Wat is elektromagnetisme?

Bij magnetisme denk je misschien aan het magneetje op je koelkast, en bij elektriciteit aan de koelkast zelf. Maar dat er een verband is tussen elektriciteit en magnetisme, dat is een stuk minder bekend. En dat is helemaal niet zo gek, want zo heel lang weten we dat nog niet. Het was de Schotse wetenschapper James Clerk Maxwell die in 1863 de theorie opstelde die elektriciteit en magnetisme samenbracht: elektromagnetisme. Hij maakte daarbij dankbaar gebruik van eerder werk van Oersted en Faraday.

Dat elektriciteit en magnetisme samenhangen, werd als eerste door Oersted aangetoond. Hij zette een draadje onder stroom, hield er een kompas bij en voilà, het magnetische naaldje van het kompas bewoog. Faraday toonde aan dat het omgekeerde ook geldt: bewegende magneten beïnvloeden elektrische stromen en kunnen ze ook opwekken. Denk aan een ouderwetse fietsdynamo. Maxwell stelde de vergelijkingen op, twintig stuks maar liefst, waarin de verhouding tussen elektriciteit en magnetisme wordt gevat.

Knap gedaan van Maxwell al die wetten. Leuk dat elektriciteit en magnetisme met elkaar samenhangen, maar wat heb ik er aan in het dagelijks leven? Iets wat je misschien niet elke dag tegenkomt, maar wat wel heel praktisch is: de elektromagneet. Er loopt een stroom door een spoel, die daardoor magnetisch wordt. Zo kun je dingen gecontroleerd optillen en weer laten vallen: bijvoorbeeld handig als je op een autosloperij een auto op wil tillen.

Wanneer je slim schakelt met elektriciteit, met magnetisch aantrekken en afstoten, kun je dit principe gebruiken om een motortje te laten draaien: een elektromotor. En die elektromotoren vind je werkelijk in de meest uiteenlopende apparaten: ventilator, stofzuiger, föhn, boor, elektrische tandenborstel en grasmaaier. En in de elektrische auto natuurlijk.

Je kunt ook van dit principe gebruik maken om juist stroom op te wekken. Denk aan de draaiende magneet in je ouderwetse fietsdynamo waarmee je een simpel lampje laat branden. Of, een slagje groter, een windturbine. Eigenlijk is zo'n windturbine een omgekeerde elektromotor: door het draaien van de wieken gaat er stroom lopen.

En denk bij elektromagnetisme bijvoorbeeld ook nog aan het stoplicht dat op groen springt zodra je aan komt rijden. In het wegdek is een detectielus verstopt. Het magneetveld daaromheen verstoort zodra je er met je auto in komt rijden. Het stoplicht weet dan dat je er bent en reageert. Kortom, Maxwells inzichten hebben tot veel nuttige toepassingen geleid. Ze maken het leven - vaak ongemerkt - een stuk makkelijker.

Maxwell heeft niet alleen een beschrijving gevonden voor de samenhang tussen de verschijnselen elektriciteit en magnetisme. Volgens zijn vergelijkingen zenden bewegende ladingen golven uit - elektromagnetische golven - en verspreiden deze zich met de snelheid van het licht.

Stel: je zet op de sloop je elektromagneet aan. Dan duurt het even voor de kapotte auto 'voelt' dat er een magneet aan hem trekt. Maar dat duurt enorm kort, echt een fractie van een fractie van een seconde. Net zo kort als het duurt voor je licht van een gloeilamp ziet. Het lijkt instantaan: de lamp gaat aan en je oog ziet het licht. Maar in werkelijkheid zit er een heel klein beetje tijd tussen, de lichtstraal is even onderweg.

Uit Maxwells vergelijkingen komt dus naar voren dat een magneetveld ook met de snelheid van het licht reist. Maxwell bedenkt daarop dat licht óók een elektromagnetisch verschijnsel moet zijn. En hij heeft gelijk. Licht is elektromagnetische straling. En dan niet alleen dat wat wij zien met onze ogen, het zichtbare licht. Want heeft de straling een iets langere golflengte – en lagere frequentie- dan is het infrarood licht. Heeft het een iets kortere golflengte – en hogere frequentie -, dan is het ultraviolet licht. En daar houdt het niet bij op. En daar houdt het niet bij op. Ga je naar nog hogere frequentie dan krijg je röntgenstraling en gammastraling. Ga je naar lagere frequentie dan heb je radiostraling.

Een boek kunnen lezen in het donker dankzij het licht van het lampje boven je bed, op de infraroodcamera in het donker toch de inbreker kunnen zien, in het ziekenhuis dankzij röntgenstraling precies ontwaren waar de breuk zit na een valpartij; ieder type elektromagnetische straling heeft weer zijn eigen gedrag en nuttige toepassingen. Een van de weinige dingen die ze gemeen hebben is dat ze zich allemaal voortplanten met de lichtsnelheid.

Elektromagnetische straling komt in allerlei vormen voor en heeft veel nuttige toepassingen. Maar er zijn ook gevaren. Je moet je op een zonnige dag op het strand goed insmeren tegen het UV-licht van de zon. En een röntgenfoto maak je niet voor de lol: personeel in het ziekenhuis draagt beschermende kleding, want te veel röntgenstraling kan kanker veroorzaken.

Dit zijn beide vormen van straling met een hogere frequentie dan zichtbaar licht. Deze straling is ioniserend. Dat wil zeggen dat de straling zo veel energie bevat, dat hij molecuulverbindingen kan verbreken. Kapotte moleculen, dat betekent in je lichaam schade aan je cellen.

Straling die minder energie bevat dan zichtbaar licht noem je niet-ioniserend. Grofweg kun je zeggen: hoe minder energie, hoe minder schadelijk. Met infraroodlicht moet je nog een beetje oppassen. Kijk bijvoorbeeld niet langdurig in een felle infraroodlamp, dat kan een branderig gevoel opleveren en op de langere duur vertroebeling van de lens. Je moet ook je gezonde verstand gebruiken: ga niet ín een magnetron zitten.

Maar radiostraling zoals die van je smartphone en straling afkomstig van hoogspanningsmasten is voor zover bekend niet schadelijk voor de gezondheid. Wel lijkt er een effect te zijn dat mensen die zich druk maken om straling, ook eerder gezondheidsklachten krijgen. Ze worden dus niet ziek van de straling zelf, maar ziek van de angst voor straling.

Je denkt misschien: ik neem het zekere voor het onzekere, ik wil niks met dat hele elektromagnetisme te maken hebben. Ik ontsnap er aan door me af te zonderen van de mensheid. Opgelost.

Fout! De aarde waarop je leeft is eigenlijk een grote elektromagneet. Hoe dat aardmagneetveld precies werkt, is niet duidelijk. Het heeft te maken met de processen diep in het binnenste van de aarde. De aardkern is van metaal: ijzer en nikkel. In het binnenste is de druk zo hoog dat de kern vast is. De laag eromheen is vloeibaar. De temperatuur in de binnenkern is zo hoog, dat deze voor convectie zorgt in de vloeibare laag er omheen.