Heinrich Hertz

Elektromagnetiske bølgerRediger

I 1864 foreslog den skotske matematiske fysiker James Clerk Maxwell en omfattende teori om elektromagnetisme, som nu kaldes Maxwells ligninger. Maxwells teori forudsagde, at koblede elektriske og magnetiske felter kunne bevæge sig gennem rummet som en “elektromagnetisk bølge”. Maxwell foreslog, at lys bestod af elektromagnetiske bølger med kort bølgelængde, men ingen havde været i stand til at bevise dette eller generere eller detektere elektromagnetiske bølger med andre bølgelængder.

Under Hertz’ studier i 1879 foreslog Helmholtz, at Hertz’ doktordisputats skulle handle om at afprøve Maxwells teori. Helmholtz havde også foreslået “Berlin-pris”-problemet samme år ved det preussiske videnskabsakademi til den, der eksperimentelt kunne bevise en elektromagnetisk effekt i polarisation og depolarisering af isolatorer, noget som Maxwells teori forudsagde. Helmholtz var sikker på, at Hertz var den mest sandsynlige kandidat til at vinde prisen. Da Hertz ikke så nogen mulighed for at bygge et apparat til eksperimentelt at afprøve dette, mente han, at det var for svært, og arbejdede i stedet på elektromagnetisk induktion. Hertz udarbejdede dog en analyse af Maxwells ligninger i løbet af sin tid i Kiel, som viste, at de havde større gyldighed end de dengang fremherskende “aktion på afstand”-teorier.

Når Hertz fik sit professorat i Karlsruhe, eksperimenterede han med et par Riess-spiraler i efteråret 1886, da han bemærkede, at det at aflade en Leyden-krukke i den ene af disse spoler producerede en gnist i den anden spole. Med en idé om, hvordan man kunne bygge et apparat, havde Hertz nu en måde at gå videre med problemet med “Berlinprisen” fra 1879 om at bevise Maxwells teori på (selv om selve prisen var udløbet uindhentet i 1882). Han brugte en Ruhmkorff-spole drevet af et gnistgab og et meter langt trådpar som en radiator. Der var kapacitetskugler til stede i enderne til justering af kredsløbets resonans. Hans modtager var en sløjfeantenne med en mikrometer gnistgab mellem elementerne. Dette forsøg producerede og modtog det, der nu kaldes radiobølger i det meget høje frekvensområde.

Hertz’ første radiosender: en kapacitetsbelastet dipolresonator bestående af et par kobbertråde på en meter med et gnistgab på 7,5 mm mellem dem, der endte i 30 cm lange zinkkugler. Når en induktionsspole påførte en høj spænding mellem de to sider, skabte gnisterne på tværs af gnistgabet stående bølger af radiofrekvensstrøm i ledningerne, som udstrålede radiobølger. Bølgernes frekvens var ca. 50 MHz, omtrent den frekvens, der anvendes i moderne tv-sendere.

Mellem 1886 og 1889 gennemførte Hertz en række eksperimenter, der skulle bevise, at de effekter, han observerede, var resultater af Maxwells forudsagte elektromagnetiske bølger. Hertz startede i november 1887 med sit papir “On Electromagnetic Effects Produced by Electrical Disturbances in Insulators” og sendte en række papirer til Helmholtz på Berlins akademi, herunder papirer i 1888, der viste tværgående elektromagnetiske bølger i det frie rum, der bevægede sig med en finite hastighed over en afstand. I det apparat, Hertz brugte, strålede de elektriske og magnetiske felter væk fra ledningerne som tværgående bølger. Hertz havde placeret oscillatoren ca. 12 meter fra en reflekterende zinkplade for at frembringe stående bølger. Hver bølge var ca. 4 meter lang. Ved hjælp af ringdetektoren registrerede han, hvordan bølgernes størrelse og komponentretning varierede. Hertz målte Maxwells bølger og påviste, at disse bølgers hastighed var lig med lysets hastighed. Hertz målte også bølgernes elektriske feltintensitet, polarisering og refleksion. Disse eksperimenter fastslog, at lys og disse bølger begge var en form for elektromagnetisk stråling, der adlyder Maxwell-ligningerne.

Hertz var ikke klar over den praktiske betydning af sine radiobølgeeksperimenter. Han udtalte, at,

“Det er uden nogen som helst nytte dette er bare et eksperiment, der beviser, at maestro Maxwell havde ret – vi har bare disse mystiske elektromagnetiske bølger, som vi ikke kan se med det blotte øje. Men de er der.”

Fragt om anvendelsesmulighederne for hans opdagelser svarede Hertz,

“Intet, tror jeg.”

Hertz’ bevis for eksistensen af luftbårne elektromagnetiske bølger førte til en eksplosion af eksperimenter med denne nye form for elektromagnetisk stråling, som blev kaldt “Hertz-bølger” indtil omkring 1910, hvor betegnelsen “radiobølger” blev gængs. Inden for 10 år brugte forskere som Oliver Lodge, Ferdinand Braun og Guglielmo Marconi radiobølger i de første trådløse telegrafiske radiokommunikationssystemer, hvilket førte til radioudsendelser og senere tv. I 1909 modtog Braun og Marconi Nobelprisen i fysik for deres “bidrag til udviklingen af trådløs telegrafi”. I dag er radio en vigtig teknologi i globale telekommunikationsnetværk og det transmissionsmedie, der ligger til grund for moderne trådløse apparater. “Heinrich Hertz”. Hentet 3. februar 2020.

KatodestrålerRediger

I 1892 begyndte Hertz at eksperimentere og demonstrerede, at katodestråler kunne trænge igennem meget tynd metalfolie (som f.eks. aluminium). Philipp Lenard, en elev af Heinrich Hertz, forskede yderligere i denne “stråleeffekt”. Han udviklede en version af katodestrålerøret og undersøgte røntgenstrålernes gennemtrængning af forskellige materialer. Philipp Lenard var dog ikke klar over, at han producerede røntgenstråler. Hermann von Helmholtz formulerede matematiske ligninger for røntgenstråler. Han postulerede en dispersionsteori, før Röntgen gjorde sin opdagelse og bekendtgørelse. Den blev dannet på grundlag af den elektromagnetiske teori om lys (Wiedmann’s Annalen, Vol. XLVIII). Han arbejdede dog ikke med egentlige røntgenstråler.

Fotoelektrisk effektRediger

Hertz var med til at etablere den fotoelektriske effekt (som senere blev forklaret af Albert Einstein), da han bemærkede, at en ladet genstand mister sin ladning lettere, når den belyses med ultraviolet stråling (UV). I 1887 gjorde han iagttagelser af den fotoelektriske effekt og af produktionen og modtagelsen af elektromagnetiske (EM) bølger, som blev offentliggjort i tidsskriftet Annalen der Physik. Hans modtager bestod af en spole med et gnistgab, hvorved en gnist ville blive set ved detektering af EM-bølger. Han placerede apparatet i en mørk kasse for bedre at kunne se gnisten. Han observerede, at den maksimale gnistlængde blev reduceret, når den befandt sig i kassen. Et glaspanel, der var placeret mellem kilden til EM-bølgerne og modtageren, absorberede UV-stråler, som hjalp elektronerne med at springe over gennembruddet. Når den blev fjernet, blev gnistlængden større. Han observerede ingen reduktion i gnistlængden, da han erstattede glas med kvarts, da kvarts ikke absorberer UV-stråling. Hertz afsluttede sine måneders undersøgelser og rapporterede de opnåede resultater. Han fortsatte ikke yderligere undersøgelser af denne effekt, og han gjorde heller ikke noget forsøg på at forklare, hvordan det observerede fænomen blev fremkaldt.

KontaktmekanikRediger

Mindesmærke for Heinrich Hertz på campus for Karlsruhe Institute of Technology, som oversættes med På dette sted opdagede Heinrich Hertz elektromagnetiske bølger i årene 1885-1889.

I 1886-1889 udgav Hertz to artikler om det, der skulle blive kendt som kontaktmekanikken, og som viste sig at være et vigtigt grundlag for senere teorier på området. Joseph Valentin Boussinesq offentliggjorde nogle kritisk vigtige bemærkninger til Hertz’ arbejde, hvilket ikke desto mindre fastslog, at dette arbejde om kontaktmekanik var af enorm betydning. Hans arbejde opsummerer grundlæggende, hvordan to aksi-symmetriske objekter, der er placeret i kontakt, vil opføre sig under belastning, og han opnåede resultater baseret på den klassiske elasticitetsteori og kontinuumsmekanikken. Den største fejl i hans teori var, at han ikke tog hensyn til enhver form for vedhæftning mellem de to faste legemer, hvilket viser sig at være vigtigt, når de materialer, som de faste legemer består af, begynder at antage høj elasticitet. Det var dog naturligt at negligere adhæsion på det tidspunkt, da der ikke fandtes eksperimentelle metoder til at teste for den.

For at udvikle sin teori brugte Hertz sin observation af elliptiske Newtons ringe, der dannes ved at placere en glaskugle på en linse, som grundlag for at antage, at det tryk, der udøves af kuglen, følger en elliptisk fordeling. Han brugte dannelsen af Newtons ringe igen, mens han validerede sin teori med eksperimenter til at beregne den forskydning, som kuglen har i linsen. Kenneth L. Johnson, K. Kendall og A. D. Roberts (JKR) brugte denne teori som grundlag for beregning af den teoretiske forskydning eller indtryksdybde ved tilstedeværelse af adhæsion i 1971. Hertz’ teori genfindes i deres formulering, hvis materialernes adhæsion antages at være nul. I lighed med denne teori, men med andre antagelser, offentliggjorde B. V. Derjaguin, V. M. Muller og Y. P. Toporov i 1975 en anden teori, der blev kendt som DMT-teorien i forskerkredse, og som også genvinder Hertz’ formuleringer under forudsætning af, at adhæsionen er nul. Denne DMT-teori viste sig at være for tidlig og krævede flere revisioner, før den blev accepteret som en anden materialekontaktteori ud over JKR-teorien. Både DMT- og JKR-teorien danner grundlaget for kontaktmekanikken, som alle overgangskontaktmodeller er baseret på og anvendes til forudsigelse af materialeparametre ved nanoindentering og atomkraftmikroskopi. Disse modeller er centrale for tribologiområdet, og han blev af Duncan Dowson udnævnt som en af de 23 “Men of Tribology”. Hertz’ forskning fra sin tid som lektor, der gik forud for hans store arbejde med elektromagnetisme, som han selv med sin karakteristiske nøgternhed anså for at være trivielt, har gjort det lettere for nanoteknologiens tidsalder.

Hertz beskrev også den “Hertzske kegle”, en type brudmodus i sprøde faste stoffer, der skyldes overførsel af spændingsbølger.

MeteorologiRediger

Hertz har altid haft en dyb interesse for meteorologi, sandsynligvis afledt af hans kontakter med Wilhelm von Bezold (som var hans professor i et laboratoriekursus på Polyteknisk læreanstalt i München i sommeren 1878). Som assistent for Helmholtz i Berlin bidrog han med et par mindre artikler på området, herunder forskning i fordampning af væsker, en ny slags hygrometer og en grafisk metode til at bestemme egenskaberne af fugtig luft, når den udsættes for adiabatiske ændringer.