Heinrich Hertz
On január 18, 2022 by adminElektromágneses hullámokSzerkesztés
1864-ben James Clerk Maxwell skót matematikus-fizikus javaslatot tett az elektromágnesesség átfogó elméletére, amelyet ma Maxwell-egyenleteknek nevezünk. Maxwell elmélete megjósolta, hogy a kapcsolt elektromos és mágneses mezők “elektromágneses hullámként” terjedhetnek a térben. Maxwell azt javasolta, hogy a fény rövid hullámhosszú elektromágneses hullámokból áll, de ezt senki sem tudta bizonyítani, vagy más hullámhosszú elektromágneses hullámokat létrehozni vagy érzékelni.
Hertz tanulmányai során 1879-ben Helmholtz azt javasolta, hogy Hertz doktori disszertációja Maxwell elméletének tesztelésével foglalkozzon. Helmholtz abban az évben a Porosz Tudományos Akadémián a “berlini díj” problémáját is felvetette annak, aki kísérletileg bizonyítani tudja az elektromágneses hatást a szigetelők polarizációjában és depolarizációjában, amit Maxwell elmélete megjósolt. Helmholtz biztos volt benne, hogy Hertz a legesélyesebb jelölt a díj elnyerésére. Mivel Hertz nem látott módot arra, hogy olyan készüléket építsen, amellyel ezt kísérletileg tesztelhette volna, úgy gondolta, hogy ez túl nehéz, és helyette az elektromágneses indukcióval foglalkozott. Hertz a Kielben töltött ideje alatt elkészítette Maxwell egyenleteinek elemzését, amely kimutatta, hogy azok valóban több érvényességgel bírnak, mint az akkoriban elterjedt “távolsági hatás” elméletek.
Miután Hertz megkapta karlsruhei professzori állását, 1886 őszén egy Riess-spirálpárral kísérletezett, amikor észrevette, hogy egy Leyden-üveg kisütése az egyik tekercsbe szikrát kelt a másik tekercsben. Mivel Hertznek már volt ötlete arra, hogyan építsen egy készüléket, most már volt módja arra, hogy a Maxwell-elmélet bizonyítására vonatkozó 1879-es “berlini díj” problémáját megoldja (bár a tényleges díj 1882-ben lejárt, és nem vették át). Sugárzóként egy Ruhmkorff-tekerccsel hajtott szikraközt és egy méteres huzalpárt használt. A végeken kapacitív gömbök voltak jelen az áramkör rezonanciájának beállításához. Vevője egy hurokantenna volt, az elemek között mikrométeres szikraközzel. Ez a kísérlet a ma nagyon magas frekvenciatartományban rádióhullámoknak nevezett hullámokat állított elő és fogott.
Hertz 1886 és 1889 között kísérletsorozatot végzett, amely bebizonyította, hogy az általa megfigyelt hatások a Maxwell által megjósolt elektromágneses hullámok eredményei. Kezdve 1887 novemberében “On Electromagnetic Effects Produced by Electrical Disturbances in Insulators” című tanulmányával, Hertz egy sor tanulmányt küldött Helmholtznak a Berlini Akadémiára, köztük olyanokat 1888-ban, amelyek a szabad térben keresztirányú, véges sebességgel terjedő elektromágneses hullámokat mutattak ki egy távolságon. A Hertz által használt készülékben az elektromos és mágneses mezők transzverzális hullámokként sugároztak el a vezetékektől. Hertz az oszcillátort körülbelül 12 méterre helyezte el egy cinket visszaverő lemeztől, hogy állóhullámokat hozzon létre. Minden egyes hullám körülbelül 4 méter hosszú volt. A gyűrűs detektor segítségével feljegyezte, hogyan változik a hullám nagysága és a komponensek iránya. Hertz megmérte a Maxwell-hullámokat, és kimutatta, hogy e hullámok sebessége megegyezik a fénysebességgel. A hullámok elektromos térerősségét, polarizációját és visszaverődését is megmérte Hertz. Ezek a kísérletek megállapították, hogy a fény és ezek a hullámok egyaránt a Maxwell-egyenleteknek engedelmeskedő elektromágneses sugárzás egyik formája.
Hertz nem ismerte fel rádióhullám-kísérleteinek gyakorlati jelentőségét. Azt állította,
“Ennek semmi haszna, ez csak egy kísérlet, amely bizonyítja, hogy Maxwell mester igaza volt – csak vannak ezek a titokzatos elektromágneses hullámok, amelyeket szabad szemmel nem láthatunk. De ott vannak”.
A felfedezéseinek alkalmazási lehetőségeiről kérdezve Hertz azt válaszolta,
“Semmi, azt hiszem”.
Hertz bizonyítéka a levegőben terjedő elektromágneses hullámok létezéséről az elektromágneses sugárzás ezen új formájával való kísérletezés robbanásszerű elterjedéséhez vezetett, amelyet “Hertz-hullámoknak” neveztek egészen 1910 körülig, amikor a “rádióhullámok” kifejezés vált aktuálissá. Tíz éven belül olyan kutatók, mint Oliver Lodge, Ferdinand Braun és Guglielmo Marconi alkalmazták a rádióhullámokat az első vezeték nélküli távíró rádiótávközlési rendszerekben, ami a rádiós műsorszóráshoz, majd később a televíziózáshoz vezetett. Braun és Marconi 1909-ben fizikai Nobel-díjat kapott “a vezeték nélküli távírászat fejlesztéséhez való hozzájárulásukért”. Ma a rádió a globális távközlési hálózatok alapvető technológiája, és a modern vezeték nélküli eszközök alapjául szolgáló átviteli médium. “Heinrich Hertz”. Retrieved 3 February 2020.
KatódsugarakSzerkesztés
1892-ben Hertz kísérletezni kezdett, és bebizonyította, hogy a katódsugarak képesek áthatolni nagyon vékony fémfólián (például alumíniumon). Philipp Lenard, Heinrich Hertz tanítványa tovább kutatta ezt a “sugárhatást”. Kifejlesztette a katódcső egy változatát, és tanulmányozta a különböző anyagok röntgensugarak általi áthatolását. Philipp Lenard azonban nem tudta, hogy röntgensugarakat állít elő. Hermann von Helmholtz matematikai egyenleteket fogalmazott meg a röntgensugárzásra vonatkozóan. Ő még Röntgen felfedezése és bejelentése előtt diszperziós elméletet posztulált. Ezt a fény elektromágneses elmélete alapján alkotta meg (Wiedmann’s Annalen, XLVIII. kötet). Valódi röntgensugárzással azonban nem dolgozott.
Fényelektromos hatásSzerkesztés
Hertz hozzájárult a fotoelektromos hatás megállapításához (amelyet később Albert Einstein magyarázott meg), amikor észrevette, hogy egy töltött tárgy könnyebben veszíti el a töltését, ha ultraibolya (UV) sugárzással világítják meg. 1887-ben megfigyeléseket tett a fotoelektromos hatásról és az elektromágneses (EM) hullámok keletkezéséről és vételéről, amelyeket az Annalen der Physik című folyóiratban publikált. Vevője egy szikraközzel ellátott tekercsből állt, amelynek segítségével az EM-hullámok észlelésekor szikra keletkezett. A készüléket egy elsötétített dobozban helyezte el, hogy a szikrát jobban láthassa. Megfigyelte, hogy a szikra maximális hossza csökkent, amikor a dobozban volt. Az EM-hullámok forrása és a vevő között elhelyezett üveglap elnyelte az UV-sugárzást, ami segítette az elektronok átugrását a résen. Ha eltávolították, a szikra hossza megnőtt. Nem figyelte meg a szikrahossz csökkenését, amikor az üveget kvarccal helyettesítette, mivel a kvarc nem nyeli el az UV-sugárzást. Hertz befejezte több hónapos vizsgálatát, és beszámolt a kapott eredményekről. Nem folytatta tovább ennek a hatásnak a vizsgálatát, és nem tett kísérletet arra sem, hogy megmagyarázza, hogyan jött létre a megfigyelt jelenség.
KapcsolatmechanikaSzerkesztés
1886-1889-ben Hertz két cikket publikált a később kontaktmechanika néven ismertté vált területről, amelyek fontos alapnak bizonyultak a terület későbbi elméletei számára. Joseph Valentin Boussinesq kritikailag fontos észrevételeket tett közzé Hertz munkájával kapcsolatban, mindazonáltal megállapította, hogy ez az érintkezési mechanikával kapcsolatos munka óriási jelentőségű. Munkája alapvetően azt foglalja össze, hogyan viselkedik két, egymással érintkezésbe kerülő tengelyszimmetrikus tárgy terhelés hatására, a klasszikus rugalmassági elméleten és a kontinuummechanikán alapuló eredményeket kapott. Elméletének legjelentősebb hibája az volt, hogy elhanyagolta a két szilárd test közötti bármilyen jellegű tapadást, ami fontosnak bizonyul, amint a szilárd testeket alkotó anyagok nagy rugalmasságot kezdenek felvenni. Az adhézió elhanyagolása azonban akkoriban természetes volt, mivel nem léteztek kísérleti módszerek ennek vizsgálatára.
Az elméletének kidolgozásához Hertz az üveggömb lencsére helyezésekor kialakuló elliptikus Newton-gyűrűkről tett megfigyelése alapján feltételezte, hogy a gömb által kifejtett nyomás elliptikus eloszlást követ. A Newton-gyűrűk kialakulását ismét felhasználta, miközben elméletét kísérletekkel igazolta, amikor kiszámította a gömbnek a lencsébe történő elmozdulását. Kenneth L. Johnson, K. Kendall és A. D. Roberts (JKR) 1971-ben ezt az elméletet vette alapul az elméleti elmozdulás vagy behatolási mélység kiszámításakor tapadás jelenlétében. Hertz elmélete az ő megfogalmazásukból nyerhető vissza, ha az anyagok tapadását nullának feltételezzük. Ehhez az elmélethez hasonlóan, de más feltevéseket használva B. V. Derjaguin, V. M. Muller és Y. P. Toporov 1975-ben egy másik elméletet publikáltak, amely a kutatóközösségben DMT-elmélet néven vált ismertté, és amely szintén a Hertz-féle megfogalmazásokat állította vissza nulla adhézió feltételezése mellett. Ez a DMT-elmélet korainak bizonyult, és több átdolgozásra volt szüksége, mire a JKR-elmélet mellett egy másik anyagérintkezési elméletként is elfogadottá vált. Mind a DMT-, mind a JKR-elmélet az érintkezési mechanika alapját képezi, amelyre minden átmeneti érintkezési modell épül, és amelyet a nanoindentáció és az atomerő-mikroszkópia anyagparaméter-előrejelzésében használnak. Ezek a modellek központi szerepet játszanak a tribológia területén, és Duncan Dowson a “Tribológia 23 emberének” egyikeként nevezte meg. Hertz oktatói korszakából származó kutatásai, amelyek megelőzték az elektromágnesességgel kapcsolatos nagy munkásságát, amelyet ő maga a rá jellemző józansággal triviálisnak tartott, elősegítették a nanotechnológia korát.
Hertz leírta a “Hertz-kúpot” is, egyfajta törési módot a rideg szilárd testekben, amelyet a feszültséghullámok átvitele okoz.
MeteorológiaSzerkesztés
Hertz mindig is mélyen érdeklődött a meteorológia iránt, ami valószínűleg Wilhelm von Bezolddal (aki 1878 nyarán a professzora volt egy laboratóriumi kurzuson a müncheni Műegyetemen) való kapcsolatából eredt. Berlinben Helmholtz asszisztenseként néhány kisebb cikkel járult hozzá a témához, többek között a folyadékok párolgásával kapcsolatos kutatásokkal, egy újfajta higrométerrel, valamint a nedves levegő adiabatikus változásoknak kitett tulajdonságainak meghatározására szolgáló grafikus eszközzel.
Történetesen a levegő adiabatikus változásait vizsgálta.
Vélemény, hozzászólás?