Heinrich Hertz
Il Gennaio 18, 2022 da adminOnde elettromagneticheModifica
Nel 1864 il fisico matematico scozzese James Clerk Maxwell propose una teoria completa dell’elettromagnetismo, ora chiamata equazioni di Maxwell. La teoria di Maxwell prevedeva che i campi elettrici e magnetici accoppiati potessero viaggiare nello spazio come “onda elettromagnetica”. Maxwell propose che la luce consistesse in onde elettromagnetiche di breve lunghezza d’onda, ma nessuno era stato in grado di dimostrarlo, o di generare o rilevare onde elettromagnetiche di altre lunghezze d’onda.
Durante gli studi di Hertz nel 1879 Helmholtz suggerì che la tesi di dottorato di Hertz fosse sulla verifica della teoria di Maxwell. Helmholtz aveva anche proposto il problema del “Premio Berlino” quell’anno all’Accademia Prussiana delle Scienze per chiunque potesse dimostrare sperimentalmente un effetto elettromagnetico nella polarizzazione e depolarizzazione degli isolanti, qualcosa previsto dalla teoria di Maxwell. Helmholtz era sicuro che Hertz fosse il candidato più probabile per vincere. Non vedendo alcun modo per costruire un apparato per testare sperimentalmente questo, Hertz pensò che fosse troppo difficile, e lavorò invece sull’induzione elettromagnetica. Hertz produsse un’analisi delle equazioni di Maxwell durante il suo periodo a Kiel, dimostrando che avevano più validità delle teorie allora prevalenti dell'”azione a distanza”.
Dopo aver ricevuto la sua cattedra a Karlsruhe, Hertz stava sperimentando con una coppia di spirali di Riess nell’autunno del 1886 quando notò che la scarica di una bottiglia di Leyden in una di queste bobine produceva una scintilla nell’altra bobina. Con un’idea su come costruire un apparato, Hertz aveva ora un modo per procedere con il problema del “Premio Berlino” del 1879 per dimostrare la teoria di Maxwell (anche se il premio effettivo era scaduto senza essere stato riscosso nel 1882). Usò uno spinterometro a bobina di Ruhmkorff e una coppia di fili di un metro come radiatore. Alle estremità erano presenti delle sfere di capacità per la regolazione della risonanza del circuito. Il suo ricevitore era un’antenna ad anello con uno spinterometro tra gli elementi. Questo esperimento produceva e riceveva quelle che oggi sono chiamate onde radio nella gamma delle frequenze molto alte.
Tra il 1886 e il 1889 Hertz condusse una serie di esperimenti che avrebbero dimostrato che gli effetti che stava osservando erano il risultato delle onde elettromagnetiche previste da Maxwell. A partire dal novembre 1887 con il suo documento “On Electromagnetic Effects Produced by Electrical Disturbances in Insulators”, Hertz ha inviato una serie di documenti a Helmholtz presso l’Accademia di Berlino, tra cui documenti nel 1888 che ha mostrato le onde elettromagnetiche trasversali spazio libero che viaggiano ad una velocità finita su una distanza. Nell’apparato usato da Hertz, i campi elettrici e magnetici si irradiavano dai fili come onde trasversali. Hertz aveva posizionato l’oscillatore a circa 12 metri da una piastra riflettente di zinco per produrre onde stazionarie. Ogni onda era lunga circa 4 metri. Usando il rilevatore ad anello, registrò come variava la grandezza dell’onda e la direzione della componente. Hertz misurò le onde di Maxwell e dimostrò che la velocità di queste onde era uguale alla velocità della luce. Anche l’intensità del campo elettrico, la polarizzazione e la riflessione delle onde furono misurate da Hertz. Questi esperimenti stabilirono che la luce e queste onde erano entrambe una forma di radiazione elettromagnetica che obbediva alle equazioni di Maxwell.
Hertz non si rese conto dell’importanza pratica dei suoi esperimenti sulle onde radio. Dichiarò che,
“Non è di nessuna utilità, è solo un esperimento che dimostra che il Maestro Maxwell aveva ragione – abbiamo solo queste misteriose onde elettromagnetiche che non possiamo vedere ad occhio nudo. Ma sono lì”.
Interrogato sulle applicazioni delle sue scoperte, Hertz rispose
“Niente, credo”.
La prova di Hertz dell’esistenza di onde elettromagnetiche nell’aria portò ad un’esplosione di sperimentazione con questa nuova forma di radiazione elettromagnetica, che fu chiamata “onde hertziane” fino al 1910 circa, quando il termine “onde radio” divenne corrente. Entro 10 anni, ricercatori come Oliver Lodge, Ferdinand Braun e Guglielmo Marconi impiegarono le onde radio nei primi sistemi di comunicazione radio di telegrafia senza fili, portando alla radiodiffusione e più tardi alla televisione. Nel 1909, Braun e Marconi ricevettero il premio Nobel per la fisica per i loro “contributi allo sviluppo della telegrafia senza fili”. Oggi la radio è una tecnologia essenziale nelle reti di telecomunicazione globale, e il mezzo di trasmissione alla base dei moderni dispositivi senza fili. “Heinrich Hertz”. Retrieved 3 febbraio 2020.
Raggi catodiciModifica
Nel 1892, Hertz iniziò a sperimentare e dimostrò che i raggi catodici potevano penetrare fogli di metallo molto sottili (come l’alluminio). Philipp Lenard, uno studente di Heinrich Hertz, studiò ulteriormente questo “effetto raggio”. Sviluppò una versione del tubo catodico e studiò la penetrazione dei raggi X in vari materiali. Philipp Lenard, però, non si rese conto che stava producendo raggi X. Hermann von Helmholtz formulò equazioni matematiche per i raggi X. Ha postulato una teoria della dispersione prima che Röntgen facesse la sua scoperta e il suo annuncio. Era formata sulla base della teoria elettromagnetica della luce (Wiedmann’s Annalen, Vol. XLVIII). Tuttavia, non ha lavorato con i raggi X reali.
Effetto fotoelettricoModifica
Hertz ha contribuito a stabilire l’effetto fotoelettrico (che è stato poi spiegato da Albert Einstein) quando ha notato che un oggetto carico perde la sua carica più facilmente quando viene illuminato dalla radiazione ultravioletta (UV). Nel 1887, fece delle osservazioni sull’effetto fotoelettrico e sulla produzione e ricezione di onde elettromagnetiche (EM), pubblicate nella rivista Annalen der Physik. Il suo ricevitore consisteva in una bobina con uno spinterogeno, per cui una scintilla sarebbe stata vista al rilevamento delle onde EM. Ha messo l’apparecchio in una scatola oscurata per vedere meglio la scintilla. Osservò che la lunghezza massima della scintilla era ridotta quando si trovava nella scatola. Un pannello di vetro posto tra la sorgente di onde EM e il ricevitore assorbiva i raggi UV che aiutavano gli elettroni a saltare attraverso la fessura. Quando veniva rimosso, la lunghezza della scintilla aumentava. Non ha osservato alcuna diminuzione della lunghezza della scintilla quando ha sostituito il quarzo per il vetro, in quanto il quarzo non assorbe la radiazione UV. Hertz concluse i suoi mesi di indagine e riportò i risultati ottenuti. Non proseguì ulteriormente l’indagine su questo effetto, né fece alcun tentativo di spiegare come il fenomeno osservato fosse stato provocato.
Meccanica a contattoModifica
Nel 1886-1889, Hertz pubblicò due articoli su quello che sarebbe diventato noto come il campo della meccanica dei contatti, che si rivelò una base importante per le successive teorie nel campo. Joseph Valentin Boussinesq pubblicò alcune osservazioni criticamente importanti sul lavoro di Hertz, stabilendo comunque che questo lavoro sulla meccanica dei contatti è di immensa importanza. Il suo lavoro riassume fondamentalmente il comportamento sotto carico di due oggetti assi-simmetrici posti a contatto, ottenendo risultati basati sulla teoria classica dell’elasticità e sulla meccanica dei continui. Il difetto più significativo della sua teoria era la trascuratezza di qualsiasi natura dell’adesione tra i due solidi, che si rivela importante quando i materiali che compongono i solidi iniziano ad assumere un’elevata elasticità. Era naturale trascurare l’adesione all’epoca, tuttavia, poiché non esistevano metodi sperimentali per verificarla.
Per sviluppare la sua teoria, Hertz utilizzò la sua osservazione degli anelli di Newton ellittici che si formano quando si pone una sfera di vetro su una lente come base per assumere che la pressione esercitata dalla sfera segue una distribuzione ellittica. Usò di nuovo la formazione degli anelli di Newton mentre convalidava la sua teoria con esperimenti per calcolare lo spostamento che la sfera ha nella lente. Kenneth L. Johnson, K. Kendall e A. D. Roberts (JKR) hanno usato questa teoria come base per calcolare lo spostamento teorico o la profondità di rientro in presenza di adesione nel 1971. La teoria di Hertz viene recuperata dalla loro formulazione se si assume che l’adesione dei materiali sia zero. Simile a questa teoria, ma con presupposti diversi, B. V. Derjaguin, V. M. Muller e Y. P. Toporov pubblicarono un’altra teoria nel 1975, conosciuta nella comunità dei ricercatori come teoria DMT, che recuperava anche le formulazioni di Hertz sotto l’ipotesi di adesione zero. Questa teoria DMT si è rivelata prematura e ha avuto bisogno di diverse revisioni prima di essere accettata come un’altra teoria del contatto materiale oltre alla teoria JKR. Sia la teoria DMT che la teoria JKR formano la base della meccanica del contatto su cui si basano tutti i modelli di contatto di transizione, utilizzati nella previsione dei parametri dei materiali nella nanoindentazione e nella microscopia a forza atomica. Questi modelli sono centrali per il campo della tribologia ed è stato nominato come uno dei 23 “Uomini della tribologia” da Duncan Dowson. Le ricerche di Hertz fin dai suoi giorni da docente, che precedettero il suo grande lavoro sull’elettromagnetismo, che lui stesso considerava con la sua caratteristica sobrietà banale, hanno facilitato l’era della nanotecnologia.
Hertz ha anche descritto il “cono hertziano”, un tipo di modalità di frattura nei solidi fragili causata dalla trasmissione delle onde di stress.
MeteorologiaModifica
Hertz ebbe sempre un profondo interesse per la meteorologia, probabilmente derivato dai suoi contatti con Wilhelm von Bezold (che fu suo professore in un corso di laboratorio al Politecnico di Monaco nell’estate del 1878). Come assistente di Helmholtz a Berlino, contribuì con alcuni articoli minori nel campo, comprese le ricerche sull’evaporazione dei liquidi, un nuovo tipo di igrometro, e un mezzo grafico per determinare le proprietà dell’aria umida quando è sottoposta a cambiamenti adiabatici.
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