Heinrich Hertz

Elektromagnetische WellenBearbeiten

Im Jahr 1864 schlug der schottische mathematische Physiker James Clerk Maxwell eine umfassende Theorie des Elektromagnetismus vor, die heute als Maxwellsche Gleichungen bezeichnet wird. Maxwells Theorie sagte voraus, dass sich gekoppelte elektrische und magnetische Felder als „elektromagnetische Welle“ durch den Raum ausbreiten können. Maxwell schlug vor, dass Licht aus elektromagnetischen Wellen kurzer Wellenlänge besteht, aber niemand war in der Lage, dies zu beweisen oder elektromagnetische Wellen anderer Wellenlängen zu erzeugen oder nachzuweisen.

Während des Studiums von Hertz im Jahr 1879 schlug Helmholtz vor, dass Hertz in seiner Doktorarbeit die Theorie von Maxwell überprüfen sollte. Helmholtz hatte in jenem Jahr an der Preußischen Akademie der Wissenschaften das Problem des „Berliner Preises“ für denjenigen vorgeschlagen, der experimentell einen elektromagnetischen Effekt bei der Polarisation und Depolarisation von Isolatoren nachweisen konnte, der von der Maxwellschen Theorie vorhergesagt wurde. Helmholtz war sich sicher, dass Hertz der aussichtsreichste Kandidat für diesen Wettbewerb war. Da er keine Möglichkeit sah, einen Apparat zu bauen, um dies experimentell zu testen, hielt Hertz dies für zu schwierig und arbeitete stattdessen an der elektromagnetischen Induktion. Hertz erstellte während seiner Zeit in Kiel eine Analyse der Maxwellschen Gleichungen, die zeigte, dass sie mehr Gültigkeit besaßen als die damals vorherrschenden Theorien der „Fernwirkung“.

Nachdem Hertz seine Professur in Karlsruhe erhalten hatte, experimentierte er im Herbst 1886 mit einem Paar Riess-Spiralen, als er bemerkte, dass die Entladung einer Leydener Flasche in eine dieser Spulen einen Funken in der anderen Spule erzeugte. Mit einer Idee für den Bau einer Apparatur hatte Hertz nun eine Möglichkeit, das Problem des „Berliner Preises“ von 1879 zum Nachweis der Maxwellschen Theorie zu lösen (obwohl der eigentliche Preis 1882 ungesammelt verfallen war). Er verwendete eine von einer Ruhmkorff-Spule angetriebene Funkenstrecke und ein ein Meter langes Drahtpaar als Strahler. An den Enden befanden sich Kapazitätskugeln zur Anpassung der Schaltungsresonanz. Sein Empfänger war eine Schleifenantenne mit einer Mikrometer-Funkenstrecke zwischen den Elementen. Dieses Experiment erzeugte und empfing das, was man heute als Radiowellen im sehr hohen Frequenzbereich bezeichnet.

Hertz‘ erster Radiosender: ein kapazitätsgeladener Dipolresonator, bestehend aus einem Paar ein Meter langer Kupferdrähte mit einer 7,5 mm großen Funkenstrecke dazwischen, die in 30 cm langen Zinkkugeln endet. Wenn eine Induktionsspule eine Hochspannung zwischen den beiden Seiten anlegte, erzeugten die Funken in der Funkenstrecke stehende Wellen aus Hochfrequenzstrom in den Drähten, die Radiowellen ausstrahlten. Die Frequenz der Wellen lag bei etwa 50 MHz, was in etwa der Frequenz entspricht, die in modernen Fernsehsendern verwendet wird.

Zwischen 1886 und 1889 führte Hertz eine Reihe von Experimenten durch, die beweisen sollten, dass die von ihm beobachteten Effekte das Ergebnis der von Maxwell vorhergesagten elektromagnetischen Wellen waren. Beginnend im November 1887 mit seinem Aufsatz „Über elektromagnetische Wirkungen, die durch elektrische Störungen in Isolatoren hervorgerufen werden“, schickte Hertz eine Reihe von Papieren an Helmholtz an der Berliner Akademie, darunter auch Papiere im Jahr 1888, die zeigten, dass sich transversale elektromagnetische Wellen im freien Raum mit einer endlichen Geschwindigkeit über eine bestimmte Entfernung ausbreiten. In der von Hertz verwendeten Apparatur strahlten die elektrischen und magnetischen Felder als Transversalwellen von den Drähten weg. Hertz hatte den Oszillator etwa 12 Meter von einer reflektierenden Zinkplatte entfernt aufgestellt, um stehende Wellen zu erzeugen. Jede Welle war etwa 4 Meter lang. Mit dem Ringdetektor zeichnete er auf, wie sich der Betrag und die Richtung der Komponenten der Welle veränderten. Hertz maß die Maxwellschen Wellen und wies nach, dass die Geschwindigkeit dieser Wellen gleich der Lichtgeschwindigkeit ist. Auch die Intensität des elektrischen Feldes, die Polarisation und die Reflexion der Wellen wurden von Hertz gemessen. Mit diesen Experimenten wurde nachgewiesen, dass sowohl Licht als auch diese Wellen eine Form elektromagnetischer Strahlung sind, die den Maxwell-Gleichungen gehorchen.

Hertz erkannte nicht die praktische Bedeutung seiner Radiowellenexperimente. Er sagte:

„Es hat überhaupt keinen Nutzen, es ist nur ein Experiment, das beweist, dass Maestro Maxwell recht hatte – wir haben einfach diese mysteriösen elektromagnetischen Wellen, die wir mit dem bloßen Auge nicht sehen können. Aber sie sind da.“

Gefragt nach den Anwendungen seiner Entdeckungen, antwortete Hertz,

„Nichts, denke ich.“

Hertz‘ Nachweis der Existenz von elektromagnetischen Wellen in der Luft führte zu einer Explosion von Experimenten mit dieser neuen Form der elektromagnetischen Strahlung, die bis etwa 1910, als sich der Begriff „Radiowellen“ durchsetzte, „Hertzsche Wellen“ genannt wurde. Innerhalb von 10 Jahren setzten Forscher wie Oliver Lodge, Ferdinand Braun und Guglielmo Marconi Radiowellen in den ersten drahtlosen Telegrafie-Funkübertragungssystemen ein, was zum Rundfunk und später zum Fernsehen führte. Braun und Marconi erhielten 1909 den Nobelpreis für Physik für ihre „Beiträge zur Entwicklung der drahtlosen Telegrafie“. Heute ist das Radio eine wesentliche Technologie in globalen Telekommunikationsnetzen und das Übertragungsmedium, das modernen drahtlosen Geräten zugrunde liegt. „Heinrich Hertz“. Abgerufen am 3. Februar 2020.

KathodenstrahlenBearbeiten

Im Jahr 1892 begann Hertz mit Experimenten und wies nach, dass Kathodenstrahlen sehr dünne Metallfolien (wie Aluminium) durchdringen können. Philipp Lenard, ein Schüler von Heinrich Hertz, erforschte diesen „Strahleneffekt“ weiter. Er entwickelte eine Version der Kathodenröhre und untersuchte die Durchdringung verschiedener Materialien mit Röntgenstrahlen. Philipp Lenard war sich jedoch nicht bewusst, dass er Röntgenstrahlen erzeugte. Hermann von Helmholtz formulierte mathematische Gleichungen für Röntgenstrahlen. Er postulierte eine Dispersionstheorie, bevor Röntgen seine Entdeckung und Bekanntgabe machte. Sie basierte auf der elektromagnetischen Theorie des Lichts (Wiedmann’s Annalen, Band XLVIII). Er arbeitete jedoch nicht mit echten Röntgenstrahlen.

Photoelektrischer EffektEdit

Hertz trug zur Begründung des photoelektrischen Effekts bei (der später von Albert Einstein erklärt wurde), als er feststellte, dass ein geladener Gegenstand seine Ladung leichter verliert, wenn er mit ultravioletter Strahlung (UV) beleuchtet wird. Im Jahr 1887 machte er Beobachtungen zum photoelektrischen Effekt und zur Erzeugung und zum Empfang von elektromagnetischen (EM) Wellen, die in der Zeitschrift Annalen der Physik veröffentlicht wurden. Sein Empfänger bestand aus einer Spule mit einer Funkenstrecke, so dass beim Empfang von EM-Wellen ein Funke zu sehen war. Er stellte den Apparat in einen abgedunkelten Kasten, um den Funken besser sehen zu können. Er beobachtete, dass sich die maximale Funkenlänge in der Box verringerte. Eine Glasplatte zwischen der Quelle der EM-Wellen und dem Empfänger absorbierte UV-Licht, das die Elektronen beim Überspringen des Spalts unterstützte. Wenn sie entfernt wurde, vergrößerte sich die Funkenlänge. Er beobachtete keine Verringerung der Funkenlänge, als er das Glas durch Quarz ersetzte, da Quarz keine UV-Strahlung absorbiert. Hertz schloss seine monatelangen Untersuchungen ab und berichtete über die erzielten Ergebnisse. Er untersuchte diesen Effekt nicht weiter und unternahm auch keinen Versuch, zu erklären, wie das beobachtete Phänomen zustande kam.

KontaktmechanikBearbeiten

Denkmal für Heinrich Hertz auf dem Campus des Karlsruher Instituts für Technologie, das übersetzt heißt An diesem Ort entdeckte Heinrich Hertz in den Jahren 1885-1889 elektromagnetische Wellen.

In den Jahren 1886-1889 veröffentlichte Hertz zwei Artikel über das spätere Gebiet der Kontaktmechanik, die sich als wichtige Grundlage für spätere Theorien auf diesem Gebiet erwiesen. Joseph Valentin Boussinesq veröffentlichte einige kritische Anmerkungen zu den Arbeiten von Hertz und stellte fest, dass diese Arbeiten zur Kontaktmechanik von immenser Bedeutung sind. Seine Arbeit fasst im Wesentlichen zusammen, wie sich zwei achsensymmetrische Objekte, die sich berühren, unter Belastung verhalten, und liefert Ergebnisse auf der Grundlage der klassischen Elastizitätstheorie und der Kontinuumsmechanik. Der größte Fehler seiner Theorie war die Vernachlässigung jeglicher Art von Adhäsion zwischen den beiden Festkörpern, die sich als wichtig erweist, wenn die Materialien, aus denen die Festkörper bestehen, eine hohe Elastizität annehmen. Die Vernachlässigung der Adhäsion war zu jener Zeit natürlich, da es keine experimentellen Methoden gab, um sie zu testen.

Um seine Theorie zu entwickeln, nutzte Hertz seine Beobachtung der elliptischen Newtonschen Ringe, die sich beim Aufsetzen einer Glaskugel auf eine Linse bildeten, als Grundlage für die Annahme, dass der von der Kugel ausgeübte Druck einer elliptischen Verteilung folgt. Er nutzte die Bildung der Newtonschen Ringe erneut, während er seine Theorie mit Experimenten validierte, um die Verschiebung der Kugel in der Linse zu berechnen. Kenneth L. Johnson, K. Kendall und A. D. Roberts (JKR) nutzten diese Theorie als Grundlage für die Berechnung der theoretischen Verschiebung oder Eindringtiefe bei Vorhandensein von Adhäsion im Jahr 1971. Die Hertz’sche Theorie wird aus ihrer Formulierung wiedergewonnen, wenn die Adhäsion der Materialien als Null angenommen wird. Ähnlich wie diese Theorie, jedoch unter anderen Annahmen, veröffentlichten B. V. Derjaguin, V. M. Muller und Y. P. Toporov 1975 eine weitere Theorie, die in der Forschungsgemeinschaft als DMT-Theorie bekannt wurde und die ebenfalls die Hertz’schen Formulierungen unter der Annahme von Null-Adhäsion wiederherstellte. Diese DMT-Theorie erwies sich als verfrüht und bedurfte mehrerer Überarbeitungen, bevor sie als weitere Materialkontakttheorie neben der JKR-Theorie akzeptiert wurde. Sowohl die DMT- als auch die JKR-Theorie bilden die Grundlage der Kontaktmechanik, auf der alle Übergangskontaktmodelle basieren und die bei der Vorhersage von Materialparametern bei der Nanoindentation und der Rasterkraftmikroskopie verwendet werden. Diese Modelle sind von zentraler Bedeutung für das Gebiet der Tribologie, und er wurde von Duncan Dowson als einer der 23 „Men of Tribology“ bezeichnet. Hertz‘ Forschungen aus seiner Zeit als Dozent, die seiner großen Arbeit über den Elektromagnetismus vorausgingen, die er selbst mit seiner charakteristischen Nüchternheit als trivial betrachtete, haben das Zeitalter der Nanotechnologie ermöglicht.

Hertz beschrieb auch den „Hertzschen Kegel“, eine Art Bruchmodus in spröden Festkörpern, der durch die Übertragung von Spannungswellen verursacht wird.

MeteorologieBearbeiten

Hertz hatte schon immer ein großes Interesse an der Meteorologie, was wahrscheinlich auf seine Kontakte mit Wilhelm von Bezold (der im Sommer 1878 sein Professor in einem Laborkurs am Münchner Polytechnikum war) zurückzuführen ist. Als Assistent von Helmholtz in Berlin trug er einige kleinere Artikel auf diesem Gebiet bei, darunter Forschungen über die Verdunstung von Flüssigkeiten, eine neue Art von Hygrometer und eine grafische Methode zur Bestimmung der Eigenschaften feuchter Luft, wenn sie adiabatischen Veränderungen ausgesetzt ist.