Uitvindingen – 2007

William Sturgeon las als docent Wetenschap en Filosofie over Ørsted en Ampère. Hij begreep dat het magnetisch effect rond de draad zich in een spoel per winding versterkt. Het bracht hem op het idee van de elektromagneet. Hij bouwde een hoefijzermagneet met zestien wikkelingen rond een gelakte kern, die twintig keer zijn eigen gewicht kon dragen. Hiervoor kreeg hij in 1825 de zilveren medaille van de Royal Society of Arts. De Amerikaan Joseph Henry verbeterde Sturgeon’s magneet door de draad te isoleren met zijde. Hierdoor kon hij veel meer wikkelingen maken, en wist hij een magneet te bouwen die ruim 1000 kilo kon dragen.

Michael Faraday schreef ‘I have very little to say on M. Ørsted’s theory, for I must confess I do not quite understand it’. Faraday meende dat als een stroom een magnetisch veld kan veroorzaken, het andersom ook moest gelden. Hij wekte een stroom op door een magneet in een spoel te bewegen. Hij zag dat de intensiteit van de ‘lines of force’ (zoals die met ijzervijlsel rond een magneet zichtbaar te maken zijn) de kracht van de stroom bepaalde: hoe meer lijnen de draad per tijdseenheid doorkruiste, hoe groter de stroom. Vóór Faraday (in 1829 en 1830) had de Italiaanse priester/natuurkundige Francesco Zantedeschi al ontdekt dat in een gesloten circuit bij het naderen en verwijderen van een magneet een elektrische stroom ontstaat.

Anders dan zijn tijdgenoten geloofde Faraday niet dat elektriciteit een vloeistof was die door een draad stroomde als water door een pijp. Hij was ervan overtuigd dat het een kracht of trilling was. Omdat geluid ook een trillingsverschijnsel is, ging hij in voorjaar 1831 samenwerken met Charles Wheatstone (verbeteraar van de mondharmonica en uitvinder van de accordeon) aan proeven met geluid. Dit bracht hem op het idee van zijn beroemdste experiment. Op 29 augustus 1831 wikkelde hij geïsoleerd draad aan twee kanten van een ijzeren ring. Aan de ene kant sloot hij een batterij aan, aan de ander kant een galvanometer. Hij verwachtte dat het aansluiten van de batterij een ‘golf’ zou veroorzaken die de galvanometer zou doen uitslaan. Dat gebeurde inderdaad. Tot zijn verbazing echter, sloeg bij het verbreken van de stroom de galvanometer ook uit, maar de andere kant op. Hij vermoedde dat deeltjes in de draad in een ‘elektrostatische’ staat raakten door stroom en door het magnetisme. Faraday beschreef zijn experimenten in twee papers die hij op 24 november 1831 en 12 januari 1832 presenteerde aan de Royal Society. Dit waren deel 1 en deel 2 van zijn Experimental researches into electricity waarin hij de ‘law which governs the evolution of electricity by magneto-electric induction’ formuleerde.

Antoine-Hippolyte Pixii was instrumentmaker in Parijs. Hij las Faraday’s Experimental researches into electricity en bouwde in 1832 een draaiende generator. In het apparaat draaide een permanente magneet langs twee spoelen. In de spoelen ontstond een pulserende wisselspanning. Hij kon met zijn generator een ononderbroken serie vonken produceren. Later dat jaar bouwde Pixii een tweede machine. Op Ampère’s suggestie voegde hij een commutator toe, waarmee de wisselspanning gelijkgericht werd.

Thomas Davenport was smid in een dorp in Vermont. In 1833 hoorde hij dat Henry’s elektromagneten in de Penfield and Hammond Iron Works werden gebruikt om het beste erts te selecteren. Hij reed erheen, verkocht zijn paard en kocht de magneet. Mevrouw Davenport verknipte haar trouwjurk, en hij gebruikte de zijde om geïsoleerd draad te kunnen maken. Daarmee maakte hij meer magneten. Met de magneten bouwde hij een motor, die werd aangedreven door de elektriciteit van een galvanische batterij. Voor zijn motor kreeg hij op 25 februari 1837 het eerste patent ooit op een elektrische machine. De motor gebruikte hij in zijn werkplaats. Hoewel de motor een technologisch succes was, werd het een commercieel drama. Hij kon door gebrek aan goede batterijen niet concurreren met de stoommachine. Investeerders haakten af en Davenport stierf in 1851. Het enige wat hij naliet was een prospectus.

Antonio Pacinotti was hoogleraar in Pisa. In juni 1865 publiceerde hij in Il Nuovo Cimento zijn ontwerp voor zijn macchinetta, zijn ‘machientje’. Pacinotti wikkelde een spoel met een serie commutators rond een ringarmatuur, die draaide tussen twee magneten. Doordat de spoelen continu de magneetpolen passeerden, produceerde de macchinetta stroom op een redelijk gelijke spanning, in plaats van een serie pulsen. Gramme bouwde in 1871 voort op de macchinetta. Door het aantal spoelen op te voeren tot dertig werd de spanning bijna egaal, en door een verbeterde commutator werd zijn generator praktisch bruikbaar. Hij richtte in 1871 de Société des Machines magnéto-électriques Gramme op. Op een tentoonstelling in Wenen gebruikte hij één generator als motor, en dreef die aan met een generator op driekwart mijl afstand. Het maakte grote indruk: Henry Adams schreef over de dynamo als ‘a moral force, comparable to the European cathedrals’ in zijn essay The Dynamo and the Virgin.

Op 27 januari 1880 vroeg Thomas Alva Edison in de Verenigde Staten patent aan voor zijn gloeilamp. De gloeilamp was dé toepassing, die elektriciteit nodig had om op grote schaal door te kunnen breken en Edison zag de economische mogelijkheden: ‘We will make electricity so cheap that only the rich will burn candles.’ Hij ontwikkelde een compleet opwek- en distributiesysteem met generatoren, regelaars, isolatoren, schakelaars, fittingen, zekeringen, verbindingen, ondergronds netwerk etc. en verwierf talloze patenten. Edison bouwde ‘by guesswork’ een betrouwbare 110v generator, ‘Long Legged Mary-Ann’, waarmee een hele stadswijk kon worden bediend. Op maandag 4 september 1882 startte de productie in 257 Pearl Street in New York. Joseph Swan had in 1878 in Engeland al een gloeilamp ontwikkeld en gepatenteerd. Edison was daardoor in Engeland gedwongen met hem samen te werken in de Edison & Swan United Company.

Galileo Ferraris was president van de Elektrische Afdeling van de Wereldtentoonstelling van 1884 in Turijn. Tijdens de tentoonstelling bestudeerde hij de tentoongestelde ‘secundaire generatoren’ van Gaulard en Gibbs. In een demonstratie waren deze primitieve transformatoren gebruikt voor transmissie over 40 kilometer. In die tijd werd elektriciteit bijna uitsluitend voor verlichting gebruikt, maar men begon aan andere toepassingen te denken. Ferraris’ ervaringen met de transformatoren brachten hem op het idee dat twee out-of-phase, maar synchrone stromen een roterend magnetisch veld zouden kunnen vormen. Ferraris ontwikkelde motoren met haaks geplaatste elektromagneten onder out-of-phase wisselspanning. Ferraris weigerde zijn uitvinding te patenteren, omdat hij vond dat wetenschappelijke en intellectuele inzichten voor iedereen vrij beschikbaar zouden moeten zijn. In 1891 werd hij – tijdens het Electrical Congress in Frankfurt waar driefase transmissie over ruim 150 kilometer werd gedemonstreerd – binnengehaald als ‘the father of three-phase current’.

George Westinghouse was een ondernemer die fortuin had gemaakt met een veilige luchtrem voor treinen. Geïnteresseerd in elektriciteitsdistributie bestudeerde hij Edison’s systeem, en vond dat gelijkstroom te inefficiënt was voor grootschalige toepassing. Westinghouse importeerde in 1885 transformatoren (van Gaulard en Gibbs) en wisselstroomgeneratoren (van Siemens) uit Europa en begon daarmee in Pittsburgh te experimenteren. Met hulp van William Stanley en Franklin Leonard Pope werkte hij aan een bruikbaar wisselspanningsnet. In 1885 werkte Stanley ideeën voor een heel nieuw type transformator uit, dat hij op 20 maart 1886 demonstreerde. Op 21 september dat jaar kreeg hij patent op zijn ‘induction coil’ transformator, het prototype voor alle moderne transformatoren. Binnen een jaar werd zijn transformator commercieel geproduceerd. In 1886 werd in Great Barrington, Massachusetts het eerste wisselspanningsnet in gebruik genomen. Niet zonder problemen: Pope werd in zijn eigen kelder geëlektrocuteerd door een defecte transformator.

De Kroatische Serviër Nikola Tesla kwam na diverse betrekkingen in het toenmalige Oostenrijk-Hongarije in 1882 bij de Continental Edison Company in Parijs terecht. Twee jaar later vertrok hij naar New York, met een aanbevelingsbrief van zijn baas, Charles Batchelor: ‘I know two great men and you are one of them; the other is this young man’. Edison nam Tesla aan als ingenieur voor de Edison Machine Works om verbeteringen te brengen in zijn gelijkstroomgeneratoren. Het klikte niet echt tussen Tesla en Edison: al snel kregen ze onenigheid – over het salaris, en over Tesla’s meerfasen wisselstroom-ideeën – en Tesla vertrok. In 1887 bouwde Tesla de wisselstroom inductiemotor, die hij al in Parijs in zijn hoofd had, en demonstreerde die in 1888 aan het American Institute of Electrical Engineers (nu de IEEE). Hij leerde daarbij George Westinghouse kennen. Datzelfde jaar begon hij te werken voor Westinghouse Electric & Manufacturing Company in Pittsburgh.

De samenwerking van Tesla en Westinghouse leidde tot een compleet en betrouwbaar wisselstroomsysteem. De concurrentiestrijd met Edison’s gelijkstroomsysteem, de War of Currents, die daarop uitbrak, werd in 1893 beslist op de feëriek verlichte Chicago World’s Fair. In de ‘Hall of Machinery’ stonden twaalf 1000pk wisselstroomgeneratoren en in de ‘Great Hall of Electricity’ was een tentoonstelling van Tesla’s meerfase systeem van wisselstroomopwekking en -distributie. Edison weigerde gloeilampen te leveren. In 1895 werd bij de Niagara watervallen de eerste commerciële wisselstroom (waterkracht)centrale opgeleverd, die Buffalo van elektriciteit voorzag.