Heinrich Hertz
On 18 stycznia, 2022 by adminFale elektromagnetyczneEdit
W 1864 roku szkocki fizyk matematyczny James Clerk Maxwell zaproponował kompleksową teorię elektromagnetyzmu, zwaną obecnie równaniami Maxwella. Teoria Maxwella przewidywała, że sprzężone pola elektryczne i magnetyczne mogą podróżować przez przestrzeń jako „fala elektromagnetyczna”. Maxwell zaproponował, że światło składa się z fal elektromagnetycznych o krótkiej długości fali, ale nikt nie był w stanie tego udowodnić, ani wygenerować lub wykryć fal elektromagnetycznych o innych długościach fali.
Podczas studiów Hertza w 1879 roku Helmholtz zasugerował, aby praca doktorska Hertza dotyczyła testowania teorii Maxwella. Helmholtz zaproponował również w tym samym roku w Pruskiej Akademii Nauk „Nagrodę Berlińską” dla każdego, kto mógłby doświadczalnie udowodnić efekt elektromagnetyczny w polaryzacji i depolaryzacji izolatorów, co przewidywała teoria Maxwella. Helmholtz był pewien, że Hertz jest najbardziej prawdopodobnym kandydatem do wygrania tego konkursu. Nie widząc możliwości zbudowania aparatury do eksperymentalnego sprawdzenia tej teorii, Hertz uznał, że jest to zbyt trudne i zamiast tego zajął się indukcją elektromagnetyczną. Hertz przeprowadził analizę równań Maxwella podczas swojej pracy w Kilonii, wykazując, że mają one więcej racji niż rozpowszechnione wówczas teorie „działania na odległość”.
Po tym, jak Hertz otrzymał profesurę w Karlsruhe, jesienią 1886 roku eksperymentował z parą spiral Riessa, kiedy zauważył, że wyładowanie słoika lejdejskiego w jednej z tych cewek wywołało iskrę w drugiej cewce. Mając pomysł na zbudowanie aparatury, Hertz miał teraz sposób na rozwiązanie problemu z „nagrodą berlińską” z 1879 roku za udowodnienie teorii Maxwella (choć nagroda wygasła w 1882 roku). Jako grzejnika użył iskiernika napędzanego cewką Ruhmkorffa i pary drutów o długości jednego metra. Na końcach znajdowały się kule pojemnościowe do regulacji rezonansu obwodu. Jego odbiornikiem była antena pętlowa z mikrometrową przerwą iskrową pomiędzy elementami. Eksperyment ten wytworzył i odebrał to, co obecnie nazywamy falami radiowymi w zakresie bardzo wysokich częstotliwości.
W latach 1886-1889 Hertz przeprowadził serię eksperymentów, które miały udowodnić, że obserwowane przez niego efekty są wynikiem przewidywanych przez Maxwella fal elektromagnetycznych. Zaczynając w listopadzie 1887 r. od pracy „On Electromagnetic Effects Produced by Electrical Disturbances in Insulators”, Hertz wysłał serię prac do Helmholtza w Akademii Berlińskiej, w tym prace w 1888 r., które pokazały poprzeczne fale elektromagnetyczne w wolnej przestrzeni podróżujące ze skończoną prędkością na odległość. W aparacie, którego użył Hertz, pola elektryczne i magnetyczne promieniowały od drutów jako fale poprzeczne. Hertz umieścił oscylator w odległości około 12 metrów od cynkowej płyty odbijającej, aby wytworzyć fale stojące. Każda fala miała długość około 4 metrów. Używając detektora pierścieniowego, rejestrował, jak zmieniała się wielkość i kierunek składowej fali. Hertz zmierzył fale Maxwella i wykazał, że prędkość tych fal jest równa prędkości światła. Hertz zmierzył również natężenie pola elektrycznego, polaryzację i odbicie fal. Eksperymenty te pozwoliły ustalić, że zarówno światło, jak i te fale są formą promieniowania elektromagnetycznego spełniającego równania Maxwella.
Hertz nie zdawał sobie sprawy z praktycznego znaczenia swoich eksperymentów z falami radiowymi. Stwierdził, że,
„It’s of no use whatsoever this is just an experiment that proves Maestro Maxwell was right-we just have these mysterious electromagnetic waves that we cannot see with the naked eye. Ale one tam są.”
Pytany o zastosowania swoich odkryć, Hertz odpowiedział,
„Nic, chyba”.
Dowód Hertza na istnienie fal elektromagnetycznych w powietrzu doprowadził do eksplozji eksperymentów z tą nową formą promieniowania elektromagnetycznego, którą nazywano „falami Hertza” aż do około 1910 roku, kiedy to termin „fale radiowe” stał się aktualny. W ciągu 10 lat naukowcy tacy jak Oliver Lodge, Ferdinand Braun i Guglielmo Marconi zastosowali fale radiowe w pierwszych systemach komunikacji radiowej w telegrafii bezprzewodowej, co doprowadziło do powstania radiofonii, a później telewizji. W 1909 r. Braun i Marconi otrzymali Nagrodę Nobla w dziedzinie fizyki za „wkład w rozwój telegrafii bezprzewodowej”. Dziś radio jest podstawową technologią w globalnych sieciach telekomunikacyjnych i medium transmisyjnym leżącym u podstaw nowoczesnych urządzeń bezprzewodowych. „Heinrich Hertz”. Retrieved 3 February 2020.
Promienie katodoweEdit
W 1892 roku Hertz rozpoczął eksperymenty i wykazał, że promienie katodowe mogą przenikać przez bardzo cienką folię metalową (taką jak aluminium). Philipp Lenard, uczeń Heinricha Hertza, dalej badał ten „efekt promieniowania”. Opracował on wersję lampy katodowej i badał przenikanie promieni X przez różne materiały. Philipp Lenard nie zdawał sobie jednak sprawy, że produkuje promieniowanie rentgenowskie. Hermann von Helmholtz sformułował równania matematyczne dla promieniowania rentgenowskiego. Postulował on teorię dyspersji jeszcze przed odkryciem i ogłoszeniem przez Röntgena. Powstała ona w oparciu o elektromagnetyczną teorię światła (Wiedmann’s Annalen, Vol. XLVIII). Nie pracował jednak z rzeczywistymi promieniami X.
Efekt fotoelektrycznyEdit
Hertz pomógł ustalić efekt fotoelektryczny (który został później wyjaśniony przez Alberta Einsteina), gdy zauważył, że naładowany obiekt traci swój ładunek szybciej, gdy jest oświetlony promieniowaniem ultrafioletowym (UV). W 1887 r. przeprowadził obserwacje efektu fotoelektrycznego oraz wytwarzania i odbierania fal elektromagnetycznych (EM), które opublikował w czasopiśmie Annalen der Physik. Jego odbiornik składał się z cewki z iskrownikiem, dzięki czemu po wykryciu fal EM pojawiała się iskra. Umieścił aparat w zaciemnionym pudełku, aby lepiej widzieć iskrę. Zaobserwował, że maksymalna długość iskry zmniejszyła się, gdy znajdowała się w pudełku. Szklana tafla umieszczona pomiędzy źródłem fal EM a odbiornikiem pochłaniała promieniowanie UV, które pomagało elektronom przeskakiwać przez szczelinę. Po jej usunięciu długość iskry wzrastała. Hertz nie zaobserwował spadku długości iskry, gdy zastąpił szkło kwarcem, ponieważ kwarc nie absorbuje promieniowania UV. Hertz zakończył swoje wielomiesięczne badania i podał uzyskane wyniki. Nie kontynuował dalszych badań tego efektu, ani nie podjął próby wyjaśnienia, jak doszło do zaobserwowanego zjawiska.
Mechanika kontaktowaEdit
W latach 1886-1889 Hertz opublikował dwa artykuły na temat tego, co miało stać się znane jako dziedzina mechaniki kontaktowej, które okazały się ważną podstawą dla późniejszych teorii w tej dziedzinie. Joseph Valentin Boussinesq opublikował kilka krytycznie ważnych spostrzeżeń na temat pracy Hertza, uznając jednak jego pracę na temat mechaniki kontaktowej za niezwykle ważną. Jego praca zasadniczo podsumowuje, jak dwa aksjosymetryczne obiekty umieszczone w kontakcie będą zachowywać się pod obciążeniem, a wyniki uzyskał w oparciu o klasyczną teorię sprężystości i mechanikę kontinuum. Najbardziej znaczącą wadą jego teorii było zaniedbanie jakiegokolwiek charakteru adhezji pomiędzy dwoma ciałami stałymi, co okazuje się istotne, gdy materiały tworzące ciała stałe zaczynają przyjmować wysoką sprężystość. W tamtych czasach zaniedbanie przylegania było jednak naturalne, ponieważ nie istniały żadne doświadczalne metody jego badania.
Rozwijając swoją teorię, Hertz wykorzystał obserwację eliptycznych pierścieni Newtona powstających po umieszczeniu szklanej kuli na soczewce jako podstawę do założenia, że ciśnienie wywierane przez kulę ma rozkład eliptyczny. Formowanie się pierścieni Newtona wykorzystał ponownie, potwierdzając swoją teorię eksperymentalnie, do obliczenia przemieszczenia, jakie kula wywiera na soczewkę. Kenneth L. Johnson, K. Kendall i A. D. Roberts (JKR) wykorzystali tę teorię jako podstawę do obliczenia teoretycznego przemieszczenia lub głębokości wgłębienia w obecności adhezji w 1971 roku. Teoria Hertza jest odzyskiwana z ich sformułowania, jeśli adhezja materiałów jest zakładana jako zero. Podobną do tej teorii, ale przy innych założeniach, B. V. Derjaguin, V. M. Muller i Y. P. Toporov opublikowali w 1975 r. inną teorię, która w środowisku naukowym stała się znana jako teoria DMT, która również odzyskiwała sformułowania Hertza przy założeniu zerowej adhezji. Teoria DMT okazała się przedwczesna i wymagała kilku rewizji, zanim została zaakceptowana jako kolejna teoria kontaktu materiałowego obok teorii JKR. Zarówno teoria DMT jak i teoria JKR stanowią podstawę mechaniki kontaktu, na której opierają się wszystkie modele kontaktu przejściowego, wykorzystywane do przewidywania parametrów materiału w nanoindentacji i mikroskopii sił atomowych. Modele te mają kluczowe znaczenie dla dziedziny tribologii, a Duncan Dowson uznał go za jednego z 23 „Men of Tribology”. Badania Hertza z czasów, gdy był wykładowcą, które poprzedziły jego wielką pracę nad elektromagnetyzmem, którą sam uważał z charakterystyczną dla siebie trzeźwością za trywialną, ułatwiły erę nanotechnologii.
Hertz opisał również „stożek Hertza”, rodzaj trybu pękania w kruchych ciałach stałych spowodowany przenoszeniem fal naprężeń.
MeteorologiaEdit
Hertz zawsze miał głębokie zainteresowanie meteorologią, prawdopodobnie wywodzące się z jego kontaktów z Wilhelmem von Bezoldem (który był jego profesorem na kursie laboratoryjnym na Politechnice Monachijskiej latem 1878 roku). Jako asystent Helmholtza w Berlinie miał swój wkład w kilka drobnych artykułów z tej dziedziny, w tym badania nad parowaniem cieczy, nowym rodzajem higrometru i graficznym sposobem określania właściwości wilgotnego powietrza poddawanego zmianom adiabatycznym.
.
Dodaj komentarz