In hierdie artikel bied Koos Holtzhausen, ’n afgetrede dosent in elektriese ingenieurswese aan die Universiteit Stellenbosch en professionele ingenieur met ’n PhD in ingenieurswese, ’n oorsig van die storie van elektrisiteit. Hierdie skrywe sal volwassenes interesseer. Ook behandel graad 6-leerders in Natuurwetenskappe gedurende die derde kwartaal elektrisiteit as onderwerp. Nuuskierige leerders kan meer lees oor elektrisiteit se geskiedenis. ’n Verrykingsartikel vir oud en jonk!
Een ding wat beurtkrag ons laat besef het, is hoe ’n integrale deel van ons lewens elektrisiteit is. Hoe op aarde het ons só afhanklik van iets onsigbaars geword?
Elektrisiteit het reeds van die vroegste tye af, in die vorm van weerlig, van hom laat hoor en homself laat sien, al het hy toe nog nie ’n naam gehad nie. Weerlig vervul mens en dier met vrees en bewing. Dink net aan hoe ’n grotbewoner weerlig moes ervaar het toe ’n vuurkolom uit die lug gekom en met ’n oorverdowende donderslag dikwels sterftes en brande veroorsaak het.
Dit word bereken dat die aarde ongeveer 4 500 miljoen jaar oud is en dat die eerste voorganger van homo sapiens om en by 3,2 miljoen jaar gelede op Moeder Aarde rondgeloop het. Die aarde se atmosfeer met sy wisselvallige weerstelsels, insluitende weerlig, was hoogs waarskynlik deel van die daaglikse oorlewingstryd van die spesie.
Homo sapiens maak ongeveer 200 000 jaar gelede sy verskyning in Afrika en begin ongeveer 50 000 jaar gelede om in die rigting van Indië te migreer, en teen 10 000 vC bewoon hulle groot dele van die aarde as enigste oorlewende homo-spesie, te danke aan ’n superieure denkvermoë en kommunikasievaardighede. Die vertel van stories en mites was waarskynlik ’n groot tydverdryf.
1. Vroeë geskiedenis: Die eerste manifestasies van elektrisiteit (weerlig en elektriese visse), weerlig-gode en die filosowe se bydraes
Egipte
Die eerste opgetekende verwysing na ’n elektriese verskynsel was in 2750 vC, toe daar na elektriese babers (’n vissoort) in die Nyl as die “gedonder van die Nyl” verwys is. As die vis aangeraak is, is elektriese skokke ondervind.
Mesopotamië en omstreke
Die landstreek tussen die Tigris- en Eufraatriviere, Mesopotamië (in die huidige Irak), het spoedig ’n belangrike sentrum vir handel, ontwikkeling en wetenskaplike denke geword. Om en by 3500 vC, gedurende die Bronstydperk, floreer die Sumeriërs hier as soldate, landbouers, vakmanne en handelaars. Hulle ontwikkel ook spykerskrif. Hierdie ontwikkelings het ook voortgeduur in die latere Akkadiese, Babiloniese en Assiriese ryke.
Teen 2500 vC was florerende metropole soos Assur, Arbel en Nineve reeds goed gevestig. In 934 nC het Ashur-dan II die Neo-Assiriese Ryk gestig en groot dele van die Midde-Ooste verenig. Dit was ’n tyd van vooruitgang en ontwikkeling met vernuwings soos geplaveide paaie, ’n posstelsel, die vergrootglas, selfs ’n primitiewe elektriese battery (wat in 1930 in Irak opgegrawe is), die eerste gebruik van yster, rioolstelsels, ’n biblioteek en selfs musieknotasie.
Gedurende die bewind van Tiglat-Pileser1 (1115–1077 vC) is Adad (ook Ramman genoem), die god van storms, donder en weerlig, deur die Assiriërs vereer. ’n Afbeelding van hom word hier onder getoon.
Adad, die god van storms van Assirië2
Die Hetiete het die landstreek Anatolia, wat die huidige Turkye insluit, bewoon. Onder hulle gode was daar ook ’n weergod, Tesjub, wat ’n driedubbele weerligstraal in sy hand hou, asook ’n wapen, gewoonlik ’n byl. Die reliëfafbeelding in die figuur hier onder dateer van ongeveer 500 vC en is in Noord-Sirië by Samal gevind.
Tesjub, die Hetiete se weergod3
Die ou Grieke en Romeine
Om en by 700 vC het die Grieke die blitssimbole van die Oosterse beskawings oorgeneem in die vorm van die blitswerpende Zeus.
Zeus, die god van weerlig4
Volgens die Griekse mitologie was Zeus die vader van die gode en is hy deur sy moeder in ’n grot op berg Ida in Kreta versteek omdat Cronus, sy vader, hom wou uitwis. Hy het die gawe van donder en weerlig as beloning vir sy heldedade ontvang. Sy Romeinse eweknie was Jupiter.
Die eerste filosowe van ou Griekeland, Thales (635–543 vC), Anaximander (610–546 vC) en Anaximenes (585–528 vC), was van Milete. Milete was ’n stadstaat aan die Aegiëse kus waar Turkye deesdae is. Hulle het hulle besig gehou met kosmologie, wiskunde en eksperimentering. Bertrand Russell, die bekende wiskundige en filosoof, het gesê “Western philosophy begins with Thales.” Hy was een van die sewe wyses (Engels sages) van die Grieke, en Aristoteles het hom as die eerste filosoof in die Griekse tradisie beskou. Voor Thales het die Grieke die oorsprong en aard van die aarde verduidelik as werke van die gode. Thales het aardbewings verduidelik deur te beweer dat die aarde op water dryf en deur die beweging van die water beïnvloed word. Sy groot bydrae was dat hy statiese elektrisiteit (die kernaspek van weerlig en elektrisiteit) “ontdek” het deur barnsteen met ’n pels te vryf. Anaximander het weerlig nie aan iets bonatuurliks toegeskryf nie, maar beweer dat dit veroorsaak word deur lug is wat binne wolke vasgevang is en wat gedurende weerlig uitbars. So ook het Anaximenes weerlig aan die skielike opbreek van wolke agv wind toegeskryf.
Aristoteles (384–322 vC) was ’n student van Plato, maar het nie in Plato se Utopie geglo nie en was meer geneig tot empirisme, kategorisering en ondersoek. Een van sy gesegdes was: “As jy nie glo dat riviere as klein stroompies in die berge begin nie, volg hulle stroom-op.” Hy verduidelik weerlig as die uitaseming van ’n wolk.
Alhoewel hierdie filosowe nie noodwendig wetenskaplik reg was nie, is hulle bydrae dat hulle gepoog het om verklarings vir natuurverskynsels te kry sonder om hulle op die bonatuurlike te beroep.
Ander kulture
In die Chinese kultuur was Tien Mu ’n weerliggodin met spieëls. In Noorweë was Thor met sy hamer die weerlig- en dondergod.
2. Die wetenskaplike era
Statiese elektrisiteit
Thales van Milete se eksperiment was, sonder dat hy daarvan bewus was, die eerste geval van die opwekking van elektrisiteit: statiese elektrisiteit. Thales het ’n stuk barnsteen met pels gevryf. Barnsteen is gefossileerde boomgom en is honderde miljoene jaar oud. Dit is ’n kosbare edelsteen en deesdae baie werd. Hier onder is ’n barnsteenpaneel in die Katarina-paleis in Sint Petersburg.
Barnsteenpaneel in Sint Petersburg (eie foto)
Barnsteen is ’n elektriese isoleermateriaal soos glas of porselein. Die elektrone van isoleermateriale bly normaalweg vasgevang binne die atome van die stof en daar is net soveel elektrone (negatiewe ladings) as protone (positiewe ladings). Met die vryfproses word van die elektrone as ’t ware afgevryf en die barnsteen bekom ’n netto positiewe lading. Dit kan dus stukkies papier aantrek en kan ook klein vonkies veroorsaak. ’n Interessante feit is dat barnsteense Griekse ekwivalent electron is, wat deur die toedoen van William Gilbert in 1600 nC tot die woorde elektron enelektrisiteit gelei het.
Elektriese stroom
Soos die naam aandui, is statiese elektrisiteit nie beweeglik in die sin dat dit aanhoudend deur drade kan vloei om benut te word nie. ’n Gelaaide voorwerp kan wel ontlaai as dit kortgesluit word. ’n Goeie voorbeeld hiervan is die statiese lading wat in donderwolke opbou en dan in die vorm van weerlig na die aarde ontlaai. Die eerste persoon wat bewys het dat weerlig eintlik net ’n groot elektriese stroom is, was die Amerikaanse staatsman, drukker en uitvinder Benjamin Franklin (1706–1790). Die tekening hier onder, wat tussen 1860 en 1890 op die $10-noot verskyn het, sinspeel op sy beroemde eksperiment in 1751 met ’n vlieër.
Faraday se vlieër5
Elektrochemiese selle
Die twee Italianers Luigi Galvani (1737–1798) en Alessandro Volta (1745–1827) se navorsing oor die interaksie van metaalelektrodes met ’n chemiese elektroliet was die voorloper van die elektriese battery. Dit was egter nie chemie wat die hoofbron van elektrisiteit sou voortbring nie, maar wel fisika.
Elektromagnetiese induksie: Michael Faraday
Michael Faraday is in 1791 naby Londen gebore as die seun van ’n arm smid en het slegs ’n paar jaar skoolopleiding gehad. Hy was slegs 13 jaar oud toe hy by ’n boekbinder in Londen begin werk het. Hy het met elektrisiteit begin eksperimenteer en word tereg as uitvinder van enkele belangrike beginsels beskou wat vandag nog die hoekstene van opwekking, verspreiding en benutting van elektrisiteit vorm: die generator, die transformator en die elektriese motor.
Sy groot bydrae was die ontdekking dat as ’n koperdraad naby ’n magneet verbybeweeg, daar elektrisiteit in die draad opgewek word – die vrye elektrone begin beweeg soos hase wat vir ’n hond geskrik het. Dit is die beginsel van die generator. Die wonderlike ding is dat bykans al die elektriese energie in die wêreld steeds op dié manier opgewek word. In ’n groot kragsentrale vloei gelykstroom in die roterende rotor en veroorsaak ’n magneetveld. As die rotor roteer, “sny” hierdie magneetveld die kopergeleiers van die stator om die groot hoeveelhede elektriese krag te lewer. In hierdie proses word meganiese energie omgesit in elektriese energie.
Faraday het ook die omgekeerde proses, die werking van ’n elektriese motor, gedemonstreer: ’n Geleier waarin elektriese stroom vloei, ondervind ’n meganiese krag as dit in ’n magnetiese veld is.
Hy het ook die beginsel waarop ’n transformator gebaseer is, ontdek: As twee spoele koperdraad naby mekaar is, induseer ’n veranderende stroom in die een spoel ’n spanning in die ander spoel.
’n Kernaspek van hierdie verskynsels is dat in metale (soos koper en aluminium), anders as in isoleermateriale, die elektrone vry is om te beweeg.
3. Die industriële era
Steenkoolkrag
Na die uitvinding van die stoomenjin in 1761 deur James Watt (1736–1819) het steenkool die primêre energiebron geword. Massas steenkool is verbrand en in die vyftiger- en sestigerjare het dit mettertyd duidelik geword dat dit die omgewing nadelig beïnvloed. Steenkool, wat millenniums gelede op natuurlike wyse ondergronds gevorm is, word uitgegrawe en onomkeerbaar verbrand. Steenkoolkragstasies stel koolstofbevattende kweekhuisgasse vry, wat tot aardverwarming bydra.
Hernubare krag
Daarteenoor is daar hernubare energiebronne wat op ’n natuurlike wyse ontstaan en wat konstant aangevul word en geen besoedelende reste agterlaat nie. Voorbeelde hiervan is sonwaterverwarmers, fotovoltaïese elektrisiteit, hidro- en windkrag.
Die fotoëlektriese effek, wat die basis van fotovoltaïese elektrisiteit is, is in 1905 deur Einstein ontdek en in 1916 verder deur Millikan ontwikkel. Sedertdien het voortgesette ontwikkeling van panele daartoe gelei dat fotovoltaïese panele deesdae koste-effektief en mededingend is. Dit word geraam dat in 2021 ongeveer 28% van die wêreld se energie uit hernubare bronne afkomstig is.6
Wind is die oudste vorm van hernubare krag wat “getem” is. Seilskepe het reeds in 1790 hulle verskyning gemaak. Later is windkrag gebruik om oa water te pomp en graan te maal en onder andere die polders in Nederland droog te lê. Die eerste windmeul vir die opwekking van elektrisiteit is in 1887 deur James Blyth in Skotland gebou.7
Hernubare energie word deesdae gesien as die hoop vir die toekoms. Groot sonkrag- en windkragaanlegte sal krag voorsien en oortollige energie sal in batterye en pompopgaarstelsels gestoor word. Die hernubare energie kan ook aangewend word om “groen waterstof” uit water te lewer as brandstof vir voertuie. Die tegnologie van batterye vir die stoor van elektrisiteit het in die onlangse tyd met rasse skrede gevorder.
Kernkrag
Kernfisika het sy beslag in 1932 gekry toe atoomsplitsing gedemonstreer is. Dit het gelei tot die ontwikkeling van die atoombom en die militêre aanwending daarvan. Kernenergie kan ook gebruik word om, soos steenkool, stoom op te wek vir die opwekking van elektrisiteit. So is die wêreld se eerste kommersiële kernkragstasie, Calder Hall, op 27 Augustus 1956 in Engeland geopen en aan die kragnet verbind. Koeberg-kernkragstasie is in 1983 in bedryf gestel en het goeie diens gelewer. Tans verteenwoordig kernkrag sowat 26% van die elektrisiteit wat wêreldwyd opgewek word.8
Hoewel kernkrag nie direk tot aardverwarming bydra nie, kan dit nie sonder meer as ’n hernubare energiebron beskou word nie. Die hantering en opberging van die gebruikte brandstof is ’n netelige probleem. Hoewel die waarskynlikheid van ’n katastrofale onklaarraking of fout baie skraal is, wek die insidente by Three Mile Island (1979), Tsjernobil (1986) en Fukusjima (2011) kommer. Die kwesbaarheid van kernkragstasies tydens oorloë is onderstreep deur die gebeure in Oekraine by die Zaporizhzhia-kernkragstasie.
Die elektriese kragnetwerk
Die groot voordeel van elektriese energie is dat dit met ’n netwerk van kragdrade deur die hele land versprei kan word. Thomas Alva Edison (1847–1931) het, na baie navorsing, die eerste elektriese gloeilamp ontwikkel en het die eerste kragsentrale in Pearlstraat in New York laat bou, insluitende ’n netwerk wat 110 volt gelykstroom aan 59 klante voorsien het. Heel interessant is elektriese straatligte, op inisiatief van die Cape Electric Light Company, by die diamantmyne in Kimberley op 1 September 1882 aangeskakel – drie dae voor die amptelike ingebruikneming van die Pearlstraat-kragsentrale!
’n Kragnetwerk soos dié van Edison het die nadeel dat as die kragdrade te lank is, te veel energie in die drade verlore gaan, met die gevolg dat die spanning (volt) by die verbruikers te laag is en die ligte gevolglik flou brand. Nikola Tesla (1856–1943) het omstreeks 1886 die idee van wisselstroomkrag gepatenteer. Wisselstroom verander 100 keer per sekonde van rigting (vir 50 Hz; 120 keer vir 60 Hz), terwyl die rigting van gelykstroom konstant bly. Wisselstroom het dié voordeel bo gelykstroom dat transformators gebruik kan word om die spanning (volt) te verander. Vir dieselfde drywing (drywing in watt =volt x ampere) is die stroom laer as ’n hoër spanning gebruik word, en dunner geleiers kan dus oor langer afstande gebruik word.
In die laat 1880’s het ’n onverkwiklike stryd tussen Tesla en Edison ontstaan: die sogenaamde War of the Currents. Edison, ’n voorstander van gelykstroom het, om sakeredes, ’n smeerveldtog teen Tesla begin. Edison het onder meer beweer dat wisselstroom net goed genoeg vir die elektriese stoel is. Edison was blykbaar in ’n mate reg, aangesien 50 of 60 Hz wisselstroom meer geredelik ventrikulêre fibrillasie van die hart veroorsaak. Gelykstroom is egter ook gevaarlik. Die voordele van wisselstroom het Tesla egter die geveg laat wen. Ironies genoeg word gelykstroom deesdae weer gebruik op baie lang hoogspanningsdrade soos dié na Cahora Bassa in Mosambiek.
Tesla het ook driefasekrag en die induksiemotor, die “werk-esel” in fabrieke, uitgevind. Al die generators van ’n kragstelsel is aan die kragnetwerk verbind waaruit ons verbruikers krag tap. Wisselstroomkrag kan ongelukkig nie opgeberg word nie, behalwe in duur pompopgaarskemas. Die opwekking moet daarom deurentyd net genoeg wees om die aanvraag te balanseer – indien nie, beleef ons kragonderbrekings soos deesdae!
4. Ter opsomming
Elektrisiteit is vir my nog steeds ’n wonder, ’n absolute geskenk van die gode. Hoe sou ons ooit daarsonder kon klaarkom? Ek staan steeds verstom oor die genialiteit van vroeëre eksperimenteerders soos Thales, Benjamin Franklin, Michael Faraday en nog baie ander wat elkeen stapsgewyse bygedra het om meer oor elektrisiteit te wete te kom. Sir Isaac Newton het dit só gestel: “ If I have seen further, it is by standing on the shoulders of Giants”.
Vir my is dit ’n riem onder die hart dat dit waarmee ek my ’n groot deel van my lewe besig gehou het, só belangrik is. Eintlik werk álles met elektrisiteit, selfs die menslike liggaam. Die hartklop word deur elektriese pulse gereguleer. Die neurone van die senustelsel is in beginsel maar elektriese verbindings, en so ook die brein. Rekenaars, wat ook nie sonder elektrisiteit kan werk nie, modelleer kunsmatige intelligensie deur die menslike brein te na-aap.
Lank lewe elektrisiteit!
Bron: Inligting is hoofsaaklik uit Wikipedia verkry, tensy anders vermeld.
Eindnotas
1 AG Visser het in sy gedig “Toe die wêreld nog jonk was” die spot gedryf met karakters uit daardie tyd:
Tiglatpileser, die parmant,
Wil niks hê as ’n olifant;
maar Hammoerabie huil en sê
hy wil ’n wit harnoster hê.
2 Geteken deur Henri Faucher-Gudin na Austen Henry Layard, History of Egypt, Chaldea, Syria, Babylonia and Assyria, Vol III. https://ia600307.us.archive.org/11/items/egypt03maspuoft/egypt03maspuoft.pdf, bl 79, openbare domein, https://commons.wikimedia.org/w/index.php?curid=17955031.
3 https://en.m.wikipedia.org/wiki/File:Weather_God.jpg (Wikimedia Commons; openbare domein)
4 https://en.wikipedia.org/wiki/Zeus#/media/File:Jupiter_Smyrna_Louvre_Ma13.jpg (Wikimedia Commons; openbare domein)
5 Alfred Jones, vir die Bureau of Engraving and Printing. Restourasie deur Godot13, Openbare domein, https://commons.wikimedia.org/w/index.php?curid=33575176.
6 https://www.iea.org/reports/renewable-electricity
7 https://handwiki.org/wiki/Engineering:History_of_wind_power
8 https://world-nuclear.org/information-library/current-and-future-generation/nuclear-power-in-the-world-today.aspx.
Lees ook: