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Heinrich Rudolf Hertz était un physicien allemand qui a d'abord prouvé de manière concluante l'existence des ondes électromagnétiques prédites par les équations de l'électromagnétisme de James Clerk Maxwell. L'unité de fréquence, le cycle par seconde, a été nommée « hertz » en son honneur.
Biographie
Heinrich Rudolf Hertz est né en 1857 à Hamburg, alors un État souverain de la Confédération germanique, dans une famille hanséatique prospère et cultivée. Son père était Gustav Ferdinand Hertz. Sa mère était Anna Elisabeth Pfefferkorn.
Lors de ses études à la Gelehrtenschule des Johanneums à Hamburg, Hertz a montré une aptitude pour les sciences ainsi que pour les langues, apprenant l'arabe et le sanskrit. Il a étudié les sciences et l'ingénierie dans les villes allemandes de Dresden, Munich et Berlin, où il a étudié sous la direction de Gustav R. Kirchhoff et Hermann von Helmholtz. En 1880, Hertz a obtenu son doctorat de l'Université de Berlin, et pendant les trois années suivantes, il est resté pour des études postdoctorales sous la direction de Helmholtz, en tant que son assistant. En 1883, Hertz a pris un poste de chargé de cours en physique théorique à l'Université de Kiel. En 1885, Hertz est devenu professeur titulaire à l'Université de Karlsruhe.
En 1886, Hertz a épousé Elisabeth Doll, la fille de Max Doll, un chargé de cours en géométrie à Karlsruhe. Ils ont eu deux filles : Johanna, née le 20 octobre 1887 et Mathilde, née le 14 janvier 1891, qui devint une biologiste notable. Durant cette période, Hertz a mené ses recherches fondamentales sur les ondes électromagnétiques.
Hertz a pris un poste de professeur de physique et directeur de l'Institut de physique à Bonn le 3 avril 1889, poste qu'il a occupé jusqu'à sa mort. Durant cette période, il a travaillé sur la mécanique théorique avec ses travaux publiés dans le livre Die Prinzipien der Mechanik in neuem Zusammenhange dargestellt The Principles of Mechanics Presented in a New Form, publié à titre posthume en 1894.
Décès
En 1892, Hertz a été diagnostiqué avec une infection après une série de graves migraines et a subi des opérations pour traiter la maladie. Il est mort suite à des complications chirurgicales dans les tentatives de corriger sa condition qui causait ces migraines, que certains considèrent avoir été une affection osseuse maligne. Il est mort à l'âge de 36 ans à Bonn, en Allemagne en 1894, et a été enterré au cimetière Ohlsdorf à Hamburg.
La femme de Hertz, Elisabeth Hertz née Doll 1864–1941, ne s'est pas remariée. Hertz a laissé deux filles, Johanna 1887–1967 et Mathilde 1891–1975. Les filles de Hertz ne se sont jamais mariées et il n'a pas de descendants.
Travaux scientifiques
Ondes électromagnétiques
En 1864, le physicien mathématicien écossais James Clerk Maxwell a proposé une théorie complète de l'électromagnétisme, maintenant appelée les équations de Maxwell. La théorie de Maxwell a prédit que les champs électriques et magnétiques couplés pourraient se déplacer dans l'espace sous forme d'« onde électromagnétique ». Maxwell a proposé que la lumière était composée d'ondes électromagnétiques de courte longueur d'onde, mais personne n'avait pu le prouver ou générer ou détecter des ondes électromagnétiques d'autres longueurs d'onde.
Pendant les études de Hertz en 1879, Helmholtz a suggéré que la dissertation doctorale de Hertz porte sur le test de la théorie de Maxwell. Helmholtz avait également proposé le problème du « Prix de Berlin » cette année-là à l'Académie prussienne des sciences pour quiconque pourrait prouver expérimentalement un effet électromagnétique dans la polarisation et la dépolarisation des isolants, quelque chose prédit par la théorie de Maxwell. Helmholtz était sûr que Hertz était le candidat le plus probable pour le remporter. Ne voyant aucun moyen de construire un appareil pour tester expérimentalement cela, Hertz a pensé que c'était trop difficile et a travaillé plutôt sur l'induction électromagnétique. Hertz a produit une analyse des équations de Maxwell pendant son séjour à Kiel, montrant qu'elles avaient plus de validité que les théories alors prévalentes de « l'action à distance ».
Après que Hertz ait reçu son professorat à Karlsruhe, il expérimentait avec une paire de spirales de Riess à l'automne de 1886 lorsqu'il a remarqué que la décharge d'une bouteille de Leyde dans l'une de ces bobines produirait une étincelle dans l'autre bobine. Avec une idée sur comment construire un appareil, Hertz avait maintenant un moyen de procéder avec le problème du « Prix de Berlin » de 1879 pour prouver la théorie de Maxwell bien que le prix réel ait expiré non collecté en 1882. Il a utilisé une bobine de Ruhmkorff entraînant un éclateur et une paire de fil d'un mètre comme radiateur. Des sphères de capacité étaient présentes aux extrémités pour les ajustements de résonance du circuit. Son récepteur était une antenne en boucle avec un écart de scintillement micromètre entre les éléments. Cette expérience a produit et reçu ce qu'on appelle maintenant des ondes radio dans la gamme de très haute fréquence.
Le premier émetteur radio de Hertz : un résonateur dipolaire chargé en capacité composé d'une paire de fils en cuivre d'un mètre avec un écart d'étincelle de 7,5 mm entre eux, se terminant par des sphères de zinc de 30 cm. Quand une bobine d'induction appliquait une tension élevée entre les deux côtés, les étincelles à travers l'écart d'étincelle créaient des ondes stationnaires du courant de fréquence radio dans les fils, qui rayonnaient des ondes radio. La fréquence des ondes était d'environ 50 MHz, similaire à celle utilisée dans les émetteurs de télévision modernes.
Entre 1886 et 1889, Hertz menerait une série d'expériences qui prouveraient que les effets qu'il observait étaient le résultat des ondes électromagnétiques prédites par Maxwell. Commençant en novembre 1887 avec son article « On Electromagnetic Effects Produced by Electrical Disturbances in Insulators », Hertz enverrait une série d'articles à Helmholtz à l'Académie de Berlin, y compris des articles en 1888 qui montraient des ondes électromagnétiques transversales en espace libre se déplaçant à une vitesse finie sur une distance. Dans l'appareil que Hertz a utilisé, les champs électriques et magnétiques se rayonneraient depuis les fils sous forme d'ondes transversales. Hertz avait positionné l'oscillateur à environ 12 mètres d'une plaque réfléchissante en zinc pour produire des ondes stationnaires. Chaque onde avait environ 4 mètres de long. En utilisant le détecteur en anneau, il a enregistré comment la magnitude de l'onde et la direction des composantes variaient. Hertz a mesuré les ondes de Maxwell et a démontré que la vitesse de ces ondes était égale à la vitesse de la lumière. L'intensité du champ électrique, la polarisation et la réflexion des ondes ont également été mesurées par Hertz. Ces expériences ont établi que la lumière et ces ondes étaient toutes deux une forme de rayonnement électromagnétique obéissant aux équations de Maxwell.
L'émetteur étincelle directionnel au centre de Hertz, une antenne dipolaire demi-onde faite de deux tiges en laiton de 13 cm avec écart d'étincelle au centre gros plan à gauche alimentée par une bobine de Ruhmkorff, sur la ligne focale d'un réflecteur parabolique en tôle cylindrique de 1,2 m x 2 m. Il rayonnait un faisceau d'ondes de 66 cm avec une fréquence d'environ 450 MHz. Le récepteur à droite est une antenne dipolaire parabolique similaire avec écart d'étincelle micromètre. La démonstration de Hertz de la polarisation des ondes radio : le récepteur ne répond pas lorsque les antennes sont perpendiculaires comme indiqué, mais à mesure que le récepteur tourne, le signal reçu devient plus fort comme indiqué par la longueur des étincelles jusqu'à ce qu'il atteigne un maximum lorsque les dipôles sont parallèles. Une autre démonstration de polarisation : les ondes passent à travers un filtre de polarisation vers le récepteur uniquement lorsque les fils sont perpendiculaires aux dipôles A, pas quand parallèles B. Démonstration de réfraction : les ondes radio se plient en passant à travers un prisme fait de poix, de manière similaire aux ondes lumineuses en passant à travers un prisme de verre. Graphique de Hertz des ondes stationnaires créées lorsque les ondes radio sont réfléchies par une feuille de métal
Hertz n'a pas réalisé l'importance pratique de ses expériences d'ondes radio. Il a déclaré que,
"Ce n'est d'aucune utilité whatsoever[...] c'est juste une expérience qui prouve que le Maestro Maxwell avait raison—nous avons juste ces mystérieuses ondes électromagnétiques que nous ne pouvons pas voir à l'œil nu. Mais elles sont là."
Lorsqu'on lui a demandé les applications de ses découvertes, Hertz a répondu,
"Rien, je suppose."
La preuve de Hertz de l'existence des ondes électromagnétiques en suspension a conduit à une explosion d'expérimentation avec cette nouvelle forme de rayonnement électromagnétique, appelée « ondes herziennes » jusqu'à environ 1910 lorsque le terme « ondes radio » est devenu courant. En l'espace de 10 ans, des chercheurs tels que Oliver Lodge, Ferdinand Braun et Guglielmo Marconi ont utilisé les ondes radio dans les premiers systèmes de communication par télégraphie sans fil, conduisant à la radiodiffusion et plus tard à la télévision. En 1909, Braun et Marconi ont reçu le prix Nobel de physique pour leurs « contributions au développement de la télégraphie sans fil ». Aujourd'hui, la radio est une technologie essentielle dans les réseaux de télécommunications mondiaux et le support de transmission sous-jacent aux appareils sans fil modernes."Heinrich Hertz". Récupéré le 3 février 2020.
Rayons cathodiques
En 1892, Hertz a commencé à expérimenter et a démontré que les rayons cathodiques pouvaient pénétrer des feuilles de métal très minces comme l'aluminium. Philipp Lenard, un étudiant de Heinrich Hertz, a poursuivi la recherche sur cet « effet de rayon ». Il a développé une version du tube cathodique et a étudié la pénétration par les rayons X de divers matériaux. Philipp Lenard, cependant, n'a pas réalisé qu'il produisait des rayons X. Hermann von Helmholtz a formulé des équations mathématiques pour les rayons X. Il a postulé une théorie de dispersion avant que Röntgen ne fasse sa découverte et son annonce. Elle a été formée sur la base de la théorie électromagnétique de la lumière Wiedmann's Annalen, Vol. XLVIII. Cependant, il n'a pas travaillé avec des rayons X réels.
Effet photoélectrique
Hertz a aidé à établir l'effet photoélectrique qui a été expliqué plus tard par Albert Einstein lorsqu'il a remarqué qu'un objet chargé perd sa charge plus facilement lorsqu'il est illuminé par le rayonnement ultraviolet UV. En 1887, il a fait des observations de l'effet photoélectrique et de la production et réception des ondes EM électromagnétiques, publiées dans la revue Annalen der Physik. Son récepteur était composé d'une bobine avec un écart d'étincelle, par lequel une étincelle serait vue lors de la détection des ondes EM. Il a placé l'appareil dans une boîte assombrie pour mieux voir l'étincelle. Il a observé que la longueur maximale de l'étincelle a été réduite dans la boîte. Un panneau de verre placé entre la source d'ondes EM et le récepteur a absorbé le UV qui a aidé les électrons à sauter à travers l'écart. Lorsqu'il a été retiré, la longueur de l'étincelle aurait augmenté. Il n'a observé aucune diminution de la longueur de l'étincelle quand il a remplacé le verre par du quartz, car le quartz n'absorbe pas le rayonnement UV. Hertz a conclu ses mois d'enquête et a rapporté les résultats obtenus. Il n'a pas poursuivi l'enquête sur cet effet, ni n'a fait aucune tentative pour expliquer comment le phénomène observé a été produit.
Mécanique des contacts
En 1886–1889, Hertz a publié deux articles sur ce qui allait devenir le domaine de la mécanique des contacts, ce qui s'avérait être une base importante pour les théories ultérieures dans le domaine. Joseph Valentin Boussinesq a publié quelques observations critiquement importantes sur les travaux de Hertz, établissant néanmoins ce travail sur la mécanique des contacts comme étant d'une importance immense. Son travail résume essentiellement comment deux objets axisymétriques placés en contact se comporteront sous charge, il a obtenu des résultats basés sur la théorie classique de l'élasticité et la mécanique continue. L'échec le plus important de sa théorie était la négligence de toute nature d'adhésion entre les deux solides, ce qui s'avère important à mesure que les matériaux composant les solides commencent à assumer une haute élasticité. Il était naturel de négliger l'adhésion à cette époque car il n'y avait pas de méthodes expérimentales pour la tester.
Pour développer sa théorie, Hertz a utilisé son observation des anneaux de Newton elliptiques formés en plaçant une sphère de verre sur une lentille comme base pour supposer que la pression exercée par la sphère suit une distribution elliptique. Il a utilisé la formation des anneaux de Newton à nouveau tout en validant sa théorie avec des expériences dans le calcul du déplacement que la sphère a pénétré dans la lentille. K. L. Johnson, K. Kendall et A. D. Roberts JKR ont utilisé cette théorie comme base pour calculer le déplacement théorique ou la profondeur d'indentation en présence d'adhésion en 1971. La théorie de Hertz est retrouvée à partir de leur formulation si l'adhésion des matériaux est supposée être zéro. Similaire à cette théorie, cependant en utilisant des hypothèses différentes, B. V. Derjaguin, V. M. Muller et Y. P. Toporov ont publié une autre théorie en 1975, qui en est venue à être connue sous le nom de théorie DMT dans la communauté de recherche, qui a également retrouvé les formulations de Hertz sous l'hypothèse d'adhésion zéro. Ce DMT le
