Heinrich Hertz

Elektromagnetische golvenEdit

In 1864 stelde de Schotse wiskundige natuurkundige James Clerk Maxwell een uitgebreide theorie van het elektromagnetisme voor, die nu de vergelijkingen van Maxwell worden genoemd. De theorie van Maxwell voorspelde dat gekoppelde elektrische en magnetische velden zich als een “elektromagnetische golf” door de ruimte konden verplaatsen. Maxwell stelde voor dat licht bestond uit elektromagnetische golven van korte golflengte, maar niemand was in staat geweest dit te bewijzen, of elektromagnetische golven van andere golflengten te genereren of te detecteren.

Tijdens Hertz’ studie in 1879 stelde Helmholtz voor dat Hertz’ proefschrift zou gaan over het testen van Maxwells theorie. Helmholtz had dat jaar aan de Pruisische Academie van Wetenschappen ook het probleem van de “Berlijnse Prijs” voorgesteld voor iedereen die experimenteel een elektromagnetisch effect kon aantonen in de polarisatie en depolarisatie van isolatoren, iets dat voorspeld was door Maxwells theorie. Helmholtz was er zeker van dat Hertz de meest waarschijnlijke kandidaat was om de wedstrijd te winnen. Hertz zag geen mogelijkheid om een apparaat te bouwen om dit experimenteel te testen en vond het te moeilijk, en werkte in plaats daarvan aan elektromagnetische inductie. Hertz produceerde wel een analyse van Maxwells vergelijkingen tijdens zijn tijd in Kiel, waaruit bleek dat ze meer geldigheid hadden dan de toen heersende “actie op afstand” theorieën.

Nadat Hertz zijn professoraat in Karlsruhe had gekregen, was hij in de herfst van 1886 aan het experimenteren met een paar Riess spiralen, toen hij merkte dat het ontladen van een Leyden kruik in een van deze spoelen een vonk in de andere spoel veroorzaakte. Met een idee over hoe een apparaat te bouwen, had Hertz nu een manier om verder te gaan met het probleem van de “Berlijnprijs” van 1879 over het bewijzen van Maxwells theorie (hoewel de eigenlijke prijs in 1882 was verlopen zonder te zijn geïnd). Hij gebruikte een door een Ruhmkorff spoel aangedreven vonkbrug en een draadpaar van één meter als radiator. Aan de uiteinden waren capaciteitsbollen aanwezig voor de resonantie-instelling van het circuit. Zijn ontvanger was een lusantenne met een micrometer vonkbrug tussen de elementen. Dit experiment produceerde en ontving wat nu radiogolven in het zeer hoge frequentiebereik worden genoemd.

Hertz’s eerste radiozender: een capaciteitsbelaste dipoolresonator bestaande uit een paar koperdraden van één meter met een vonkspleet van 7,5 mm ertussen, eindigend in zinken bollen van 30 cm. Wanneer een inductiespoel een hoge spanning aanbracht tussen de twee zijden, veroorzaakten vonken over de vonkspleet staande golven van radiofrequente stroom in de draden, die radiogolven uitstraalden. De frequentie van de golven was ruwweg 50 MHz, ongeveer de frequentie die in moderne televisiezenders wordt gebruikt.

Tussen 1886 en 1889 voerde Hertz een reeks experimenten uit die zouden bewijzen dat de effecten die hij waarnam, het resultaat waren van de door Maxwell voorspelde elektromagnetische golven. Beginnend in november 1887 met zijn artikel “On Electromagnetic Effects Produced by Electrical Disturbances in Insulators”, stuurde Hertz een reeks artikelen naar Helmholtz aan de Berlijnse Academie, waaronder artikelen in 1888 die transversale elektromagnetische golven in de vrije ruimte lieten zien die zich met een eindige snelheid over een afstand verplaatsten. In het apparaat dat Hertz gebruikte, straalden de elektrische en magnetische velden van de draden weg als transversale golven. Hertz had de oscillator ongeveer 12 meter van een zinken reflecterende plaat geplaatst om staande golven te produceren. Elke golf was ongeveer 4 meter lang. Met behulp van de ringdetector registreerde hij hoe de grootte en de richting van de golven varieerden. Hertz mat de golven van Maxwell en toonde aan dat de snelheid van deze golven gelijk was aan de snelheid van het licht. De intensiteit van het elektrisch veld, de polarisatie en de weerkaatsing van de golven werden ook door Hertz gemeten. Deze experimenten stelden vast dat licht en deze golven beide een vorm van elektromagnetische straling waren die gehoorzaamde aan de vergelijkingen van Maxwell.

Hertz realiseerde zich niet het praktische belang van zijn radiogolfexperimenten. Hij verklaarde dat,

“Het heeft geen enkel nut dit is gewoon een experiment dat bewijst dat Maestro Maxwell gelijk had-we hebben gewoon deze mysterieuze elektromagnetische golven die we met het blote oog niet kunnen zien. Maar ze zijn er wel.”

Gevraagd naar de toepassingen van zijn ontdekkingen, antwoordde Hertz,

“Niets, denk ik.”

Hertz’s bewijs van het bestaan van elektromagnetische golven in de lucht leidde tot een explosie van experimenten met deze nieuwe vorm van elektromagnetische straling, die “Hertziaanse golven” werd genoemd tot rond 1910, toen de term “radiogolven” gangbaar werd. Binnen 10 jaar gebruikten onderzoekers als Oliver Lodge, Ferdinand Braun en Guglielmo Marconi radiogolven in de eerste draadloze telegrafie radiocommunicatiesystemen, wat leidde tot radio-omroep, en later televisie. In 1909 ontvingen Braun en Marconi de Nobelprijs voor natuurkunde voor hun “bijdragen aan de ontwikkeling van de draadloze telegrafie”. Vandaag de dag is radio een essentiële technologie in wereldwijde telecommunicatienetwerken, en het transmissiemedium dat ten grondslag ligt aan moderne draadloze apparatuur. “Heinrich Hertz”. Retrieved 3 February 2020.

KathodestralenEdit

In 1892 begon Hertz te experimenteren en toonde aan dat kathodestralen door zeer dunne metaalfolie (zoals aluminium) konden dringen. Philipp Lenard, een student van Heinrich Hertz, deed verder onderzoek naar dit “stralingseffect”. Hij ontwikkelde een versie van de kathodebuis en bestudeerde de penetratie door röntgenstralen van verschillende materialen. Philipp Lenard realiseerde zich echter niet dat hij röntgenstraling produceerde. Hermann von Helmholtz formuleerde wiskundige vergelijkingen voor röntgenstraling. Hij poneerde een dispersietheorie voordat Röntgen zijn ontdekking en aankondiging deed. Deze was gebaseerd op de elektromagnetische theorie van het licht (Wiedmann’s Annalen, Vol. XLVIII). Hij werkte echter niet met echte röntgenstraling.

Foto-elektrisch effectEdit

Hertz hielp bij het vaststellen van het foto-elektrisch effect (dat later werd verklaard door Albert Einstein) toen hij merkte dat een geladen voorwerp zijn lading gemakkelijker verliest wanneer het wordt verlicht door ultraviolette straling (UV). In 1887 deed hij waarnemingen aan het foto-elektrisch effect en aan de productie en ontvangst van elektromagnetische (EM) golven, die werden gepubliceerd in het tijdschrift Annalen der Physik. Zijn ontvanger bestond uit een spoel met een vonkbrug, waardoor bij detectie van EM-golven een vonk te zien zou zijn. Hij plaatste het apparaat in een verduisterde kast om de vonk beter te kunnen zien. Hij merkte op dat de maximale vonklengte korter werd wanneer de vonk zich in de doos bevond. Een glazen paneel dat tussen de bron van de EM-golven en de ontvanger was geplaatst, absorbeerde UV-straling die de elektronen hielp om over de spleet te springen. Wanneer het verwijderd werd, nam de vonklengte toe. Hij nam geen afname van de vonklengte waar toen hij kwarts verving door glas, omdat kwarts geen UV-straling absorbeert. Hertz beëindigde zijn maandenlange onderzoek en rapporteerde de verkregen resultaten. Hij zette het onderzoek naar dit effect niet voort, noch deed hij een poging om te verklaren hoe het waargenomen verschijnsel tot stand kwam.

ContactmechanicaEdit

Gedenkteken van Heinrich Hertz op de campus van het Karlsruhe Institute of Technology, dat zich laat vertalen als Op deze plaats ontdekte Heinrich Hertz in de jaren 1885-1889 elektromagnetische golven.

In 1886-1889 publiceerde Hertz twee artikelen over wat bekend zou worden als het vakgebied van de contactmechanica, die een belangrijke basis bleken te zijn voor latere theorieën op dit gebied. Joseph Valentin Boussinesq publiceerde enkele kritisch belangrijke opmerkingen over Hertz’s werk, waardoor dit werk over de contactmechanica toch van immens belang werd. Zijn werk vat in wezen samen hoe twee axi-symmetrische voorwerpen die met elkaar in contact komen zich onder belasting zullen gedragen, hij verkreeg resultaten die gebaseerd zijn op de klassieke theorie van de elasticiteit en de continuummechanica. De belangrijkste tekortkoming van zijn theorie was de verwaarlozing van elke vorm van adhesie tussen de twee vaste stoffen, die belangrijk blijkt te zijn naarmate de materialen waaruit de vaste stoffen bestaan een hoge elasticiteit beginnen aan te nemen. Het was echter natuurlijk om adhesie te verwaarlozen in die tijd, omdat er geen experimentele methoden waren om het te testen.

Om zijn theorie te ontwikkelen gebruikte Hertz zijn observatie van elliptische Newton’s ringen die gevormd werden bij het plaatsen van een glazen bol op een lens als basis om aan te nemen dat de druk uitgeoefend door de bol een elliptische verdeling volgt. Hij gebruikte de vorming van Newton’s ringen opnieuw bij het valideren van zijn theorie met experimenten bij het berekenen van de verplaatsing die de bol in de lens heeft. Kenneth L. Johnson, K. Kendall en A. D. Roberts (JKR) gebruikten deze theorie als basis bij het berekenen van de theoretische verplaatsing of indrukdiepte in aanwezigheid van adhesie in 1971. De theorie van Hertz wordt teruggevonden in hun formulering indien de adhesie van de materialen wordt verondersteld nul te zijn. Gelijkaardig aan deze theorie, maar met andere veronderstellingen, publiceerden B. V. Derjaguin, V. M. Muller en Y. P. Toporov in 1975 een andere theorie, die in de onderzoekswereld bekend werd als de DMT-theorie, die ook de formuleringen van Hertz herstelde onder de veronderstelling van nuladhesie. Deze DMT-theorie bleek voorbarig te zijn en moest verschillende malen worden herzien voordat zij werd aanvaard als een andere materiaal-contacttheorie naast de JKR-theorie. Zowel de DMT- als de JKR-theorie vormen de basis van de contactmechanica waarop alle overgangscontactmodellen zijn gebaseerd en die worden gebruikt bij de voorspelling van materiaalparameters bij nano-indentatie en atoomkrachtmicroscopie. Deze modellen staan centraal in het vakgebied van de tribologie en hij werd door Duncan Dowson uitgeroepen tot een van de 23 “Men of Tribology”. Hertz’ onderzoek uit zijn tijd als docent, dat voorafging aan zijn grote werk over elektromagnetisme, dat hij zelf met zijn karakteristieke nuchterheid als triviaal beschouwde, heeft het tijdperk van de nanotechnologie mogelijk gemaakt.

Hertz beschreef ook de “Hertziaanse kegel”, een type breukwijze in brosse vaste stoffen die wordt veroorzaakt door de overdracht van spanningsgolven.

MeteorologieEdit

Hertz had altijd een grote belangstelling voor de meteorologie, waarschijnlijk ontleend aan zijn contacten met Wilhelm von Bezold (die in de zomer van 1878 zijn professor was in een laboratoriumcursus aan de Polytechnische School van München). Als assistent van Helmholtz in Berlijn, droeg hij een paar kleine artikelen bij op dit gebied, waaronder onderzoek naar de verdamping van vloeistoffen, een nieuw soort hygrometer, en een grafische manier om de eigenschappen van vochtige lucht te bepalen wanneer deze wordt onderworpen aan adiabatische veranderingen.