Heinrich Hertz

Elektromagnetické vlnyEdit

V roce 1864 navrhl skotský matematický fyzik James Clerk Maxwell komplexní teorii elektromagnetismu, dnes nazývanou Maxwellovy rovnice. Maxwellova teorie předpověděla, že spojené elektrické a magnetické pole se může pohybovat prostorem jako „elektromagnetická vlna“. Maxwell navrhl, že světlo se skládá z elektromagnetických vln krátkých vlnových délek, ale nikdo to nebyl schopen dokázat, ani generovat či detekovat elektromagnetické vlny jiných vlnových délek.

Během Hertzových studií v roce 1879 Helmholtz navrhl, aby se Hertzova doktorská práce zabývala ověřením Maxwellovy teorie. Helmholtz toho roku také navrhl Pruské akademii věd problém „berlínské ceny“ pro toho, kdo experimentálně prokáže elektromagnetický efekt při polarizaci a depolarizaci izolantů, což Maxwellova teorie předpovídala. Helmholtz si byl jistý, že Hertz je nejpravděpodobnějším kandidátem na její získání. Protože Hertz neviděl žádný způsob, jak postavit přístroj, který by to experimentálně ověřil, považoval to za příliš obtížné a místo toho pracoval na elektromagnetické indukci. Během svého působení v Kielu však Hertz vypracoval analýzu Maxwellových rovnic, která ukázala, že mají větší platnost než tehdy převládající teorie „působení na dálku“.

Po získání profesury v Karlsruhe Hertz na podzim roku 1886 experimentoval s dvojicí Riessových spirál, když si všiml, že vybití Leydenské sklenice do jedné z těchto cívek vyvolá jiskru v druhé cívce. S nápadem, jak sestrojit přístroj, měl nyní Hertz možnost pokračovat v řešení problému „berlínské ceny“ z roku 1879 za důkaz Maxwellovy teorie (ačkoli skutečná cena zanikla nevyzvednutím v roce 1882). Jako zářič použil jiskřiště poháněné Ruhmkorffovou cívkou a pár metrového drátu. Na koncích byly přítomny kapacitní kuličky pro nastavení rezonance obvodu. Jeho přijímač byla smyčková anténa s mikrometrovým jiskřištěm mezi prvky. Tento experiment produkoval a přijímal to, co se dnes nazývá rádiové vlny v oblasti velmi vysokých frekvencí.

Hertzův první rádiový vysílač: kapacitně zatížený dipólový rezonátor sestávající z dvojice metrových měděných drátů s jiskřištěm mezi nimi o průměru 7,5 mm, zakončených 30 cm zinkovými koulemi. Když indukční cívka přivedla mezi obě strany vysoké napětí, jiskry přes jiskřiště vytvořily v drátech stojaté vlny radiofrekvenčního proudu, které vyzařovaly rádiové vlny. Frekvence těchto vln byla zhruba 50 MHz, tedy přibližně taková, jaká se používá v moderních televizních vysílačích.

Mezi lety 1886 a 1889 provedl Hertz řadu experimentů, které měly prokázat, že jím pozorované jevy jsou výsledkem Maxwellem předpovězených elektromagnetických vln. Počínaje článkem „On Electromagnetic Effects Produced by Electrical Disturbances in Insulators“ (O elektromagnetických jevech vyvolaných elektrickými poruchami v izolátorech) z listopadu 1887 zaslal Hertz Helmholtzovi na berlínskou akademii řadu prací, včetně článků z roku 1888, které ukazovaly příčné elektromagnetické vlny ve volném prostoru šířící se konečnou rychlostí na určitou vzdálenost. V přístroji, který Hertz použil, se elektrické a magnetické pole vyzařovalo od vodičů jako příčné vlny. Hertz umístil oscilátor asi 12 metrů od zinkové odrazné desky, aby vzniklo stojaté vlnění. Každá vlna byla dlouhá asi 4 metry. Pomocí kruhového detektoru zaznamenával, jak se mění velikost a směr složek vlny. Hertz změřil Maxwellovy vlny a prokázal, že rychlost těchto vln je rovna rychlosti světla. Hertz také měřil intenzitu elektrického pole, polarizaci a odraz vln. Tyto experimenty prokázaly, že světlo i tyto vlny jsou formou elektromagnetického záření, které se řídí Maxwellovými rovnicemi.

Hertz si neuvědomoval praktický význam svých pokusů s rádiovými vlnami. Prohlásil,

„Nemá to vůbec žádný význam, je to jen experiment, který dokazuje, že mistr Maxwell měl pravdu – máme prostě tyto záhadné elektromagnetické vlny, které nemůžeme vidět pouhým okem. Ale jsou tam.“

Na otázku, jaké je využití jeho objevů, Hertz odpověděl:

„Asi nic“.

Hertzův důkaz existence elektromagnetických vln šířených vzduchem vedl k explozi experimentů s touto novou formou elektromagnetického záření, které se nazývalo „Hertzovy vlny“ až do doby kolem roku 1910, kdy se vžil termín „rádiové vlny“. Během 10 let vědci jako Oliver Lodge, Ferdinand Braun a Guglielmo Marconi použili rádiové vlny v prvních bezdrátových telegrafních radiokomunikačních systémech, což vedlo k rozhlasovému vysílání a později k televizi. V roce 1909 obdrželi Braun a Marconi Nobelovu cenu za fyziku za „přínos k rozvoji bezdrátové telegrafie“. Dnes je rádio základní technologií v globálních telekomunikačních sítích a přenosovým médiem, které je základem moderních bezdrátových zařízení. „Heinrich Hertz“. Retrieved 3 February 2020.

Katodové paprskyEdit

V roce 1892 začal Hertz experimentovat a prokázal, že katodové paprsky mohou pronikat velmi tenkou kovovou fólií (například hliníkovou). Philipp Lenard, žák Heinricha Hertze, tento „paprskový efekt“ dále zkoumal. Vyvinul verzi katodové trubice a studoval průnik rentgenových paprsků různými materiály. Philipp Lenard si však neuvědomoval, že produkuje rentgenové záření. Hermann von Helmholtz formuloval matematické rovnice pro rentgenové záření. Postuloval disperzní teorii dříve, než Röntgen učinil svůj objev a oznámení. Vznikla na základě elektromagnetické teorie světla (Wiedmann’s Annalen, svazek XLVIII). Nepracoval však se skutečným rentgenovým zářením.

Fotoelektrický jevEdit

Hertz pomohl vytvořit fotoelektrický jev (který později vysvětlil Albert Einstein), když si všiml, že nabitý předmět ztrácí svůj náboj snáze, je-li osvětlen ultrafialovým zářením (UV). V roce 1887 provedl pozorování fotoelektrického jevu a vzniku a příjmu elektromagnetických (EM) vln, která publikoval v časopise Annalen der Physik. Jeho přijímač se skládal z cívky s jiskřištěm, přičemž při detekci EM vln se objevila jiskra. Přístroj umístil do zatemněné krabice, aby jiskru lépe viděl. Pozoroval, že maximální délka jiskry se v krabici zmenšuje. Skleněná deska umístěná mezi zdrojem EM vln a přijímačem absorbovala UV záření, které napomáhalo elektronům v přeskoku přes jiskřiště. Po jeho odstranění se délka jiskry zvětšovala. Když nahradil sklo křemenem, nepozoroval žádné snížení délky jiskry, protože křemen neabsorbuje UV záření. Hertz uzavřel své několikaměsíční zkoumání a podal zprávu o získaných výsledcích. Ve zkoumání tohoto jevu dále nepokračoval, ani se nepokusil vysvětlit, jak k pozorovanému jevu došlo.

Kontaktní mechanikaEdit

Památník Heinricha Hertze v areálu Technologického institutu v Karlsruhe, což v překladu znamená Na tomto místě Heinrich Hertz v letech 1885-1889 objevil elektromagnetické vlny.