Lorentz

Hendrik Antoon Lorentz (1853-1928) was van 1877 tot 1912 hoogleraar theoretische fysica te Leiden en daarna curator van het Teylers-instituut te Haarlem. Lorentz is bekend geworden door zijn theorie omtrent de Lorentz-contractie waarbij ieder voorwerp dat beweegt, in de bewegingsrichting een zekere samentrekking kent. Naar hem genoemde begrippen in de natuurkunde zijn de Lorentz-transformatie die een overgang tussen twee coördinatenstelsels beschrijft waarbij de wetten van Maxwell invariant blijven en de Lorentz-kracht die een bewegende elektrische lading ondervindt in een magnetisch veld. In 1902 werd hem samen met Pieter Zeeman de Nobelprijs voor de natuurkunde toegekend voor de verklaring van het Zeeman-effect. Zijn onderzoekingen op het gebied van het licht, magnetisme en elektriciteit vormden de basis voor de relativiteitstheorie van Einstein. Lorentz liep daarmee vooruit op de relativiteitstheorie van Einstein en definieerde de volgende zaken. Lorentz-kracht: kracht die een bewegende elektrische lading of stroom in een magnetisch veld ondervindt (zie ook de kurkentrekkerregel). Lorentz-contractie: ieder voorwerp dat beweegt, ondergaat in de bewegingsrichting een zekere samentrekking. Alleen van belang bij snelheden in de orde van grootte van de lichtsnelheid. Ook Lorentz-Fitzgerald-contractie genoemd. Lorentz-transformatie: overgang tussen twee coördinatenstelsels waarbij de wetten van Maxwell invariant blijven. Lorentz-invariant: grootheid die in elk Galilei-stelsel dezelfde waarde heeft (bijv. de lichtsnelheid). Lorentz-getal: bij een metaal het thermisch geleidingsvermogen, gedeeld door het product van de temperatuur en het elektrisch geleidingsvermogen volgens de wet van Wiedemann-Franz. In de plasmafysica is dit de verhouding tussen de snelheid van een plasma en de lichtsnelheid. Bij magnetisme, een kracht die ijzer doet aantrekken, is verwantschap aan elektriciteit: een stroom door een draad veroorzaakt magnetisme rond de draad. En andersom veroorzaakt een in beweging zijnd magnetisch veld in een vlakbij gehouden draad een elektrische spanning. Magnetisme wordt in de elektronica zeer veel toegepast: in microfoons, luidsprekers, recorderkoppen, motoren, transformatoren, relais, wijzermeters en dergelijke. Wisselspanning is een elektrische spanning met continu veranderende polariteit. Dit is het geval bij de fietsdynamo. Hierbij draait een spoel van geasoleerd koperdraad in een magnetisch veld, waardoor in die spoel een elektrische spanning wordt opgewekt. Of de magneet draait vlak voor een vast opgestelde spoel, wat in essentie niets uitmaakt. Gedurende elke halve omwenteling verandert de polariteit van de magneet ten opzichte van de spoel en dus ook de polariteit (+ of -) van de opgewekte spanning. Hoe sneller de spoel of de magneet ronddraait, hoe sneller de polariteit wisselt en hoe hoger de frequentie in hertz of Hz is. De spanning van het lichtnet (220 volt) wordt eveneens opgewekt door middel van een wisselstroomdynamo ofwel generator met een constante omwentelingssnelheid. Er is dan ook sprake van een zeer stabiele frequentie van, in Europa, exact 50 Hz. In Amerika wordt een lichtnetfrequentie van 60 Hz aangehouden. De golfvorm van de aldus opgewekte spanning is heel vloeiend. Men spreekt in dit geval van een sinusoade, kortweg sinus. Eén hele golfbeweging, ofwel periode, bestaat uit een positieve en een negatieve fase. Ook het analoge audiosignaal, dat het equivalent is van het eigenlijke geluidssignaal, is een wisselspanning, zij het met variërende frequentie afhankelijk van de toonhoogte en variërende amplitude afhankelijk van de signaalsterkte. Wisselspanning heeft het grote voordeel gemakkelijk in waarde te kunnen worden verhoogd of verlaagd. Dat gebeurt door middel van een transformator. Door middel van een gelijkrichter kan wisselspanning tot gelijkspanning worden omgewerkt. Elektromagnetisme is het opwekken van magnetische velden door elektrische stromen. Richting van stroom en opgewekt magneetveld staan daarbij met elkaar in verband (kurkentrekkerregel). Een magneetveld kan men in beeld brengen door het tekenen van de veldlijnen van dit veld. Deze lijnen geven in elk punt van de ruimte de richting aan waarin een daar geplaatste kompasnaald onder invloed van dit veld zou wijzen. Vindt toepassing bij elektromagneten, elektrische motoren, elektromagnetische schakelaars (relais), meetinstrumenten en transformatoren. Een elektrische stroom ondervindt, via het zelf opgewekte magneetveld, een kracht (Lorentz-kracht) van een reeds aanwezig magneetveld. Een gevolg hiervan is dat ook een golfgeleider waardoor een stroom loopt, van een dergelijk veld een kracht ondervindt. Een transformator is een apparaat dat de spanning van een wisselstroom kan verhogen of verlagen bij een omgekeerd evenredige stroomverandering; afgezien van wat warmteverliezen (enkele %) blijft de totale hoeveelheid elektrische energie gelijk. De te transformeren stroom wordt daartoe in een spoel omgezet in een magneetveld, dat op zijn beurt door een andere spoel weer in een stroom wordt omgezet; de spanning is evenredig met het aantal wikkelingen in de beide spoelen. Overal in de elektrotechniek gebruikt voor het veranderen van spanning. Behalve de spanning worden ook grootheden als ingangs- en uitgangsimpedantie getransformeerd; speciale transformatoren worden daarom benut voor het aanpassen van allerlei elektronische apparatuur aan elkaar. Elektriciteit is een natuurverschijnsel dat samenhangt met het optreden of verplaatsen van elektrische ladingen. Algemeen kan worden gesteld dat: 1. elektrische lading in twee vormen voorkomt: positieve en negatieve lading; 2. de meeste lichamen evenveel positieve als negatieve lading bevatten. Omdat deze twee vormen van lading elkaars werking opheffen, noemt men dergelijke lichamen elektrisch neutraal; 3. een lichaam dat meer positieve dan negatieve lading bevat, positief geladen is, in het omgekeerde geval negatief geladen; 4. twee lichamen die gelijke vormen van lading bezitten, elkaar afstoten, een negatief geladen en een positief geladen lichaam elkaar aantrekken. Oorsprong van de lading Volgens de atoomtheorie zijn atomen de bouwstenen van de materie. Deze atomen zijn op hun beurt opgebouwd uit een kern met positieve lading. Om de kern cirkelen negatief geladen elektronen. In de normale situatie is de lading van de kern gelijk aan de lading van het aantal elektronen dat eromheen cirkelt. Een atoom is dan dus elektrisch neutraal. Negatieve lading bestaat uit vrije elektronen of atomen waaraan een extra elektron is toegevoegd. Positieve lading bestaat uit atomen, waaraan een aantal elektronen ontbreekt, zodat er een overschot aan positieve lading is. Wet van Coulomb De krachten waarmee elektrische ladingen elkaar afstoten dan wel aantrekken, worden gegeven door de wet van Coulomb. Hierbij wordt ervan uitgegaan dat de geladen lichamen hoegenaamd geen afmetingen hebben. De wet luidt: F=f(Q q/rFD), met Q en q als ladingen en f als een constante. De kracht F werkt langs de verbindingslijn van de beide geladen voorwerpen. Elektrostatisch veld De krachtwerking van twee elektrische ladingen verklaart men door aan te nemen dat een lading om zich heen een veld veroorzaakt. Andere ladingen die zich in dit veld bevinden, ondervinden afhankelijk van de vorm van het veld een kracht. Dit veld kan men tekenen door lijnen die de richting van de kracht aangeven op een positieve eenheidslading. Dit betekent dus dat de richting van de veldlijnen bij een positieve lading van de lading afgericht is en bij een negatieve lading ernaartoe. Een belangrijke grootheid die aan elk punt van het veld kan worden toegekend, is de veldsterkte. Dit is de kracht die op een puntlading van één coulomb wordt uitgeoefend, wanneer deze in het beschouwde punt van de ruimte zou worden geplaatst. Met supergeleiding wordt het wegvallen van elektrische weerstand in veel materialen onder een bepaalde materiaalafhankelijke temperatuur bedoeld genaamd sprongpunt of kritische temperatuur, waardoor geen energieverlies meer optreedt. Het spronpunt is dan de temperatuur waarbij een geleider supergeleidend wordt. Een elektrische stroom kan in een supergeleider langdurig doorlopen zonder de aanwezigheid van stroombronnen. Voor het eerst waargenomen in 1911 door Heike Kamerlingh Onnes (1853-1926) in kwik beneden 4,2 K. Wordt veroorzaakt door een verandering van het gedrag van geleidingselektronen in het materiaal. Lange tijd is de temperatuur voor alle bekende materialen maximaal 25 K geweest. Voor toepassingen bleef dit effect onaantrekkelijk, omdat koeling tot dergelijke temperaturen te duur itemperatuur ca. 30 K. Er zijn tegenwoordig supergeleidende keramische materialen met temperatuur van ca. 100 K voorbij de temperatuur van het veel goedkopere vloeibare s. In 1986 doorbraken Georg Bednorz en Alex Muller deze grens met een keramisch materiaal uit de elementen barium, lanthaan, koper en zuurstof met stikstof.