在我们的意识之外,存在着冷漠而陌生的实际事物世界。两者之间是感官的狭窄边界地带。除了通过这狭窄的地带,两个世界之间不可能有任何沟通。为了正确理解我们自己和世界,彻底探索这个边界地带是至关重要的。
Heinrich Rudolf Hertz是一位德国物理学家,他首次决定性地证明了James Clerk Maxwell电磁学方程所预测的电磁波的存在。频率单位"赫兹"(每秒周期数)是为了纪念他而命名的。
传记
Heinrich Rudolf Hertz于1857年出生在汉堡,当时汉堡是德意志邦联的一个主权国家,出身于一个繁荣富裕的汉萨文化家庭。他的父亲是Gustav Ferdinand Hertz。他的母亲是Anna Elisabeth Pfefferkorn。
在汉堡的Gelehrtenschule des Johanneums学习期间,Hertz在科学和语言方面表现出天赋,学过阿拉伯语和梵语。他在德国的Dresden、Munich和Berlin等城市学习科学和工程,其中在Berlin师从Gustav R. Kirchhoff和Hermann von Helmholtz。1880年,Hertz从柏林大学获得博士学位,之后三年他继续在Helmholtz的指导下进行博士后研究,担任他的助手。1883年,Hertz在Kiel大学担任理论物理讲师。1885年,Hertz成为Karlsruhe大学的正教授。
1886年,Hertz与Elisabeth Doll结婚,她是Karlsruhe几何学讲师Max Doll的女儿。他们有两个女儿:Johanna,1887年10月20日出生;Mathilde,1891年1月14日出生,后来成为一位杰出的生物学家。在这一时期,Hertz进行了他在电磁波方面的开创性研究。
Hertz于1889年4月3日担任Bonn大学物理学教授和物理研究所主任,直到去世时仍担任此职。在这段时间,他从事理论力学的研究,其著作《Die Prinzipien der Mechanik in neuem Zusammenhange dargestellt》(《以新形式呈现的力学原理》)于1894年去世后出版。
去世
1892年,Hertz在经历了一次严重的偏头痛发作后被诊断出感染,并进行了手术治疗。他在手术并发症中去世,医生试图治疗导致这些偏头痛的病症,一些人认为这是一种恶性骨病。1894年,他在德国Bonn去世,享年36岁,被埋葬在Hamburg的Ohlsdorf公墓。
Hertz的妻子Elisabeth Hertz(娘家姓Doll)1864-1941年,没有再婚。Hertz留下两个女儿,Johanna 1887-1967和Mathilde 1891-1975。Hertz的女儿都没有结婚,他没有后裔。
科学工作
电磁波
1864年,苏格兰数学物理学家James Clerk Maxwell提出了电磁学的综合理论,现在称为Maxwell方程。Maxwell的理论预测,耦合的电场和磁场可以作为"电磁波"在空间中传播。Maxwell提议光由短波长的电磁波组成,但没有人能够证明这一点,或者产生和检测其他波长的电磁波。
在Hertz 1879年的研究期间,Helmholtz建议Hertz的博士论文应该是测试Maxwell理论。那一年,Helmholtz还在普鲁士科学院提出了"柏林奖"问题,奖励任何能够通过实验证明绝缘体极化和去极化中的电磁效应的人,这是Maxwell理论所预测的。Helmholtz确信Hertz最有可能赢得它。由于看不到构建实验仪器来测试这一点的任何方法,Hertz认为这太困难了,转而从事电磁感应研究。Hertz在Kiel期间对Maxwell方程进行了分析,表明它们比当时流行的"作用距离"理论更有效。

在Hertz获得Karlsruhe的教授职位后,他在1886年秋天用一对Riess螺旋进行实验时,注意到向其中一个线圈放电莱顿瓶会在另一个线圈中产生火花。有了如何构建装置的想法,Hertz现在有了一种方法来解决1879年的"柏林奖"问题来证明Maxwell理论,尽管实际奖项已在1882年过期而未被领取。他使用了Ruhmkorff线圈驱动的火花间隙和一米长的线对作为辐射器。在电路的两端有电容球用于谐振调整。他的接收器是一个环形天线,在其元件之间有一个精密测微火花间隙。该实验产生并接收了现在被称为甚高频范围内的无线电波。
Hertz的第一个无线电发射机:一个电容负载的偶极谐振器,由一对一米长的铜线组成,它们之间有7.5毫米的火花间隙,两端是30厘米的锌球。当感应线圈在两侧之间施加高电压时,跨越火花间隙的火花在导线中产生无线电频率电流的驻波,这辐射无线电波。波的频率大约为50 MHz,与现代电视发射机使用的频率大致相同。

1886年至1889年间,Hertz进行了一系列实验,证明他观察到的效应是Maxwell预测的电磁波的结果。从1887年11月他发表的论文《绝缘体中电气扰动产生的电磁效应》开始,Hertz会向Helmholtz在柏林科学院发送一系列论文,包括1888年的论文,这些论文显示了横向自由空间电磁波以有限速度在距离上传播。在Hertz使用的装置中,电场和磁场会以横波的形式从导线辐射出去。Hertz将振荡器放在距离锌反射板约12米处以产生驻波。每个波长约4米。使用环形检测器,他记录了波的幅度和分量方向如何变化。Hertz测量了Maxwell的波,并证明了这些波的速度等于光速。波的电场强度、极化和反射也被Hertz测量了。这些实验证实了光和这些波都是遵守Maxwell方程的电磁辐射形式。

Hertz的定向火花发射机中心,一个半波偶极天线,由两个13厘米长的黄铜棒组成,中心有火花间隙,由Ruhmkorff线圈供电,位于1.2米x 2米圆柱形金属抛物面反射器的焦线上。它辐射66厘米波的光束,频率约为450 MHz。右边的接收器是类似的抛物面偶极天线,配有测微火花间隙。Hertz的无线电波极化演示:当天线垂直时,如图所示接收器没有响应,但随着接收器旋转,接收信号随着火花长度的增加而变强,直到偶极子平行时达到最大值。另一个极化演示:波通过极化滤波器到达接收器,只有当导线垂直于偶极子A时才会通过,而不是当平行B时。折射演示:无线电波在通过由沥青制成的棱镜时弯曲,类似于光波通过玻璃棱镜时的弯曲。Hertz的无线电波从金属板反射时所产生驻波的绘图
Hertz没有意识到他的无线电波实验的实际意义。他说过,
"这完全没有用处[...]这只是一个证明Maestro Maxwell是对的的实验——我们只是有这些我们用肉眼看不见的神秘电磁波。但它们是存在的。"
当被问及他的发现的应用时,Hertz回答说,
"什么都没有,我想。"
Hertz证明了空中电磁波存在的事实引发了对这种新形式电磁辐射的实验爆炸,这种电磁辐射被称为"Hertzian波"直到大约1910年"无线电波"这个术语开始流行。在10年内,Oliver Lodge、Ferdinand Braun和Guglielmo Marconi等研究人员在第一个无线电报无线电通信系统中采用了无线电波,导致了广播电视的出现。1909年,Braun和Marconi因他们对"无线电报发展的贡献"获得了诺贝尔物理学奖。今天,无线电是全球电信网络中的一项必不可少的技术,是现代无线设备的传输介质。"Heinrich Hertz"。检索日期:2020年2月3日。
阴极射线
1892年,Hertz开始进行实验并证明阴极射线可以穿透非常薄的金属箔,如铝。Heinrich Hertz的学生Philipp Lenard进一步研究了这种"射线效应"。他开发了一种阴极管版本,并研究了X射线对各种材料的穿透。不过,Philipp Lenard没有意识到他在产生X射线。Hermann von Helmholtz为X射线制定了数学方程。他在Röntgen发现和宣布之前就提出了色散理论。这是基于光的电磁理论而形成的Wiedmann's Annalen,第XLVIII卷。但他没有与实际的X射线一起工作。
光电效应
Hertz帮助建立了光电效应,后来被Albert Einstein解释,他发现带电物体在被紫外线辐射照射时更容易失去电荷。1887年,他对光电效应以及电磁波的产生和接收进行了观察,发表在《物理学年鉴》杂志上。他的接收器由一个带火花间隙的线圈组成,当检测到电磁波时会产生火花。他将该装置放在一个黑暗的盒子里,以便更好地看到火花。他观察到当在盒子内时,最大火花长度减少了。在电磁波源和接收器之间放置一个玻璃板吸收了帮助电子跨越间隙的紫外线。当移除时,火花长度会增加。当他用石英代替玻璃时,他观察到火花长度没有下降,因为石英不吸收紫外线辐射。Hertz总结了数月的调查并报告了所获得的结果。他没有进一步追求对该效应的调查,也没有试图解释所观察到的现象是如何产生的。
接触力学
在1886-1889年间,Hertz发表了两篇关于后来被称为接触力学领域的文章,这被证明是该领域后来理论的重要基础。Joseph Valentin Boussinesq发表了一些对Hertz工作的重要评论,尽管如此,仍然确立了这项接触力学工作具有巨大重要性。他的工作基本上总结了两个轴对称物体放在接触时在负载下的表现方式,他根据经典弹性理论和连续介质力学获得了结果。他理论最显著的失败是忽视了两个固体之间任何性质的粘着力,当组成固体的材料开始呈现高弹性时,这证明是重要的。在那个时代忽视粘着力是很自然的,因为没有测试粘着力的实验方法。

为了发展他的理论,Hertz使用了他对在玻璃球放在透镜上时形成的椭圆形牛顿环的观察作为假设球所施加的压力遵循椭圆形分布的基础。他再次使用牛顿环的形成来验证他的理论,实验中计算了球进入透镜的位移。K. L. Johnson、K. Kendall和A. D. Roberts JKR在1971年使用这个理论作为计算存在粘着力时的理论位移或压痕深度的基础。如果假设材料的粘着力为零,Hertz的理论可以从他们的公式中恢复。与这个理论相似,但使用不同的假设,B. V. Derjaguin、V. M. Muller和Y. P. Toporov在1975年发表了另一个理论,在研究社区中被称为DMT理论,它也在粘着力为零的假设下恢复了Hertz的公式。这个DMT理论



