Heinrich Hertz
On 1月 18, 2022 by adminElectromagnetic wavesEdit
1864年、スコットランドの数学者マクスウェルが、現在マクスウェル方程式と呼ばれている電磁気学の包括的理論を提唱した。 マクスウェルの理論は、結合した電場と磁場が「電磁波」として空間を伝わることを予言した。 マクスウェルは、光は波長の短い電磁波から構成されていると提唱したが、誰もこれを証明することができず、他の波長の電磁波を発生させたり、検出することもできなかった
1879年にヘルムホルツが研究中に、ヘルツの博士論文はマクスウェルの理論の検証についてであると提案した。 また、ヘルムホルツは、その年にプロイセン科学アカデミーで、マクスウェルの理論で予言された絶縁体の分極と脱分極における電磁効果を実験的に証明できた人に対して、「ベルリン賞」という問題を提唱していた。 ヘルムホルツは、この問題を勝ち取る最有力候補はヘルツであると確信していた。 ヘルツは、これを実験的に検証する装置を作ることはできないと考え、代わりに電磁誘導の研究に取り組んだ。 3580>
カールスルーエで教授職を得た後、1886年の秋に一対のリースの螺旋で実験していたとき、ライデン瓶を一方のコイルに放電させると、もう一方のコイルに火花が発生することに気がついた。 これで、1879年のマクスウェル理論の証明に関する「ベルリン賞」問題(実際の賞金は1882年に未受領で失効していた)を解決する道が開かれたことになる。 彼は、ルムコルフ・コイル駆動のスパーク・ギャップと1メートルのワイヤー・ペアをラジエーターとして使用した。 両端には回路の共振調整のために容量球が存在する。 受信機はループアンテナで、素子間にマイクロメートルの火花ギャップを設けたものである。 3580>
1886年から1889年にかけて、ヘルツは一連の実験を行い、彼が観察している効果がマクスウェルが予測した電磁波の結果であることを証明した。 1887年11月の論文「絶縁体の電気的乱れによって生じる電磁効果について」を皮切りに、ヘルツはベルリンアカデミーのヘルムホルツに一連の論文を送り、1888年には横方向の自由空間の電磁波が有限の速度で遠くまで伝わることを示す論文を発表している。 ヘルツが使った装置では、電場と磁場が横波として電線から放射されていた。 ヘルツは、発振器を亜鉛の反射板から約12メートルのところに置き、定在波を発生させた。 1本の波の長さは4メートルほどである。 リングディテクターを使って、波の大きさと成分の向きがどう変わるかを記録した。 ヘルツはマクスウェル波を測定し、この波の速度が光の速度と等しいことを証明した。 また、波の電界強度、偏光、反射も測定された。 3580>
Hertzは自分の電波実験の実用的重要性を認識していなかった。 彼は、
「何の役にも立たない。これは、マエストロ・マクスウェルが正しかったことを証明する実験に過ぎず、肉眼では見ることのできない不思議な電磁波があるだけだ」と述べている。 しかし、それらはそこにあるのです。”
自分の発見の応用について尋ねられたヘルツは、
“何もない、だろう “と答えた。
空中電磁波の存在を証明したヘルツは、この新しい形の電磁波の実験を爆発的に増加させ、1910年頃に「電波」という言葉が普及するまで「ヘルツ波」と呼ばれた。 オリバー・ロッジ、フェルディナンド・ブラウン、グリエルモ・マルコーニなどの研究者が、10年以内に最初の無線電信ラジオ通信システムに電波を使用し、ラジオ放送、そして後のテレビへとつながっていった。 1909年、ブラウンとマルコーニは「無線電信の発展への貢献」を理由にノーベル物理学賞を受賞した。 今日、無線は世界的な通信ネットワークに不可欠な技術であり、現代の無線機器の基礎となる伝送メディアである。 3580>
陰極線編集
1892年、ヘルツは実験を開始し、陰極線が非常に薄い金属箔（アルミニウムなど）を透過することを実証した。 ハインリッヒ・ヘルツの弟子であるフィリップ・レナールは、この「光線効果」をさらに研究した。 彼は、陰極管の改良型を開発し、さまざまな物質のX線による透過を研究した。 しかし、レナードは自分がX線を出していることに気づいていなかった。 ヘルマン・フォン・ヘルムホルツは、X線に関する数式の定式化を行った。 彼は、レントゲンが発見・発表する前に分散説を唱えていた。 それは、光の電磁気学的理論を基礎として形成されていた(Wiedmann’s Annalen, Vol. XLVIII)。 3580>
光電効果編集
ヘルツは、帯電した物体に紫外線を当てると電荷が失われやすくなることに着目し、光電効果（後にアインシュタインが説明する）の確立に貢献した。 1887年には、光電効果と電磁波の発生と受信の観測を行い、『Annalen der Physik』誌に発表している。 受信機は、スパークギャップのあるコイルで、電磁波を検知するとスパークが発生する。 彼は、火花をよく見るために、装置を暗い箱の中に置いた。 その結果、箱の中に入れると火花の最大長が短くなることが確認された。 電磁波の発生源と受信機の間に置いたガラス板は、紫外線を吸収し、電子がギャップを飛び越えるのを助ける。 これを取り除くと、火花の長さが長くなる。 石英は紫外線を吸収しないので、石英で代用しても火花の長さが短くなることはなかった。 ヘルツは、数ヵ月にわたる調査を終えて、得られた結果を報告した。 3580>
接触力学 編集
1886年から1889年にかけて、ヘルツは後に接触力学の分野として知られるようになる2つの論文を発表し、この分野の後の理論の重要な基礎となることが証明された。 ブシネスクは、ヘルツの研究に対して、非常に重要な見解を発表し、この接触力学の研究が非常に重要であることを立証した。 ブシネスクの研究は、基本的に接触した2つの軸対称の物体が荷重を受けたときにどのように振る舞うかをまとめたもので、古典的な弾性論と連続体力学に基づいた結果が得られている。 彼の理論の最も大きな欠点は、2つの固体間の接着の性質を無視したことである。これは、固体を構成する材料が高い弾性を持ち始めると重要になる。 3580>
理論を展開するためにヘルツは、レンズの上にガラス球を置いたときにできる楕円形のニュートン・リングの観察をもとに、球が与える圧力は楕円の分布に従うと仮定した。 また、球体がレンズの中に入っていく変位を計算する実験でも、再びニュートン・リングの形成を利用し、理論の検証を行った。 Kenneth L. Johnson, K. Kendall and A. D. Roberts（JKR）は、1971年にこの理論を基礎として、付着物がある場合の理論変位または圧痕深さを計算した。 Hertzの理論は、材料の粘着力をゼロと仮定すると、彼らの定式化から回復される。 この理論と似ているが、異なる仮定を用いて、B. V. Derjaguin, V. M. Muller and Y. P. Toporovは1975年に別の理論を発表し、研究界ではDMT理論と呼ばれるようになり、これも粘着がゼロであるという仮定でHertzの定式化を復元している。 このDMT説は時期尚早であることがわかり、JKR説に続くもう一つの材料接触説として受け入れられるようになるまでには、何度か修正が必要であった。 DMT と JKR の両理論は、すべての遷移接触モデルの基礎となる接触力学を形成し、ナノインデンテーションや原子間力顕微鏡における材料パラメータ予測に使用されている。 これらのモデルはトライボロジー分野の中心的存在であり、ダンカン・ダウスンによって「トライボロジーの男たち」23人のうちの1人に選ばれている。 ヘルツは、電磁気学の大研究に先立つ講師時代からの研究を、彼特有の冷静さをもって些細なことだと考えていたが、ナノテクノロジーの時代を促進した。
またヘルツは、応力波の伝達によって起こる脆性固体の破壊モードの一種「ヘルツ型コーン」を説明した。
MeteorologyEdit
ヘルツは常に気象学に深い関心を持っており、おそらくヴィルヘルム・フォン・ベゾルド（1878年の夏、ミュンヘン工科大学の実験コースで彼の教授だった）との接触から得たものであろう。 ベルリンでヘルムホルツの助手として、液体の蒸発に関する研究、新しい種類の湿度計、断熱的変化を受けたときの湿った空気の特性を決定するための図式的手段など、この分野でいくつかの小論文を寄稿している
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