Heinrich Hertz
On 18 tammikuun, 2022 by adminSähkömagneettiset aallotEdit
Vuonna 1864 skotlantilainen matemaattinen fyysikko James Clerk Maxwell esitti kattavan teorian sähkömagnetismista, jota kutsutaan nykyään Maxwellin yhtälöiksi. Maxwellin teoria ennusti, että kytketyt sähkö- ja magneettikentät voivat kulkea avaruudessa ”sähkömagneettisena aaltona”. Maxwell ehdotti, että valo koostuisi lyhyiden aallonpituuksien sähkömagneettisista aalloista, mutta kukaan ei ollut pystynyt todistamaan tätä tai tuottamaan tai havaitsemaan muiden aallonpituuksien sähkömagneettisia aaltoja.
Hertzin opintojen aikana vuonna 1879 Helmholtz ehdotti, että Hertzin väitöskirjan aiheena olisi Maxwellin teorian testaaminen. Helmholtz oli myös ehdottanut samana vuonna Preussin tiedeakatemiassa ”Berliinin palkinto-ongelmaa” sille, joka pystyisi kokeellisesti osoittamaan sähkömagneettisen vaikutuksen eristimien polarisaatiossa ja depolarisaatiossa, minkä Maxwellin teoria ennusti. Helmholtz oli varma, että Hertz oli todennäköisin ehdokas voittamaan sen. Koska Hertz ei nähnyt mitään mahdollisuutta rakentaa laitetta, jolla tämä voitaisiin kokeellisesti testata, hän piti sitä liian vaikeana ja työskenteli sen sijaan sähkömagneettisen induktion parissa. Hertz laati kuitenkin Kielissä ollessaan analyysin Maxwellin yhtälöistä, joka osoitti, että ne olivat pätevämpiä kuin tuolloin vallalla olleet ”etävaikutuksen” teoriat.
Kun Hertz oli saanut professuurin Karlsruhessa, hän teki syksyllä 1886 kokeita parilla Riessin spiraalilla, kun hän huomasi, että Leydenin purkin tyhjentäminen toiseen näistä spiraaleista sai aikaan kipinän toisessa spiraalissa. Kun Hertzillä oli ajatus laitteen rakentamisesta, hänellä oli nyt keino edetä Maxwellin teorian todistamista koskevan, vuonna 1879 myönnetyn ”Berliinin palkinnon” ongelman ratkaisemisessa (vaikka varsinainen palkinto oli vanhentunut saamatta vuonna 1882). Hän käytti säteilijänä Ruhmkorffin kelalla toimivaa kipinäväliä ja yhden metrin johtoparia. Päädyissä oli kapasiteettipalloja piirin resonanssisäätöjä varten. Hänen vastaanottimensa oli silmukka-antenni, jonka elementtien välissä oli mikrometrin kipinäväli. Tämä koe tuotti ja vastaanotti niin sanottuja radioaaltoja hyvin korkealla taajuusalueella.
Vuosien 1886 ja 1889 välisenä aikana Hertz suoritti sarjan kokeita, jotka osoittaisivat, että hänen havaitsemansa vaikutukset olivat Maxwellin ennustamien sähkömagneettisten aaltojen tuloksia. Alkaen marraskuussa 1887 julkaisustaan ”On Electromagnetic Effects Produced by Electrical Disturbances in Insulators” Hertz lähetti Helmholtzille Berliinin akatemiaan sarjan papereita, mukaan lukien vuonna 1888 julkaistut paperit, jotka osoittivat, että vapaan tilan poikittaiset sähkömagneettiset aallot kulkevat äärellisellä nopeudella etäisyyden yli. Hertzin käyttämässä laitteessa sähkö- ja magneettikentät säteilivät johdoista poispäin poikittaisaaltoina. Hertz oli asettanut oskillaattorin noin 12 metrin päähän sinkkiheijastinlevystä seisovien aaltojen tuottamiseksi. Kukin aalto oli noin 4 metriä pitkä. Rengasilmaisimen avulla hän kirjasi, miten aallon voimakkuus ja komponenttien suunta vaihtelivat. Hertz mittasi Maxwellin aallot ja osoitti, että näiden aaltojen nopeus oli yhtä suuri kuin valon nopeus. Hertz mittasi myös aaltojen sähkökentän voimakkuuden, polarisaation ja heijastuksen. Näillä kokeilla todettiin, että valo ja nämä aallot olivat molemmat sähkömagneettisen säteilyn muotoja, jotka noudattavat Maxwellin yhtälöitä.
Hertz ei ymmärtänyt radioaaltokokeidensa käytännön merkitystä. Hän totesi,
”Siitä ei ole mitään hyötyä tämä on vain koe, joka todistaa, että maestro Maxwell oli oikeassa – meillä on vain näitä salaperäisiä sähkömagneettisia aaltoja, joita emme voi nähdä paljain silmin. Mutta ne ovat olemassa.”
Kysyttäessä hänen löytöjensä sovelluksista Hertz vastasi,
”Ei kai mitään”.
Hertzin todistus ilmassa olevien sähkömagneettisten aaltojen olemassaolosta johti räjähdysmäiseen kokeiluihin tällä uudella sähkömagneettisen säteilyn muodolla, jota kutsuttiin ”Hertzin aalloiksi”, kunnes noin vuonna 1910 termi ”radioaallot” tuli käyttöön. Kymmenen vuoden kuluessa Oliver Lodgen, Ferdinand Braunin ja Guglielmo Marconin kaltaiset tutkijat käyttivät radioaaltoja ensimmäisissä langattomissa lennätinradiojärjestelmissä, jotka johtivat radiolähetyksiin ja myöhemmin televisioon. Vuonna 1909 Braun ja Marconi saivat Nobelin fysiikan palkinnon ”panoksestaan langattoman lennätyksen kehittämiseen”. Nykyään radio on olennainen teknologia maailmanlaajuisissa televiestintäverkoissa ja nykyaikaisten langattomien laitteiden perustana oleva siirtoväline. ”Heinrich Hertz”. Haettu 3.2.2020.
KatodisäteetMuutos
Vuonna 1892 Hertz aloitti kokeilut ja osoitti, että katodisäteet pystyivät läpäisemään hyvin ohuen metallikalvon (kuten alumiinin). Heinrich Hertzin oppilas Philipp Lenard tutki edelleen tätä ”sädeilmiötä”. Hän kehitti version katodiputkesta ja tutki röntgensäteiden tunkeutumista eri materiaaleihin. Philipp Lenard ei kuitenkaan tajunnut tuottavansa röntgensäteitä. Hermann von Helmholtz muotoili matemaattiset yhtälöt röntgensäteille. Hän esitti dispersioteorian ennen kuin Röntgen teki löytönsä ja ilmoitti siitä. Se muodostettiin valon sähkömagneettisen teorian pohjalta (Wiedmann’s Annalen, Vol. XLVIII). Hän ei kuitenkaan työskennellyt varsinaisten röntgensäteiden parissa.
Valosähköinen ilmiöEdit
Hertz auttoi luomaan valosähköisen ilmiön (jonka Albert Einstein myöhemmin selitti), kun hän huomasi, että varattu esine menettää varauksensa helpommin, kun sitä valaisee ultraviolettisäteily (UV). Vuonna 1887 hän teki havaintoja valosähköisestä ilmiöstä ja sähkömagneettisten (EM) aaltojen tuottamisesta ja vastaanottamisesta, jotka julkaistiin Annalen der Physik -lehdessä. Hänen vastaanottimensa koostui kipinävälillä varustetusta kelasta, jolloin sähkömagneettisten aaltojen havaitsemisen yhteydessä näkyi kipinä. Hän sijoitti laitteen pimeään laatikkoon, jotta kipinä näkyisi paremmin. Hän havaitsi, että kipinän maksimipituus lyheni, kun se oli laatikossa. Sähkömagneettisten aaltojen lähteen ja vastaanottimen väliin sijoitettu lasilevy vaimensi ultraviolettisäteilyä, joka auttoi elektroneja hyppäämään raon yli. Kun se poistettiin, kipinän pituus kasvoi. Hän ei havainnut kipinän pituuden vähenevän, kun hän korvasi lasin kvartsilla, sillä kvartsi ei absorboi UV-säteilyä. Hertz päätti kuukausia kestäneen tutkimuksensa ja raportoi saamistaan tuloksista. Hän ei jatkanut tämän ilmiön tutkimista enempää eikä yrittänyt selittää, miten havaittu ilmiö saatiin aikaan.
KosketinmekaniikkaEdit
Hertz julkaisi vuosina 1886-1889 kaksi artikkelia kosketinmekaniikkana tunnetuksi tulleesta alasta, jotka osoittautuivat tärkeäksi perustaksi alan myöhemmille teorioille. Joseph Valentin Boussinesq julkaisi joitakin kriittisen tärkeitä huomioita Hertzin työstä, mikä kuitenkin totesi tämän kosketuksen mekaniikkaa koskevan työn olevan valtavan tärkeä. Hänen teoksessaan esitetään periaatteessa yhteenveto siitä, miten kaksi kosketuksissa olevaa akselisymmetristä kohdetta käyttäytyvät kuormituksessa, ja hän sai tuloksia, jotka perustuvat klassiseen kimmoteoriaan ja jatkuvuusmekaniikkaan. Hänen teoriansa merkittävin puute oli se, että hän jätti huomiotta kahden kiinteän kappaleen välisen tartunnan luonteen, mikä osoittautuu tärkeäksi, kun kiinteät kappaleet muodostavat materiaalit alkavat olla erittäin kimmoisia. Adheesion laiminlyönti oli kuitenkin tuolloin luonnollista, koska sen testaamiseen ei ollut kokeellisia menetelmiä.
Teoriansa kehittämiseksi Hertz käytti havaintojaan elliptisistä Newtonin renkaista, jotka muodostuivat lasipallon asetettaessa lasipallo linssin päälle, perustana olettamukselleen, että pallon aiheuttama paine noudattaa elliptistä jakaumaa. Hän käytti Newtonin renkaiden muodostumista uudelleen, kun hän vahvisti teoriansa kokeellisesti laskiessaan pallon linssiin aiheuttamaa siirtymää. Kenneth L. Johnson, K. Kendall ja A. D. Roberts (JKR) käyttivät tätä teoriaa perustana laskiessaan teoreettista siirtymää tai painuman syvyyttä adheesion läsnä ollessa vuonna 1971. Hertzin teoria palautuu heidän muotoilustaan, jos materiaalien adheesio oletetaan nollaksi. B. V. Derjaguin, V. M. Muller ja Y. P. Toporov julkaisivat vuonna 1975 toisen teorian, joka tuli tutkijayhteisössä tunnetuksi nimellä DMT-teoria ja joka myös palautti Hertzin muotoilut olettaen, että adheesio on nolla. Tämä DMT-teoria osoittautui ennenaikaiseksi ja vaati useita tarkistuksia ennen kuin se hyväksyttiin JKR-teorian ohella toiseksi materiaalikontaktiteoriaksi. Sekä DMT- että JKR-teoriat muodostavat kontaktimekaniikan perustan, johon kaikki siirtymäkontaktimallit perustuvat ja jota käytetään materiaaliparametrien ennustamisessa nanoindentaatiossa ja atomivoimamikroskopiassa. Nämä mallit ovat keskeisiä tribologian alalla, ja Duncan Dowson nimesi hänet yhdeksi 23:sta ”Tribologian miehestä”. Hertzin luennoitsijan ajoilta peräisin oleva tutkimus, joka edelsi hänen suurta työtään sähkömagnetismin parissa, jota hän itse piti hänelle ominaisella selväjärkisyydellä triviaalina, on edesauttanut nanoteknologian aikakautta.
Hertz kuvasi myös ”hertziläisen kartion”, joka on eräänlainen murtumismuoto hauraissa kiinteissä aineissa, joka aiheutuu jännitysaaltojen siirtymisestä.
MeteorologiaEdit
Hertz oli aina syvästi kiinnostunut meteorologiasta, mikä johtui luultavasti hänen yhteyksistään Wilhelm von Bezoldiin (joka oli hänen professorinsa laboratoriokurssilla Münchenin ammattikorkeakoulussa kesällä 1878). Helmholtzin assistenttina Berliinissä hän kirjoitti muutamia pienehköjä alan artikkeleita, muun muassa tutkimuksia nesteiden haihtumisesta, uudenlaisesta kosteusmittarista ja graafisesta keinosta määrittää kostean ilman ominaisuudet adiabaattisten muutosten yhteydessä.
Herzertz kirjoitti useita artikkeleita.
Vastaa