InfoNu.nl > Electronica > Geschiedenis > De plaats van de elektronica in de wetenschap

De plaats van de elektronica in de wetenschap

De plaats van de elektronica in de wetenschap Een elektronicus zal zelden de vraag stellen "waardoor komt het dat deze schakeling werkt zoals zij werkt?". Toch is deze vraag fundamenteel. Elektronica is een tak van de natuurkunde en onderworpen aan wiskundige wetten en fysische regels. De elektronica is zelfs zo streng ingebed in de mechanica, dat u van elektronische schakelingen mechanische equivalenten kunt opstellen en er de formules van de mechanica op kunt toepassen. Het is interessant om te onderzoeken waar de elektronica in het heel brede gebied van de wetenschap thuishoort.

Inhoud van het artikel


De piramide van kennis.De piramide van kennis.

De wetenschap verzamelt menselijke kennis

De piramide van kennis
Aan de top van de 'piramide van kennis' staat uiteraard de wetenschap. Wetenschap is te definiëren als de complete verzameling van systematisch verkregen objectieve menselijke kennis. Dat is uiteraard een heel breed terrein en omvat onder andere:
  • Biologie, de wetenschap van de levende organismen.
  • Geologie, de wetenschap van het ontstaan en de evolutie van de aarde.
  • Natuurkunde, de wetenschap die zich bezig houdt met het ontrafelen, begrijpen en ondubbelzinnig definiëren van de structuur van de natuur.

De natuurkunde
De natuurkunde kan weer opgesplitst worden is kennisgebieden zoals:
  • Astronomie, de tak van de natuurkunde die de objecten in de ruimte bestudeert.
  • Thermodynamica, bestudeert interacties tussen verzamelingen van deeltjes op macroscopisch niveau.
  • Atoomfysica, houdt zich bezig met de opbouw van de atomen en hun elektronenschillen en met de onderlinge wisselwerking van atomen en ionen.

De atoomfysica
Ook die tak van de natuurkunde kan echter weer in diverse specialismen gesplitst worden:
  • Chemie of scheikunde, die de bindingen bestudeert die atomen met elkaar kunnen aangaan en alles dat uit deze verbindingen ontstaat.
  • Kernfysica, die de bewegingen en interacties tracht te begrijpen van de deeltjes die zich in de kern van ieder atoom bevinden.
  • Elektrotechniek, onderzoekt de eigenschappen van elektronen die uit hun normale atoomverband zijn gestoten. Of, met andere woorden, met de eigenschappen van vrije elektronen die door geleiders en halfgeleiders vloeien en als gevolg elektrische stromen opwekken. Omdat bewegende elektronen een magnetisch veld veroorzaken is het begrip 'magnetisme' onlosmakelijk verankerd in de elektrotechniek.

De elektrotechniek
De elektrotechniek heeft weer verschillende takken:
  • Elektrochemie, die zich bezighoudt met de manier waarop vrije elektronen door waterachtige vloeistoffen stromen en batterijen en accu's vormen.
  • Installatietechniek, onderzoekt de manier waarop vrije elektronen massaal door geleiders verplaatst worden, zoals in elektrische centrales, hoog- en laagspanningsnetten, motoren en lampen.
  • Elektronica, de tak van de elektrotechniek die onderzoekt hoe een kleine stroom van vrije elektronen een tweede stroom van vrije elektronen kan opwekken, al dan niet versterkt of verzwakt. Of, met andere woorden, hoe u de eigenschappen van vrije elektronen kunt gebruiken om elektrische stromen te manipuleren.

Terug naar de roots
Als u denkt dat u alle verschijnselen uit het blokje 'elektronica' kunt verklaren zonder terug te grijpen naar zaken die in vorige blokjes thuishoren, dan hebt u het mis. Voor de verklaring van een voor de elektronica zeer fundamenteel begrip als 'vrije elektronen' moet u terug naar het blokje 'atoomfysica'. Voor de verklaring van het begrip 'magnetisch veld' moet u terug naar het blokje 'elektrotechniek'.

Mechanica en wiskunde spelen een grote rol

Mechanica bestudeert alles dat beweegt
Rechts naast de besproken blokjes staat een groot blok 'mechanica'. Mechanica houdt zich bezig met het begrijpen en definiëren van voorwerpen die in beweging zijn. Omdat zowat alles in de natuur op de een of andere manier in beweging is zal het duidelijk zijn dat de mechanica een zeer breed terrein bestrijkt en van toepassing is op vrijwel alle besproken takken van de wetenschap.

Wiskunde perst alle verschijnselen in een exact keurslijf
Links naast de besproken blokjes is een groot blok 'wiskunde' getekend. Wie het woord natuurkunde ziet denkt onvermijdelijk aan schoolborden vol ingewikkelde wiskunde. Terecht, want de wiskunde speelt een belangrijke rol in het formuleren van de wetten van de natuurkunde, mechanica en elektrotechniek. Zelfs zo'n belangrijke rol dat bepaalde zogenaamd alledaagse begrippen, zoals een magnetisch veld of een elektromagnetische golf, in feite alleen wiskundig te formuleren zijn.

Het opladen van een condensator.Het opladen van een condensator.
Een voorbeeld van het belang van de wiskunde
Als u een condensator C van 1 µF via een weerstand R van 1 kΩ oplaadt uit een batterij U van 10 V, dan zal de spanning Uc over de condensator volgens een welbepaald verloop stijgen in functie van de laadtijd. Dat verloop is exact te omschrijven in een wiskundige formule. Als u deze wiskundige formule gevonden hebt, is het vanaf dat moment niet meer nodig experimenteel te bepalen hoe groot de spanning na twee seconden over een condensator van 4,7 µF zal zijn als die wordt geladen via een weerstand van 330 kΩ uit een spanningsbron van 65 V. Het volstaat deze nieuwe waarden in de formule in te vullen en u kunt het antwoord op de vraag volgens een zuiver wiskundige manier berekenen, zonder één meting te verrichten.

Determinisme
Men noemt het hele gebied van de klassieke natuurkunde daarom 'deterministisch'. Als u de beginvoorwaarden voor het tot stand komen van een bepaald verschijnsel kent en u weet de wiskundige formules waaraan dat verschijnsel voldoet, dan weet u voldoende om de resultaten van het verschijnsel te kunnen berekenen. Gebeurtenissen in de natuurkunde en dus ook in de elektronica volgen altijd uit hun beginvoorwaarden en uit hun wiskundige formules. Alle gebeurtenissen zijn als het ware volledig voorbestemd, dus deterministisch.

Newton en Maxwell. / Bron: Wikimedia Commons / Publiek domeinNewton en Maxwell. / Bron: Wikimedia Commons / Publiek domein

De klassieke mechanica versus de quantummechanica

Klassieke mechanica
In het overzicht van de eerste afbeelding staat bij het rechter blokje het woord 'mechanica'. Dat is een vrij onnauwkeurige benaming, omdat er op dit moment twee soorten mechanica bestaan. De eerste noemt men de 'klassieke mechanica'. Dat is de kennis van de mechanica zoals die rond 1900 bestond. Deze klassieke mechanica is samengesteld uit:
  • De theorieën over de aantrekkingskracht tussen lichamen, in 1685 door Isaac Newton opgesteld.
  • De theorieën over het elektrisch en magnetisch veld, rond 1860 door James Clerk Maxwell op papier gezet.

Beide theorieën geven een uitstekende verklaring en een volledig deterministische wiskundige beschrijving van de eigenschappen van de mechanica die op aardse schaal waar te nemen zijn. Maar verlegt u het onderzoeksterrein naar het hele kleine (kernfysica) of naar het hele grote (astronomie), dan blijkt dat deze klassieke mechanica bepaalde verschijnselen niet kan verklaren. Om een voorbeeld te noemen, het is met de klassieke mechanica absoluut onmogelijk om te verklaren waarom elektronen alleen in bepaalde banen rond de atoomkern kunnen draaien.

Albert Einstein. / Bron: Wikimedia CommonsAlbert Einstein. / Bron: Wikimedia Commons
Quantummechanica
Tussen de jaren 1910 en 1940 werd daarom een nieuw soort mechanica ontwikkeld, die algemeen 'quantummechanica' wordt genoemd. Deze theorie kon ontstaan doordat Albert Einstein met zijn beroemde 'relativiteitstheorie' de weg had geëffend om op een heel andere manier over natuurkundige verschijnselen na te denken.

Einde van het determinisme?
Een van de voornaamste ontdekkingen van de quantummechanica is dat verschijnselen op zeer kleine schaal absoluut niet deterministisch zijn. Volgens de quantummechanica is het bijvoorbeeld onmogelijk om de plaats van een elektron dat rond een atoomkern draait nauwkeurig te bepalen. U kunt hoogstens de plaats berekenen waarop u de meeste kans hebt dat elektron aan te treffen. Dat wil overigens niet zeggen dat daarmee het determinisme van de klassieke mechanica niet meer geldig is. Bij verschijnselen op aardse schaal hebt u te maken met bewegingen van miljarden en miljarden elektronen tegelijk. Het niet te voorspellen gedrag van ieder elektron afzonderlijk wordt in die veelheid van deelnemende deeltjes als het ware gemiddeld, zodat het gedrag van alle deeltjes samen wél deterministisch beschreven kan worden. U zou dus kunnen besluiten dat de wiskundige formules van de klassieke mechanica de aan zekerheid grenzende waarschijnlijkheid beschrijven dat de deeltjes zich gaan gedragen zoals de wiskundige formules voorschrijven.

Materie versus golven
Een tweede belangrijke ontdekking van de quantummechanica is dat het fundamenteel verschil dat de klassieke mechanica maakt tussen 'materie' en 'golven' niet terecht is. Materie en golven zijn beide uitingen van een en hetzelfde fundamenteel verschijnsel, dat u het best kunt omschrijven met de term 'energie'. Dit is het 'dualiteitsbeginsel' van het heelal. Soms uit die energie zich onder de vorm van deeltjes met massa en afmetingen, soms onder de vorm van golven met golflengte en amplitude. Dat betekent dus dat een verschijnsel, stel licht, zich zowel onder de vorm van deeltjes als onder de vorm van een golfverschijnsel kan manifesteren.

Een zonnecel als voorbeeld
In de elektronica wordt u vaak geconfronteerd met dit dualistisch karakter van licht. Voor een zonnecel zit een lens om het zonnelicht te concentreren op het gevoelige oppervlak van de cel. Die lens werkt doordat het licht is te interpreteren als golven, die afgebogen wordt door de brekingsindex van de lens. Uit die breking volgt een samenbundeling van de golven in het brandpunt van de lens. Maar als het licht op het gevoelig oppervlak van de zonnecel valt moet u opeens omschakelen naar fotonen, de lichtdeeltjes, die dank zij hun energie elektronen door de sperlaag van de zonnecel kunnen schieten en daardoor een spanning over de zonnecel opbouwen. Bij het bestuderen van de werking van een zonnecel met bundellens moet u dus zowel een beroep doen op licht als golfverschijnsel als op licht als deeltjesverschijnsel.

Quantummechanica in de elektronica

Waarom moeilijk doen als het ook gemakkelijk kan?
De gevolgen van de quantummechanica op het filosofisch denken over de natuur zijn erg groot en staan zelfs nu nog steeds volop ter discussie. Voor de dagelijkse elektronicapraktijk maakt het echter niets uit. In de elektrotechniek en elektronica wordt steeds gesproken over elektronen alsof dat onvoorstelbaar kleine knikkertjes harde stof zijn, die door geleiders en halfgeleiders stromen. Hoewel u, dank zij de quantummechanica, nu weet dat dit een veel te eenvoudige kijk op de werkelijkheid is, kunt u met deze vereenvoudigde voorstelling vrijwel alle elektrische en elektronische schema's verklaren. Waarom dus moeilijk doen als het ook gemakkelijk kan?

Zonder quantummechanica zou er geen moderne elektronica bestaan
Daarmee mag echter niet gezegd worden dat de theorieën die door de quantummechanica zijn ontwikkeld van geen belang zijn voor de elektronica. Wel integendeel! Moderne elektronische onderdelen zoals masers, lasers, chips en zelfs de alledaagse ledlampen zouden niet ontwikkeld zijn zonder dat de quantummechanica de technici een grondig beeld had geschonken over hoe het interne van een atoom echt in elkaar zit.

Halfgeleider vastestoffysica
Er is zelfs een speciale tak van de natuurkunde ontwikkeld die men 'halfgeleider vastestoffysica' noemt. Deze volledig op de quantummechanica geënte wetenschap houdt zich bezig met het natuurkundig verklaren van de werking van in feite alledaagse elektronische onderdelen zoals halfgeleiders, zonnecellen, leds, etc.
© 2017 Josverstraten, het auteursrecht van dit artikel ligt bij de infoteur. Zonder toestemming van de infoteur is vermenigvuldiging verboden.
Gerelateerde artikelen
KwantummechanicaIn het begin van de vorige (20e) eeuw hebben een aantal wetenschappers een nieuwe natuurkundige theorie ontwikkeld, die…
Klussen: elektronica  hoe en watKlussen: elektronica hoe en watIn onze maatschappij heb je heel veel met elektronica te maken: computers, televisies, digitale camera's, mp3-spelers, e…
Klussen: elektronica gelijkspanning en wisselspanningBij elektronica gaat het erom om de elektronen stroom goed onder controle te hebben. Pas dan kan je er allerlei dingen m…
Profielkeuze; Natuur & TechniekProfielkeuze; Natuur & TechniekAl op jonge leeftijd moeten leerlingen een belangrijke keuze maken voor de toekomst. In de derde klas van zowel de HAVO…
Elektronbanen in het zuurstofatoomElektronbanen in het zuurstofatoomIn de klassieke natuurkunde was men gewend aan het idee dat alle verschijnselen voorspelbaar zijn, men moest alleen de j…
Bronnen en referenties
  • https://nl.wikipedia.org/wiki/Wetenschap
  • https://nl.wikipedia.org/wiki/Kwantummechanica
  • https://nl.wikipedia.org/wiki/Elektronica
  • Afbeelding bron 1: Wikimedia Commons / Publiek domein
  • Afbeelding bron 2: Wikimedia Commons

Reageer op het artikel "De plaats van de elektronica in de wetenschap"

Plaats als eerste een reactie, vraag of opmerking bij dit artikel. Reacties moeten voldoen aan de huisregels van InfoNu.
Meld mij aan voor de tweewekelijkse InfoNu nieuwsbrief
Infoteur: Josverstraten
Laatste update: 23-03-2017
Gepubliceerd: 20-03-2017
Rubriek: Electronica
Subrubriek: Geschiedenis
Bronnen en referenties: 5
Schrijf mee!