Heinrich Hertz
On enero 18, 2022 by adminOndas electromagnéticasEditar
En 1864, el físico matemático escocés James Clerk Maxwell propuso una teoría completa del electromagnetismo, ahora llamada ecuaciones de Maxwell. La teoría de Maxwell predecía que los campos eléctricos y magnéticos acoplados podían viajar por el espacio como una «onda electromagnética». Maxwell propuso que la luz estaba formada por ondas electromagnéticas de corta longitud de onda, pero nadie había sido capaz de demostrarlo, ni de generar o detectar ondas electromagnéticas de otras longitudes de onda.
Durante los estudios de Hertz en 1879, Helmholtz sugirió que la tesis doctoral de Hertz consistiera en probar la teoría de Maxwell. Helmholtz también había propuesto el problema del «Premio de Berlín» ese año en la Academia Prusiana de Ciencias para quien pudiera demostrar experimentalmente un efecto electromagnético en la polarización y despolarización de los aislantes, algo predicho por la teoría de Maxwell. Helmholtz estaba seguro de que Hertz era el candidato más probable para ganarlo. Al no ver ninguna forma de construir un aparato para comprobarlo experimentalmente, Hertz pensó que era demasiado difícil, y trabajó en cambio en la inducción electromagnética. Hertz realizó un análisis de las ecuaciones de Maxwell durante su estancia en Kiel, demostrando que tenían más validez que las teorías de la «acción a distancia» que entonces prevalecían.
Después de que Hertz recibiera su cátedra en Karlsruhe, estaba experimentando con un par de espirales de Riess en el otoño de 1886 cuando se dio cuenta de que al descargar una jarra de Leyden en una de estas bobinas se producía una chispa en la otra. Con una idea sobre cómo construir un aparato, Hertz tenía ahora una forma de proceder con el problema del «Premio de Berlín» de 1879 sobre la demostración de la teoría de Maxwell (aunque el premio real había expirado sin cobrar en 1882). Utilizó un hueco de chispa impulsado por una bobina de Ruhmkorff y un par de cables de un metro como radiador. En los extremos había esferas de capacidad para ajustar la resonancia del circuito. Su receptor era una antena de bucle con un salto de chispa micrométrico entre los elementos. Este experimento producía y recibía lo que ahora se denominan ondas de radio en el rango de las muy altas frecuencias.
Entre 1886 y 1889 Hertz realizó una serie de experimentos que demostrarían que los efectos que estaba observando eran resultados de las ondas electromagnéticas predichas por Maxwell. Comenzando en noviembre de 1887 con su trabajo «Sobre los efectos electromagnéticos producidos por las perturbaciones eléctricas en los aislantes», Hertz envió una serie de trabajos a Helmholtz en la Academia de Berlín, incluyendo trabajos en 1888 que mostraban ondas electromagnéticas transversales en el espacio libre que viajaban a una velocidad finita sobre una distancia. En el aparato que utilizó Hertz, los campos eléctricos y magnéticos irradiaban fuera de los cables como ondas transversales. Hertz había colocado el oscilador a unos 12 metros de una placa reflectante de zinc para producir ondas estacionarias. Cada onda tenía una longitud de unos 4 metros. Utilizando el detector de anillo, registró cómo variaba la magnitud de la onda y la dirección de su componente. Hertz midió las ondas de Maxwell y demostró que la velocidad de estas ondas era igual a la velocidad de la luz. Hertz también midió la intensidad del campo eléctrico, la polarización y la reflexión de las ondas. Estos experimentos establecieron que tanto la luz como estas ondas eran una forma de radiación electromagnética que obedecía a las ecuaciones de Maxwell.
Hertz no se dio cuenta de la importancia práctica de sus experimentos con ondas de radio. Afirmó que,
«No tiene ninguna utilidad, esto es sólo un experimento que demuestra que el maestro Maxwell tenía razón; simplemente tenemos estas misteriosas ondas electromagnéticas que no podemos ver a simple vista. Pero están ahí».
Preguntado sobre las aplicaciones de sus descubrimientos, Hertz respondió,
«Nada, supongo».
La prueba de Hertz de la existencia de las ondas electromagnéticas en el aire dio lugar a una explosión de experimentación con esta nueva forma de radiación electromagnética, que se denominó «ondas hertzianas» hasta que, alrededor de 1910, se impuso el término «ondas de radio». En 10 años, investigadores como Oliver Lodge, Ferdinand Braun y Guglielmo Marconi emplearon las ondas de radio en los primeros sistemas de radiocomunicación de telegrafía inalámbrica, lo que dio lugar a la radiodifusión y, posteriormente, a la televisión. En 1909, Braun y Marconi recibieron el Premio Nobel de Física por sus «contribuciones al desarrollo de la telegrafía sin hilos». En la actualidad, la radio es una tecnología esencial en las redes mundiales de telecomunicaciones y el medio de transmisión subyacente a los modernos dispositivos inalámbricos. «Heinrich Hertz». Recuperado el 3 de febrero de 2020.
Rayos catódicosEditar
En 1892, Hertz comenzó a experimentar y demostró que los rayos catódicos podían penetrar una lámina metálica muy fina (como el aluminio). Philipp Lenard, alumno de Heinrich Hertz, siguió investigando este «efecto rayo». Desarrolló una versión del tubo catódico y estudió la penetración de los rayos X en diversos materiales. Sin embargo, Philipp Lenard no se dio cuenta de que estaba produciendo rayos X. Hermann von Helmholtz formuló ecuaciones matemáticas para los rayos X. Postuló una teoría de la dispersión antes de que Röntgen hiciera su descubrimiento y anuncio. Se basó en la teoría electromagnética de la luz (Wiedmann’s Annalen, Vol. XLVIII). Sin embargo, no trabajó con rayos X reales.
Efecto fotoeléctricoEditar
Hertz ayudó a establecer el efecto fotoeléctrico (que posteriormente fue explicado por Albert Einstein) cuando observó que un objeto cargado pierde su carga más fácilmente cuando es iluminado por la radiación ultravioleta (UV). En 1887, realizó observaciones del efecto fotoeléctrico y de la producción y recepción de ondas electromagnéticas (EM), publicadas en la revista Annalen der Physik. Su receptor consistía en una bobina con un hueco de chispa, por lo que se veía una chispa al detectar las ondas EM. Colocó el aparato en una caja oscura para ver mejor la chispa. Observó que la longitud máxima de la chispa se reducía cuando estaba en la caja. Un panel de vidrio colocado entre la fuente de ondas EM y el receptor absorbía los rayos UV que ayudaban a los electrones a saltar a través del hueco. Al retirarlo, la longitud de la chispa aumentaba. No observó ninguna disminución de la longitud de la chispa cuando sustituyó el vidrio por cuarzo, ya que éste no absorbe la radiación UV. Hertz concluyó sus meses de investigación e informó de los resultados obtenidos. No siguió investigando este efecto, ni intentó explicar cómo se producía el fenómeno observado.
Mecánica de contactoEditar
En 1886-1889, Hertz publicó dos artículos sobre lo que se conocería como el campo de la mecánica de contacto, que resultó ser una base importante para las teorías posteriores en el campo. Joseph Valentin Boussinesq publicó algunas observaciones de importancia crítica sobre el trabajo de Hertz, estableciendo sin embargo que este trabajo sobre la mecánica de contacto era de inmensa importancia. Su trabajo resume básicamente cómo se comportan bajo carga dos objetos axi-simétricos colocados en contacto, obtuvo resultados basados en la teoría clásica de la elasticidad y la mecánica del continuo. El defecto más importante de su teoría era el hecho de no tener en cuenta la naturaleza de la adherencia entre los dos sólidos, lo que resultaba importante cuando los materiales que componían los sólidos empezaban a asumir una gran elasticidad. Sin embargo, era natural descuidar la adhesión en aquella época, ya que no existían métodos experimentales para comprobarla.
Para desarrollar su teoría, Hertz utilizó su observación de los anillos elípticos de Newton que se formaban al colocar una esfera de vidrio sobre una lente como base para suponer que la presión ejercida por la esfera sigue una distribución elíptica. Volvió a utilizar la formación de anillos de Newton al tiempo que validaba su teoría con experimentos para calcular el desplazamiento que tiene la esfera en la lente. Kenneth L. Johnson, K. Kendall y A. D. Roberts (JKR) utilizaron esta teoría como base al calcular el desplazamiento teórico o la profundidad de indentación en presencia de adherencia en 1971. La teoría de Hertz se recupera a partir de su formulación si se supone que la adhesión de los materiales es nula. De forma similar a esta teoría, aunque utilizando diferentes supuestos, B. V. Derjaguin, V. M. Muller e Y. P. Toporov publicaron otra teoría en 1975, que llegó a conocerse como la teoría DMT en la comunidad investigadora, que también recuperaba las formulaciones de Hertz bajo el supuesto de adhesión cero. Esta teoría DMT resultó ser prematura y necesitó varias revisiones antes de llegar a ser aceptada como otra teoría de contacto de materiales además de la teoría JKR. Tanto la teoría DMT como la JKR constituyen la base de la mecánica de contacto en la que se basan todos los modelos de contacto de transición y que se utilizan en la predicción de parámetros de materiales en la nanoindentación y la microscopía de fuerza atómica. Estos modelos son fundamentales en el campo de la tribología y fue nombrado uno de los 23 «Hombres de la Tribología» por Duncan Dowson. Las investigaciones de Hertz desde su época de profesor, que precedieron a su gran trabajo sobre el electromagnetismo, que él mismo consideraba con su característica sobriedad como algo trivial, han facilitado la era de la nanotecnología.
Hertz también describió el «cono hertziano», un tipo de modo de fractura en sólidos frágiles causado por la transmisión de ondas de tensión.
MeteorologíaEditar
Hertz siempre tuvo un profundo interés por la meteorología, probablemente derivado de sus contactos con Wilhelm von Bezold (que fue su profesor en un curso de laboratorio en la Politécnica de Múnich en el verano de 1878). Como asistente de Helmholtz en Berlín, contribuyó con algunos artículos menores en este campo, incluyendo investigaciones sobre la evaporación de líquidos, un nuevo tipo de higrómetro y un medio gráfico para determinar las propiedades del aire húmedo cuando se somete a cambios adiabáticos.
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