In 1820 voerde Hans Christian Oersted een belangrijk experiment uit waaruit bleek dat er een verband bestond tussen elektriciteit en magnetisme. Wanneer een stroom door een draad werd aangezet, deed dit een kompasnaald zo draaien dat deze loodrecht op de draad stond. De stroom had een magnetisch veld opgewekt dat sterk genoeg was om de kompasnaald te doen draaien.
Achtergrond van het experiment
Het was reeds bekend dat een elektrische stroom in een draad een verwarmend effect heeft, en de draad kan doen gloeien. Hieruit bleek dat de drie verschijnselen elektriciteit, verwarming en verlichting met elkaar verbonden waren.
Wetenschappers trachten schijnbaar verschillende verschijnselen te ‘verenigen’ door hun onderliggende oorzaken te vinden.
Vraag: Hoe kunnen we aantonen dat een elektrische stroom een verwarmend effect heeft, en ook kan resulteren in licht?
Antwoord: Zie experiment
Verwarmingseffect van een stroom.
Het was ook bekend dat wanneer de bliksem, een vorm van elektriciteit, een schip trof, het kompas van het schip kon worden beïnvloed – de polariteit kon worden omgedraaid.
Vraag: Wat suggereert dit?
Antwoord: Er is een verband tussen elektriciteit en magnetisme.
Wetenschappers putten uit bewijzen uit het dagelijks leven; ze proberen het bewijs te begrijpen door experimenten.
Hoe kon dit verband in het lab worden aangetoond?
Experimenteerders stelden zich voor dat, als een elektrische stroom langs een rechte draad vloeide, het magnetische veld dat het produceerde in dezelfde richting zou zijn. Daarom plaatsten zij hun kompasnaalden haaks op de draad, in de veronderstelling dat zij door de stroom zouden worden afgebogen, zodat zij evenwijdig aan de draad zouden komen te staan. Zij zagen geen effect omdat, zoals Oersted zou aantonen, het geproduceerde magnetische veld loodrecht op de draad staat. Vooroordelen verhinderden dus dat eerdere experimentatoren het effect zagen. (Merk op dat de beschikbare apparatuur -voltaïsche palen, typisch- slechts een kleine stroom produceerde, zodat het effect in elk geval zeer zwak zou zijn geweest.)
Experiment: Stel een kompas op dat noord-zuid wijst; plaats er een draad boven, die oost-west ligt. Verbind met een 1,5 V cel. Er mag geen effect zijn.
Vooroordelen (bestaande ideeën) kunnen het moeilijk maken om vooruitgang te boeken.
Oersted’s denken
Oerst stelde zich een elektrische stroom voor die door een draad ‘worstelde’. Terwijl deze stroom vloeide, gaf dit ‘conflict’ aanleiding tot ‘warmte’ (of infrarode straling, zoals wij het nu begrijpen) en licht, die van de draad wegstraalden. Zou dit ook niet kunnen leiden tot een magnetisch veld, dat wegstraalt?
Een idee leidt tot een ander, dat vervolgens kan worden getest.
Vraag: Hoe zou je magnetische veldlijnen tekenen om het idee van Oersted weer te geven?
Antwoord: Uitstralen vanuit de draad.
Vraag: Hoe zou een kompasnaald zich moeten gedragen, als dit idee juist is?
Antwoord: Verwacht mag worden, dat hij radiaal naar de draad wijst. Probeer het maar eens, en de magneet doet dit niet. Dus magnetische veldlijnen stralen niet uit van een stroomvoerende draad.
Oersted’s experiment
Oersted gaf een openbare demonstratie van het verband tussen elektriciteit, ‘warmte’ en licht. Hij verbond een voltaïsch paaltje met een platina draad en toonde aan dat het warm werd en gloeide.
Terwijl hij lezingen gaf, kwam zijn idee over een verband tussen elektriciteit en magnetisme weer in zijn hoofd op. Hij had een kompas bij de hand (voor andere experimenten die hij wilde demonstreren), dus besloot hij zijn idee daar en toen te testen.
Experiment: Zet het vorige experiment op, maar met de draad noord-zuid liggend boven het kompas, evenwijdig aan de kompasnaald. Zet aan – de naald draait naar oost-west.
Zie ook:
Oersted’s experiment.
Oerst draaide de stroom om; de naald bewoog de andere kant op.
Het door Oersted en zijn publiek waargenomen effect was gering; niemand was erg onder de indruk. Oersted was zich ervan bewust dat andere wetenschappers waren afgeleid door soortgelijke ongrijpbare verschijnselen, en het duurde drie maanden voordat hij meer tijd aan zijn ontdekking besteedde.
Wetenschappers werken vaak tegen de grenzen van de gevoeligheid van hun instrumenten. Een techniek moet soms sterk worden verfijnd voordat een verschijnsel betrouwbaar kan worden waargenomen.
Wat Oersted vervolgens deed
Oersted toonde aan dat het magnetisch veld rond een stroomvoerende draad cirkelvormig is; d.w.z. de krachtlijnen zijn cirkels, gecentreerd op de draad.
Experiment:
Magnetisch veld ten gevolge van een elektrische stroom in een draad.
Hij toonde verder aan dat een dikkere draad een groter effect teweegbracht. Hij toonde ook aan dat materiaal tussen draad en kompas geen effect had.
Vraag: Waarom?
Antwoord: Dikkere draad heeft minder weerstand, dus grotere stroom. Niet-magnetische materialen hebben geen effect op een magnetisch veld.
In juli 1820 stuurde hij een document van 4 pagina’s met een overzicht van zijn resultaten, in het Latijn, naar verschillende wetenschappelijke tijdschriften.
Wetenschappers worden geacht hun bevindingen zo snel mogelijk te delen, door publicatie in tijdschriften. In 1820 was Latijn een gemeenschappelijke (gedeelde) taal die wetenschappers van verschillende nationaliteiten in staat stelde elkaars werk te begrijpen.
Ampere las Oersted’s rapport, en in een week tijd had hij de waarnemingen herhaald en een wiskundige theorie ontwikkeld die beschreef hoe het magnetisch veld afhangt van de sterkte van de stroom en de afstand tot de draad.
In principe worden wetenschappelijke resultaten gecontroleerd door andere wetenschappers die de experimenten herhalen, om te zien of zij dezelfde resultaten krijgen.
Oersted had een experimenteel verschijnsel waargenomen en beschreven. Ampere ging verder door een wiskundige vergelijking te schrijven om het te verklaren.
Vraag: Oersted had aangetoond dat een elektrische stroom een magnetisch veld om zich heen heeft. Welke praktische toepassingen werden uit dit idee ontwikkeld?
Antwoord: Elektromagneten, motoren, dynamo’s, transformatoren, enz.
Meer over Oersted
Oersted richtte het Deense Genootschap voor de Verspreiding van Natuurwetenschappen op, een genootschap dat zich ten doel stelde wetenschappelijke ideeën aan het grote publiek te presenteren. Oersted speelde ook een belangrijke rol bij de oprichting van de Technische Universiteit van Denemarken, met de bedoeling de wetenschappelijke basis van de techniek te verbeteren.
Veel wetenschappers proberen hun werk met een groter publiek te delen. Zij kunnen ook trachten de technologische voordelen van hun ontdekkingen te delen. Hij beschreef 1820, het jaar van zijn grote ontdekking, als het gelukkigste jaar van zijn leven.
Wetenschappers kunnen veel plezier aan hun werk beleven.
In 1802 publiceerde een Italiaanse jurist genaamd Gian Domenico Romagnosi een verslag van een waarneming die vergelijkbaar was met die van Oersted. Zijn artikel verscheen echter in een krant en werd niet overgenomen door de wetenschappelijke gemeenschap. Romagnosi lijkt geen vervolg te hebben gegeven aan zijn voorlopige bevindingen.
Er zijn veel voorbeelden van “prior claims” in de geschiedenis van de wetenschap. In de praktijk gaat de erkenning meestal naar degene die een zorgvuldig, gedetailleerd en herhaalbaar verslag van zijn waarnemingen publiceert, op een moment dat andere wetenschappers klaar zijn voor het idee, en op een plaats waar het gelezen en serieus genomen zal worden.
Erkenning
Wij zijn David Sang, auteur van deze Case Study, dankbaar.