Heinrich Hertz - Heinrich Hertz

Heinrich Hertz
Heinrich Rudolf Hertz
Urodzić się
Heinrich Rudolf Hertz

( 1857-02-22 )22 lutego 1857
Zmarł 1 stycznia 1894 (1894-01-01)(w wieku 36 lat)
Alma Mater Uniwersytet w Monachium
Uniwersytet w Berlinie
Znany z Mechanika stykowa
Promieniowanie elektromagnetyczne
Emagram
Antena paraboliczna
Efekt fotoelektryczny
Stożek Hertza
Antena dipolowa
Hertza Wektor
Hertza Równanie Hertza -Knudsena
Zasada najmniejszej krzywizny Hertza
Nagrody Medal Matteucci (1888)
Medal Rumforda (1890)
Kariera naukowa
Pola Elektromagnetyzm
Elektrotechnika Mechanika
kontaktowa
Instytucje Uniwersytet w Kilonii
Uniwersytet w Karlsruhe
Uniwersytet w Bonn
Doradca doktorski Hermann von Helmholtz
Doktoranci Vilhelm Bjerknes
Podpis
Autograf Heinricha Hertza.png

Heinrich Hertz ( / H ɜːr t y / HURTS ; niemiecki: [haɪnʁɪç hɛʁts] ; 22 lutego 1857 - 01 stycznia 1894), niemiecki fizyki , który jako pierwszy ostatecznie potwierdziły istnienie fal elektromagnetycznych przewidywanych James Pracownik Maxwella jest równań elektromagnetyzm . Jednostka częstotliwości, cykl na sekundę , została nazwana na jego cześć „ herc ”.

Biografia

Heinrich Rudolf Hertz urodził się w 1857 roku w Hamburgu , wówczas suwerennym państwie Związku Niemieckiego , w zamożnej i kulturalnej rodzinie hanzeatyckiej . Jego ojcem był Gustav Ferdinand Hertz . Jego matką była Anna Elisabeth Pfefferkorn.

Podczas studiów w Gelehrtenschule des Johanneums w Hamburgu Hertz wykazał się uzdolnieniem zarówno do nauk ścisłych, jak i języków, ucząc się arabskiego i sanskrytu . Studiował nauki ścisłe i inżynierię w niemieckich miastach Drezna , Monachium i Berlinie , gdzie studiował pod kierunkiem Gustava R. Kirchhoffa i Hermanna von Helmholtza . W 1880 roku Hertz uzyskał stopień doktora na Uniwersytecie w Berlinie i przez kolejne trzy lata przebywał na studiach podoktoranckich u Helmholtza, pełniąc funkcję jego asystenta. W 1883 roku Hertz objął stanowisko wykładowcy fizyki teoretycznej na Uniwersytecie w Kilonii . W 1885 Hertz został profesorem zwyczajnym na Uniwersytecie w Karlsruhe .

W 1886 roku Hertz poślubił Elisabeth Doll, córkę Maxa Doll, wykładowcy geometrii w Karlsruhe. Mieli dwie córki: Johannę, urodzoną 20 października 1887 i Mathilde , urodzoną 14 stycznia 1891, która została wybitną biolożką. W tym czasie Hertz prowadził swoje przełomowe badania nad falami elektromagnetycznymi.

Hertz objął stanowisko profesora fizyki i dyrektora Instytutu Fizyki w Bonn 3 kwietnia 1889 r., którą piastował do śmierci. W tym czasie pracował nad mechaniką teoretyczną, a jego praca została opublikowana w książce Die Prinzipien der Mechanik in neuem Zusammenhange dargestellt ( Zasady mechaniki przedstawione w nowej formie ), wydanej pośmiertnie w 1894 roku.

Śmierć

W 1892 roku u Hertza zdiagnozowano infekcję (po ataku ciężkich migren ) i przeszedł operację leczenia choroby. Zmarł po komplikacjach chirurgicznych próbujących naprawić swój stan, który powodował te migreny, które niektórzy uważają za złośliwe schorzenie kości. Zmarł w wieku 36 lat w Bonn w Niemczech w 1894 roku i został pochowany na cmentarzu Ohlsdorf w Hamburgu.

Żona Hertza, Elisabeth Hertz (z domu Doll; 1864–1941), nie wyszła ponownie za mąż . Hertz pozostawił dwie córki, Johannę (1887-1967) i Matyldę (1891-1975). Córki Hertza nigdy nie wyszły za mąż, a on nie ma potomków.

Praca naukowa

Fale elektromagnetyczne

1887 urządzenie Hertza generowania i wykrywanie fali radiowej: nadajnik iskrowy (po lewej) , składający się z anteny dipolowej z iskrownikiem (S) zasilanego przez impulsów wysokiego napięcia z cewki Ruhmkorff (T) , a odbiornik (po prawej) składający anteny pętlowej i iskiernika.
Jeden z odbiorników fal radiowych Hertza: antena pętlowa z regulowanym mikrometrem iskier (spód) .

W 1864 szkocki fizyk matematyczny James Clerk Maxwell zaproponował obszerną teorię elektromagnetyzmu, zwaną obecnie równaniami Maxwella . Teoria Maxwella przewidywała, że ​​sprzężone pola elektryczne i magnetyczne mogą przemieszczać się w przestrzeni jako „ fala elektromagnetyczna ”. Maxwell zaproponował, że światło składa się z fal elektromagnetycznych o krótkich długościach fali, ale nikt nie był w stanie tego udowodnić, ani wygenerować lub wykryć fal elektromagnetycznych o innych długościach fal.

Podczas studiów Hertza w 1879 roku Helmholtz zasugerował, aby rozprawa doktorska Hertza dotyczyła testowania teorii Maxwella. Helmholtz zaproponował również problem "Nagrody Berlińskiej" w Pruskiej Akademii Nauk dla każdego, kto mógłby eksperymentalnie udowodnić efekt elektromagnetyczny w polaryzacji i depolaryzacji izolatorów , coś, co przewidywała teoria Maxwella. Helmholtz był pewien, że Hertz jest najbardziej prawdopodobnym kandydatem do wygrania. Nie widząc żadnego sposobu na zbudowanie aparatury do eksperymentalnego testowania tego, Hertz uznał, że to zbyt trudne i zamiast tego pracował nad indukcją elektromagnetyczną . Hertz dokonał analizy równań Maxwella podczas jego pobytu w Kilonii, wykazując, że mają one większą wartość niż rozpowszechnione wówczas teorie „ działania na odległość ”.

Kiedy Hertz otrzymał profesurę w Karlsruhe, jesienią 1886 roku eksperymentował z parą spiral Riessa, kiedy zauważył, że wyładowanie słoika lejdejskiego do jednej z tych cewek wytworzyło iskrę w drugiej cewce. Mając pomysł na to, jak zbudować aparat, Hertz miał teraz sposób na rozwiązanie problemu „Nagrody Berlińskiej” z 1879 r. dotyczącej udowodnienia teorii Maxwella (chociaż rzeczywista nagroda straciła ważność w 1882 r.). Jako radiator użył anteny dipolowej składającej się z dwóch współliniowych jednometrowych przewodów z iskiernikiem między ich wewnętrznymi końcami oraz kulek cynkowych przymocowanych do zewnętrznych końców jako pojemności . Antena była wzbudzana przez impulsy o wysokim napięciu około 30 kilowoltów przyłożone między dwie strony cewki Ruhmkorffa . Fale odbierał za pomocą rezonansowej anteny jednopętlowej z mikrometrową przerwą iskrową między końcami. Eksperyment ten wytworzył i odebrał tak zwane fale radiowe w bardzo wysokim zakresie częstotliwości .

Pierwszy nadajnik radiowy Hertza: rezonator dipolowy obciążony pojemnością, składający się z pary jednometrowych przewodów miedzianych z przerwą iskrową 7,5 mm między nimi, zakończonych 30 cm kulkami cynkowymi. Kiedy cewka indukcyjna przykłada wysokie napięcie między dwiema stronami, iskry w iskierniku wytwarzają stojące fale prądu o częstotliwości radiowej w przewodach, które emitują fale radiowe . Częstotliwość fal wynosiła około 50 MHz, o które stosuje się w nowoczesnych nadajników telewizyjnych.

W latach 1886-1889 Hertz przeprowadził serię eksperymentów, które miały udowodnić, że obserwowane przez niego efekty były wynikami przewidywanych przez Maxwella fal elektromagnetycznych. Począwszy od listopada 1887 r. wraz ze swoim artykułem „O efektach elektromagnetycznych wytwarzanych przez zakłócenia elektryczne w izolatorach”, Hertz wysłał serię artykułów do Helmholtza w Akademii Berlińskiej, w tym prace z 1888 r., w których pokazano poprzeczne fale elektromagnetyczne w wolnej przestrzeni poruszające się ze skończoną prędkością na dystans. W aparacie używanym przez Hertza pola elektryczne i magnetyczne wypromieniowane z przewodów jako fale poprzeczne . Hertz umieścił oscylator około 12 metrów od cynkowej płyty odbijającej, aby wytworzyć fale stojące . Każda fala miała około 4 metrów długości. Używając detektora pierścieniowego, zarejestrował, jak zmieniała się wielkość fali i kierunek jej składowych. Hertz zmierzył fale Maxwella i wykazał, że prędkość tych fal była równa prędkości światła. Natężenie pola elektrycznego , polaryzacja i odbicie fal zmierzono również przez Hz. Eksperymenty te wykazały, że zarówno światło, jak i te fale są formą promieniowania elektromagnetycznego zgodnego z równaniami Maxwella. Hertz być może nie był pierwszym, który natknął się na zjawisko fal radiowych – David Edward Hughes mógł wykryć ich istnienie dziewięć lat wcześniej, ale nie opublikował swoich odkryć.

Kierunkowy nadajnik iskier Hertza (w środku) , półfalowa antena dipolowa wykonana z dwóch 13 cm mosiężnych prętów z iskiernikiem pośrodku (zbliżenie po lewej) zasilana cewką Ruhmkorffa , na linii ogniskowej cylindrycznego reflektora parabolicznego z blachy o wymiarach 1,2 mx 2 m . Emitował wiązkę fal 66 cm o częstotliwości około 450 MHz. Odbiornik (po prawej) to podobna paraboliczna antena dipolowa z iskiernikiem mikrometrowym .
Demonstracja polaryzacji fal radiowych Hertza : odbiornik nie reaguje, gdy anteny są prostopadłe, jak pokazano, ale gdy odbiornik jest obracany, odbierany sygnał staje się silniejszy (co pokazuje długość iskier), aż osiągnie maksimum, gdy dipole są równoległe.
Kolejna demonstracja polaryzacji: fale przechodzą przez filtr polaryzacyjny do odbiornika tylko wtedy, gdy przewody są prostopadłe do dipoli (A) , a nie równolegle (B) .
Demonstracja załamania : fale radiowe uginają się przy przejściu przez pryzmat ze smoły , podobnie jak fale świetlne przy przejściu przez pryzmat szklany.
Wykres Hertza fal stojących powstałych, gdy fale radiowe odbijają się od arkusza metalu

Hertz nie zdawał sobie sprawy z praktycznego znaczenia swoich eksperymentów z falami radiowymi . Stwierdził, że

" To w ogóle nie ma sensu [...] to tylko eksperyment, który dowodzi, że Maestro Maxwell miał rację - po prostu mamy te tajemnicze fale elektromagnetyczne, których nie możemy zobaczyć gołym okiem. Ale one tam są. "

Zapytany o zastosowania swoich odkryć Hertz odpowiedział:

- Chyba nic .

Dowód Hertza na istnienie unoszących się w powietrzu fal elektromagnetycznych doprowadził do eksplozji eksperymentów z tą nową formą promieniowania elektromagnetycznego, którą nazywano „falami Hertza” aż do około 1910 roku, kiedy termin „ fale radiowe ” stał się aktualny. W ciągu 10 lat badacze tacy jak Oliver Lodge , Ferdinand Braun i Guglielmo Marconi zastosowali fale radiowe w pierwszych bezprzewodowych systemach telegraficznych komunikacji radiowej , prowadzących do nadawania radiowego , a później telewizyjnego. W 1909 roku Braun i Marconi otrzymali Nagrodę Nobla w dziedzinie fizyki za „wkład w rozwój telegrafii bezprzewodowej”. Dzisiaj radio jest podstawową technologią w światowych sieciach telekomunikacyjnych i medium transmisyjnym, na którym opierają się nowoczesne urządzenia bezprzewodowe.

Promienie katodowe

W 1892 Hertz rozpoczął eksperymenty i wykazał, że promienie katodowe mogą przenikać bardzo cienką folię metalową (taką jak aluminium). Philipp Lenard , uczeń Heinricha Hertza, dalej badał ten „ efekt promienia ”. Opracował wersję lampy katodowej i badał przenikanie promieniami rentgenowskimi różnych materiałów. Jednak Lenard nie zdawał sobie sprawy, że produkuje zdjęcia rentgenowskie. Hermann von Helmholtz sformułował równania matematyczne dla promieni rentgenowskich. Postulował teorię dyspersji, zanim Röntgen dokonał swojego odkrycia i ogłoszenia. Powstał na podstawie elektromagnetycznej teorii światła ( Annalen Wiedmanna , tom XLVIII). Jednak nie pracował z rzeczywistymi zdjęciami rentgenowskimi.

Efekt fotoelektryczny

Hertz pomógł ustalić efekt fotoelektryczny (który później wyjaśnił Albert Einstein ), kiedy zauważył, że naładowany obiekt szybciej traci swój ładunek, gdy jest oświetlony promieniowaniem ultrafioletowym (UV). W 1887 r. przeprowadził obserwacje zjawiska fotoelektrycznego oraz wytwarzania i odbioru fal elektromagnetycznych (EM), które opublikował w czasopiśmie Annalen der Physik . Jego odbiornik składał się z cewki z iskiernikiem , dzięki której po wykryciu fal EM widoczna była iskra. Umieścił aparat w zaciemnionym pudełku, aby lepiej widzieć iskrę. Zauważył, że maksymalna długość iskry została zmniejszona w pudełku. Szklany panel umieszczony pomiędzy źródłem fal EM a odbiornikiem pochłaniał promieniowanie UV, które wspomagało elektrony w przeskakiwaniu przez szczelinę. Po usunięciu długość iskry wzrosłaby. Nie zaobserwował zmniejszenia długości iskry, gdy zastąpił szkło kwarcem , ponieważ kwarc nie pochłania promieniowania UV. Hertz zakończył swoje wielomiesięczne śledztwo i przedstawił uzyskane wyniki. Nie badał dalej tego efektu, ani nie próbował wyjaśnić, w jaki sposób doszło do zaobserwowanego zjawiska.

Skontaktuj się z mechaniką

Pomnik Heinricha Hertza na terenie kampusu Instytutu Technologii w Karlsruhe , co tłumaczy się jako W tym miejscu Heinrich Hertz odkrył fale elektromagnetyczne w latach 1885–1889.

W latach 1886-1889 Hertz opublikował dwa artykuły na temat tego, co miało stać się znane jako dziedzina mechaniki kontaktowej , które okazały się ważną podstawą dla późniejszych teorii w tej dziedzinie. Joseph Valentin Boussinesq opublikował kilka krytycznie ważnych obserwacji na temat pracy Hertza, niemniej jednak uznał te prace o mechanice kontaktu za niezwykle ważne. Jego praca zasadniczo podsumowuje, jak dwa osiowo-symetryczne obiekty umieszczone w kontakcie będą się zachowywać pod obciążeniem , uzyskał wyniki oparte na klasycznej teorii sprężystości i mechanice kontinuum . Najważniejszą wadą jego teorii było zaniedbanie jakiegokolwiek charakteru adhezji między dwoma ciałami stałymi, co okazuje się ważne, ponieważ materiały tworzące bryły zaczynają nabierać dużej elastyczności. Naturalnym było jednak zaniedbanie adhezji w tym czasie, ponieważ nie było żadnych eksperymentalnych metod jej testowania.

Do rozwinięcia swojej teorii Hertz wykorzystał obserwację eliptycznych pierścieni Newtona powstałych po umieszczeniu szklanej kuli na soczewce jako podstawy do założenia, że ​​nacisk wywierany przez kulę ma rozkład eliptyczny . Ponownie wykorzystał tworzenie się pierścieni Newtona, potwierdzając swoją teorię eksperymentami w obliczaniu przemieszczenia kuli w soczewce. Kenneth L. Johnson , K. Kendall i AD Roberts (JKR) wykorzystali tę teorię jako podstawę podczas obliczania teoretycznego przemieszczenia lub głębokości wgłębienia w obecności adhezji w 1971 roku. Teoria Hertza jest odzyskiwana z ich sformułowania, jeśli adhezja materiałów jest zakłada się, że wynosi zero. Podobna do tej teorii, jednak przy użyciu innych założeń, BV Derjaguin , VM Muller i YP Toporov opublikowali w 1975 roku inną teorię, która w środowisku naukowym stała się znana jako teoria DMT, która również odzyskała sformułowania Hertza przy założeniu zerowej adhezji. Ta teoria DMT okazała się przedwczesna i wymagała kilku poprawek, zanim została zaakceptowana jako kolejna teoria kontaktu materiałowego obok teorii JKR. Obie teorie DMT i JKR stanowią podstawę mechaniki kontaktu, na której opierają się wszystkie modele kontaktu przejściowego i są wykorzystywane do przewidywania parametrów materiału w mikroskopii nanoindentacji i sił atomowych . Modele te mają kluczowe znaczenie dla dziedziny trybologii i został nazwany jednym z 23 „ludzi trybologii ” przez Duncana Dowsona . Badania Hertza z czasów wykładowcy, poprzedzające jego wielką pracę nad elektromagnetyzmem, którą on sam z charakterystyczną dla siebie trzeźwością uważał za trywialną, ułatwiły erę nanotechnologii .

Hertz opisał również „ stożek Hertza ”, rodzaj trybu pękania w kruchych ciałach stałych spowodowany transmisją fal naprężeń.

Meteorologia

Hertz zawsze bardzo interesował się meteorologią , prawdopodobnie wywodząc się z kontaktów z Wilhelmem von Bezoldem (który był jego profesorem na kursie laboratoryjnym na Politechnice Monachijskiej latem 1878 r.). Jako asystent Helmholtza w Berlinie napisał kilka drobnych artykułów z tej dziedziny, w tym badania nad parowaniem cieczy, nowy rodzaj higrometru oraz graficzne sposoby określania właściwości wilgotnego powietrza poddanego zmianom adiabatycznym .

prześladowania nazistowskie

Heinrich Hertz był luteranem przez całe życie i nie uważałby się za Żyda, ponieważ cała rodzina jego ojca przeszła na luteranizm, gdy jego ojciec był jeszcze w dzieciństwie (w wieku siedmiu lat) w 1834 roku.

Niemniej jednak, kiedy reżim nazistowski zdobył władzę kilkadziesiąt lat po śmierci Hertza, jego urzędnicy usunęli jego portret z honorowego miejsca w ratuszu Hamburga ( Rathaus ) z powodu jego częściowo żydowskiego pochodzenia. (Obraz został od tego czasu zwrócony do publicznego wyświetlania.)

Wdowa i córki Hertza opuściły Niemcy w latach 30. XX wieku i osiedliły się w Anglii.

Dziedzictwo i wyróżnienia

Heinrich Hertz

Siostrzeniec Heinricha Hertza Gustav Ludwig Hertz został laureatem Nagrody Nobla, a syn Gustava Carl Helmut Hertz wynalazł ultrasonografię medyczną . Jego córka Mathilde Carmen Hertz była znaną biolożką i psychologiem porównawczym. Wnuczek Hertza, Hermann Gerhard Hertz, profesor na Uniwersytecie w Karlsruhe , był pionierem spektroskopii NMR iw 1995 roku opublikował notatki laboratoryjne Hertza.

Jednostka SI herc (Hz) została ustanowiona na jego cześć przez Międzynarodową Komisję Elektrotechniczną w 1930 roku dla częstotliwości , wyrażającej liczbę powtórzeń zdarzenia na sekundę. Została przyjęta przez CGPM (Conférence générale des poids et mesures) w 1960 roku, oficjalnie zastępując poprzednią nazwę „ cykle na sekundę ” (cps).

W 1928 r. powstał w Berlinie Instytut Badań Oscylacyjnych im. Heinricha-Hertza . Dziś znany jako Instytut Telekomunikacji Fraunhofera, Instytut Heinricha Hertza, HHI .

W 1969 roku w Niemczech Wschodnich odlano medal pamiątkowy Heinricha Hertza. IEEE Heinrich Hz Medal, ustanowiony w 1987 jest „ za osiągnięcia na falach radiowych [...] corocznie do jednostki do osiągnięcia, które są teoretyczne i doświadczalne w naturze .”

W 1980 roku we Włoszech w sąsiedztwie Cinecittà Est w Rzymie założono szkołę średnią o nazwie „Istituto Tecnico Industriale Statale Heinrich Hertz”.

Krater , który leży na drugiej stronie na Księżycu , tuż za wschodnią kończyny, jest nazwany na jego cześć . Rynek Hertz produktów elektroniki radiowej w Niżnym Nowogrodzie w Rosji nosi jego imię. Heinrich-Hertz-Turm wieża radiowa telekomunikacja w Hamburgu nosi nazwę słynnego syna miasta.

Hertz jest uhonorowany przez Japonię członkostwem w Zakonie Świętego Skarbu , który ma wiele warstw honoru dla wybitnych ludzi, w tym naukowców.

Heinrich Hertz został uhonorowany przez wiele krajów na całym świecie w swoich wydaniach pocztowych, a w okresie powojennym pojawiał się również na różnych niemieckich wydaniach znaczków.

W dniu swoich urodzin w 2012 r. firma Google uhonorowała Hertza na swojej stronie głównej doodlem Google , inspirowanym pracą jego życia.

Zobacz też

Pracuje

  • Ueber die Induction in rotirenden Kugeln (w języku niemieckim). Berlin: Schade. 1880.
  • Die Prinzipien der Mechanik in neuem Zusammenhange dargestellt (w języku niemieckim). Lipsk: Johann Ambrosius Barth. 1894.
  • Schriften vermischten Inhalts (w języku niemieckim). Lipsk: Johann Ambrosius Barth. 1895.

Bibliografia

Dalsza lektura

Zewnętrzne linki