Heinrich Hertz

Undele electromagneticeEdit

În 1864, fizicianul matematician scoțian James Clerk Maxwell a propus o teorie cuprinzătoare a electromagnetismului, numită în prezent ecuațiile lui Maxwell. Teoria lui Maxwell a prezis că câmpurile electrice și magnetice cuplate ar putea călători prin spațiu sub forma unei „unde electromagnetice”. Maxwell a propus ca lumina să fie formată din unde electromagnetice de lungime de undă scurtă, dar nimeni nu reușise să demonstreze acest lucru sau să genereze sau să detecteze unde electromagnetice de alte lungimi de undă.

În timpul studiilor lui Hertz, în 1879, Helmholtz a sugerat ca teza de doctorat a lui Hertz să fie despre testarea teoriei lui Maxwell. Helmholtz propusese, de asemenea, problema „Premiului Berlin” în acel an la Academia Prusiană de Științe pentru oricine ar putea dovedi experimental un efect electromagnetic în polarizarea și depolarizarea izolatorilor, lucru prezis de teoria lui Maxwell. Helmholtz era sigur că Hertz era cel mai probabil candidat pentru a-l câștiga. Nevăzând nicio modalitate de a construi un aparat pentru a testa experimental acest lucru, Hertz a considerat că este prea dificil și a lucrat în schimb la inducția electromagnetică. Hertz a realizat o analiză a ecuațiilor lui Maxwell în timpul perioadei petrecute la Kiel, arătând că acestea aveau într-adevăr mai multă validitate decât teoriile „acțiunii la distanță”, care prevalau atunci.

După ce Hertz a primit catedra la Karlsruhe, în toamna anului 1886 a experimentat cu o pereche de spirale Riess, când a observat că descărcarea unui borcan Leyden în una dintre aceste spirale producea o scânteie în cealaltă spirală. Având o idee despre cum să construiască un aparat, Hertz avea acum o modalitate de a continua cu problema „Premiului Berlin” din 1879 privind demonstrarea teoriei lui Maxwell (deși premiul propriu-zis a expirat fără a fi încasat în 1882). El a folosit un distanțier cu scântei acționat de o bobină Ruhmkorff și o pereche de fire de un metru ca radiator. Sferele de capacitate erau prezente la capete pentru reglarea rezonanței circuitului. Receptorul său era o antenă în buclă cu o distanță de scânteie micrometrică între elemente. Acest experiment a produs și a recepționat ceea ce astăzi se numește unde radio în gama de frecvențe foarte înalte.

Primul emițător radio al lui Hertz: un rezonator dipolar încărcat cu capacitate, format dintr-o pereche de fire de cupru de un metru cu un spațiu de scânteie de 7,5 mm între ele, care se termina cu sfere de zinc de 30 cm. Atunci când o bobină de inducție a aplicat o tensiune înaltă între cele două părți, scânteile prin spațiul de scânteie au creat unde staționare de curent de frecvență radio în fire, care au radiat unde radio. Frecvența undelor era de aproximativ 50 MHz, aproximativ cea folosită în emițătoarele moderne de televiziune.

Între 1886 și 1889 Hertz a efectuat o serie de experimente care aveau să dovedească faptul că efectele pe care le observa erau rezultatele undelor electromagnetice prezise de Maxwell. Începând în noiembrie 1887 cu lucrarea sa „On Electromagnetic Effects Produced by Electrical Disturbances in Insulators”, Hertz a trimis o serie de lucrări lui Helmholtz la Academia din Berlin, inclusiv lucrări în 1888 care arătau unde electromagnetice transversale în spațiul liber care se deplasau cu o viteză finită pe o distanță. În aparatul folosit de Hertz, câmpurile electrice și magnetice radiau departe de fire sub formă de unde transversale. Hertz a poziționat oscilatorul la aproximativ 12 metri de o placă reflectorizantă din zinc pentru a produce unde staționare. Fiecare undă avea o lungime de aproximativ 4 metri. Cu ajutorul detectorului inelar, el a înregistrat modul în care variau magnitudinea undei și direcția componentei. Hertz a măsurat undele lui Maxwell și a demonstrat că viteza acestor unde era egală cu viteza luminii. Intensitatea câmpului electric, polarizarea și reflexia undelor au fost, de asemenea, măsurate de Hertz. Aceste experimente au stabilit că atât lumina, cât și aceste unde erau o formă de radiație electromagnetică ce se supune ecuațiilor lui Maxwell.

Hertz nu și-a dat seama de importanța practică a experimentelor sale cu unde radio. El a declarat că,

„Nu are nici un fel de utilitate acesta este doar un experiment care dovedește că maestrul Maxwell avea dreptate – avem doar aceste unde electromagnetice misterioase pe care nu le putem vedea cu ochiul liber. Dar ele sunt acolo”.

Întrebat despre aplicațiile descoperirilor sale, Hertz a răspuns,

„Nimic, cred.”

Demonstrarea de către Hertz a existenței undelor electromagnetice din aer a dus la o explozie de experimente cu această nouă formă de radiație electromagnetică, care a fost numită „unde hertziene” până în jurul anului 1910, când termenul „unde radio” a devenit curent. În decurs de 10 ani, cercetători precum Oliver Lodge, Ferdinand Braun și Guglielmo Marconi au utilizat undele radio în primele sisteme de radiocomunicații prin telegrafie fără fir, ceea ce a dus la radiodifuziune și, mai târziu, la televiziune. În 1909, Braun și Marconi au primit Premiul Nobel pentru fizică pentru „contribuțiile lor la dezvoltarea telegrafiei fără fir”. În prezent, radioul este o tehnologie esențială în rețelele globale de telecomunicații și mediul de transmisie care stă la baza dispozitivelor wireless moderne. „Heinrich Hertz”. Retrieved 3 februarie 2020.

Razele catodiceEdit

În 1892, Hertz a început să experimenteze și a demonstrat că razele catodice pot penetra o folie metalică foarte subțire (cum ar fi aluminiul). Philipp Lenard, un student al lui Heinrich Hertz, a continuat să cerceteze acest „efect de rază”. El a dezvoltat o versiune a tubului catodic și a studiat penetrarea de către razele X a diferitelor materiale. Philipp Lenard nu și-a dat seama, însă, că producea raze X. Hermann von Helmholtz a formulat ecuații matematice pentru razele X. El a postulat o teorie a dispersiei înainte ca Röntgen să facă descoperirea și anunțul său. Aceasta a fost formată pe baza teoriei electromagnetice a luminii (Wiedmann’s Annalen, Vol. XLVIII). Cu toate acestea, el nu a lucrat cu raze X reale.

Efectul fotoelectricEdit

Hertz a contribuit la stabilirea efectului fotoelectric (care a fost explicat mai târziu de Albert Einstein) atunci când a observat că un obiect încărcat își pierde sarcina mai ușor atunci când este luminat de radiații ultraviolete (UV). În 1887, a făcut observații ale efectului fotoelectric și ale producerii și recepției undelor electromagnetice (EM), publicate în revista Annalen der Physik. Receptorul său era alcătuit dintr-o bobină cu un spațiu de scânteie, prin care se vedea o scânteie la detectarea undelor EM. El a plasat aparatul într-o cutie întunecată pentru a vedea mai bine scânteia. El a observat că lungimea maximă a scânteii era redusă atunci când se afla în cutie. Un panou de sticlă plasat între sursa de unde EM și receptor absorbea razele UV care ajutau electronii să sară peste spațiul dintre ele. Când era îndepărtat, lungimea scânteii creștea. El nu a observat nicio scădere a lungimii scânteii atunci când a înlocuit sticla cu cuarț, deoarece cuarțul nu absoarbe radiațiile UV. Hertz și-a încheiat lunile de investigații și a raportat rezultatele obținute. El nu a continuat să investigheze acest efect și nici nu a încercat să explice cum s-a produs fenomenul observat.

Mecanica de contactEdit

Memorialul lui Heinrich Hertz din campusul Institutului de Tehnologie din Karlsruhe, care se traduce prin În acest loc, Heinrich Hertz a descoperit undele electromagnetice în anii 1885-1889.

În 1886-1889, Hertz a publicat două articole despre ceea ce avea să devină cunoscut sub numele de mecanica de contact, care s-au dovedit a fi o bază importantă pentru teoriile ulterioare din domeniu. Joseph Valentin Boussinesq a publicat câteva observații de importanță critică asupra lucrărilor lui Hertz, stabilind totuși că această lucrare privind mecanica de contact este de o importanță imensă. Lucrarea sa rezumă practic modul în care două obiecte axi-simetrice plasate în contact se vor comporta sub sarcină, el obținând rezultate bazate pe teoria clasică a elasticității și pe mecanica continuității. Cel mai semnificativ defect al teoriei sale a fost neglijarea oricărei naturi de aderență între cele două solide, care se dovedește a fi importantă pe măsură ce materialele care compun solidele încep să capete o elasticitate ridicată. Cu toate acestea, era firesc să neglijeze aderența la acea vreme, deoarece nu existau metode experimentale de testare a acesteia.

Pentru a-și dezvolta teoria, Hertz a folosit observația sa asupra inelelor eliptice ale lui Newton formate la plasarea unei sfere de sticlă pe o lentilă ca bază pentru a presupune că presiunea exercitată de sferă urmează o distribuție eliptică. El a folosit din nou formarea inelelor lui Newton în timp ce și-a validat teoria cu ajutorul experimentelor pentru a calcula deplasarea pe care sfera o are în lentilă. Kenneth L. Johnson, K. Kendall și A. D. Roberts (JKR) au folosit această teorie ca bază pentru a calcula deplasarea teoretică sau adâncimea de indentare în prezența aderenței în 1971. Teoria lui Hertz este recuperată din formularea lor dacă se presupune că aderența materialelor este zero. Similar acestei teorii, însă folosind ipoteze diferite, B. V. Derjaguin, V. M. Muller și Y. P. Toporov au publicat o altă teorie în 1975, care a ajuns să fie cunoscută ca teoria DMT în comunitatea de cercetători, care a recuperat, de asemenea, formulările lui Hertz în ipoteza unei aderențe zero. Această teorie DMT s-a dovedit a fi prematură și a avut nevoie de mai multe revizuiri înainte de a ajunge să fie acceptată ca o altă teorie a contactului de materiale, în plus față de teoria JKR. Atât teoria DMT, cât și teoria JKR formează baza mecanicii de contact pe care se bazează toate modelele de contact de tranziție și care sunt utilizate în predicția parametrilor materialelor în nanoindentare și în microscopia de forță atomică. Aceste modele sunt esențiale pentru domeniul tribologiei și a fost numit unul dintre cei 23 de „Oameni ai tribologiei” de către Duncan Dowson. Cercetările lui Hertz din vremea când era conferențiar, care au precedat marea sa lucrare asupra electromagnetismului, pe care el însuși o considera, cu sobrietatea sa caracteristică, ca fiind trivială, au facilitat era nanotehnologiei.

Hertz a descris, de asemenea, „conul hertzian”, un tip de mod de fractură în solidele fragile, cauzat de transmiterea undelor de tensiune.

MeteorologieEdit

Hertz a avut întotdeauna un interes profund pentru meteorologie, probabil derivat din contactele sale cu Wilhelm von Bezold (care i-a fost profesor la un curs de laborator la Politehnica din München în vara anului 1878). În calitate de asistent al lui Helmholtz la Berlin, a contribuit cu câteva articole minore în domeniu, inclusiv cercetări privind evaporarea lichidelor, un nou tip de higrometru și un mijloc grafic de determinare a proprietăților aerului umed atunci când este supus unor schimbări adiabatice.

.