За пределами нашего сознания лежит холодный и чужой мир реальных вещей. Между ними протягивается узкая полоса чувств. Никакое общение между этими двумя мирами невозможно, кроме как через узкую полосу. Для надлежащего понимания самих себя и мира крайне важно, чтобы эта пограничная область была тщательно изучена.
Heinrich Rudolf Hertz был немецким физиком, который первым убедительно доказал существование электромагнитных волн, предсказанных уравнениями электромагнетизма James Clerk Maxwell. Единица частоты, цикл в секунду, была названа «герц» в его честь.
Биография
Heinrich Rudolf Hertz родился в 1857 году в Hamburg, тогда независимом государстве Германской конфедерации, в состоятельной и культурной ганзейской семье. Его отцом был Gustav Ferdinand Hertz. Его матерью была Anna Elisabeth Pfefferkorn.
Учась в Gelehrtenschule des Johanneums в Hamburg, Hertz проявил способности как к наукам, так и к языкам, изучая арабский и санскрит. Он изучал естественные науки и инженерию в немецких городах Dresden, Munich и Berlin, где учился у Gustav R. Kirchhoff и Hermann von Helmholtz. В 1880 году Hertz получил докторскую степень в Берлинском университете и в течение следующих трёх лет оставался для постдокторального изучения под руководством Helmholtz, служа его ассистентом. В 1883 году Hertz занял должность лектора по теоретической физике в Университете Kiel. В 1885 году Hertz стал полным профессором в Университете Karlsruhe.
В 1886 году Hertz женился на Elisabeth Doll, дочери Max Doll, лектора по геометрии в Karlsruhe. У них было две дочери: Johanna, родившаяся 20 октября 1887 года, и Mathilde, родившаяся 14 января 1891 года, которая впоследствии стала известным биологом. В это время Hertz проводил своё знаменательное исследование электромагнитных волн.
Hertz занял должность профессора физики и директора Института физики в Bonn 3 апреля 1889 года, должность, которую он занимал до своей смерти. В это время он работал над теоретической механикой, его работа была опубликована в книге Die Prinzipien der Mechanik in neuem Zusammenhange dargestellt The Principles of Mechanics Presented in a New Form, опубликованной посмертно в 1894 году.
Смерть
В 1892 году Hertz был диагностирован инфекцией после приступа сильных мигреней и перенёс операции для лечения этого заболевания. Он умер от осложнений после операции в попытке исправить его состояние, вызывающее эти мигрени, которые некоторые считают злокачественным костным заболеванием. Он умер в возрасте 36 лет в Bonn, Germany в 1894 году и был похоронен на кладбище Ohlsdorf в Hamburg.
Жена Hertz, Elisabeth Hertz née Doll 1864–1941, не вышла замуж повторно. Hertz оставил двух дочерей, Johanna 1887–1967 и Mathilde 1891–1975. Дочери Hertz никогда не выходили замуж, и у него нет потомков.
Научная деятельность
Электромагнитные волны
В 1864 году шотландский математический физик James Clerk Maxwell предложил всеобъемлющую теорию электромагнетизма, теперь называемую уравнениями Maxwell. Теория Maxwell предсказывала, что связанные электрические и магнитные поля могли бы распространяться в пространстве как «электромагнитная волна». Maxwell предположил, что свет состоит из электромагнитных волн короткой длины волны, но никто не смог это доказать или генерировать и обнаруживать электромагнитные волны других длин волн.
Во время учёбы Hertz в 1879 году Helmholtz предложил, чтобы докторская диссертация Hertz была о проверке теории Maxwell. Helmholtz также предложил проблему «Берлинского приза» в том году в Прусской академии наук для тех, кто смог бы экспериментально доказать электромагнитный эффект в поляризации и деполяризации изоляторов, что предсказывалось теорией Maxwell. Helmholtz был уверен, что Hertz был наиболее вероятным кандидатом для выигрыша. Не видя никакого способа построить аппарат для экспериментальной проверки этого, Hertz подумал, что это слишком сложно, и работал над электромагнитной индукцией. Hertz всё же произвёл анализ уравнений Maxwell во время своего времени в Kiel, показав, что они имели большую достоверность, чем тогда преобладающие теории «действия на расстоянии».
После получения должности профессора в Karlsruhe Hertz экспериментировал с парой спиралей Riess в осенью 1886 года, когда он заметил, что разряд банки Leyden в одну из этих катушек создаёт искру в другой катушке. Имея идею о том, как построить аппарат, Hertz теперь имел способ продолжить работу над проблемой «Берлинского приза» 1879 года по доказательству теории Maxwell, хотя сам приз истёк невостребованным в 1882 году. Он использовал искровый разрядник, управляемый катушкой Ruhmkorff, и однометровую пару проводов в качестве радиатора. Ёмкостные сферы были расположены на концах для регулировки резонанса цепи. Его приёмник был петлевой антенной с микрометровым искровым промежутком между элементами. Этот эксперимент произвёл и получил то, что теперь называется радиоволнами в диапазоне очень высоких частот.
Первый радиопередатчик Hertz: резонатор с нагруженной ёмкостью, состоящий из пары однометровых медных проводов с промежутком между ними 7,5 мм, заканчивающихся цинковыми сферами диаметром 30 см. Когда катушка индукции прикладывала высокое напряжение между обеими сторонами, искры через искровой промежуток создавали стоячие волны тока радиочастоты в проводах, которые излучали радиоволны. Частота волн была примерно 50 МГц, примерно такая же, как используется в современных телевизионных передатчиках.
Между 1886 и 1889 годами Hertz провёл серию экспериментов, которые доказали бы, что эффекты, которые он наблюдал, были результатом предсказанных Maxwell электромагнитных волн. Начиная с ноября 1887 года с его статьи «On Electromagnetic Effects Produced by Electrical Disturbances in Insulators», Hertz отправлял серию статей Helmholtz в Берлинскую академию, включая работы 1888 года, которые показали поперечные свободные электромагнитные волны в пространстве, путешествующие с конечной скоростью на расстояние. В аппарате, который использовал Hertz, электрические и магнитные поля излучались от проводов как поперечные волны. Hertz расположил генератор примерно в 12 метрах от цинковой отражающей пластины для получения стоячих волн. Каждая волна была около 4 метров в длину. Используя кольцевой детектор, он записал, как величина волны и направление компонента варьировались. Hertz измерил волны Maxwell и продемонстрировал, что скорость этих волн была равна скорости света. Интенсивность электрического поля, поляризация и отражение волн также были измерены Hertz. Эти эксперименты установили, что свет и эти волны были обе формы электромагнитного излучения, подчиняющиеся уравнениям Maxwell.
Направленный центр искрового передатчика Hertz, полуволновая дипольная антенна, сделанная из двух латунных стержней длиной 13 см с искровым промежутком в центре, вблизи слева питаемая катушкой Ruhmkorff на фокусной линии цилиндрического листового металла параболического отражателя размером 1,2 м x 2 м. Он излучал луч волн длиной 66 см с частотой примерно 450 МГц. Приёмник справа является похожей параболической дипольной антенной с микрометровым искровым промежутком. Демонстрация Hertz поляризации радиоволн: приёмник не реагирует, когда антенны перпендикулярны, как показано, но при повороте приёмника полученный сигнал становится сильнее, как показано длиной искр, пока не достигнет максимума, когда диполи параллельны. Ещё одна демонстрация поляризации: волны проходят через поляризационный фильтр к приёмнику только когда провода перпендикулярны диполям A, а не когда параллельны B. Демонстрация рефракции: радиоволны изгибаются при прохождении через призму, сделанную из смолы, подобно тому, как световые волны изгибаются при прохождении через стеклянную призму. График Hertz стоячих волн, созданных при отражении радиоволн от листового металла
Hertz не осознавал практической важности своих экспериментов с радиоволнами. Он заявил, что
"Это абсолютно бесполезно[...] это просто эксперимент, который доказывает, что maestro Maxwell был прав—у нас просто есть эти загадочные электромагнитные волны, которые мы не можем видеть невооружённым глазом. Но они есть."
На вопрос о применении его открытий Hertz ответил:
"Ничего, думаю."
Доказательство Hertz существования радиоэлектромагнитных волн привело к взрыву экспериментирования с этой новой формой электромагнитного излучения, которое называлось «Hertzian waves» до примерно 1910 года, когда термин «radio waves» стал актуальным. В течение 10 лет исследователи, такие как Oliver Lodge, Ferdinand Braun и Guglielmo Marconi, применили радиоволны в первых системах радиосвязи беспроводной телеграфии, что привело к радиовещанию и позже телевидению. В 1909 году Braun и Marconi получили Нобелевскую премию по физике за их «вклад в развитие беспроводной телеграфии». Сегодня радио является основной технологией в глобальных телекоммуникационных сетях и средой передачи, лежащей в основе современных беспроводных устройств. «Heinrich Hertz». Получено 3 февраля 2020 года.
Катодные лучи
В 1892 году Hertz начал экспериментировать и продемонстрировал, что катодные лучи могут проникать через очень тонкую металлическую фольгу, такую как алюминий. Philipp Lenard, студент Heinrich Hertz, дальше исследовал этот «эффект лучей». Он разработал версию катодной трубки и изучал проникновение рентгеновских лучей различными материалами. Philipp Lenard, однако, не осознавал, что он производит рентгеновские лучи. Hermann von Helmholtz сформулировал математические уравнения для рентгеновских лучей. Он постулировал теорию дисперсии до открытия и объявления Röntgen. Она была сформирована на основе электромагнитной теории света Wiedmann's Annalen, Vol. XLVIII. Однако он не работал с фактическими рентгеновскими лучами.
Фотоэлектрический эффект
Hertz помог установить фотоэлектрический эффект, который позже объяснил Albert Einstein, когда заметил, что заряженный объект теряет свой заряд более охотно, когда освещается ультрафиолетовым излучением UV. В 1887 году он сделал наблюдения фотоэлектрического эффекта и производства и приёма электромагнитных волн EM, опубликованные в журнале Annalen der Physik. Его приёмник состоял из катушки с искровым промежутком, при котором искра была видна при обнаружении волн EM. Он поместил аппарат в затемнённый ящик, чтобы лучше видеть искру. Он заметил, что максимальная длина искры была уменьшена, когда находилась в ящике. Стеклянная панель, размещённая между источником волн EM и приёмником, поглощала UV, которая помогала электронам перепрыгивать через промежуток. При удалении длина искры увеличивалась бы. Он не наблюдал уменьшение длины искры, когда заменил стекло кварцем, так как кварц не поглощает UV излучение. Hertz заключил свои месяцы исследования и сообщил полученные результаты. Он не стал дальше преследовать исследование этого эффекта, и не предпринял никаких попыток объяснить, как наблюдаемое явление было вызвано.
Механика контакта
В 1886–1889 годах Hertz опубликовал две статьи о том, что впоследствии стало известно как область механики контакта, которая оказалась важной основой для последующих теорий в этой области. Joseph Valentin Boussinesq опубликовал некоторые критически важные наблюдения по работе Hertz, тем не менее, устанавливая эту работу по механике контакта как имеющую огромное значение. Его работа в основном суммирует, как два аксиально-симметричных объекта, размещённые в контакте, будут вести себя при нагрузке; он получил результаты, основанные на классической теории упругости и механике сплошной среды. Наиболее значительный отказ его теории был пренебрежение любой природой адгезии между двумя твёрдыми телами, что оказывается важным, когда материалы, составляющие твёрдые тела, начинают принимать высокую упругость. Было естественно пренебречь адгезией в тот век, так как не было экспериментальных методов её тестирования.
Для разработки своей теории Hertz использовал своё наблюдение эллиптических колец Newton, образованных при размещении стеклянной сферы на линзе, в качестве основания для предположения, что давление, оказываемое сферой, следует эллиптическому распределению. Он снова использовал формирование колец Newton при проверке своей теории экспериментами при вычислении смещения, которое сфера имела в линзу. K. L. Johnson, K. Kendall и A. D. Roberts JKR использовали эту теорию в качестве основания при вычислении теоретического смещения или глубины вдавливания в присутствии адгезии в 1971 году. Теория Hertz восстанавливается из их формулировки, если предположить, что адгезия материалов равна нулю. Подобно этой теории, однако, используя различные предположения, B. V. Derjaguin, V. M. Muller и Y. P. Toporov опубликовали другую теорию в 1975 году, которая стала известна как теория DMT в научном сообществе, которая также восстановила формулировки Hertz при предположении нулевой адгезии. Эта теория DMT
