Sammanfattning

Heinrich Rudolf Hertz (22 februari 1857-1 januari 1894) var en tysk fysiker som för första gången slutgiltigt bevisade existensen av de elektromagnetiska vågor som James Clerk Maxwells elektromagnetiska ekvationer förutsäger. Enheten för frekvens, cykel per sekund, fick namnet "hertz" till hans ära.

Heinrich Rudolf Hertz föddes 1857 i Hamburg, som då var en suverän stat i den tyska konfederationen, i en välmående och kultiverad hanseatisk familj. Hans far var Gustav Ferdinand Hertz. Hans mor var Anna Elisabeth Pfefferkorn.

Under sin studietid vid Gelehrtenschule des Johanneums i Hamburg visade Hertz att han var intresserad av både naturvetenskap och språk och lärde sig arabiska och sanskrit. Han studerade naturvetenskap och teknik i de tyska städerna Dresden, München och Berlin, där han studerade för Gustav R. Kirchhoff och Hermann von Helmholtz. År 1880 disputerade Hertz vid universitetet i Berlin och under de följande tre åren stannade han kvar för postdoktorala studier under Helmholtz och tjänstgjorde som hans assistent. År 1883 fick Hertz en tjänst som docent i teoretisk fysik vid universitetet i Kiel. År 1885 blev Hertz ordinarie professor vid universitetet i Karlsruhe.

År 1886 gifte sig Hertz med Elisabeth Doll, dotter till Max Doll, lärare i geometri i Karlsruhe. De fick två döttrar: Johanna, född den 20 oktober 1887, och Mathilde, född den 14 januari 1891, som senare blev en framstående biolog. Under denna tid genomförde Hertz sin banbrytande forskning om elektromagnetiska vågor.

Hertz blev professor i fysik och direktör för fysikinstitutet i Bonn den 3 april 1889, en tjänst som han innehade fram till sin död. Under denna tid arbetade han med teoretisk mekanik och hans arbete publicerades i boken Die Prinzipien der Mechanik in neuem Zusammenhange dargestellt (Mekanikens principer presenterade i en ny form), som publicerades postumt 1894.

Död

År 1892 fick Hertz diagnosen infektion (efter ett anfall av svår migrän) och genomgick operationer för att behandla sjukdomen. Han dog efter komplikationer i samband med operationer för att försöka åtgärda det tillstånd som orsakade migränen och som vissa anser vara ett malignt benfel. Han dog vid 36 års ålder i Bonn i Tyskland 1894 och begravdes på Ohlsdorf-kyrkogården i Hamburg.

Hertz hustru, Elisabeth Hertz (1864-1941), gifte inte om sig och han efterlämnade döttrarna Johanna (1887-1967) och Mathilde (1891-1975). Ingen av dem gifte sig eller fick barn, och Hertz har därför inga levande ättlingar.

Elektromagnetiska vågor

År 1864 föreslog den skotska matematikfysikern James Clerk Maxwell en omfattande teori om elektromagnetism, som numera kallas Maxwells ekvationer. Maxwells teori förutspådde att kopplade elektriska och magnetiska fält kan färdas genom rymden som en "elektromagnetisk våg". Maxwell föreslog att ljuset bestod av elektromagnetiska vågor med kort våglängd, men ingen hade kunnat bevisa detta eller generera eller upptäcka elektromagnetiska vågor med andra våglängder.

Under Hertz studier 1879 föreslog Helmholtz att Hertz doktorsavhandling skulle handla om att testa Maxwells teori. Helmholtz hade också föreslagit problemet med "Berlinpriset" samma år vid den preussiska vetenskapsakademin för den som experimentellt kunde bevisa en elektromagnetisk effekt vid polarisation och depolarisering av isolatorer, något som förutsades av Maxwells teori. Helmholtz var säker på att Hertz var den mest sannolika kandidaten att vinna priset. Eftersom Hertz inte såg något sätt att bygga en apparat för att experimentellt testa detta, tyckte han att det var för svårt och arbetade istället med elektromagnetisk induktion. Hertz gjorde dock en analys av Maxwells ekvationer under sin tid i Kiel och visade att de hade större giltighet än de då rådande teorierna om "verkan på avstånd".

Efter att Hertz fått sin professur i Karlsruhe experimenterade han hösten 1886 med ett par Riesspiraler när han märkte att om han tömde en Leydenburk i en av spolarna så producerade han en gnista i den andra spolen. Med en idé om hur man skulle bygga en apparat hade Hertz nu ett sätt att gå vidare med problemet med "Berlinpriset" från 1879 om att bevisa Maxwells teori (även om det egentliga priset hade gått ut oinsamlat 1882). Som radiator använde han en dipolantenn som består av två kollinjära enmeterstrådar med ett gnistgap mellan de inre ändarna och zinkkulor som är fästade vid de yttre ändarna för att ge kapacitet. Antennen exciterades av högspänningsimpulser på cirka 30 kilovolt som applicerades mellan de två sidorna från en Ruhmkorffspole. Han tog emot vågorna med en resonant singel-loop-antenn med en mikrometer stor gnistgap mellan ändarna. Detta experiment producerade och tog emot det som nu kallas radiovågor i det mycket höga frekvensområdet.

Mellan 1886 och 1889 utförde Hertz en rad experiment som skulle bevisa att de effekter han observerade var resultatet av Maxwells förutsagda elektromagnetiska vågor. Hertz började i november 1887 med sin uppsats "On Electromagnetic Effects Produced by Electrical Disturbances in Insulators" och skickade en rad uppsatser till Helmholtz vid Berlin-akademin, bland annat uppsatser från 1888 som visade att tvärgående elektromagnetiska vågor i fria rymden rörde sig med en ändlig hastighet över ett visst avstånd. I den apparat som Hertz använde strålade de elektriska och magnetiska fälten bort från trådarna som tvärgående vågor. Hertz hade placerat oscillatorn cirka 12 meter från en reflekterande zinkplatta för att producera stående vågor. Varje våg var ungefär 4 meter lång. Med hjälp av ringdetektorn registrerade han hur vågens magnitud och komponentriktning varierade. Hertz mätte Maxwells vågor och visade att hastigheten hos dessa vågor var lika med ljusets hastighet. Hertz mätte också det elektriska fältets intensitet, polarisationen och reflektionen av vågorna. Dessa experiment fastställde att ljuset och dessa vågor båda var en form av elektromagnetisk strålning som lyder Maxwells ekvationer. Hertz var kanske inte den förste som upptäckte fenomenet radiovågor - David Edward Hughes kan ha upptäckt deras existens nio år tidigare men publicerade inte sina resultat.

Hertz insåg inte den praktiska betydelsen av sina radiovågsexperiment. Han konstaterade att,

På frågan om hur hans upptäckter skulle kunna användas svarade Hertz,

Hertz bevis för att det fanns luftburna elektromagnetiska vågor ledde till en explosion av experiment med denna nya form av elektromagnetisk strålning, som kallades "Hertzska vågor" fram till omkring 1910, då termen "radiovågor" började användas. Inom tio år använde forskare som Oliver Lodge, Ferdinand Braun och Guglielmo Marconi radiovågor i de första systemen för trådlös telegrafi och radiokommunikation, vilket ledde till radiosändningar och senare television. År 1909 fick Braun och Marconi Nobelpriset i fysik för sina "bidrag till utvecklingen av trådlös telegrafi". I dag är radio en viktig teknik i globala telekommunikationsnätverk och det kommunikationsmedium som används av moderna trådlösa apparater.

Katodstrålar

År 1892 började Hertz experimentera och visade att katodstrålar kunde tränga igenom mycket tunn metallfolie (t.ex. aluminium). Philipp Lenard, en elev till Heinrich Hertz, forskade vidare om denna "strålningseffekt". Han utvecklade en version av katodröret och studerade hur röntgenstrålar tränger in i olika material. Lenard insåg dock inte att han producerade röntgenstrålar. Hermann von Helmholtz formulerade matematiska ekvationer för röntgenstrålar. Han postulerade en dispersionsteori innan Röntgen gjorde sin upptäckt och sitt tillkännagivande. Den formades på grundval av den elektromagnetiska teorin om ljuset (Wiedmanns Annalen, Vol. XLVIII). Han arbetade dock inte med faktiska röntgenstrålar.

Fotoelektrisk effekt

Hertz bidrog till att fastställa den fotoelektriska effekten (som senare förklarades av Albert Einstein) när han noterade att ett laddat föremål förlorar sin laddning snabbare när det belyses med ultraviolett strålning (UV). År 1887 gjorde han observationer av den fotoelektriska effekten och av produktion och mottagning av elektromagnetiska vågor (EM-vågor), vilka publicerades i tidskriften Annalen der Physik. Hans mottagare bestod av en spole med ett gnistgap, varigenom en gnista skulle synas vid detektering av EM-vågor. Han placerade apparaten i en mörklagd låda för att bättre kunna se gnistan. Han observerade att den maximala gnistlängden minskade när den befann sig i lådan. En glasskiva som placerades mellan källan till EM-vågorna och mottagaren absorberade UV-strålar som hjälpte elektronerna att hoppa över gapet. När den avlägsnades ökade gnistlängden. Han observerade ingen minskning av gnistlängden när han ersatte glaset med kvarts, eftersom kvarts inte absorberar UV-strålning. Hertz avslutade sina månader av undersökningar och rapporterade de erhållna resultaten. Han fortsatte inte att undersöka denna effekt ytterligare och gjorde inte heller något försök att förklara hur det observerade fenomenet uppstod.

Kontaktmekaniker

År 1881 och 1882 publicerade Hertz två artiklar om vad som skulle bli känt som kontaktmekanik, vilket visade sig vara en viktig grund för senare teorier inom området. Joseph Valentin Boussinesq publicerade några kritiskt viktiga observationer om Hertz arbete, men fastställde ändå att detta arbete om kontaktmekanik var av oerhörd betydelse. Hans arbete sammanfattar i princip hur två axi-symmetriska föremål som placeras i kontakt kommer att bete sig under belastning, han fick resultat som bygger på den klassiska elasticitetsteorin och kontinuumsmekaniken. Den största bristen i hans teori var att han inte tog hänsyn till någon form av vidhäftning mellan de två fasta föremålen, vilket visar sig vara viktigt när de material som utgör de fasta föremålen börjar anta en hög elasticitet. Det var dock naturligt att försumma vidhäftning vid den tiden, eftersom det inte fanns några experimentella metoder för att testa den.

För att utveckla sin teori använde Hertz sin observation av elliptiska Newtons ringar som bildades när han placerade en glaskula på en lins som grund för att anta att det tryck som utövas av klotet följer en elliptisk fördelning. Han använde sig återigen av bildandet av Newtons ringar när han validerade sin teori med experiment för att beräkna den förskjutning som klotet har i linsen. Kenneth L. Johnson, K. Kendall och A. D. Roberts (JKR) använde denna teori som grund när de 1971 beräknade den teoretiska förskjutningen eller intrycksdjupet i närvaro av vidhäftning. Hertz teori återfinns i deras formulering om materialens vidhäftning antas vara noll. I likhet med denna teori, men med andra antaganden, publicerade B. V. Derjaguin, V. M. Muller och Y. P. Toporov 1975 en annan teori, som kom att kallas DMT-teorin i forskarvärlden, som också återställde Hertz' formuleringar under antagandet att vidhäftningen är noll. Denna DMT-teori visade sig vara förhastad och behövde flera revideringar innan den kom att accepteras som ytterligare en materialkontaktteori utöver JKR-teorin. Både DMT- och JKR-teorierna utgör grunden för kontaktmekaniken, på vilken alla övergångskontaktmodeller baseras och som används vid prediktion av materialparametrar vid nanoindentering och atomkraftmikroskopi. Dessa modeller är centrala för tribologin och Duncan Dowson utsåg honom till en av de 23 "Men of Tribology". Trots att han föregick sitt stora arbete om elektromagnetism (som han själv med sin karakteristiska nykterhet ansåg vara trivialt) har Hertz' forskning om kontaktmekanik underlättat nanoteknikens tidsålder.

Hertz beskrev också den "Hertzska konen", en typ av brottsform i spröda fasta material som orsakas av överföringen av spänningsvågor.

Meteorologi

Hertz hade alltid haft ett stort intresse för meteorologi, vilket troligen berodde på hans kontakter med Wilhelm von Bezold (som var hans professor i en laboratoriekurs vid Münchens polytekniska skola sommaren 1878). Som assistent till Helmholtz i Berlin bidrog han med några mindre artiklar på området, bland annat forskning om avdunstning av vätskor, en ny typ av hygrometer och ett grafiskt sätt att bestämma egenskaperna hos fuktig luft när den utsätts för adiabatiska förändringar.

Eftersom Hertz' familj konverterade från judendom till lutheranism två decennier innan han föddes, blev hans arv lidande för den nazistiska regeringen på 1930-talet, en regim som klassificerade människor efter "ras" i stället för efter religiös tillhörighet.

Hertz namn togs bort från gator och institutioner och det fanns till och med en rörelse för att byta namn på frekvensenheten som namngavs till hans ära (hertz) till Hermann von Helmholtz i stället, men symbolen (Hz) förblev oförändrad.

Hans familj förföljdes också på grund av sin icke-ariska status. Hertz yngsta dotter Mathilde förlorade en föreläsartjänst vid Berlins universitet efter att nazisterna kommit till makten och inom några år lämnade hon, hennes syster och deras mor Tyskland och bosatte sig i England.

SI-enheten hertz (Hz) fastställdes till hans ära av Internationella elektrotekniska kommissionen 1930 för frekvens, ett uttryck för antalet gånger som en upprepad händelse inträffar per sekund. Den antogs av CGPM (Conférence générale des poids et mesures) 1960 och ersatte officiellt det tidigare namnet "cykler per sekund" (cps).

1928 grundades Heinrich-Hertz-institutet för svängningsforskning i Berlin. Idag är det känt som Fraunhoferinstitutet för telekommunikation, Heinrich Hertz-institutet, HHI.

1969 gjöts en Heinrich Hertz-medalj i Östtyskland. IEEE:s Heinrich Hertz-medalj, som inrättades 1987, är "för enastående prestationer inom Hertzska vågor som årligen delas ut till en person för prestationer som är av teoretisk eller experimentell natur".

1980 grundades i Italien en gymnasieskola med namnet "Istituto Tecnico Industriale Statale Heinrich Hertz" i stadsdelen Cinecittà Est i Rom.

Submillimeterradioteleskopet vid Mt. Graham i Arizona, som byggdes 1992, är uppkallat efter honom.

En krater som ligger på månens bortre sida, strax bakom den östra sidan, är uppkallad efter honom. Hertz-marknaden för radioelektronikprodukter i Nizjnij Novgorod i Ryssland är uppkallad efter honom. Radiotelekommunikationstornet Heinrich-Hertz-Turm i Hamburg är uppkallat efter stadens berömda son.

Hertz hedras av Japan med ett medlemskap i Order of the Sacred Treasure, som har flera nivåer av ära för framstående personer, inklusive vetenskapsmän.

Heinrich Hertz har hedrats av ett antal länder runt om i världen i deras frimärksutgåvor, och efter andra världskriget har han även förekommit på olika tyska frimärksutgåvor.

På hans födelsedag 2012 hedrade Google Hertz med en Google doodle, inspirerad av hans livsverk, på sin startsida.

Källor

1. Heinrich Hertz
2. Heinrich Hertz
3. ^ Krech, Eva-Maria; Stock, Eberhard; Hirschfeld, Ursula; Anders, Lutz Christian (2009). Deutsches Aussprachewörterbuch [German Pronunciation Dictionary] (in German). Berlin: Walter de Gruyter. pp. 575, 580. ISBN 978-3-11-018202-6.
4. ^ Dudenredaktion; Kleiner, Stefan; Knöbl, Ralf (2015) [First published 1962]. Das Aussprachewörterbuch [The Pronunciation Dictionary] (in German) (7th ed.). Berlin: Dudenverlag. p. 440. ISBN 978-3-411-04067-4.
5. 1 2 Архив по истории математики Мактьютор
6. 1 2 Heinrich Hertz // Encyclopædia Britannica (англ.)
7. 1 2 Heinrich Rudolf Hertz // Энциклопедия Брокгауз (нем.) / Hrsg.: Bibliographisches Institut & F. A. Brockhaus, Wissen Media Verlag
8. 1 2 Герц Генрих Рудольф // Большая советская энциклопедия: [в 30 т.] / под ред. А. М. Прохорова — 3-е изд. — М.: Советская энциклопедия, 1969.
9. Éditions Larousse, « Heinrich Hertz - LAROUSSE », sur www.larousse.fr (consulté le 28 mai 2022)
10. Buildings Integral to the Former Life and/or Persecution of Jews in Hamburg – Eimsbüttel/Rotherbaum I. (Memento vom 4. August 2009 im Internet Archive)