aan dat elektriciteit wiskundige formules volgt

Siméon-Denis Poisson (1781 - 1840) was een van de pioniers die het verband aantoonden tussen de natuurverschijnselen en wiskundige formules. Hij realiseerde zich dat veel natuurverschijnselen, zoals de verspreiding van elektrische ladingen en de variaties in het elektrische potentiaal, uitsluitend beschreven konden worden onder de vorm van differentiaal vergelijkingen. Een van de beroemdste vergelijkingen die hij opstelde was de 'poisson-vergelijking'. Deze geeft de fundamentele relatie tussen het elektrische potentiaal en de lokale elektrische lading. Poisson toonde met deze vergelijking aan dat als bekend is hoe de elektrische ladingen in een gebied verdeeld zijn, het met behulp van wiskunde mogelijk is de resulterende potentiaal in dat gebied te berekenen. Het gedrag van elektrische grootheden was dus niet willekeurig, maar voldeed aan zeer strenge en ondubbelzinnige wiskundige wetten. Poisson legde met zijn werk de grondslag voor de latere elektromagnetische theorieën van Laplace als Maxwell.

[27] 1820: Hans Christian Ørsted ontdekt het magnetische effect van elektrische stroom

Hans Christian Ørsted (1777 - 1851) was een Deense natuurkundige en scheikundige. Hij ontdekte in 1820 dat een magneetnaald afweek van de rustpositie als er in de buurt van de naald een stroomvoerende geleider werd aangebracht. Blijkbaar moest er dus rond een stroomvoerende geleider een magnetisch veld ontstaan! Ørsted kon dit experimenteel bevestigen door een stroomvoerende geleider lusvormig in een stuk karton aan te brengen en fijn ijzervijlsel op het karton te strooien. Het ijzervijlsel richtte zich volgens de uit het magnetisme bekende magnetische veldlijnen. De naam Ørsted leeft voort als eenheid van de magnetische veldsterkte.

De proef van Ørsted. (© 1886 World History Archive)

[28] 1820 - André-Marie Ampère ontwerpt de 'galvanometer'

De Franse wis- en natuurkundige André-Marie Ampère (1775 - 1836) heeft erg veel bijgedragen aan de ontwikkeling van de theorieën over magnetisme en elektriciteit. Hij was niet alleen een geniaal wiskundige, maar ook een handige experimentator die heel wat fundamentele experimenten uitvoerde. Hij zette de experimenten van Ørsted verder en ontwierp de 'galvanometer', voorgesteld in de onderstaande figuur. Een galvanometer bestaat uit een basisplaat, waarop een kompasnaald wordt bevestigd. Rond het kompas is een grote cilinder aangebracht, waarop vele windingen koperdraad worden gewikkeld. In rust richt de kompasnaald zich naar het magnetisch veld van de aarde. Voert men echter een stroom door de spoel, dan zal het aardveld plaatselijk verstoord worden door het magnetisch veld dat rond de stroomvoerende geleiders ontstaat. De kompasnaald gaat naar een andere stand verdraaien en de draaihoek is een maat voor de grootte van de stroom. Met deze galvanometer kon Ampère zeer zwakke stromen detecteren en hun waarde vergelijken. 

Er zijn nadien divers soorten galvanometers ontwikkeld die nu nog steeds worden gebruikt. De originele van Ampère wordt 'tangent galvanometer' genoemd.

De 'tangent galvanometer' van Ampère.
(© 1910 Central Scientific Company)

Hij onderzocht de verschijnselen die ontstaan als men stromen laat vloeien door twee evenwijdig opgestelde draden. Als de twee draden doorlopen worden door stromen die in dezelfde richting vloeien, trekken de draden elkaar aan. Draait men in één draad de stroomrichting om, dat stoten de draden elkaar af. Ampère was in staat de krachten vrij nauwkeurig te meten en enige wetmatigheden rond dit verschijnsel wiskundig te definiëren. 

Hij beschreef zijn theorieën in een boek, 'Précis de la Théorie Des Phénomènes Électro-Dynamiques' genoemd, waarin werd geponeerd dat magnetisme een kracht is die ontstaat tussen elektrische stromen. Hiermee werd voor het eerst een ondubbelzinnige koppeling gelegd tussen de natuurverschijnselen elektriciteit en magnetisme. Een koppeling die uiteindelijk zou voeren tot het opstellen van de elektromagnetische veldtheorie door Maxwell.

De stroomproeven van Ampère. (© elektrikmen.com)

[29] 1821: Thomas Johann Seebeck ontdekt het 'seebeck-effect'

Thomas Johann Seebeck (1770 - 1831) was een Baltisch-Duitse natuurkundige die in 1821 het naar hem genoemde 'seebeck-effect' of thermo-elektrisch effect beschreef. Seebeck ontdekte dat als hij twee verschillende metalen in één punt star met elkaar verbond en dat punt opnam in een gesloten circuit er een zeer kleine spanning over dat punt ontstond als dit punt werd verwarmd. Bovendien bleek dat deze spanning afhankelijk was van het temperatuurverschil tussen de temperatuur van het punt en de temperatuur van de omgeving.

Het seebeck-effect vormt de basis van de werking van thermokoppels, onderdelen die veel worden gebruikt voor temperatuurmetingen in diverse toepassingen. Door twee verschillende materialen in een gesloten systeem star te koppelen kan men met hoge nauwkeurigheid een temperatuur bepalen, aangezien de gegenereerde spanning een directe functie is van het temperatuurverschil.

Een thermokoppel met, vergroot weergegeven, de starre koppeling tussen beide metalen.
(© 2023 Jos Verstraten)

[30] 1822: Jean-Baptiste Joseph Fourier ontwikkelt de 'fourier-reeks'

Jean-Baptiste Joseph Fourier (1768 - 1830) was een Franse wis- en natuurkundige. Hij is vooral bekend geworden door de 'fourier-reeks', die naar hem is genoemd. Dat is een wiskundige theorie, die niet zo gemakkelijk zonder gebruik te maken van ingewikkelde wiskunde is uit te leggen. Laten wij tóch een poging wagen. Als u naar een muziektoon van een bepaalde frequentie luistert door bijvoorbeeld een snaar van een viool te laten trillen, dan valt het onmiddellijk op dat die toon heel anders klinkt als hij op een ander instrument wordt gespeeld. Hoe kan dat? Het blijkt dat die toon niet alleen wordt geproduceerd door snaartrillingen op de basisfrequentie, maar dat de klankkleur voornamelijk wordt bepaald door de aanwezigheid van de zogenaamde boventonen. Dat zijn trillingen die frequenties hebben die een veelvoud zijn van de frequentie van de grondtoon. Deze trillingen worden de 'harmonischen' genoemd. De verhoudingen tussen het volume van de basisfrequentie en het volume van de harmonischen is er verantwoordelijk voor hoe een toon van een bepaald instrument klinkt. U zou deze volumeverhouding als het ware het DNA-profiel van het instrument kunnen noemen.

Fourier bewees, op een wiskundig heel ingewikkelde manier, dat ieder periodiek signaal is samengesteld uit een sinusvormig of cosinusvormig signaal met een basisfrequentie en een heleboel van die harmonischen. En net zoals die samenstelling de toon van een muziekinstrument bepaalt, bepaalt die samenstelling ook de vorm van het periodiek signaal. Die onderlinge verhouding tussen de groottes van de basisfrequentie en de harmonischen wordt de 'fourier-reeks' van het signaal genoemd.

Men kan bijvoorbeeld berekenen dat de fourier-reeks van een blokgolf uit de onderstaande termen bestaat:

       - Eerste harmonische: [1,0 • sin(f)]

       - Derde harmonische: [0,333 • sin(3f)]

       - Vijfde harmonische: [0,2 • sin(5f)]

       - Zevende harmonische: [0,143 • sin(7f)]

       - Negende harmonische: [0,111 • sin(9f)]

       - Elfde harmonische: [0,091 • sin(11f)]

Samenstelling van een blokgolf uit steeds meer harmonischen. (© 2021 Jos Verstraten)

[31] 1826: Georg Simon Ohm publiceert zijn beroemde wet

Georg Simon Ohm (1789 - 1854) was een Duits wis- en natuurkundige. In 1826 beschreef hij in zijn beroemd geworden boek 'Die galvanische Kette, mathematisch bearbeitet' de samenhang tussen gelijkstroom, gelijkspanning en weerstand en stelde zijn beroemde 'wet van ohm' op, die in praktische vorm bekend staat als:

U = I • R

Ofwel: de spanning U over een weerstand R is recht evenredig met de waarde van de weerstand en met de grootte van de stroom I die door de weerstand vloeit. 

[32] 1830: Henry ontdekt dat een wisselend magnetisch veld een spanning opwekt

Joseph Henry (1797 - 1878) was een Amerikaans natuurkundige en uitvinder van het relais. In zijn boek 'Contributions to electricity and magnetism' beschreef hij ongeveer gelijktijdig met Faraday de inductiewet. De SI-eenheid voor zelfinductie, de Henry (H), is naar hem vernoemd.

[33] 1831: Michael Faraday formuleert zijn 'inductiewet'

Michael Faraday (1791 -1867) was een Brits natuur- en scheikundige. Hij ging verder op de weg die door Ørsted en Ampère werd bewandeld en ontdekte in 1831 het principe van de inductie. Als men twee draden parallel opstelt en door één draad een variërende stroom stuurt, dan zal in de tweede draad een stroom ontstaan die evenredig is met de snelheid en de grootte van de stroomvariatie in de eerste draad. Bovendien ontdekte Faraday dat er ook een stroom in een draad ontstaat als men een magneet in de buurt van de draad beweegt.

Hij stelde een wet op die de 'inductiewet van faraday' werd genoemd en waarin de experimenteel onderzochte verschijnselen wiskundig werden beschreven. Deze inductiewet vormt de basis van een heel groot gebied van de moderne elektrotechniek en elektronica, immers de werking van dynamo's, elektromotoren, generatoren en transformatoren berust op deze wet. Als eerbewijs voor zijn werk werd later de eenheid van capaciteit, de Farad, naar hem vernoemd. 

[34] 1831: Michael Faraday ontwerpt de 'faraday-schijf'

Als een praktische toepassing van de door hem geformuleerde inductiewet ontwierp Michael Faraday de 'faraday-schijf'. Dat is een gelijkstroom generator die bestaat uit een geleidende schijf die draait in een constant magneetveld dat loodrecht op de schijf invalt. Tussen de as en de rand van de schijf wordt een kleine gelijkspanning opgewekt, waarvan de richting afhangt van de draairichting van de schijf en de richting van het magneetveld. De opgewekte spanning is meestal maar een paar volt bij kleine demonstratiemodellen, maar grote generatoren voor onderzoeksdoeleinden kunnen honderden volt opwekken. De spanning wordt van de schijf afgenomen door middel van twee sleepcontacten. Een eigenschap van de faraday-schijf is dat het apparaat zeer grote stromen kan genereren, soms van meer dan een miljoen ampère, omdat de inwendige weerstand van de schijf bijzonder laag kan zijn.
 

Samenstelling van een faraday-schijf.
(© 1884 Émile Alglave & J. Boulard)

[35] 1832: Pavel Schilling bouwt de eerste elektromagnetische telegraaf

Baron Pavel Lvovitsj Schilling von Cannstatt (1786 - 1837) was een Russisch diplomaat en wetenschapper die de eerste elektromagnetische telegraaf construeerde. Tijdens een reis had hij in München de eerste elektrochemische telegraaf van Sömmering in werking gezien. Na de ontdekking van elektromagnetisme door Ørsted ging Schilling aan de slag om op basis van dit nieuwe principe een werkbaarder telegrafiesysteem te ontwerpen. De eerste versie van zijn elektromagnetische telegraaf met twee magneetnaalden werd begin 1830 opgezet in Schillings appartement in Sint-Petersburg. Hij was daarbij de eerste die gebruik maakte van een tweedraads verbinding en ontwikkelde hierbij een binaire code voor het verzenden van het signaal. De magneetnaalden konden twee posities innemen boven een spoel en zo de inhoud van verzonden gegevens weergeven.

In 1832 volgde een uitgebreidere versie met zes magneetnaalden. Deze konden in totaal 64 karakters coderen. De naalden hingen boven spoelen aan zijden draden. Aan deze draden waren papieren schijven bevestigd die aan de ene kant wit en aan de andere kant zwart waren gekleurd. In rust waren de witte zijden zichtbaar. Als een spoel onder spanning werd gezet ging de naald draaien waardoor de zwarte zijde van de schijf zichtbaar werd. Er waren acht draden nodig tussen de zender en de ontvanger: zes voor het onder spanning zetten van de spoelen, een gemeenschappelijke retour en een attentiedraad die onder spanning werd gezet als de zender een bericht verstuurde.

De elektromagnetische telegraaf van Pavel Schilling. (© Library Book Collection)

[36] 1833: Faraday stelt zijn twee elektrolysewetten op

De reeds eerder besproken Faraday stelde twee wetten op die het verband beschrijven tussen de hoeveelheid elektrische lading die door een elektrolyt gaat en de hoeveelheid stof die wordt afgebroken of afgezet tijdens de elektrolyse. 

De eerste Wet van Faraday stelt dat de massa m van een stof die tijdens elektrolyse wordt afgezet (of opgelost) recht evenredig is met de totale hoeveelheid elektrische lading Q die door het elektrolyt is gegaan.

De tweede Wet van Faraday stelt dat wanneer dezelfde hoeveelheid elektrische lading Q door verschillende elektrolyten wordt geleid, de massa's van de afgezette stoffen evenredig zijn met hun equivalent gewichten E.

Deze wetten vormen een fundamenteel principe in de chemie en worden nog steeds gebruikt in moderne toepassingen zoals galvanisatie, batterij-ontwikkeling en zuivering van metalen.

[37] 1834: Heinrich Lenz formuleert de 'wet van lenz'

Heinrich Friedrich Emil Lenz (1804 - 1865) was een Baltisch-Duits natuurkundige die vooral bekend is vanwege de naar hem genoemde 'wet van lenz' die hij in 1834 formuleerde. Wanneer een magnetisch veld in een gesloten geleider verandert, induceert dit een elektrische stroom in die geleider. De wet van lenz stelt dat de richting van de geïnduceerde stroom zodanig is dat het eigen magnetisch veld dat die stroom opwekt, de oorzaak van de verandering zo veel mogelijk probeert tegen te werken. Dit verschijnsel vormt de basis van de werking van een heleboel elektromagnetische apparaten.

[38] 1835: Joseph Henry vindt het relais uit

In de begindagen van de telegraaf verzwakte de sterkte van het signaal tijdens het afleggen van lange afstanden, waardoor het moeilijk werd om berichten betrouwbaar te verzenden over lange afstanden. Om deze beperking te omzeilen ontwierp Joseph Henry een apparaat dat relais werd genoemd. Het signaal op de telegraaf-lijn werd ontvangen op tussenstations waar het een contact aanstuurde dat het signaal op maximale sterkte regenereerde. Dit proces werd herhaald terwijl het signaal de lijn aflegde en zorgde ervoor dat het de bestemming bereikte met voldoende sterkte om foutloos te worden ontvangen.

Het relais van Joseph Henry. (© 2017 Technicshistory)

[39] 1836: Thomas Davenport bouwt de eerste elektromotor

Thomas Davenport (1802 - 1851) was een Amerikaans smid die woonde in Forestdale (Vermont). Hij was een autodidact en was zeer geïnteresseerd in de nieuwe ontdekkingen en ontwikkelingen op het gebied van elektriciteit en magnetisme. Hij zocht contact met Joseph Henry en observeerde diens experimenten. Uit elektromagneten, die hij van Henry had gekocht, bouwde hij samen met zijn vrouw Emily de eerste gelijkstroom elektromotor.

Zijn eerste in 1834 ingediende patentaanvraag voor 'Improvement in propelling machinery by magnetism and electromagnetism' werd echter geweigerd. Een tweede patentaanvraag, ondersteund door een paar beroemde wetenschappers, werd goedgekeurd. In 1837 bouwde hij met zijn elektromotor een model van een elektrisch aangedreven railvoertuig op een cirkelvormig railspoor.

Een replica van de motor van Thomas Davenport. (© National Maglab)

[40] 1837: Charles Wheatstone ontwikkelt de 'wheatstone-brug'

Charles Wheatstone (1802 - 1875) was een Brits wetenschapper en uitvinder van verschillende wetenschappelijke doorbraken in het victoriaanse tijdperk. Een van zijn bekendste uitvindingen was uiteraard zijn 'brug van wheatstone'. Met deze brug kunt u de waarde van een onbekende weerstand meten door deze in één zijde van de brug op te nemen, twee bekende weerstanden in twee overige zijden en een weerstandsdecade in de vierde zijde. Door deze decade af te regelen tot de brug in evenwicht is kunt u de waarde van de onbekende weerstand met een simpele formule berekenen.

In de onderstaande figuur is de samenstelling van een wheatstone-brug getekend. De weerstanden R1 en R3 zijn nauwkeurig bekende weerstanden, bijvoorbeeld exemplaren met een tolerantie van ±0,1 %. De weerstand R2 is de instelbare en afleesbare weerstandsdecade. De weerstand Rx is de onbekende, te meten weerstand.

De wheatstone-brug moet u voeden met een constante gelijkspanning Ub. In de tweede diagonaal zet u een gevoelige galvanometer M1. Bij het sluiten van de schakelaar S1 zal de naald van de galvanometer in een van de hoeken van de schaal terecht komen. U verdraait de knoppen van de weerstandsdecade tot de naald van de meter zo dicht mogelijk de nulstand in het midden van de schaal benadert. Als de naald van de galvanometer in het midden staat vloeit er geen stroom door het instrument. Dat kan alleen als de spanningen op de punten B en D aan elkaar gelijk zijn. Met de wet van ohm kunt u beredeneren dat dit het geval is als:

R2 / R1 = Rx / R3

Uit deze vergelijking volgt:

Rx = [R2 / R1] • R3

De waarden van R1 en R3 zijn bekend, u kunt de waarde van R2 aflezen van de knoppen van de decadenbank.

De brug van wheatstone. (© 2022 Jos Verstraten)

[41] 1837: Samuel Morse demonstreert de werking van zijn telegraaf

Samuel Finley Breese Morse (1791 - 1872) was een Amerikaans uitvinder en kunstschilder. Hij werd wereldwijd bekend door de ontwikkeling van een systeem voor elektrische telegrafie en de naar hem vernoemde morse-code.

Morse bedacht een manier om met behulp van een seinsleutel, een elektromagneet en een twee-aderige kabel berichten heel ver te versturen. In 1835 bouwde hij een eerste proefopstelling van zo'n telegraaftoestel. De volgende twee jaar werkte hij aan een code om de letters uit het alfabet om te zetten in korte en lange elektrische stroomstootjes. Dat werd de wereldberoemde morse-code. Toen hij in 1837 zijn uitvinding demonstreerde om financiële steun te verkrijgen vond men het praktisch belang van zijn uitvinding echter te gering om er in te investeren. Twee jaar later probeerde hij het opnieuw en ontving hij 30.000 dollar voor de aanleg van een telegraaflijn tussen Washington en Baltimore. Op 27 mei 1844 werd het eerste bericht over deze lijn verzonden. Samuel Morse werd wereldberoemd. Zijn telegraaf was immers eenvoudig van constructie en er waren slechts twee draden nodig voor een verbinding. De morse-code was snel aan te leren.

Met de seinsleutel zet men korte en lange spanningspulsjes op de lijn, uiteraard volgens de morse-code. Voor het zenden van de letter A is één korte en één lange puls nodig. De langste code is gekoppeld aan het cijfer nul dat vijf lange pulsjes vereist. In de ontvanger bekrachtigen deze pulsjes een elektromagneet. Deze magneet trekt een ijzeren anker aan waaraan een pen is bevestigd. Deze pen zet de korte en lange streepjes van de morse-code op een papieren strip die wordt afgerold van een rol.

De telegraaf van Morse. (© diyhomeschooler.com)

[42] 1839: William Grove ontwikkelt de eerste brandstofcel

William Robert Grove (1811 - 1896) was een Brits jurist en natuurwetenschapper. Grove is samen met de Zwitser Christian Friedrich Schönbein bekend als de 'vader van brandstofcel'.

In 1839 ontwikkelde Grove een 'gaseous voltaic battery' die wordt beschouwd als de voorloper van de moderne brandstofcel. Grove voerde een experiment uit waarbij twee platina strips zijn geplaatst in een oplossing van verdund zwavelzuur. De ene strip staat daarbij in contact met waterstofgas, de andere met zuurstofgas. Hij ontdekte dat er dan een elektrische stroom tussen beide strips loopt. Deze stroom kan worden gebruikt voor het voeden van elektrische apparatuur.

[43] 1859 - Gaston Planté vindt de accumulator uit

Gaston Planté (1834 - 1889) was een Frans natuurkundige en uitvinder. De uitvinding van de accumulator wordt aan hem toegeschreven. In 1859 deed hij een proef die wordt toegelicht aan de hand van onderstaande figuur. In een glazen bak werden twee loden elektroden opgehangen in een bad met verdund zwavelzuur. Het zal duidelijk zijn dat een dergelijke opstelling nooit een primaire elektrochemische cel kan vormen, omdat twee platen van hetzelfde metaal worden toegepast en daartussen nooit een elektrische spanning kan ontstaan. Planté sloot de twee loden platen via een ampère-meter A en een omschakelaar S aan op een primaire cel U of op een weerstand R. Als hij de schakelaar S in de stand A zette, stelde hij vast dat er een stroom uit de cel naar de opstelling vloeide. Na enige tijd werd deze stroom steeds lager en nam af tot nul. Als hij vervolgens de opstelling loskoppelde van de cel door de schakelaar om te schakelen van A naar B, stelde hij vast dat er weer een stroom door de kring ging vloeien, maar nu in tegengestelde richting. Als er een stroom vloeit, dan moet er ook een spanning zijn. Nu is het zeer onwaarschijnlijk dat die spanning ontstaat in de weerstand R of in de ampèremeter A. De voor de hand liggende conclusie is dat alleen de bak met loden platen en zwavelzuur verantwoordelijk kan zijn voor het ontstaan van een spanning in de kring. Hij stelde vast dat de stroom na een tijdje kleiner werd en naar nul ging. De eerst accu was geboren!

De lood-accumulator van Planté. (© 2018 Jos Verstraten)

[44] 1866: August Wilhelm von Hofmann ontwerpt zijn 'volta-meter'

August Wilhelm von Hofmann (1818 - 1892) was een Duitse chemicus. Er zijn verschillende geleerden, zoals Volta, Davy en Faraday, die experimenten op het gebied van elektrolyse hebben uitgevoerd. Von Hofmann was echter de eerste die serieuze, analytisch verantwoorde experimenten uitvoerde op dat gebied. Hij bouwde een apparaat, dat 'volta-meter' werd genoemd en er uit zag zoals voorgesteld in onderstaande figuur. Het glazen apparaat bestaat uit drie buizen die met elkaar in verbinding staan. De middelste buis is het voorraadvat, waarlangs de te onderzoeken oplossing wordt aangevoerd. De linker en rechter buizen hebben aan de onderzijde kleine elektroden van platina, waartussen een gelijkspanning wordt aangesloten. Beide buizen zijn voorzien van een kraantje, zodat u de gassen die eventueel geproduceerd worden kunt aftappen.

De volta-meter van Hoffmann. (© 2018 Jos Verstraten)

Het experiment van Hofmann is klassiek geworden in de natuurkunde en u kunt het gemakkelijk herhalen. Bij dit experiment vult u de opstelling volledig met gedestilleerd water, waaraan u een paar druppeltjes zuur hebt toegevoerd om er zeker van te zijn dat de vloeistof een bepaalde mate van elektrische geleidbaarheid gaat vertonen. U draait de twee kraantjes open en u giet via de middelste buis zoveel aangezuurd water in het apparaat tot het water uit beide kraantjes spuit. Nadien sluit u de kraantjes. Op deze manier bent u er zeker van dat er alleen water in het apparaat zit en alle gassen verdreven zijn. Vervolgens sluit u een batterij, die in serie staat met een ampèremeter en een regelbare weerstand, aan tussen de twee elektroden. Na het sluiten van de stroomkring merk u op dat er een stroom door het apparaat gaat lopen en dat er aan beide elektroden kleine gasbelletjes ontstaan. Deze belletjes stijgen uiteraard op in de twee buitenste glazen buizen. De twee buitenste buizen worden met gas gevuld, dat het aangezuurde water terug drukt naar de middelste kolom. U merkt op dat in de buis die verbonden is met de negatieve pool van de batterij exact twee keer zo veel gas ontstaat dan in de linker kolom. Na enige tijd is er in beide buizen zoveel gas gevormd dat u dit via de kraantjes kunt aftappen. U ontdekt dat aan de negatieve pool zuiver waterstof gas ontstaat en aan de positieve pool zuiver zuurstof gas en wel in de verhouding 2/1.

[45] 1866: Georges Leclanché vindt de 'cel van leclanché' uit

Georges Leclanché (1839 - 1882) was een Frans elektrotechnicus. Deze Fransman maakte in 1866 een elektrische cel, waarvan de samenstelling getekend is in onderstaande figuur. Deze cel gaat sindsdien door het leven onder de naam 'cel van leclanché' en deze vormt nu nog steeds de basis van een heleboel goedkope batterijen die u in iedere supermarkt kunt kopen. De cel bestaat uit een glazen pot, die gevuld wordt met een verdunde oplossing van ammoniumchloride (salmiak) als elektrolyt. De ene elektrode wordt gevormd door een zinken staaf, de tweede door een staaf uit koolstof. De koolstof staaf hangt echter niet rechtstreeks in het elektrolyt, maar zit in een poreuze pot, die gevuld is met een mengsel van koolstofpoeder en magnesiumoxide. Deze stoffen gaan het polariseren van de cel tegen. Op de positieve pool wordt waterstofgas gevormd. Het magnesiumoxide zorgt er echter voor dat dit waterstofgas een chemische reactie aangaat, waardoor het gebonden wordt en de koolstaaf niet met microscopische gasbelletjes kan afsluiten. Uit de spanningsreeks kunt u afleiden dat de cel van leclanché een spanning afgeeft van 0,74 V + 0,76 V = 1,5 V.
De cel van leclanché werd zeer lang overal toegepast. Het enige nadeel van de cel is dat de depolarisator vrij traag werkt. Als er een grote stroom uit de cel getrokken wordt, zal er zoveel waterstofgas rond de koolstaaf ontstaan, dat het magnesiumoxide niet in staat is dit om te zetten. Vandaar dat de cel dan toch langzaam polariseert, met als gevolg dat de spanning gaat dalen. Als u de cel nadien echter een tijdje niet belast zal het magnesiumoxide zijn werk blijven doen en het gevormde waterstof omzetten. Nadien levert de cel weer zijn volle spanning van 1,5 V.

De cel van leclanché. (© 2017 Jos Verstraten)

[46] 1869: Zénobe Théophile Gramme construeert zijn 'gramme-dynamo'

Zénobe Théophile Gramme (1826 - 1901) was een Belgisch elektrotechnisch ingenieur. In 1869 vond hij de naar hem genoemde 'gramme-dynamo' uit. In 1871 demonstreerde Gramme deze machine voor het eerst aan de Académie des Sciences in Parijs. De gramme-dynamo is samengesteld uit een vast gedeelte, stator genoemd, en een draaiend gedeelte, de rotor. De rotor is opgebouwd uit een ringvormig anker van weekijzer dat vrij kan ronddraaien. Rond dit anker is een dertigtal spoelen van koperdraad gewikkeld die in serie zijn geschakeld. Iedere tussenliggende verbinding is aangesloten op een commutator waarover twee koolborstels lopen. In de stator wordt met behulp van twee spoelen en een gelijkspanning een magneetveld gecreëerd dat ook door het ronddraaiende ringanker en over de ankerspoelen loopt. Hierdoor wordt er een inductiespanning opgewekt in twee tegenover elkaar liggende spoelen van het anker. Deze geïnduceerde spanning komt via de commutator op de koolborstels te staan en kan elektrisch vermogen leveren aan een aangesloten weerstand.

De dynamo van Gramme. (© 1905 Kogo)

[47] 1873: James Clerk Maxwell publiceert zijn vier 'maxwell-vergelijkingen'

James Clerk Maxwell (1831 - 1879) was een Schots wis- en natuurkundige. Met Albert Einstein en Isaac Newton wordt hij tot de grootste natuurkundigen gerekend. In zijn boek 'A Treatise on Electricity and Magnetism' publiceert hij in 1873 de uiteindelijke versies van zijn vier 'maxwell-vergelijkingen'. Op deze vergelijkingen is de gehele klassieke elektromagnetische theorie gebouwd.  Deze wetten zijn alleen te begrijpen door iemand die wiskunde heeft gestudeerd. Maar laten wij tóch een poging wagen de betekenis van die vier formules te verduidelijken, met dank aan ChatGPT voor de uitleg. De vier maxwell-vergelijkingen vormen samen de taal van de natuur als het gaat om elektriciteit en magnetisme. Ze leggen uit hoe elektrische en magnetische velden ontstaan, hoe deze zich gedragen en hoe zij met elkaar in wisselwerking komen.

De vier Maxwell-vergelijkingen.

• Gauss' wet voor het elektrisch veld
  Deze wet vertelt ons dat de elektrische velden rondom een lading als het ware uitstralen. Als u een denkbeeldige gesloten oppervlakte (bijvoorbeeld een bal) rond een lading plaatst, dan bepaalt het totale elektrisch veld dat door deze oppervlakte 'stroomt' hoeveel lading er binnenin zit. Met andere woorden: meer lading betekent een sterker veld dat eruit stroomt.
• Gauss' wet voor het magnetisch veld
  In tegenstelling tot elektrische velden, hebben magnetische velden geen 'begin' of 'einde'. Dit komt omdat magneten altijd twee polen hebben, een noordpool en een zuidpool. De totale magnetische flux (het 'stroomsysteem' van het magnetisch veld) door een gesloten oppervlakte is dus altijd nul. Er bestaat dus geen 'magnetische bron' zoals bij elektrische ladingen.
• Wet van Faraday
  Faraday ontdekte dat een veranderend magnetisch veld in een lus (bijvoorbeeld een draadkring) een elektrisch veld opwekt. Dit betekent dat als een magneet beweegt ten opzichte van een spoel, er een stroom in de spoel gaat lopen.
• Ampère-Maxwell wet
  Deze wet laat zien dat een elektrische stroom, of een veranderend elektrisch veld, een magnetisch veld veroorzaakt. Oorspronkelijk ontdekte Ampère dat stromende elektriciteit een magnetisch veld creëert, maar Maxwell voegde toe dat ook een veranderend elektrisch veld een magnetisch veld kan genereren.

De vier maxwell-vergelijkingen laten zien hoe elektrische en magnetische velden met elkaar omgaan:

• Elektrische velden ontstaan uit ladingen.
• Magnetische velden hebben geen losse bronnen, omdat magneten altijd twee polen hebben.
• Een veranderend magnetisch veld zal een elektrisch veld (en dus een elektrische stroom) veroorzaken.
• Een elektrische stroom of een veranderend elektrisch veld zal een magnetisch veld opwekken.

[48] 1873: Willoughby Smith ontdekt de lichtgevoeligheid van seleen

Willoughby Smith (1828 - 1891) was een Engels elektrotechnicus die in 1873 de fotogeleiding van het element seleen ontdekte. Toevallig kwam hij erachter dat de geleiding van seleen sterk toenam naarmate het meer werd blootgesteld aan daglicht. Hij had de staven opgeslagen in een met een deksel afgesloten doos. Wanneer de doos gesloten was, was de weerstand van het materiaal het hoogst. Werd de doos geopend en viel er op de staven een fel zonlicht dan nam de geleiding met 15 % tot 100 % toe.

Zijn ontdekking leidde tot de uitvinding van de foto-elektrische cellen.

[49] 1874: Karl Ferdinand Braun vindt de kristaldetector uit

Karl Ferdinand Braun (1850 - 1918) was een Duits natuurkundige en medeoprichter van Telefunken. In 1909 won hij de Nobelprijs voor de Natuurkunde voor zijn bijdragen aan de ontwikkelingen van de draadloze telegrafie. In 1874 ontdekte Braun de asymmetrische geleidingseigenschappen van bepaalde materialen. Deze ontdekking toonde aan dat bepaalde halfgeleiderverbindingen elektriciteit gemakkelijker in de ene richting geleiden dan in de andere. Zijn ontdekking leidde tot de ontwikkeling van de eerste puntcontact diode, de kristaldetector. Dat was een van de eerste échte toepassingen van halfgeleidende materialen. Die uitvinding maakte de weg vrij voor alle toekomstige halfgeleiders, zoals de moderne diodes en transistors.

De kristaldetector van Braun. (© 2007 J. A. Davidson)

[50] 1876: Alexander Graham Bell krijgt een patent op zijn telefoon

Alexander Graham Bell (1847 - 1922) was een Schots-Amerikaans uitvinder, autodidact en de oprichter van de telefoonmaatschappij Bell, die uitgroeide tot de American Telephone and Telegraph Company (AT&T).

Toen hij leraar was begon hij in zijn vrije tijd onderzoek te doen naar de elektrische overdracht van geluid van de ene plaats naar de andere. Op 14 februari 1876 diende Bell zijn octrooi aanvraag voor zijn telefoon in. Het octrooi werd op 7 maart toegekend en drie dagen later sprak Bell tegen zijn assistent Watson de historische woorden in zijn telefoon: 'Mr. Watson, come here. I want to see you'. Watson, die in een andere kamer van het huis verbleef, kwam direct.

Een replica van de telefoon van Bell. (© Mozaik Education)

De telefoon van Bell bestaat uit een microfoon, een batterij, een twee-draad verbinding en een luidspreker. De microfoon bevat niets meer dan een elektromagneet met daarvoor een strakgespannen membraan. Zodra het membraan door spraak in trilling wordt gebracht, worden er stromen geïnduceerd in de windingen van de elektromagneet. Deze stromen lopen via de lijn naar de ontvanger. Daar bevindt zich een identiek apparaat, maar dat andersom werkt. De wisselstroom in de lijn wekt een magnetisch veld op in de spoel. Dit brengt een membraan aan het trillen, waardoor de elektrische wisselstroom wordt omgezet in geluid.

Het tweede deel van dit artikel

Het tweede deel van dit artikel kunt u lezen via:

Aanklikbare link ➡ Know-how: Geschiedenis elektrotechniek in honderd jaartallen (2)

(Banggood sponsor advertentie)
Koop uw bouwpakketten bij Banggood