Fora de nossa consciência existe o mundo frio e estrangeiro das coisas reais. Entre os dois se estende a estreita faixa fronteiriça dos sentidos. Nenhuma comunicação entre os dois mundos é possível exceto através da estreita faixa. Para uma compreensão adequada de nós mesmos e do mundo, é de suma importância que esta faixa fronteiriça seja completamente explorada.
Heinrich Rudolf Hertz foi um físico alemão que primeiro provou conclusivamente a existência das ondas eletromagnéticas previstas pelas equações do eletromagnetismo de James Clerk Maxwell. A unidade de frequência, ciclo por segundo, foi nomeada "hertz" em sua homenagem.
Biografia
Heinrich Rudolf Hertz nasceu em 1857 em Hamburg, então um estado soberano da Confederação Germânica, em uma família hanseática próspera e culta. Seu pai era Gustav Ferdinand Hertz. Sua mãe era Anna Elisabeth Pfefferkorn.
Enquanto estudava na Gelehrtenschule des Johanneums em Hamburg, Hertz demonstrou aptidão para ciências e idiomas, aprendendo árabe e sânscrito. Ele estudou ciências e engenharia nas cidades alemãs de Dresden, Munich e Berlin, onde estudou sob Gustav R. Kirchhoff e Hermann von Helmholtz. Em 1880, Hertz obteve seu PhD pela Universidade de Berlin, e pelos três anos seguintes permaneceu para estudos pós-doutorais sob Helmholtz, servindo como seu assistente. Em 1883, Hertz assumiu um cargo como professor de física teórica na Universidade de Kiel. Em 1885, Hertz tornou-se professor titular na Universidade de Karlsruhe.
Em 1886, Hertz casou-se com Elisabeth Doll, filha de Max Doll, professor de geometria em Karlsruhe. Eles tiveram duas filhas: Johanna, nascida em 20 de outubro de 1887 e Mathilde, nascida em 14 de janeiro de 1891, que se tornou uma bióloga notável. Durante este período, Hertz conduziu sua pesquisa inovadora em ondas eletromagnéticas.
Hertz assumiu o cargo de Professor de Física e Diretor do Instituto de Física em Bonn em 3 de abril de 1889, cargo que ocupou até sua morte. Durante este período trabalhou em mecânica teórica com seu trabalho publicado no livro Die Prinzipien der Mechanik in neuem Zusammenhange dargestellt The Principles of Mechanics Presented in a New Form, publicado postumamente em 1894.
Morte
Em 1892, Hertz foi diagnosticado com uma infecção após uma série de enxaquecas graves e passou por operações para tratar a doença. Ele morreu após complicações cirúrgicas em tentativas de corrigir sua condição que estava causando essas enxaquecas, o que alguns consideram ter sido uma doença óssea maligna. Ele morreu aos 36 anos em Bonn, Alemanha em 1894, e foi enterrado no Cemitério de Ohlsdorf em Hamburg.
A esposa de Hertz, Elisabeth Hertz, née Doll, 1864–1941, não se casou novamente. Hertz deixou duas filhas, Johanna 1887–1967 e Mathilde 1891–1975. As filhas de Hertz nunca se casaram e ele não deixou descendentes.
Trabalho científico
Ondas eletromagnéticas
Em 1864, o físico-matemático escocês James Clerk Maxwell propôs uma teoria abrangente do eletromagnetismo, agora chamada de equações de Maxwell. A teoria de Maxwell previa que campos elétricos e magnéticos acoplados poderiam viajar através do espaço como uma "onda eletromagnética". Maxwell propôs que a luz consistia em ondas eletromagnéticas de comprimento de onda curto, mas ninguém havia sido capaz de provar isso, ou gerar ou detectar ondas eletromagnéticas de outros comprimentos de onda.
Durante os estudos de Hertz em 1879, Helmholtz sugeriu que a tese de doutorado de Hertz fosse sobre teste da teoria de Maxwell. Helmholtz também havia proposto o problema do "Prêmio de Berlin" naquele ano na Academia Prussiana de Ciências para qualquer um que pudesse provar experimentalmente um efeito eletromagnético na polarização e despolarização de isoladores, algo previsto pela teoria de Maxwell. Helmholtz tinha certeza de que Hertz era o candidato mais provável para vencê-lo. Não vendo nenhuma maneira de construir um aparelho para testar isso experimentalmente, Hertz achou que era muito difícil e trabalhou em indução eletromagnética em vez disso. Hertz produziu uma análise das equações de Maxwell durante seu tempo em Kiel, mostrando que elas tinham mais validade do que as então prevalentes teorias de "ação à distância".
Depois que Hertz recebeu seu professorado em Karlsruhe, ele estava experimentando com um par de espirais de Riess no outono de 1886, quando notou que descarregar um frasco de Leyden em uma dessas bobinas produziria uma faísca na outra bobina. Com uma ideia de como construir um aparelho, Hertz agora tinha uma maneira de prosseguir com o problema do "Prêmio de Berlin" de 1879 sobre provar a teoria de Maxwell, embora o prêmio real tivesse expirado não coletado em 1882. Ele usou uma lacuna de faísca acionada por bobina de Ruhmkorff e um par de fios de um metro como radiador. Esferas de capacitância estavam presentes nas extremidades para ajustes de ressonância de circuito. Seu receptor era uma antena de loop com uma lacuna de faísca micrométrica entre os elementos. Este experimento produziu e recebeu o que agora são chamadas ondas de rádio na faixa de frequência muito alta.
Primeiro transmissor de rádio de Hertz: um ressonador dipolo carregado de capacitância consistindo de um par de fios de cobre de um metro com uma lacuna de faísca de 7,5 mm entre eles, terminando em esferas de zinco de 30 cm. Quando uma bobina de indução aplicava uma alta tensão entre os dois lados, as faíscas através da lacuna de faísca criavam ondas estacionárias da corrente de frequência de rádio nos fios, que irradiavam ondas de rádio. A frequência das ondas era aproximadamente 50 MHz, aproximadamente a utilizada em transmissores de televisão modernos.
Entre 1886 e 1889, Hertz realizaria uma série de experimentos que provaria que os efeitos que ele estava observando eram resultados das ondas eletromagnéticas previstas por Maxwell. Começando em novembro de 1887 com seu artigo "On Electromagnetic Effects Produced by Electrical Disturbances in Insulators", Hertz enviaria uma série de artigos a Helmholtz na Academia de Berlin, incluindo artigos em 1888 que mostravam ondas eletromagnéticas livres de transversais viajando a uma velocidade finita em uma distância. No aparelho que Hertz usou, os campos elétrico e magnético irradiariam dos fios como ondas transversais. Hertz havia posicionado o oscilador cerca de 12 metros de uma placa refletora de zinco para produzir ondas estacionárias. Cada onda tinha aproximadamente 4 metros de comprimento. Usando o detector de anel, ele registrou como a magnitude da onda e a direção do componente variavam. Hertz mediu as ondas de Maxwell e demonstrou que a velocidade dessas ondas era igual à velocidade da luz. A intensidade do campo elétrico, polarização e reflexão das ondas também foram medidas por Hertz. Esses experimentos estabeleceram que a luz e essas ondas eram ambas uma forma de radiação eletromagnética obedecendo às equações de Maxwell.
Centro transmissor de faísca direcional de Hertz, uma antena dipolo de meia onda feita de duas hastes de latão de 13 cm com lacuna de faísca no centro, fechada à esquerda alimentada por uma bobina de Ruhmkorff, na linha focal de um refletor parabólico de folha de metal cilíndrica de 1,2 m x 2 m. Irradiava um feixe de ondas de 66 cm com frequência de aproximadamente 450 MHz. Receptor à direita é antena dipolo parabólica similar com lacuna de faísca micrométrica. Demonstração de Hertz de polarização de ondas de rádio: o receptor não responde quando as antenas estão perpendiculares conforme mostrado, mas conforme o receptor é girado o sinal recebido fica mais forte conforme mostrado pelo comprimento das faíscas até atingir um máximo quando os dipolos estão paralelos. Outra demonstração de polarização: as ondas passam pelo filtro de polarização para o receptor apenas quando os fios estão perpendiculares aos dipolos A, não quando paralelos B. Demonstração de refração: as ondas de rádio se curvam ao passar por um prisma feito de breu, similarmente às ondas de luz ao passar por um prisma de vidro. Gráfico de Hertz de ondas estacionárias criadas quando ondas de rádio são refletidas de uma folha de metal
Hertz não percebeu a importância prática de seus experimentos com ondas de rádio. Ele afirmou que,
"Não é de nenhuma utilidade[...] este é apenas um experimento que prova que o Maestro Maxwell estava certo—nós apenas temos essas misteriosas ondas eletromagnéticas que não podemos ver a olho nu. Mas elas estão lá."
Quando questionado sobre as aplicações de suas descobertas, Hertz respondeu,
"Nada, acho que não."
A prova de Hertz da existência de ondas eletromagnéticas aéreas levou a uma explosão de experimentação com esta nova forma de radiação eletromagnética, que foi chamada de "ondas Hertz" até cerca de 1910, quando o termo "ondas de rádio" se tornou corrente. Em 10 anos, pesquisadores como Oliver Lodge, Ferdinand Braun e Guglielmo Marconi empregaram ondas de rádio nos primeiros sistemas de comunicação por telegrafia sem fio, levando à radiodifusão e, posteriormente, à televisão. Em 1909, Braun e Marconi receberam o Prêmio Nobel de Física por suas "contribuições para o desenvolvimento da telegrafia sem fio". Hoje, o rádio é uma tecnologia essencial nas redes globais de telecomunicações, e o meio de transmissão subjacente aos dispositivos sem fio modernos."Heinrich Hertz". Retrieved 3 February 2020.
Raios catódicos
Em 1892, Hertz começou a experimentar e demonstrou que os raios catódicos poderiam penetrar folha de metal muito fina, como alumínio. Philipp Lenard, um aluno de Heinrich Hertz, pesquisou ainda mais esse "efeito de raio". Ele desenvolveu uma versão do tubo catódico e estudou a penetração de raios X em vários materiais. Philipp Lenard, porém, não percebeu que estava produzindo raios X. Hermann von Helmholtz formulou equações matemáticas para raios X. Ele postulou uma teoria de dispersão antes que Röntgen fizesse sua descoberta e anúncio. Foi formada com base na teoria eletromagnética da luz Wiedmann's Annalen, Vol. XLVIII. No entanto, ele não trabalhou com raios X reais.
Efeito fotoelétrico
Hertz ajudou a estabelecer o efeito fotoelétrico, que foi posteriormente explicado por Albert Einstein quando notou que um objeto carregado perde sua carga mais prontamente quando iluminado por radiação ultravioleta UV. Em 1887, ele fez observações do efeito fotoelétrico e da produção e recepção de ondas EM eletromagnéticas, publicadas na revista Annalen der Physik. Seu receptor consistia em uma bobina com uma lacuna de faísca, pela qual uma faísca seria vista após a detecção de ondas EM. Ele colocou o aparelho em uma caixa escura para ver a faísca melhor. Ele observou que o comprimento máximo da faísca foi reduzido quando na caixa. Um painel de vidro colocado entre a fonte de ondas EM e o receptor absorvia UV que ajudava os elétrons a saltar sobre a lacuna. Quando removido, o comprimento da faísca aumentaria. Ele observou nenhuma diminuição no comprimento da faísca quando substituiu quartzo por vidro, pois o quartzo não absorve radiação UV. Hertz concluiu seus meses de investigação e relatou os resultados obtidos. Ele não continuou a investigar este efeito, nem fez qualquer tentativa de explicar como o fenômeno observado foi causado.
Mecânica de contato
Em 1886–1889, Hertz publicou dois artigos sobre o que viria a ser conhecido como o campo de mecânica de contato, que se mostrou uma base importante para teorias posteriores no campo. Joseph Valentin Boussinesq publicou algumas observações criticamente importantes sobre o trabalho de Hertz, estabelecendo este trabalho em mecânica de contato como sendo de imensa importância. Seu trabalho basicamente resume como dois objetos axissimétricos colocados em contato se comportarão sob carga; ele obteve resultados baseados na teoria clássica da elasticidade e mecânica do contínuo. A falha mais significativa de sua teoria foi a negligência de qualquer natureza de adesão entre os dois sólidos, que se prova importante conforme os materiais que compõem os sólidos começam a assumir alta elasticidade. Foi natural negligenciar a adesão naquela época, pois não havia métodos experimentais de testá-la.
Para desenvolver sua teoria, Hertz usou sua observação de anéis de Newton elípticos formados ao colocar uma esfera de vidro sobre uma lente como base para assumir que a pressão exercida pela esfera segue uma distribuição elíptica. Ele usou a formação dos anéis de Newton novamente ao validar sua teoria com experimentos no cálculo do deslocamento que a esfera tem na lente. K. L. Johnson, K. Kendall e A. D. Roberts JKR usaram essa teoria como base ao calcular o deslocamento teórico ou profundidade de indentação na presença de adesão em 1971. A teoria de Hertz é recuperada de sua formulação se a adesão dos materiais é assumida como zero. Similar a esta teoria, mas usando diferentes suposições, B. V. Derjaguin, V. M. Muller e Y. P. Toporov publicaram outra teoria em 1975, que veio a ser conhecida como a teoria DMT na comunidade de pesquisa, que também recuperou as formulações de Hertz sob a suposição de adesão zero. Esta DMT a
