Stroomstoring in Spanje: de geschiedenis van elektriciteit kent talloze missers

Een magneet heeft de eigenschap ijzer aan te trekken of af te stoten. Een statisch geladen object doet hetzelfde met lichte materialen als haren of veren. Ook zonder Thales moet men van oudsher hebben vermoed, dat er een verband is tussen beide fenomenen. Maar het hoe en waarom zou nog lang gehuld blijven in een mysterieuze waas. Zonder het te begrijpen kreeg de mens oog voor het praktisch nut van magnetisme. Zo ontdekten de Chinezen tweeduizend jaar geleden al dat een gemagnetiseerd lepeltje dat vrij kan ronddraaien steeds dezelfde kant uit wijst. Vanaf het midden van de elfde eeuw zetten ze zeilstenen in als navigatie-instrument. In Europa dook het eerste kompas op in de dertiende eeuw. 

Een keerpunt in de bestudering van magnetisme vormt het werk van de Engelse arts en wetenschapper William Gilbert. In zijn boek De Magnete (1600) beschrijft hij zijn experimenten met magneten. Hij stelde op grond daarvan als eerste vast dat de aarde één grote magneet is (magno magnete tellure). Ook experimenteerde hij met statische elektriciteit. Daartoe gebruikte hij een stuk barnsteen dat hij opwreef met wol. Hij muntte het woord electricus, afgeleid van het Griekse woord voor barnsteen: elektron. Gilbert geldt als vader van de experimentele, empirische natuurkunde en als een van de grondleggers van de wetenschappelijke revolutie. 

Bij de bestudering van elektriciteit en magnetisme bleek een theoretische, wiskundige benadering aanvankelijk nutteloos, terwijl een proefondervindelijke methode meteen resultaten opleverde. Experimenteerdrift leidde vanaf de zeventiende eeuw tot nieuwe mijlpalen. Een paar voorbeelden. De Duitser Otto von Guericke publiceerde in 1672 een boek waarin hij een proefopstelling beschrijft met een ronddraaiende bal van zwavel. Die wordt beschouwd als de eerste primitieve elektriseermachine, een apparaat waarmee statische elektriciteit kan worden opgewekt. De Leidse hoogleraar Pieter van Musschenbroeck bouwde in 1746 een toestel dat nadien in heel Europa de Leidse fles heette en dat we nu een condensator noemen. In Leidse flessen kon een met een elektriseermachine opgewekte lading worden vastgehouden. 

Iconisch is het verhaal van de Amerikaan Benjamin Franklin, die in 1752 tijdens een onweersbui een vlieger zou hebben opgelaten om aan te tonen dat bliksem en elektriciteit een en hetzelfde verschijnsel zijn. Georg Wilhelm Richmann, een Russische natuurkundige van Duits-Baltische oorsprong, deed een jaar na Franklin vanuit zijn huis in Sint-Petersburg een soortgelijke proef met een ijzeren stang. Een overweldigende combinatie van vooruitgangsgeloof en doodsverachting. De geleerde werd geveld door een fatale blikseminslag. 

Het nieuws over Richmanns ongeluk inspireerde de Tsjechische geleerde Prokop Diviš in 1754 tot het uitvinden van zijn ‘weermachine’, een 40 meter hoge ijzeren mast, met bovenin tinnen doosjes waaruit 400 spijkers omhoog staken. Diviš was ervan overtuigd dat zijn weermachine wolken verdreef en onweer voorkwam. Als reactie op de aanhoudende droogte van 1759 eisten naburige boeren met succes de ontmanteling van zijn machines. Pas aan het einde van de negentiende eeuw werd het pionierswerk van Prokop Diviš uit de vergetelheid gehaald en besefte men dat hij – ongeveer tegelijk met Benjamin Franklin – de bliksemafleider had uitgevonden. 

In een poging een samenhangende verklaring te vinden voor alle waarnemingen groeide de overtuiging dat elektriciteit een zogeheten ‘imponderabel fluïdum’ was. Franklin meende dat die ‘gewichtloze vloeistof’ onder hoge of onder lage druk kon staan. Hij gebruikte daarvoor als eerste de woorden ‘positively’ en ‘negatively’, ‘plus’ en ‘minus’ en ‘charge’ (lading). Het denkbeeld van elektriciteit als vloeistof was behoorlijk vaag en we weten inmiddels dat het onjuist is. Maar het was beslist geen dwaalspoor. Met de toenmalige kennis van zaken was de analogie tussen elektra en vloeistof bruikbaar. Tekenend is dat we nog altijd spreken van ‘stroom’. 

In de tijdlijn van de elektromagnetische geschiedenis ontbreekt de kikker van de Italiaanse arts en natuurwetenschapper Luigi Galvani meestal niet. In 1780 ontdekte hij dat hij de poot van een dode kikker kon laten stuiptrekken met stroom. Maar eerder al had men aan den lijve ondervonden dat ook het menselijk lichaam een uitstekende geleider is. De ontlading van de Leidse fles kon bij een mens een hevige schok teweegbrengen, waarbij de haren hem te berge rezen en de vonken ervanaf spatten. Het was de onderzoekers niet ontgaan dat elektrische prikkels de spieren van de proefpersonen deden samentrekken. 

Na 1750 vond het idee dat elektriciteit een rol speelt bij het functioneren van het zenuwgestel geleidelijk algemeen ingang. Die ontdekking voedde de overtuiging dat elektra heilzaam was tegen uiteenlopende kwalen als koorts, jicht, verlamming en melancholie. Terugblikkend kunnen we de toenmalige sceptici gelijk geven en het ‘dierlijk magnetisme’ uit deze periode bestempelen als kwakzalverij. Maar het legde wel de kiem voor de latere medische inzet van elektriciteit, die wél functioneel was. 

Vanaf het einde van de achttiende eeuw begon het begrip van elektriciteit aan een groeispurt. Met de komst van een reeks natuurkundige wetten, die in wiskundige formules konden worden gevat, was het theoretische, ‘zuivere’ denken weer helemaal terug. Maar nu geschraagd door waarneming. Theorie en praktijk werden met elkaar in het reine gebracht. Zo ontdekte de Duitse wis- en natuurkundige Georg Ohm in 1827, middels experiment, het verband tussen spanning, stroomsterkte en weerstand en legde dat vast in een formule (spanning = stroomsterkte x weerstand). Ook hier komt voor een beter begrip de analogie met vloeistof van pas. Denk aan een ton water op de top van een berg. Vanuit de ton loopt een pijpleiding naar beneden. Hoe hoger de berg, hoe hoger de waterdruk (‘spanning’). Hoe wijder de leiding, hoe kleiner het zogeheten wrijvingsverlies (‘weerstand’) en hoe groter de hoeveelheid water die per seconde naar beneden stroomt (‘stroomsterkte’).  

In de loop van de negentiende eeuw zou een reeks uitvindingen de weg plaveien voor de praktische aanwending van elektriciteit. Dat begon toen de Italiaanse graaf Alesandro Volta in 1800 er voor het eerst in was geslaagd langs chemische weg elektriciteit op te wekken met zijn zogenoemde Zuil van Volta. Vanaf dat moment ging men koortsachtig op zoek naar almaar efficiëntere batterijen. Een zoektocht die tot de dag van vandaag voortduurt. 

De vroegste, onmiskenbaar nuttige toepassing van elektriciteit was de ‘elektromagnetische’ telegraaf. Dat magnetisme de mogelijkheid in zich droeg om boodschappen over een lange afstand over te brengen, was al in de zestiende eeuw aangevoeld door de veelzijdige Italiaanse geleerde en schrijver Giambattista della Porta. In zijn populaire – ook in het Nederlands vertaalde – twintigdelige werk Magia naturalis (1558) heeft Della Porta een eindeloze reeks ‘geheimen van de natuur’ verzameld. In zijn beschrijving van ‘de wonderen van de zeilsteen’ schrijft hij over een toekomstige toepassing van magnetisme: ‘Ook twijfel ik er niet aan dat men met behulp van twee gelijke scheepskompassen, waarvan de graad- en windstrekenverdeling is vervangen door het alfabet, met een vriend, zelfs als deze in de gevangenis zit, van gedachten kan wisselen.’ Dat is natuurlijk lariekoek. Toch zou de geschiedenis Della Porta op wonderbaarlijke wijze gelijk geven. 

Op 25 mei 1845 werd de eerste elektrische telegraafverbinding van Nederland in werking gesteld langs de zes jaar eerder voltooide spoorlijn tussen Haarlem en Amsterdam. De telegrafist draaide aan een wijzer langs letters en cijfers. Met de uit batterijen afkomstige stroom werd het signaal naar de ontvanger gestuurd. Op diens telegraaf volgde de wijzer de beweging van de afzender. Deze wijzer- of naaldtelegraaf in Amsterdam, Haarlem en vele andere steden in Europa en de koloniale wereld zag er precies uit zoals Della Porta zich dat drie eeuwen eerder had voorgesteld: als een kompas. 

Het betreft uiteraard niets anders dan een visionaire gelukstreffer. Maar Della Porta’s mijmering over de toekomst is illustratief voor de eigenaardigheid dat veel technologische doorbraken in het rijk der verbeelding werden uitgedokterd voordat zij werkelijkheid werden. Jules Vernes maanreis is daarvan het bekendste voorbeeld. Maar er zijn talloze andere gevallen bekend van uitvindingen die hun entree maakten in de mythologie en sciencefiction. Of die voortijdig ontsproten aan het brein van vrijdenkers als Della Porta. 

Na de telegraaf was elektrisch licht de volgende praktische toepassing van elektriciteit. De vroegste experimenten met de booglamp vonden plaats in het eerste decennium van de negentiende eeuw. De booglamp werkte niet anders dan lasapparatuur ook nu nog doet. Je zet tussen twee koolstofstaven een flinke elektrische spanning. De permanent brandende vonk die overslaat van de ene naar de andere staaf, de zogeheten vlam- of lichtboog, geeft fel licht. In wezen is zo’n lichtboog een kunstmatig opgewekte en beteugelde bliksem. De benodigde stroom kwam uit batterijen en precies dat stond de grootschalige doorbraak van elektrische verlichting tot diep in de negentiende eeuw in de weg. 

Volgende stappen op weg naar het praktische gebruik van elektriciteit konden pas worden gezet nadat wetenschappers een beter inzicht hadden gekregen in het verband tussen magnetisme en elektra. De Deens schei- en natuurkundige Hans Christian Ørsted toonde als eerste aan dat er inderdaad een connectie is tussen de twee natuurkundige fenomenen, zoals al zolang werd vermoed. Dat liet hij in 1820 zien met een simpele proef. Een (magnetische) kompasnaald veranderde van richting toen hij stroom zette op een draad vlakbij de naald. De wet van Ørsted stelt dat elektrische stroom een magnetisch veld creëert. 

De Engelsman Michael Faraday is zonder twijfel dé spil in het verhaal over het verband tussen magnetisme en elektra. Hij borduurde voort op de proef van Ørsted en ontdekte dat elektriciteit niet alleen een magnetisch veld creëert, maar dat een magneet andersom ook elektriciteit kan opwekken. Dat lukte hem niet met een rechte draad en een stilstaande magneet, maar wel door een magneet te bewegen vlakbij een spoel, een wikkeling van koperdraad. De daaruit volgende inductiewet van Faraday (1831) stelt dat een veranderend magnetisch veld een elektrisch veld opwekt. 

Het natuurkundige fenomeen inductie verenigt niet alleen magnetisme en elektriciteit met elkaar, het effende ook de weg voor twee cruciale elektromagnetische uitvindingen. Ten eerste de dynamo, een ronddraaiende magneet omringd door een spoel van koperdraad. Kon eerder alleen (statische) elektriciteit worden opgewekt met een elektriseermachine of langs chemische weg met batterijen, de ontdekking van Faraday maakte het mogelijk om mechanisch een substantiële hoeveelheid stroom op te wekken, met een dynamo of generator en later in elektriciteitscentrales. 

De andere belangrijke uitvinding die voortkwam uit Faraday’s werk is de elektromotor. Het principe van zijn inductiewet bleek ook in omgekeerde richting werkzaam. In 1821 al demonstreerde hij dat als hij een draad onder stroom zette, dat deze rondjes draaide om een magneet. Behalve communicatie en licht, zou daarmee ook beweging tot de gebruiksmogelijkheden van elektriciteit gaan behoren. Nadat Faradays dynamo en zijn experimentele elektromotor in de loop van de negentiende eeuw stap voor stap waren verbeterd, leek het elektromagnetisme toe aan zijn definitieve opmars. 

Hoe invasief die opmars was, blijkt als je de historische groei van het netwerk van elektriciteitsdraden in kaart brengt. De telegraafdraad bracht steden met elkaar in verbinding. Met de komst van de booglamp drong elektra door in de stad zelf en met de gloeilamp en de telefoon in onze woningen. Elektriciteitscentrales zorgden ervoor dat elektra een rol kon gaan spelen in alle facetten van het menselijk bestaan. De straten werden bedraad ten bate van de straatverlichting en het geëlektrificeerde openbaar vervoer. 

De elektromotor bleek vooral van nut in kleine fabrieken en werkplaatsen en later ook in het huishouden. De cinema, radio en televisie elektrificeerden de vrije tijd. Miniaturisering heeft ervoor gezorgd dat de elektrische apparatuur die voorheen in huis stond in draagbare vorm oversprong op ons lichaam. Geneeskundige toepassingen zoals pacemakers, gehoorimplantaten, elektrische en magnetische stimulatie van de hersenen, en myo-elektrische arm- of handprotheses zorgen ervoor dat elektra in toenemende mate ons lichaam binnendringt en de oude belofte van het ‘dierlijk magnetisme’ alsnog inlost.