Heinrich Hertz

Elektromagnetiska vågorRedigera

1864 föreslog den skotske matematikfysikern James Clerk Maxwell en omfattande teori om elektromagnetism, som nu kallas Maxwells ekvationer. Maxwells teori förutsade att kopplade elektriska och magnetiska fält kunde färdas genom rymden som en ”elektromagnetisk våg”. Maxwell föreslog att ljuset bestod av elektromagnetiska vågor med kort våglängd, men ingen hade kunnat bevisa detta eller generera eller upptäcka elektromagnetiska vågor med andra våglängder.

Under Hertz’ studier 1879 föreslog Helmholtz att Hertz’ doktorsavhandling skulle handla om att testa Maxwells teori. Helmholtz hade också föreslagit problemet med ”Berlinpriset” samma år vid den preussiska vetenskapsakademin för den som experimentellt kunde bevisa en elektromagnetisk effekt vid polarisation och depolarisering av isolatorer, något som förutsades av Maxwells teori. Helmholtz var säker på att Hertz var den mest sannolika kandidaten att vinna priset. Eftersom Hertz inte såg något sätt att bygga en apparat för att experimentellt testa detta, tyckte han att det var för svårt och arbetade istället med elektromagnetisk induktion. Hertz producerade dock en analys av Maxwells ekvationer under sin tid i Kiel, som visade att de hade större giltighet än de då rådande teorierna om ”verkan på distans”.

När Hertz fått sin professur i Karlsruhe experimenterade han hösten 1886 med ett par Riesspiraler när han märkte att om han tömde en Leydenburk i den ena spolen så producerade han en gnista i den andra spolen. Med en idé om hur man skulle bygga en apparat hade Hertz nu ett sätt att gå vidare med problemet med ”Berlinpriset” från 1879 om att bevisa Maxwells teori (även om det egentliga priset hade gått ut oinsamlat 1882). Han använde en Ruhmkorffspole med gnistgap och ett trådpar på en meter som radiator. Kapacitetssfärer fanns i ändarna för kretsresonansjusteringar. Hans mottagare var en loopantenn med en mikrometerstor gnistspalt mellan elementen. Detta experiment producerade och tog emot det som nu kallas radiovågor i det mycket höga frekvensområdet.

Hertz första radiosändare: en kapacitetsbelastad dipolresonator som bestod av ett par koppartrådar på en meter med ett gnistgap på 7,5 mm emellan, som avslutades med 30 cm stora zinkkulor. När en induktionsspole lade på en högspänning mellan de två sidorna skapade gnistor över gnistgapet stående vågor av radiofrekvent ström i trådarna, som utstrålade radiovågor. Vågornas frekvens var ungefär 50 MHz, ungefär den som används i moderna tv-sändare.

Mellan 1886 och 1889 genomförde Hertz en serie experiment som skulle bevisa att de effekter han observerade var resultat av Maxwells förutspådda elektromagnetiska vågor. Hertz började i november 1887 med sin uppsats ”On Electromagnetic Effects Produced by Electrical Disturbances in Insulators” och skickade en rad uppsatser till Helmholtz vid Berlinakademien, bland annat uppsatser 1888 som visade att tvärgående elektromagnetiska vågor i det fria rummet rörde sig med en ändlig hastighet över en sträcka. I den apparat som Hertz använde strålade de elektriska och magnetiska fälten bort från trådarna som tvärgående vågor. Hertz hade placerat oscillatorn cirka 12 meter från en reflekterande zinkplatta för att producera stående vågor. Varje våg var ungefär 4 meter lång. Med hjälp av ringdetektorn registrerade han hur vågens magnitud och komponentriktning varierade. Hertz mätte Maxwells vågor och visade att hastigheten hos dessa vågor var lika med ljusets hastighet. Hertz mätte också det elektriska fältets intensitet, polarisationen och reflektionen av vågorna. Dessa experiment fastställde att ljuset och dessa vågor var båda en form av elektromagnetisk strålning som lyder Maxwells ekvationer.

Hertz insåg inte den praktiska betydelsen av sina radiovågsexperiment. Han förklarade att

”Det har ingen som helst nytta detta är bara ett experiment som bevisar att maestro Maxwell hade rätt – vi har bara dessa mystiska elektromagnetiska vågor som vi inte kan se med blotta ögat. Men de finns där.”

Förfrågad om tillämpningar av sina upptäckter svarade Hertz,

”Ingenting, antar jag”.

Hertz bevis för existensen av luftburna elektromagnetiska vågor ledde till en explosion av experiment med denna nya form av elektromagnetisk strålning, som kallades ”Hertzska vågor” fram till omkring 1910 då termen ”radiovågor” blev aktuell. Inom tio år använde forskare som Oliver Lodge, Ferdinand Braun och Guglielmo Marconi radiovågor i de första systemen för trådlös telegrafi och radiokommunikation, vilket ledde till radiosändningar och senare television. År 1909 fick Braun och Marconi Nobelpriset i fysik för sina ”bidrag till utvecklingen av trådlös telegrafi”. I dag är radio en viktig teknik i globala telekommunikationsnätverk och det överföringsmedium som ligger till grund för moderna trådlösa apparater. ”Heinrich Hertz”. Hämtad 3 februari 2020.

KatodstrålarRedigera

År 1892 började Hertz experimentera och visade att katodstrålar kunde tränga igenom mycket tunn metallfolie (t.ex. aluminium). Philipp Lenard, en elev till Heinrich Hertz, forskade vidare om denna ”strålningseffekt”. Han utvecklade en version av katodröret och studerade röntgenstrålarnas genomträngning av olika material. Philipp Lenard insåg dock inte att han producerade röntgenstrålar. Hermann von Helmholtz formulerade matematiska ekvationer för röntgenstrålar. Han postulerade en dispersionsteori innan Röntgen gjorde sin upptäckt och sitt tillkännagivande. Den formades på grundval av den elektromagnetiska teorin om ljuset (Wiedmann’s Annalen, Vol. XLVIII). Han arbetade dock inte med faktiska röntgenstrålar.

Fotoelektrisk effektRedigera

Hertz bidrog till att etablera den fotoelektriska effekten (som senare förklarades av Albert Einstein) när han noterade att ett laddat föremål förlorar sin laddning lättare när det belyses av ultraviolett strålning (UV). År 1887 gjorde han observationer av den fotoelektriska effekten och av produktion och mottagning av elektromagnetiska vågor (EM-vågor), vilka publicerades i tidskriften Annalen der Physik. Hans mottagare bestod av en spole med ett gnistgap, varigenom en gnista skulle synas vid detektering av EM-vågor. Han placerade apparaten i en mörklagd låda för att bättre kunna se gnistan. Han observerade att den maximala gnistlängden minskade när den befann sig i lådan. En glasskiva som placerades mellan källan till EM-vågorna och mottagaren absorberade UV-strålar som hjälpte elektronerna att hoppa över gapet. När den avlägsnades ökade gnistlängden. Han observerade ingen minskning av gnistlängden när han ersatte glaset med kvarts, eftersom kvarts inte absorberar UV-strålning. Hertz avslutade sina månader av undersökningar och rapporterade de erhållna resultaten. Han fortsatte inte att undersöka denna effekt ytterligare och gjorde inte heller något försök att förklara hur det observerade fenomenet uppstod.

KontaktmekanikRedigera

Minnesmärke över Heinrich Hertz på campuset vid Karlsruhe Institute of Technology, vilket kan översättas med På denna plats upptäckte Heinrich Hertz elektromagnetiska vågor under åren 1885-1889.

Under åren 1886-1889 publicerade Hertz två artiklar om vad som kom att bli känt som kontaktmekanik, vilket visade sig vara en viktig grund för senare teorier inom området. Joseph Valentin Boussinesq publicerade några kritiskt viktiga observationer om Hertz arbete, men fastställde ändå att detta arbete om kontaktmekanik var av oerhörd betydelse. Hans arbete sammanfattar i princip hur två axi-symmetriska föremål som är placerade i kontakt kommer att bete sig under belastning, han uppnådde resultat baserade på den klassiska elasticitetsteorin och kontinuumsmekaniken. Den största bristen i hans teori var att han inte tog hänsyn till någon form av vidhäftning mellan de två fasta kropparna, vilket visar sig vara viktigt när de material som ingår i de fasta kropparna börjar anta en hög elasticitet. Det var dock naturligt att försumma vidhäftning vid den tiden, eftersom det inte fanns några experimentella metoder för att testa den.

För att utveckla sin teori använde Hertz sin observation av elliptiska Newtons ringar som bildades när man placerade en glaskula på en lins som grund för att anta att trycket som utövas av klotet följer en elliptisk fördelning. Han använde bildandet av Newtons ringar igen när han validerade sin teori med experiment för att beräkna den förskjutning som klotet har i linsen. Kenneth L. Johnson, K. Kendall och A. D. Roberts (JKR) använde denna teori som grund när de 1971 beräknade den teoretiska förskjutningen eller intrycksdjupet i närvaro av vidhäftning. Hertz teori återfinns i deras formulering om materialens vidhäftning antas vara noll. I likhet med denna teori, men med andra antaganden, publicerade B. V. Derjaguin, V. M. Muller och Y. P. Toporov 1975 en annan teori, som kom att kallas DMT-teorin i forskarvärlden, som också återställde Hertz’ formuleringar under antagandet att vidhäftningen är noll. Denna DMT-teori visade sig vara förhastad och behövde flera revideringar innan den kom att accepteras som ytterligare en materialkontaktteori utöver JKR-teorin. Både DMT- och JKR-teorierna utgör grunden för kontaktmekaniken på vilken alla övergångskontaktmodeller är baserade och används vid prediktion av materialparametrar vid nanoindentering och atomkraftmikroskopi. Dessa modeller är centrala för tribologin och Duncan Dowson utnämnde honom till en av de 23 ”Men of Tribology”. Hertz forskning från hans dagar som föreläsare, som föregick hans stora arbete om elektromagnetism, som han själv med sin karakteristiska nykterhet betraktade som trivialt, har underlättat nanoteknikens tidsålder.

Hertz beskrev också den ”Hertzska konen”, en typ av brottsform i spröda fasta material som orsakas av överföringen av spänningsvågor.

MeteorologiRedigera

Hertz har alltid haft ett djupt intresse för meteorologi, vilket troligen härrörde från hans kontakter med Wilhelm von Bezold (som var hans professor i en laboratoriekurs vid Polytekniska institutet i München sommaren 1878). Som assistent till Helmholtz i Berlin bidrog han med några mindre artiklar på området, bland annat forskning om avdunstning av vätskor, en ny typ av hygrometer och ett grafiskt sätt att bestämma egenskaperna hos fuktig luft när den utsätts för adiabatiska förändringar.