Elektrische en magnetische velden
Alle andere soorten krachten zijn van deze vier basiskrachten afgeleid. In het dagelijkse leven zijn we het meest vertrouwd met de zwaartekracht en de elektro-magnetische krachtwerking. De werking van de kernkrachten blijft beperkt tot de kernen van atomen. Zij zijn niet gemakkelijk waar te nemen en vallen buiten het kader van dit artikel.
Een maat voor de sterkte van een gravitatieveld in een punt is bijvoorbeeld de grootte van de krachtwerking op een gedefinieerde eenheid van massa (de kilogram). De richting van die kracht bepaalt de richting van het veld. In ieder punt wordt een veld zodoende beschreven door een vector. In de buurt van het aardoppervlak bedraagt de kracht op een massa van 1 kilogram ongeveer 9,813 Newton. Deze kracht is naar het middelpunt van de aarde gericht. Daar de aarde een beetje is afgeplat, is de sterkte van het veld bij de polen iets groter dan bij de evenaar. Hoe verder van de aarde, hoe zwakker is haar gravitatieveld. Het gravitatieveld ten gevolge van meerdere hemellichamen kan heel gecompliceerd worden. In het universum speelt de gravitatie een zeer belangrijke rol bij de beweging en de werking van sterren, manen en planeten. Ook het leven op aarde is voor een groot deel gebaseerd op de zwaartekracht. De klassieke mechanica van Newton en de relativiteitstheorie van Einstein geven hier beschrijvingen van.
Elektrische ladingen oefenen krachten op elkaar uit. Gelijknamige ladingen stoten elkaar af, ongelijknamige ladingen trekken elkaar aan. Anders gezegd: Een elektrische lading veroorzaakt een verandering van zijn omgeving op een zodanige manier dat een andere elektrische lading er een kracht ondervindt. Men spreekt in die ruimte dan van een elektrisch veld. De sterkte van het elektrische veld wordt uitgedrukt in die kracht per eenheid van lading. De richting van die kracht symboliseert de richting van het veld. Het elektrische veld wordt dus ook in ieder punt gekarakteriseerd door een vector met een grootte en een richting (de veldsterkte E). Elektrische velden vindt men bijvoorbeeld tussen de polen van een batterij of accu, in de elektrolysehal van de aluminiumfabriek en in de beeldbuis van het televisietoestel of de monitor. Zij dienen om een elektrische stroom op gang te brengen, of om een beeld op het televisiescherm te vormen. Een bewegende lading veroorzaakt op haar beurt bovendien een magnetisch veld in haar omgeving. In de betreffende ruimte treedt dan een krachtwerking op waardoor een kompasnaaldje zich gaat richten. De richting daarvan (van zuid naar noord) symboliseert de richting van het magnetische veld. Bekend zijn het magnetische veld van de aarde en andere hemellichamen, het magnetische veld rond een stroomvoerende draad, in de zonnewind, of van een gewone magneet. Elektrische en magnetische velden zijn dus onlosmakelijk aan elkaar gekoppeld. Men spreekt dan ook van elektromagnetisme, beschreven door Maxwell. De magnetische krachtwerking uit zich door de Lorentzkracht op een elektrische lading die zich ten opzichte van het magnetische veld beweegt. De grootte van deze kracht is ondermeer evenredig met de sterkte B van het magnetische veld. Ook het magnetische veld wordt in ieder punt gekarakteriseerd door een vector met een grootte en een richting (de magnetische inductie B). Velden waarvan de sterkte in grootte en richting van punt tot punt gelijk is noemt men homogeen. In kleinere ruimtes kan daar bij benadering soms wel sprake van zijn. Elektromagnetische velden kunnen zich als een lopende golf voortplanten door de ruimte. In vacuüm gebeurt dat met de maximaal mogelijke snelheid van 300.000 km/s (de lichtsnelheid). Men spreekt dan van straling, of een transport van energie door middel van elektromagnetische velden. Afhankelijk van de frequentie (golflengte) wordt deze straling ingedeeld volgens het elektromagnetische spectrum, waar ook het zichtbare licht deel van uit maakt naast radiogolven, röntgenstraling en gammastraling.
Het (menselijk) lichaam reageert op variaties in richting en/of sterkte van elektrische en/of magnetische velden met minuscule spierbewegingen die met een wichelroede dankzij de gravitatiewerking zichtbaar gemaakt kunnen worden. Hierbij maakt het geen verschil of de waarnemer zich beweegt (loopt) ten opzichte van de onregelmatigheden in het veld, of dat het veld in de tijd verandert ten opzicht van een stilstaande waarnemer. Wel is het van belang dat de variaties voor de waarnemer voldoende sterk zijn en niet te snel of te langzaam gaan. De waarnemer moet dus geen tijd krijgen om zich op de variaties in te stellen en moet in verband met de traagheid nog wel in staat zijn de snellere variaties te volgen. Als wichelroede kunnen bijvoorbeeld twee dunne L-vormige staafjes worden gebruikt, gebogen in een hoek van 90 graden, met een lang eind van 45 cm en een handvat van 15 cm. De waarnemer staat in de uitgangspositie rechtop met de armen gebogen naar voren en heel losjes in beide handen de staafjes die eveneens evenwijdig en recht naar voren worden gehouden. Door de staafjes een klein beetje naar beneden te hellen zal dit zeker lukken. Hoe kleiner de helling hoe gevoeliger het experiment, maar exact horizontale staafjes draaien vanzelf al alle kanten op en dat is niet de bedoeling. Vanuit de geschetste uitgangspositie begint de waarnemer te lopen. Niet te snel, niet te langzaam. Ondertussen probeert hij de staafjes in de uitgangspositie te houden, maar niet tot elke prijs. De armen zijn ontspannen. Wanneer nu de waarnemer een onregelmatigheid in een elektrisch of magnetisch veld passeert, zullen zijn onderarmen een lichte torsiebeweging ondergaan, waardoor de staafjes ten gevolge van de zwaartekracht uit hun evenwicht raken en naar binnen of naar buiten vallen. Zij geven daarmee de reactie aan van de lopende waarnemer op de onregelmatigheid in het betreffende veld. Tijdens het verder lopen kan de waarnemer zich herstellen en de staafjes weer in de uitgangspositie brengen om de volgende onregelmatigheid op te sporen. Dit proces noemt men wichelroede lopen en vereist wel enige oefening. Het mag duidelijk zijn dat de staafjes slechts dienen om de minuscule torsiebeweging van de onderarmen zichtbaar te maken. Het materiaal van de staafjes is dus in principe niet belangrijk. Wel de afmetingen en de massa. Zij moeten "lekker" in de hand liggen. Evenmin maakt het iets uit of de staafjes geleidend contact hebben met de huid of niet. Het waargenomen effect heeft plaats gevonden in de onderarmen van de waarnemer.
De reactie op een onregelmatigheid in een magnetisch veld verdwijnt bij het dragen van een stroomgeleidend gesloten polsbandje. De reactie op een onregelmatigheid in een elektrisch veld verdwijnt als de veroorzaker in een metalen kooi van Faraday wordt ingepakt. Met een elektrisch geleidend gesloten bandje om de polsen is het namelijk onmogelijk geworden om onregelmatigheden in een magnetisch veld te detecteren. Voor een elektrisch veld geldt dat niet. Bij onregelmatigheden daarin zal de wichelroede tijdens het lopen blijven uitslaan. Loopt de waarnemer nu twee maal langs een bepaalde plaats en waarschuwt de wichelroede de eerste keer zonder polsbandje (I) voor een onregelmatigheid, dan blijven er voor de tweede keer met polsbandje (II) nog twee mogelijkheden over. Indien er dan geen reactie optreedt, was de oorzaak zuiver magnetisch (B). Indien er bij de tweede loop nog wel een reactie komt, kan de oorzaak zuiver elektrisch zijn of een onregelmatigheid in een combinatie van een elektrisch en een magnetisch veld. Voor het onderscheid daartussen is het nodig nog een derde loop te doen, waarbij, indien mogelijk, de veroorzakende bron in een metalen kooi van Faraday (aluminiumfolie) wordt ingepakt (III). Bij geen reactie was de oorzaak zuiver elektrisch (E). Was er de derde maal wel een reactie dan moet de oorzaak hebben gelegen in een combinatie van een elektrisch en een magnetisch veld (E B). Zie onderstaand schema.  Met een controlerende vierde loop (IV) waarbij gebruik wordt gemaakt van polsbandjes en waarbij de veroorzaker is ingepakt in een kooi van Faraday, zal geen reactie meer kunnen optreden. Helaas zal het niet altijd mogelijk zijn de veroorzaker van een onregelmatigheid in een elektrische veld in aluminiumfolie in te pakken. Het zij zo.
De polen van een spanningsbron zijn omgeven door een elektrisch veld. Een dergelijk verschijnsel is te vinden in de buurt van de accu van de auto, rond een mobiele telefoon, of zaklantaarn, etc. De velden zijn niet homogeen en zullen met behulp van de wichelroede kunnen worden gedetecteerd. De wichelroedeloper speurt redelijk gemakkelijk de onregelmatigheden in elektrische en magnetische velden op, maar om de veroorzakers daarvan aan te geven moet vaak heel wat meer werk worden verzet. Het is niet passend om verkeerde conclusies te trekken uit de resultaten van het onderzoek.
Het zou aanbeveling verdienen dat de reacties in het lichaam op veranderingen in het elektrische of magnetische veld beter bestudeerd zouden worden. W.T. Zanstra, 2005 |