Heinrich Hertz
On janvier 18, 2022 by adminOndes électromagnétiquesModifié
En 1864, le physicien mathématicien écossais James Clerk Maxwell a proposé une théorie complète de l’électromagnétisme, maintenant appelée équations de Maxwell. La théorie de Maxwell prédisait que les champs électriques et magnétiques couplés pouvaient se déplacer dans l’espace sous la forme d’une « onde électromagnétique ». Maxwell a proposé que la lumière soit constituée d’ondes électromagnétiques de courte longueur d’onde, mais personne n’avait pu le prouver, ni générer ou détecter des ondes électromagnétiques d’autres longueurs d’onde.
Pendant les études de Hertz en 1879, Helmholtz a suggéré que la thèse de doctorat de Hertz porte sur la vérification de la théorie de Maxwell. Helmholtz avait également proposé le problème du « Prix de Berlin » cette année-là à l’Académie des sciences de Prusse pour quiconque pourrait prouver expérimentalement un effet électromagnétique dans la polarisation et la dépolarisation des isolants, quelque chose de prédit par la théorie de Maxwell. Helmholtz était sûr que Hertz était le candidat le plus probable pour le gagner. Ne voyant aucun moyen de construire un appareil pour tester expérimentalement cette théorie, Hertz pensa que c’était trop difficile et travailla plutôt sur l’induction électromagnétique. Hertz a produit une analyse des équations de Maxwell pendant son séjour à Kiel, montrant qu’elles avaient plus de validité que les théories de « l’action à distance » alors répandues.
Après que Hertz ait reçu son poste de professeur à Karlsruhe, il expérimentait une paire de spirales de Riess à l’automne 1886 lorsqu’il a remarqué que la décharge d’une jarre de Leyden dans l’une de ces bobines produisait une étincelle dans l’autre bobine. Avec une idée sur la façon de construire un appareil, Hertz avait maintenant un moyen de résoudre le problème du « prix de Berlin » de 1879 sur la preuve de la théorie de Maxwell (bien que le prix réel ait expiré sans être collecté en 1882). Il utilisa un éclateur à bobine de Ruhmkorff et une paire de fils d’un mètre comme radiateur. Des sphères de capacité étaient présentes aux extrémités pour les réglages de résonance du circuit. Son récepteur était une antenne en boucle avec un éclateur micrométrique entre les éléments. Cette expérience a produit et reçu ce que l’on appelle aujourd’hui des ondes radio dans la gamme des très hautes fréquences.
Entre 1886 et 1889, Hertz a mené une série d’expériences qui prouveraient que les effets qu’il observait étaient les résultats des ondes électromagnétiques prédites par Maxwell. Commençant en novembre 1887 avec son article « On Electromagnetic Effects Produced by Electrical Disturbances in Insulators », Hertz a envoyé une série de documents à Helmholtz à l’Académie de Berlin, y compris des documents en 1888 qui montraient des ondes électromagnétiques transversales en espace libre se déplaçant à une vitesse finie sur une distance. Dans l’appareil utilisé par Hertz, les champs électriques et magnétiques rayonnent à partir des fils sous forme d’ondes transversales. Hertz avait placé l’oscillateur à environ 12 mètres d’une plaque réfléchissante en zinc pour produire des ondes stationnaires. Chaque onde mesurait environ 4 mètres de long. À l’aide du détecteur à anneau, il a enregistré la variation de la magnitude et de la direction de la composante de l’onde. Hertz a mesuré les ondes de Maxwell et a démontré que la vitesse de ces ondes était égale à la vitesse de la lumière. L’intensité du champ électrique, la polarisation et la réflexion des ondes ont également été mesurées par Hertz. Ces expériences ont permis d’établir que la lumière et ces ondes étaient toutes deux une forme de rayonnement électromagnétique obéissant aux équations de Maxwell.
Hertz ne réalisait pas l’importance pratique de ses expériences sur les ondes radio. Il a déclaré que,
« Cela ne sert à rien du tout c’est juste une expérience qui prouve que Maestro Maxwell avait raison – nous avons juste ces mystérieuses ondes électromagnétiques que nous ne pouvons pas voir à l’œil nu. Mais elles sont là. »
Interrogé sur les applications de ses découvertes, Hertz a répondu,
« Rien, je suppose. »
La preuve par Hertz de l’existence d’ondes électromagnétiques aériennes a conduit à une explosion de l’expérimentation de cette nouvelle forme de rayonnement électromagnétique, qui a été appelée « ondes hertziennes » jusqu’à environ 1910, lorsque le terme « ondes radio » est devenu courant. En l’espace de dix ans, des chercheurs comme Oliver Lodge, Ferdinand Braun et Guglielmo Marconi ont utilisé les ondes radio dans les premiers systèmes de communication par télégraphie sans fil, ce qui a conduit à la radiodiffusion, puis à la télévision. En 1909, Braun et Marconi ont reçu le prix Nobel de physique pour leurs « contributions au développement de la télégraphie sans fil ». Aujourd’hui, la radio est une technologie essentielle dans les réseaux de télécommunication mondiaux, et le moyen de transmission sous-jacent aux dispositifs sans fil modernes. « Heinrich Hertz ». Consulté le 3 février 2020.
Rayons cathodiquesModifié
En 1892, Hertz commence à faire des expériences et démontre que les rayons cathodiques peuvent pénétrer une feuille de métal très mince (comme l’aluminium). Philipp Lenard, un élève de Heinrich Hertz, a poursuivi ses recherches sur cet « effet de rayon ». Il a développé une version du tube cathodique et a étudié la pénétration des rayons X dans divers matériaux. Philipp Lenard ne se rendait cependant pas compte qu’il produisait des rayons X. Hermann von Helmholtz a formulé des équations mathématiques pour les rayons X. Il a postulé une théorie de la dispersion avant même que l’on ait pu constater une augmentation du nombre de rayons. Il a postulé une théorie de la dispersion avant que Röntgen ne fasse sa découverte et son annonce. Elle était formée sur la base de la théorie électromagnétique de la lumière (Wiedmann’s Annalen, Vol. XLVIII). Cependant, il n’a pas travaillé avec des rayons X réels.
Effet photoélectriqueEdit
Hertz a contribué à établir l’effet photoélectrique (qui a été expliqué plus tard par Albert Einstein) lorsqu’il a remarqué qu’un objet chargé perd plus facilement sa charge lorsqu’il est éclairé par un rayonnement ultraviolet (UV). En 1887, il a fait des observations de l’effet photoélectrique et de la production et de la réception des ondes électromagnétiques (EM), publiées dans la revue Annalen der Physik. Son récepteur était constitué d’une bobine avec un éclateur, ce qui permettait de voir une étincelle lors de la détection d’ondes EM. Il a placé l’appareil dans une boîte sombre pour mieux voir l’étincelle. Il a observé que la longueur maximale de l’étincelle était réduite dans la boîte. Un panneau de verre placé entre la source d’ondes électromagnétiques et le récepteur absorbait les UV qui aidaient les électrons à traverser l’espace. Lorsqu’il est retiré, la longueur de l’étincelle augmente. Il n’a observé aucune diminution de la longueur de l’étincelle lorsqu’il a remplacé le verre par du quartz, car le quartz n’absorbe pas les rayons UV. Hertz a conclu ses mois d’investigation et a rapporté les résultats obtenus. Il n’a pas poursuivi l’investigation de cet effet, et n’a pas non plus tenté d’expliquer comment le phénomène observé a été amené.
Mécanique du contactEdit
En 1886-1889, Hertz a publié deux articles sur ce qui allait être connu comme le domaine de la mécanique de contact, qui s’est avéré être une base importante pour les théories ultérieures dans le domaine. Joseph Valentin Boussinesq a publié quelques observations critiques sur le travail de Hertz, établissant néanmoins que ce travail sur la mécanique du contact était d’une immense importance. Ses travaux résument essentiellement le comportement de deux objets axisymétriques placés en contact sous l’effet d’une charge. Il a obtenu des résultats basés sur la théorie classique de l’élasticité et de la mécanique du continuum. Le défaut le plus significatif de sa théorie était la négligence de toute nature d’adhérence entre les deux solides, ce qui s’avère important lorsque les matériaux composant les solides commencent à prendre une grande élasticité. Il était naturel de négliger l’adhésion à l’époque, cependant, car il n’y avait pas de méthodes expérimentales pour la tester.
Pour développer sa théorie, Hertz a utilisé son observation des anneaux de Newton elliptiques formés en plaçant une sphère de verre sur une lentille comme base pour supposer que la pression exercée par la sphère suit une distribution elliptique. Il a utilisé à nouveau la formation des anneaux de Newton tout en validant sa théorie par des expériences pour calculer le déplacement de la sphère dans la lentille. Kenneth L. Johnson, K. Kendall et A. D. Roberts (JKR) ont utilisé cette théorie comme base pour calculer le déplacement théorique ou la profondeur d’indentation en présence d’adhérence en 1971. La théorie de Hertz est récupérée de leur formulation si l’adhésion des matériaux est supposée être nulle. Similairement à cette théorie, mais en utilisant des hypothèses différentes, B. V. Derjaguin, V. M. Muller et Y. P. Toporov ont publié une autre théorie en 1975, connue sous le nom de théorie DMT dans la communauté des chercheurs, qui récupère également les formulations de Hertz en supposant une adhésion nulle. Cette théorie DMT s’est avérée prématurée et a nécessité plusieurs révisions avant d’être acceptée comme une autre théorie de contact matériel en plus de la théorie JKR. Les théories DMT et JKR constituent toutes deux la base de la mécanique du contact sur laquelle reposent tous les modèles de contact de transition et qui sont utilisés pour la prédiction des paramètres des matériaux en nanoindentation et en microscopie à force atomique. Ces modèles sont essentiels au domaine de la tribologie et Duncan Dowson l’a désigné comme l’un des 23 « hommes de la tribologie ». Les recherches de Hertz depuis son époque de conférencier, qui ont précédé son grand travail sur l’électromagnétisme, qu’il considérait lui-même avec sa sobriété caractéristique comme triviale, ont facilité l’ère de la nanotechnologie.
Hertz a également décrit le « cône hertzien », un type de mode de fracture dans les solides fragiles causé par la transmission des ondes de contrainte.
MétéorologieEdit
Hertz a toujours eu un intérêt profond pour la météorologie, probablement dérivé de ses contacts avec Wilhelm von Bezold (qui était son professeur dans un cours de laboratoire à l’école polytechnique de Munich pendant l’été 1878). En tant qu’assistant de Helmholtz à Berlin, il a contribué à quelques articles mineurs dans ce domaine, y compris des recherches sur l’évaporation des liquides, un nouveau type d’hygromètre, et un moyen graphique de déterminer les propriétés de l’air humide lorsqu’il est soumis à des changements adiabatiques.
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