Генрих Герц - Heinrich Hertz

Генрих Герц
Генрих Рудольф Герц
Родился
Генрих Рудольф Герц

( 1857-02-22 )22 февраля 1857 г.
Умер 1 января 1894 г. (1894-01-01)(36 лет)
Альма-матер Мюнхенский
университет Берлинский университет
Известен Контактная механика
Электромагнитное излучение
Эмаграмма
Параболическая антенна
Фотоэлектрический эффект
Конус
Герца Дипольная антенна
Герца Вектор
Герца Уравнение Герца -Кнудсена
Принцип наименьшей кривизны Герца
Награды Медаль Маттеуччи (1888 г.)
Медаль Румфорда (1890 г.)
Научная карьера
Поля Электромагнетизм
Электротехника
Контактная механика
Учреждения Кильский
университет Университет Карлсруэ
Боннский университет
Докторант Герман фон Гельмгольц
Докторанты Вильгельм Бьеркнес
Подпись
Автограф Генриха Герца.png

Генрих Рудольф Герц ( / ч ɜːr т s / БОЛИТ , немецкий: [haɪnʁɪç hɛʁts] ; 22 февраля 1857 - 1 января 1894) был немецкий физик , который первым убедительно доказал существование электромагнитных волн , предсказанных Джеймсом Максвеллом «s уравнений электромагнетизм . Единица измерения частоты, цикл в секунду , была названа в его честь « герц ».

биография

Генрих Рудольф Герц родился в 1857 году в Гамбурге , тогдашнем суверенном государстве Германской Конфедерации , в процветающей и культурной ганзейской семье. Его отцом был Густав Фердинанд Герц . Его матерью была Анна Элизабет Пфефферкорн.

Во время учебы в Gelehrtenschule des Johanneums в Гамбурге Герц проявил способности не только к языкам, но и к естественным наукам, изучая арабский и санскрит . Он изучал науку и технику в немецких городах Дрезден , Мюнхен и Берлин , где учился у Густава Р. Кирхгофа и Германа фон Гельмгольца . В 1880 году Герц получил докторскую степень в Берлинском университете и в течение следующих трех лет учился в докторантуре у Гельмгольца, работая его ассистентом. В 1883 году Герц стал преподавателем теоретической физики в Кильском университете . В 1885 году Герц стал профессором Университета Карлсруэ .

В 1886 году Герц женился на Элизабет Долл, дочери Макса Долля, преподавателя геометрии в Карлсруэ. У них было две дочери: Джоанна, родившаяся 20 октября 1887 года, и Матильда , родившаяся 14 января 1891 года, которая впоследствии стала известным биологом. В это время Герц провел свое знаменательное исследование электромагнитных волн.

Герц занял должность профессора физики и директора Физического института в Бонне 3 апреля 1889 г. и занимал эту должность до самой смерти. В это время он работал над теоретической механикой, опубликовав свою работу в книге Die Prinzipien der Mechanik in neuem Zusammenhange dargestellt ( Принципы механики, представленные в новой форме ), опубликованной посмертно в 1894 году.

Смерть

В 1892 году у Герца была диагностирована инфекция (после приступа сильной мигрени ), и он перенес операцию по лечению болезни. Он умер после хирургических осложнений, пытаясь исправить свое состояние, которое вызывало эти мигрени, которые некоторые считают злокачественным заболеванием костей. Он умер в возрасте 36 лет в Бонне , Германия, в 1894 году и был похоронен на кладбище Ольсдорф в Гамбурге.

Жена Герца, Элизабет Герц ( урожденная Долл; 1864–1941), больше не вышла замуж. Герц оставил двух дочерей, Йоханну (1887–1967) и Матильду (1891–1975). Дочери Герца никогда не выходили замуж, и у него нет потомков.

Научная работа

Электромагнитные волны

Устройство Герца 1887 года для генерации и обнаружения радиоволн: передатчик с искровым разрядником (слева), состоящий из дипольной антенны с искровым промежутком (S), питаемый импульсами высокого напряжения от катушки Румкорфа (T) , и приемник (справа), состоящий из рамочной антенны и разрядника.
Один из радиоприемников Герца: рамочная антенна с регулируемым искровым микрометром (внизу) .

В 1864 году шотландский физик-математик Джеймс Клерк Максвелл предложил всеобъемлющую теорию электромагнетизма, которая теперь называется уравнениями Максвелла . Теория Максвелла предсказывала, что связанные электрические и магнитные поля могут перемещаться в пространстве как « электромагнитная волна ». Максвелл предположил, что свет состоит из электромагнитных волн с короткой длиной волны, но никто не смог доказать это, или генерировать или обнаруживать электромагнитные волны других длин волн.

Во время исследований Герца в 1879 году Гельмгольц предложил, чтобы докторская диссертация Герца была посвящена проверке теории Максвелла. В том же году Гельмгольц предложил проблему «Берлинской премии» в Прусской академии наук для всех, кто может экспериментально доказать электромагнитный эффект в поляризации и деполяризации диэлектриков , что предсказывает теория Максвелла. Гельмгольц был уверен, что Герц был наиболее вероятным кандидатом на его победу. Не видя возможности создать прибор для экспериментальной проверки этого, Герц решил, что это слишком сложно, и вместо этого занялся электромагнитной индукцией . Герц действительно провел анализ уравнений Максвелла во время его пребывания в Киле, показав, что они действительно имеют большую ценность, чем преобладающие в то время теории « действия на расстоянии ».

После того, как Герц получил звание профессора в Карлсруэ, осенью 1886 года он экспериментировал с парой спиралей Рисса, когда заметил, что разряд лейденской банки в одну из этих катушек вызывает искру в другой катушке. Имея представление о том, как построить прибор, Герц теперь имел возможность приступить к решению проблемы «Берлинской премии» 1879 года по доказательству теории Максвелла (хотя фактическая премия истекла и не была получена в 1882 году). В качестве излучателя он использовал дипольную антенну, состоящую из двух коллинеарных метровых проводов с искровым разрядником между их внутренними концами, и цинковых сфер, прикрепленных к внешним концам для измерения емкости . Антенна возбуждалась импульсами высокого напряжения около 30 киловольт, приложенных между двумя сторонами от катушки Румкорфа . Он принимал волны с помощью резонансной одноконтурной антенны с микрометровым разрядником между концами. В ходе этого эксперимента были получены и получены так называемые радиоволны в очень высокочастотном диапазоне.

Первый радиопередатчик Герца: дипольный резонатор с емкостной нагрузкой, состоящий из пары медных проводов длиной один метр с искровым промежутком 7,5 мм между ними, оканчивающихся цинковыми сферами диаметром 30 см. Когда индукционная катушка прикладывала высокое напряжение между двумя сторонами, искры в искровом промежутке создавали стоячие волны радиочастотного тока в проводах, которые излучали радиоволны . Частота волн составляла примерно 50 МГц, о том , что используется в современных телевизионных передатчиков.

Между 1886 и 1889 годами Герц провел серию экспериментов, которые доказали, что наблюдаемые им эффекты были результатом предсказанных Максвеллом электромагнитных волн. Начиная с ноября 1887 года со своей статьи «Об электромагнитных эффектах, вызываемых электрическими возмущениями в изоляторах», Герц отправил серию статей Гельмгольцу в Берлинскую академию, включая статьи 1888 года, в которых были показаны поперечные электромагнитные волны в свободном пространстве, распространяющиеся с конечной скоростью по расстояние. В аппарате Герца электрические и магнитные поля излучались от проводов в виде поперечных волн . Hertz разместил генератор примерно в 12 метрах от цинковой отражающей пластины, чтобы генерировать стоячие волны . Каждая волна была около 4 метров в длину. С помощью кольцевого детектора он записал, как менялись величина волны и направление составляющих. Герц измерил волны Максвелла и продемонстрировал, что скорость этих волн равна скорости света. Напряженность электрического поля , поляризация и отражение волн также измерялись Герцем. Эти эксперименты установили, что свет и эти волны были формой электромагнитного излучения, подчиняющегося уравнениям Максвелла. Возможно, Герц не был первым, кто столкнулся с феноменом радиоволн - Дэвид Эдвард Хьюз, возможно, обнаружил их существование девятью годами ранее, но не опубликовал свои выводы.

Направленный искровой передатчик Герца (в центре) , полуволновая дипольная антенна, сделанная из двух 13-сантиметровых латунных стержней с искровым разрядником в центре (крупным планом слева), питаемая от катушки Румкорфа , на фокальной линии цилиндрического параболического отражателя из листового металла размером 1,2 м x 2 м. . Он излучал пучок 66-сантиметровых волн с частотой около 450 МГц. Приемник (справа) аналогичен параболической дипольной антенне с микрометровым разрядником .
Демонстрация поляризации радиоволн Герцем : приемник не отвечает, когда антенны перпендикулярны, как показано, но по мере поворота приемника принимаемый сигнал становится сильнее (как показано длиной искр), пока не достигнет максимума, когда диполи параллельны.
Еще одна демонстрация поляризации: волны проходят через поляризационный фильтр к приемнику только тогда, когда провода перпендикулярны диполям (A) , а не когда они параллельны (B) .
Демонстрация преломления : радиоволны изгибаются при прохождении через призму из смолы , как световые волны при прохождении через стеклянную призму.
График Герца стоячих волн, возникающих при отражении радиоволн от листа металла

Герц не осознавал практического значения своих радиоволновых экспериментов. Он заявил, что,

« Это не имеет смысла вообще [...] это только эксперимент , который доказывает маэстро Максвелл был прав , мы просто эти таинственные электромагнитные волны , которые мы не можем увидеть невооруженным глазом. Но они есть. »

На вопрос о применении его открытий Герц ответил:

« Думаю, ничего ».

Доказательство Герца существования электромагнитных волн в воздухе привело к взрыву экспериментов с этой новой формой электромагнитного излучения, которую называли «волнами Герца» примерно до 1910 года, когда термин « радиоволны » вошел в употребление . В течение 10 лет такие исследователи, как Оливер Лодж , Фердинанд Браун и Гульельмо Маркони, использовали радиоволны в первых системах беспроводной телеграфной радиосвязи , что привело к радиовещанию , а затем и телевидению. В 1909 году Браун и Маркони получили Нобелевскую премию по физике за «вклад в развитие беспроводного телеграфирования». Сегодня радио является важной технологией в глобальных телекоммуникационных сетях и средой передачи, лежащей в основе современных беспроводных устройств.

Катодные лучи

В 1892 году Герц начал эксперименты и продемонстрировал, что катодные лучи могут проникать сквозь очень тонкую металлическую фольгу (например, алюминий). Филипп Ленард , ученик Генриха Герца, продолжил исследование этого « лучевого эффекта ». Он разработал вариант катодной трубки и изучил проникновение рентгеновских лучей в различные материалы. Однако Ленард не осознавал, что производит рентгеновские лучи. Герман фон Гельмгольц сформулировал математические уравнения для рентгеновских лучей. Он постулировал теорию дисперсии до того, как Рентген сделал свое открытие и заявление. Он был сформирован на основе электромагнитной теории света ( Аннален Видмана , том XLVIII). Однако он не работал с настоящими рентгеновскими лучами.

Фотоэлектрический эффект

Герц помог установить фотоэлектрический эффект (который позже объяснил Альберт Эйнштейн ), когда заметил, что заряженный объект быстрее теряет свой заряд при освещении ультрафиолетовым излучением (УФ). В 1887 году он провел наблюдения фотоэлектрического эффекта, а также образования и приема электромагнитных (ЭМ) волн, опубликованные в журнале Annalen der Physik . Его приемник состоял из катушки с искровым разрядником , благодаря чему искра была видна при обнаружении электромагнитных волн. Он поместил аппарат в затемненный ящик, чтобы лучше видеть искру. Он заметил, что максимальная длина искры в ящике уменьшилась. Стеклянная панель, помещенная между источником электромагнитных волн и приемником, поглощала УФ-излучение, что помогало электронам прыгать через зазор. При удалении длина искры увеличится. Он не заметил уменьшения длины искры, когда заменил стекло кварцем , поскольку кварц не поглощает УФ-излучение. Герц завершил месяцы своего расследования и сообщил о полученных результатах. Он не проводил дальнейших исследований этого эффекта и не предпринимал никаких попыток объяснить, как возникло наблюдаемое явление.

Контактная механика

Мемориал Генриху Герцу в кампусе Технологического института Карлсруэ , что переводится как « На этом месте Генрих Герц обнаружил электромагнитные волны в 1885–1889 годах».

В 1886–1889 Герц опубликовал две статьи о том , что впоследствии стало известно как область контактной механики , которая оказалась важной основой для более поздних теорий в этой области. Джозеф Валентин Буссинеск опубликовал несколько критически важных наблюдений над работой Герца, тем не менее, придавая огромное значение этой работе по механике контакта. Его работа в основном суммирует, как два осесимметричных объекта, помещенных в контакт, будут вести себя под нагрузкой , он получил результаты, основанные на классической теории упругости и механике сплошной среды . Самым существенным недостатком его теории было пренебрежение любой природой адгезии между двумя твердыми телами, что оказалось важным, поскольку материалы, составляющие твердые тела, начинают приобретать высокую эластичность. Однако в то время было естественным пренебречь адгезией, поскольку экспериментальных методов ее проверки не существовало.

Для развития своей теории Герц использовал свои наблюдения эллиптических колец Ньютона, образовавшихся при помещении стеклянной сферы на линзу, в качестве основы для предположения, что давление, оказываемое сферой, следует эллиптическому распределению . Он снова использовал образование колец Ньютона, подтверждая свою теорию экспериментами по вычислению смещения, которое сфера имеет в линзе. Кеннет Л. Джонсон , К. Кендалл и А.Д. Робертс (JKR) использовали эту теорию в качестве основы при вычислении теоретического смещения или глубины вдавливания в присутствии адгезии в 1971 году. Теория Герца восстанавливается из их формулировки, если адгезия материалов предполагается равным нулю. Подобно этой теории, но используя другие предположения, Б.В. Дерягин , В.М. Мюллер и Ю.П. Топоров опубликовали в 1975 году другую теорию, которая стала известна в исследовательском сообществе как теория ДМТ, которая также восстановила формулировки Герца в предположении нулевой адгезии. Эта теория ДМТ оказалась преждевременной и нуждалась в нескольких пересмотрах, прежде чем ее приняли в качестве еще одной теории материального контакта в дополнение к теории JKR. Теории DMT и JKR составляют основу контактной механики, на которой основаны все модели переходных контактов, которые используются для прогнозирования параметров материала в наноиндентировании и атомно-силовой микроскопии . Эти модели занимают центральное место в области трибологии, и Дункан Доусон назвал его одним из 23 «людей трибологии» . Исследования Герца со времен его преподавания, предшествовавшие его великой работе по электромагнетизму, которую он сам с присущей ему трезвостью считал тривиальной, способствовали наступлению эпохи нанотехнологий .

Герц также описал « конус Герца », тип режима разрушения в хрупких твердых телах, вызванный передачей волн напряжения.

Метеорология

Герц всегда проявлял глубокий интерес к метеорологии , вероятно, благодаря его контактам с Вильгельмом фон Бецольдом (который был его профессором на лабораторных курсах в Мюнхенском политехническом институте летом 1878 года). В качестве помощника Гельмгольца в Берлине он опубликовал несколько небольших статей в этой области, включая исследования испарения жидкостей, нового типа гигрометра и графических средств определения свойств влажного воздуха, подверженного адиабатическим изменениям.

Нацистское преследование

Генрих Герц был лютеранином на протяжении всей своей жизни и не считал бы себя евреем, поскольку вся семья его отца обратилась в лютеранство, когда его отец был еще в детстве (в возрасте семи лет) в 1834 году.

Тем не менее, когда нацистский режим пришел к власти через десятилетия после смерти Герца, его официальные лица сняли его портрет с видного почетного места в мэрии Гамбурга ( Rathaus ) из-за его частично еврейского происхождения. (С тех пор картина была возвращена для всеобщего обозрения.)

Вдова и дочери Герца покинули Германию в 1930-х годах и поселились в Англии.

Наследие и почести

Генрих Герц

Племянник Генриха Герца Густав Людвиг Герц был лауреатом Нобелевской премии, а сын Густава Карл Гельмут Герц изобрел медицинское УЗИ . Его дочь Матильда Кармен Герц была известным биологом и сравнительным психологом. Внук Герца, Герман Герхард Герц, профессор Университета Карлсруэ , был пионером в области ЯМР-спектроскопии и в 1995 году опубликовал лабораторные заметки Герца.

Единица СИ, герц (Гц), была установлена ​​в его честь Международной электротехнической комиссией в 1930 году для частоты , выражающей количество раз, когда повторяющееся событие происходит в секунду. Он был принят CGPM (Conférence générale des poids et mesures) в 1960 году, официально заменив предыдущее название « циклов в секунду » (cps).

В 1928 году в Берлине был основан Институт исследования колебаний Генриха-Герца . Сегодня он известен как Институт телекоммуникаций им. Фраунгофера, Институт Генриха Герца, HHI .

В 1969 году в Восточной Германии была отлита мемориальная медаль Генриха Герца. IEEE Heinrich Hertz медаль, учрежденная в 1987 году, « за выдающиеся достижения в области волн Герца [...] ежегодно вручается физическому лицу за достижения , которые являются теоретической или экспериментальной в природе ».

В 1980 году в Италии в районе Чинечитта-Эст в Риме была основана средняя школа под названием «Istituto Tecnico Industriale Statale Heinrich Hertz».

Кратер , который лежит на противоположной стороне от Луны , сразу за восточного лимба, как назван в его честь . В его честь назван рынок радиоэлектроники Hertz в Нижнем Новгороде , Россия. Heinrich-Hertz-Turm радио телекоммуникационная башня в Гамбурге названа в честь знаменитого сына города.

Япония удостоила Герца чести членством в Ордене Священного Сокровища , который имеет несколько уровней чести для выдающихся людей, включая ученых.

Генрих Герц был удостоен чести ряда стран по всему миру в их почтовых выпусках, а после Второй мировой войны также появлялся на различных выпусках немецких марок.

В день его рождения в 2012 году Google почтил Герца каракули Google , вдохновленный работой его жизни, на своей домашней странице.

Смотрите также

Работает

  • Ueber die Induction in rotirenden Kugeln (на немецком языке). Берлин: Шаде. 1880 г.
  • Die Prinzipien der Mechanik in neuem Zusammenhange dargestellt (на немецком языке). Лейпциг: Иоганн Амброзиус Барт. 1894 г.
  • Schriften vermischten Inhalts (на немецком языке). Лейпциг: Иоганн Амброзиус Барт. 1895 г.

использованная литература

дальнейшее чтение

внешние ссылки