Heinrich Hertz
On Janeiro 18, 2022 by adminOndas electromagnéticasEditar
Em 1864 o físico matemático escocês James Clerk Maxwell propôs uma teoria abrangente de eletromagnetismo, agora chamada de equações de Maxwell. A teoria de Maxwell previu que campos elétricos e magnéticos acoplados poderiam viajar através do espaço como uma “onda eletromagnética”. Maxwell propôs que a luz consistia de ondas eletromagnéticas de comprimento de onda curto, mas ninguém tinha sido capaz de provar isso, ou gerar ou detectar ondas eletromagnéticas de outros comprimentos de onda.
Durante estudos de Hertz em 1879 Helmholtz sugeriu que a dissertação de doutorado de Hertz seria sobre o teste da teoria de Maxwell. Helmholtz também tinha proposto o problema do “Prêmio Berlim” naquele ano na Academia Prussiana de Ciências para qualquer pessoa que pudesse provar experimentalmente um efeito eletromagnético na polarização e despolarização dos isoladores, algo previsto pela teoria de Maxwell. Helmholtz tinha a certeza de que Hertz era o candidato mais provável a ganhá-lo. Não vendo nenhuma maneira de construir um aparelho para testar experimentalmente isto, Hertz pensou que era muito difícil, e trabalhou na indução eletromagnética em seu lugar. Hertz produziu uma análise das equações de Maxwell durante seu tempo em Kiel, mostrando que elas tinham mais validade do que as então prevalecentes teorias de “ação à distância”.
Após Hertz ter recebido sua cátedra em Karlsruhe, ele estava experimentando com um par de espirais de Riess no outono de 1886, quando notou que descarregar um frasco de Leyden em uma dessas bobinas produzia uma faísca na outra bobina. Com uma idéia de como construir um aparelho, Hertz tinha agora uma maneira de proceder com o problema do “Prêmio Berlim” de 1879, provando a teoria de Maxwell (embora o prêmio atual tivesse expirado sem ter sido coletado em 1882). Ele usou como radiador um par de fios de um metro e um par de fios de uma bobina de Ruhmkorff. As esferas de capacidade estavam presentes nas extremidades para os ajustes de ressonância do circuito. Seu receptor era uma antena de laço com uma faiscagem de micrómetro entre os elementos. Esta experiência produziu e recebeu o que agora são chamadas ondas de rádio na faixa de freqüência muito alta.
Entre 1886 e 1889 Hertz conduziu uma série de experimentos que provariam que os efeitos que ele estava observando eram resultados das ondas eletromagnéticas previstas por Maxwell. Começando em novembro de 1887 com seu artigo “On Electromagnetic Effects Produced by Electrical Disturbances in Insulators”, Hertz enviou uma série de artigos para Helmholtz na Academia de Berlim, incluindo artigos em 1888 que mostravam ondas eletromagnéticas transversais de espaço livre viajando a uma velocidade finita sobre uma distância. No aparelho utilizado pela Hertz, os campos elétricos e magnéticos irradiavam para longe dos fios como ondas transversais. Hertz tinha posicionado o oscilador a cerca de 12 metros de uma placa reflectora de zinco para produzir ondas de pé. Cada onda tinha cerca de 4 metros de comprimento. Usando o detector de anéis, ele registrou como a magnitude da onda e a direção dos componentes variavam. Hertz mediu as ondas de Maxwell e demonstrou que a velocidade destas ondas era igual à velocidade da luz. A intensidade do campo elétrico, polarização e reflexão das ondas também foram medidas por Hertz. Estas experiências estabeleceram que a luz e estas ondas eram ambas uma forma de radiação electromagnética obedecendo às equações de Maxwell.
Hertz não percebeu a importância prática das suas experiências de ondas de rádio. Ele afirmou que,
“Não adianta nada, isto é apenas um experimento que prova que o Maestro Maxwell estava certo, nós apenas temos estas misteriosas ondas eletromagnéticas que não podemos ver a olho nu. Mas elas estão lá.”
Asked sobre as aplicações das suas descobertas, Hertz respondeu,
“Nada, acho eu.”
A prova de Hertz da existência de ondas electromagnéticas aéreas levou a uma explosão de experiências com esta nova forma de radiação electromagnética, que foi chamada de “ondas hertzianas” até cerca de 1910, quando o termo “ondas de rádio” se tornou corrente. Dentro de 10 anos pesquisadores como Oliver Lodge, Ferdinand Braun e Guglielmo Marconi empregaram ondas de rádio nos primeiros sistemas de comunicação de rádio por telegrafia sem fio, levando à transmissão de rádio, e mais tarde à televisão. Em 1909, Braun e Marconi receberam o Prêmio Nobel de Física por suas “contribuições para o desenvolvimento da telegrafia sem fio”. Hoje o rádio é uma tecnologia essencial nas redes globais de telecomunicações, e o meio de transmissão subjacente aos modernos dispositivos sem fio. “Heinrich Hertz”. Recuperado em 3 de Fevereiro de 2020.
Raios catódicosEditar
Em 1892, Hertz começou a experimentar e demonstrou que os raios catódicos podiam penetrar em folhas de metal muito finas (como o alumínio). Philipp Lenard, um estudante de Heinrich Hertz, pesquisou ainda mais este “efeito de raios”. Ele desenvolveu uma versão do tubo catódico e estudou a penetração por raios X de vários materiais. Philipp Lenard, no entanto, não percebeu que estava produzindo raios X. Hermann von Helmholtz formulou equações matemáticas para as radiografias. Ele postulou uma teoria de dispersão antes que Röntgen fizesse sua descoberta e seu anúncio. Ela foi formada com base na teoria eletromagnética da luz (Annalen de Wiedmann, Vol. XLVIII). No entanto, ele não trabalhou com raios X reais.
Efeito FotoelétricoEditar
Hertz ajudou a estabelecer o efeito fotoelétrico (que foi mais tarde explicado por Albert Einstein) quando ele notou que um objeto carregado perde sua carga mais rapidamente quando iluminado pela radiação ultravioleta (UV). Em 1887, ele fez observações do efeito fotoelétrico e da produção e recepção de ondas eletromagnéticas (EM), publicadas na revista Annalen der Physik. Seu receptor consistia em uma bobina com uma fagulha, onde uma faísca seria vista ao detectar ondas eletromagnéticas. Ele colocou o aparelho em uma caixa escurecida para ver melhor a centelha. Ele observou que o comprimento máximo da faísca era reduzido quando dentro da caixa. Um painel de vidro colocado entre a fonte das ondas EM e o receptor absorveu os raios UV que ajudaram os elétrons a saltar através da fagulha. Quando removido, o comprimento da faísca aumentaria. Ele não observou diminuição no comprimento da faísca quando substituiu o quartzo por vidro, já que o quartzo não absorve a radiação UV. Hertz concluiu seus meses de investigação e relatou os resultados obtidos. Ele não prosseguiu com a investigação deste efeito, nem tentou explicar como o fenômeno observado foi provocado.
Mecânica de contatoEdit
Em 1886-1889, Hertz publicou dois artigos sobre o que viria a ser conhecido como o campo da mecânica do contato, o que provou ser uma base importante para teorias posteriores no campo. Joseph Valentin Boussinesq publicou algumas observações de importância crítica sobre o trabalho de Hertz, estabelecendo, no entanto, que este trabalho sobre mecânica do contato é de imensa importância. O seu trabalho resume basicamente como dois objetos axiossimétricos colocados em contato se comportarão sob carga, ele obteve resultados baseados na teoria clássica da elasticidade e da mecânica do contato contínuo. A falha mais significativa de sua teoria foi a negligência de qualquer natureza de adesão entre os dois sólidos, o que se mostra importante à medida que os materiais que compõem os sólidos começam a assumir uma alta elasticidade. No entanto, era natural negligenciar a aderência na altura, uma vez que não existiam métodos experimentais de teste para a mesma.
Para desenvolver a sua teoria, Hertz utilizou a sua observação dos anéis elípticos de Newton formados ao colocar uma esfera de vidro sobre uma lente como base para assumir que a pressão exercida pela esfera segue uma distribuição elíptica. Ele usou novamente a formação dos anéis de Newton enquanto validava a sua teoria com experiências no cálculo do deslocamento que a esfera tem dentro da lente. Kenneth L. Johnson, K. Kendall e A. D. Roberts (JKR) utilizaram esta teoria como base ao calcular o deslocamento teórico ou profundidade de recuo na presença de aderência em 1971. A teoria de Hertz é recuperada da sua formulação se a aderência dos materiais for suposta ser zero. Semelhante a esta teoria, porém utilizando diferentes hipóteses, B. V. Derjaguin, V. M. Muller e Y. P. Toporov publicaram outra teoria em 1975, que passou a ser conhecida como a teoria DMT na comunidade científica, que também recuperou as formulações de Hertz sob a hipótese de adesão zero. Esta teoria do DMT provou ser prematura e necessitava de várias revisões antes de ser aceite como outra teoria de contacto material, para além da teoria JKR. Tanto a teoria DMT como a teoria JKR formam a base da mecânica do contato sobre a qual todos os modelos de contato de transição são baseados e usados na previsão de parâmetros materiais em nanoindentação e microscopia de força atômica. Estes modelos são centrais para o campo da tribologia e ele foi nomeado como um dos 23 “Homens da Tribologia” por Duncan Dowson. A pesquisa de Hertz desde seus dias como professor, que precedeu seu grande trabalho sobre eletromagnetismo, que ele mesmo considerou com sua sobriedade característica como sendo trivial, facilitou a era da nanotecnologia.
Hertz também descreveu o “cone hertziano”, um tipo de modo de fratura em sólidos frágeis causada pela transmissão de ondas de estresse.
MeteorologiaEditar
Hertz sempre teve um profundo interesse em meteorologia, provavelmente derivado de seus contatos com Wilhelm von Bezold (que foi seu professor em um curso de laboratório no Politécnico de Munique, no verão de 1878). Como assistente de Helmholtz em Berlim, ele contribuiu com alguns artigos menores na área, incluindo pesquisas sobre a evaporação de líquidos, um novo tipo de higrómetro e um meio gráfico para determinar as propriedades do ar úmido quando sujeito a mudanças adiabáticas.
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