Fuera de nuestra consciencia se extiende el mundo frío y ajeno de las cosas reales. Entre los dos se extiende la estrecha región fronteriza de los sentidos. Ninguna comunicación entre los dos mundos es posible excepto a través de la estrecha franja. Para una comprensión adecuada de nosotros mismos y del mundo, es de la mayor importancia que esta región fronteriza sea explorada minuciosamente.
Heinrich Rudolf Hertz fue un físico alemán que demostró de manera concluyente por primera vez la existencia de las ondas electromagnéticas predichas por las ecuaciones del electromagnetismo de James Clerk Maxwell. La unidad de frecuencia, ciclo por segundo, fue nombrada "hertz" en su honor.
Biografía
Heinrich Rudolf Hertz nació en 1857 en Hamburg, entonces un estado soberano de la Confederación Germánica, en una familia próspera y culta de la Liga Hanseática. Su padre fue Gustav Ferdinand Hertz. Su madre fue Anna Elisabeth Pfefferkorn.
Mientras estudiaba en la Gelehrtenschule des Johanneums en Hamburg, Hertz demostró aptitud tanto para las ciencias como para los idiomas, aprendiendo árabe y sánscrito. Estudió ciencias e ingeniería en las ciudades alemanas de Dresden, Munich y Berlin, donde estudió bajo Gustav R. Kirchhoff y Hermann von Helmholtz. En 1880, Hertz obtuvo su doctorado de la Universidad de Berlin, y durante los siguientes tres años continuó estudiando postdoctorales bajo Helmholtz, sirviendo como su asistente. En 1883, Hertz tomó un cargo como profesor de física teórica en la Universidad de Kiel. En 1885, Hertz se convirtió en profesor de tiempo completo en la Universidad de Karlsruhe.
En 1886, Hertz se casó con Elisabeth Doll, hija de Max Doll, un profesor de geometría en Karlsruhe. Tuvieron dos hijas: Johanna, nacida el 20 de octubre de 1887 y Mathilde, nacida el 14 de enero de 1891, quien llegaría a ser una bióloga notable. Durante este tiempo Hertz realizó su investigación pionera en ondas electromagnéticas.
Hertz tomó un cargo de Profesor de Física y Director del Instituto de Física en Bonn el 3 de abril de 1889, cargo que ocupó hasta su muerte. Durante este tiempo trabajó en mecánica teórica con su obra publicada en el libro Die Prinzipien der Mechanik in neuem Zusammenhange dargestellt The Principles of Mechanics Presented in a New Form, publicado póstumamente en 1894.
Muerte
En 1892, Hertz fue diagnosticado con una infección después de un episodio de migrañas severas y se sometió a operaciones para tratar la enfermedad. Murió por complicaciones en cirugía en intentos de solucionar su condición que causaba estas migrañas, que algunos consideran fue una condición ósea maligna. Murió a los 36 años en Bonn, Alemania en 1894, y fue enterrado en el Cementerio Ohlsdorf en Hamburg.
La esposa de Hertz, Elisabeth Hertz née Doll 1864–1941, no se volvió a casar. Hertz dejó dos hijas, Johanna 1887–1967 y Mathilde 1891–1975. Las hijas de Hertz nunca se casaron y no tiene descendientes.
Trabajo científico
Ondas electromagnéticas
En 1864 el físico matemático escocés James Clerk Maxwell propuso una teoría integral del electromagnetismo, ahora llamada ecuaciones de Maxwell. La teoría de Maxwell predijo que los campos eléctricos y magnéticos acoplados podrían viajar por el espacio como una "onda electromagnética". Maxwell propuso que la luz consistía en ondas electromagnéticas de longitud de onda corta, pero nadie había podido probar esto, ni generar ni detectar ondas electromagnéticas de otras longitudes de onda.
Durante los estudios de Hertz en 1879 Helmholtz sugirió que la disertación doctoral de Hertz fuera sobre la prueba de la teoría de Maxwell. Helmholtz también había propuesto el problema del "Premio de Berlin" ese año en la Academia Prusiana de Ciencias para quien pudiera probar experimentalmente un efecto electromagnético en la polarización y despolarización de aislantes, algo predicho por la teoría de Maxwell. Helmholtz estaba seguro de que Hertz era el candidato más probable para ganarlo. Al no ver ninguna manera de construir un aparato para probar esto experimentalmente, Hertz pensó que era demasiado difícil, y trabajó en inducción electromagnética en su lugar. Hertz sí produjo un análisis de las ecuaciones de Maxwell durante su tiempo en Kiel, mostrando que tenían más validez que las entonces prevalentes teorías de "acción a distancia".
Después de que Hertz recibió su cátedra en Karlsruhe estaba experimentando con un par de espirales de Riess en el otoño de 1886 cuando notó que descargar una botella de Leyden en una de estas bobinas produciría una chispa en la otra bobina. Con una idea de cómo construir un aparato, Hertz ahora tenía una manera de proceder con el problema del "Premio de Berlin" de 1879 sobre probar la teoría de Maxwell aunque el premio real había expirado sin ser reclamado en 1882. Utilizó una bobina de Ruhmkorff accionada por un hueco de chispa y un par de alambre de un metro como radiador. Las esferas de capacidad estaban presentes en los extremos para ajustes de resonancia de circuito. Su receptor era una antena de bucle con un espacio de chispa de micrómetro entre los elementos. Este experimento produjo y recibió lo que ahora se denominan ondas de radio en el rango de muy alta frecuencia.
El primer transmisor de radio de Hertz: un resonador dipolo cargado de capacitancia que consiste en un par de alambres de cobre de un metro con un espacio de chispa de 7,5 mm entre ellos, terminando en esferas de zinc de 30 cm. Cuando una bobina de inducción aplicaba un alto voltaje entre los dos lados, las chispas a través del espacio de chispa creaban ondas estacionarias de corriente de radiofrecuencia en los alambres, que radiaban ondas de radio. La frecuencia de las ondas era aproximadamente 50 MHz, aproximadamente la utilizada en los transmisores de televisión modernos.
Entre 1886 y 1889 Hertz realizaría una serie de experimentos que probarían que los efectos que observaba eran resultados de las ondas electromagnéticas predichas por Maxwell. Comenzando en noviembre de 1887 con su artículo "On Electromagnetic Effects Produced by Electrical Disturbances in Insulators", Hertz enviaría una serie de artículos a Helmholtz en la Academia de Berlin, incluyendo artículos en 1888 que mostraban ondas electromagnéticas transversales de espacio libre viajando a una velocidad finita sobre una distancia. En el aparato que utilizó Hertz, los campos eléctrico y magnético se irradiarían desde los alambres como ondas transversales. Hertz había posicionado el oscilador aproximadamente 12 metros de una placa reflectante de zinc para producir ondas estacionarias. Cada onda tenía aproximadamente 4 metros de largo. Utilizando el detector de anillo, registró cómo variaban la magnitud de la onda y la dirección del componente. Hertz midió las ondas de Maxwell y demostró que la velocidad de estas ondas era igual a la velocidad de la luz. La intensidad del campo eléctrico, la polarización y la reflexión de las ondas también fueron medidas por Hertz. Estos experimentos establecieron que la luz y estas ondas eran ambas una forma de radiación electromagnética que obedecían las ecuaciones de Maxwell.
El transmisor de chispa direccional central de Hertz, una antena dipolo de media onda hecha de dos varillas de latón de 13 cm con espacio de chispa en el centro alimentada por una bobina de Ruhmkorff, en la línea focal de un reflector parabólico de lámina de metal cilíndrica de 1,2 m x 2 m. Irradiaba un haz de ondas de 66 cm con frecuencia de aproximadamente 450 MHz. El receptor a la derecha es una antena dipolo parabólica similar con espacio de chispa de micrómetro. Demostración de Hertz de la polarización de ondas de radio: el receptor no responde cuando las antenas son perpendiculares como se muestra, pero cuando el receptor se rota la señal recibida se vuelve más fuerte como se muestra por la longitud de las chispas hasta que alcanza un máximo cuando los dipolos son paralelos. Otra demostración de polarización: las ondas pasan a través del filtro polarizador al receptor solo cuando los alambres son perpendiculares a los dipolos A, no cuando son paralelos B. Demostración de refracción: las ondas de radio se doblan al pasar a través de un prisma hecho de brea, similarmente a las ondas de luz al pasar a través de un prisma de vidrio. Gráfico de Hertz de ondas estacionarias creadas cuando las ondas de radio se reflejan desde una hoja de metal
Hertz no se dio cuenta de la importancia práctica de sus experimentos con ondas de radio. Afirmó que,
"No es de utilidad alguna[...] esto es solo un experimento que prueba que el Maestro Maxwell estaba en lo correcto—solo tenemos estas misteriosas ondas electromagnéticas que no podemos ver a simple vista. Pero están ahí."
Cuando se le preguntó sobre las aplicaciones de sus descubrimientos, Hertz respondió,
"Nada, supongo."
La prueba de Hertz de la existencia de ondas electromagnéticas transportadas por aire llevó a una explosión de experimentación con esta nueva forma de radiación electromagnética, que fue llamada "ondas Hertzianas" hasta alrededor de 1910 cuando el término "ondas de radio" se volvió actual. Dentro de 10 años investigadores como Oliver Lodge, Ferdinand Braun y Guglielmo Marconi emplearon ondas de radio en los primeros sistemas de comunicación por radio de telegrafía inalámbrica, lo que llevó a la radiodifusión y posteriormente a la televisión. En 1909, Braun y Marconi recibieron el Premio Nobel de física por sus "contribuciones al desarrollo de la telegrafía inalámbrica". Hoy en día la radio es una tecnología esencial en redes de telecomunicación global, y el medio de transmisión que subyace en los dispositivos inalámbricos modernos. "Heinrich Hertz". Recuperado el 3 de febrero de 2020.
Rayos catódicos
En 1892, Hertz comenzó a experimentar y demostró que los rayos catódicos podían penetrar láminas de metal muy delgadas como el aluminio. Philipp Lenard, un estudiante de Heinrich Hertz, investigó más a fondo este "efecto de rayos". Desarrolló una versión del tubo de rayos catódicos y estudió la penetración de rayos X a través de varios materiales. Philipp Lenard, sin embargo, no se dio cuenta de que estaba produciendo rayos X. Hermann von Helmholtz formuló ecuaciones matemáticas para los rayos X. Postuló una teoría de dispersión antes del descubrimiento y anuncio de Röntgen. Fue formada sobre la base de la teoría electromagnética de la luz Wiedmann's Annalen, Vol. XLVIII. Sin embargo, no trabajó con rayos X reales.
Efecto fotoeléctrico
Hertz ayudó a establecer el efecto fotoeléctrico que fue posteriormente explicado por Albert Einstein cuando notó que un objeto cargado pierde su carga más fácilmente cuando es iluminado por radiación ultravioleta UV. En 1887, hizo observaciones del efecto fotoeléctrico y de la producción y recepción de ondas electromagnéticas EM, publicadas en la revista Annalen der Physik. Su receptor consistía en una bobina con un espacio de chispa, por lo que se vería una chispa al detectar ondas EM. Colocó el aparato en una caja oscurecida para ver mejor la chispa. Observó que la longitud máxima de chispa se reducía cuando estaba en la caja. Un panel de vidrio colocado entre la fuente de ondas EM y el receptor absorbía UV que ayudaba a los electrones a saltar a través de la brecha. Cuando se removía, la longitud de la chispa aumentaría. No observó disminución en la longitud de la chispa cuando sustituyó cuarzo por vidrio, ya que el cuarzo no absorbe radiación UV. Hertz concluyó sus meses de investigación e informó los resultados obtenidos. No persiguió más investigación de este efecto, ni hizo intento alguno de explicar cómo el fenómeno observado fue originado.
Mecánica de contacto
En 1886–1889, Hertz publicó dos artículos sobre lo que se convertiría en el campo conocido como mecánica de contacto, que resultó ser una base importante para teorías posteriores en el campo. Joseph Valentin Boussinesq publicó algunas observaciones críticamente importantes sobre el trabajo de Hertz, estableciendo no obstante este trabajo en mecánica de contacto como de enorme importancia. Su trabajo básicamente resume cómo dos objetos axisimétricos colocados en contacto se comportarán bajo carga, obtuvo resultados basados en la teoría clásica de elasticidad y mecánica de continuos. El fallo más significativo de su teoría fue la negligencia de cualquier naturaleza de adhesión entre los dos sólidos, que resulta ser importante cuando los materiales que componen los sólidos comienzan a asumir alta elasticidad. Era natural negligir la adhesión en esa época ya que no había métodos experimentales para probarla.
Para desarrollar su teoría Hertz utilizó su observación de anillos de Newton elípticos formados al colocar una esfera de vidrio sobre una lente como base para asumir que la presión ejercida por la esfera sigue una distribución elíptica. Utilizó la formación de anillos de Newton nuevamente mientras validaba su teoría con experimentos en el cálculo del desplazamiento que la esfera tiene en la lente. K. L. Johnson, K. Kendall y A. D. Roberts JKR utilizaron esta teoría como base al calcular el desplazamiento teórico o profundidad de indentación en presencia de adhesión en 1971. La teoría de Hertz se recupera de su formulación si se asume que la adhesión de los materiales es cero. Similarmente a esta teoría, sin embargo utilizando diferentes supuestos, B. V. Derjaguin, V. M. Muller y Y. P. Toporov publicaron otra teoría en 1975, que llegó a ser conocida como la teoría DMT en la comunidad de investigación, que también recuperó las formulaciones de Hertz bajo el supuesto de adhesión cero. Este DMT el
