Хайнрих Херц

gigatos | юли 8, 2022

Резюме

Хайнрих Рудолф Херц (на немски: 22 февруари 1857 г. – 1 януари 1894 г.) е немски физик, който пръв доказва окончателно съществуването на електромагнитните вълни, предсказани от уравненията на Джеймс Клерк Максуел за електромагнетизма. В негова чест единицата за честота, цикъл в секунда, е наречена „херц“.

Хайнрих Рудолф Херц е роден през 1857 г. в Хамбург, тогава суверенна държава от Германската конфедерация, в благоденстващо и културно ханзейско семейство. Баща му е Густав Фердинанд Херц. Майка му е Анна Елизабет Пфеферкорн.

По време на обучението си в Gelehrtenschule des Johanneums в Хамбург Херц проявява склонност към науките и езиците, като изучава арабски и санскрит. Изучава естествени и инженерни науки в германските градове Дрезден, Мюнхен и Берлин, където учи при Густав Р. Кирхоф и Херман фон Хелмхолц. През 1880 г. Херц получава докторска степен от Берлинския университет, а през следващите три години остава на следдокторска специализация при Хелмхолц, като работи като негов асистент. През 1883 г. Херц заема длъжността преподавател по теоретична физика в университета в Кил. През 1885 г. Херц става редовен професор в университета в Карлсруе.

През 1886 г. Херц се жени за Елизабет Дол, дъщеря на Макс Дол, преподавател по геометрия в Карлсруе. Двамата имат две дъщери: Йохана, родена на 20 октомври 1887 г., и Матилде, родена на 14 януари 1891 г., която става забележителен биолог. По това време Херц провежда забележителните си изследвания на електромагнитните вълни.

На 3 април 1889 г. Херц заема поста професор по физика и директор на Института по физика в Бон, който заема до смъртта си. През това време той работи върху теоретичната механика, като работата му е публикувана в книгата Die Prinzipien der Mechanik in neuem Zusammenhange dargestellt (Принципите на механиката, представени в нова форма), издадена посмъртно през 1894 г.

Смърт

През 1892 г. Херц е диагностициран с инфекция (след пристъп на силна мигрена) и е подложен на операции за лечение на заболяването. Той умира след усложнения при операцията, с която се опитва да отстрани заболяването, причиняващо мигрена, което според някои е злокачествено заболяване на костите. Умира на 36-годишна възраст в Бон, Германия, през 1894 г. и е погребан в гробището Охлсдорф в Хамбург.

Съпругата на Херц, Елизабет Херц (1864-1941), не се омъжва повторно и той е преживян от дъщерите си Йохана (1887-1967) и Матилде (1891-1975). Нито една от тях не се омъжва и няма деца, поради което Херц няма живи потомци.

Електромагнитни вълни

През 1864 г. шотландският физик-математик Джеймс Клерк Максуел предлага цялостна теория на електромагнетизма, която днес се нарича уравнения на Максуел. Теорията на Максуел предсказва, че свързаните електрическо и магнитно поле могат да се движат в пространството като „електромагнитна вълна“. Максуел предложил светлината да се състои от електромагнитни вълни с малка дължина, но никой не е успял да докаже това, нито да генерира или открие електромагнитни вълни с друга дължина на вълната.

По време на обучението на Херц през 1879 г. Хелмхолц предлага докторската му дисертация да бъде посветена на проверка на теорията на Максуел. През същата година Хелмхолц предлага на Пруската академия на науките и проблема за „Берлинската награда“ за всеки, който може експериментално да докаже електромагнитен ефект при поляризацията и деполяризацията на изолатори – нещо, което е предсказано от теорията на Максуел. Хелмхолц бил сигурен, че Херц е най-вероятният кандидат, който ще я спечели. Като не виждал начин да построи апарат за експериментална проверка, Херц сметнал, че това е твърде трудно, и вместо това работил върху електромагнитната индукция. По време на престоя си в Кил Херц изготвя анализ на уравненията на Максуел, който показва, че те имат по-голяма валидност от разпространените тогава теории за „действие от разстояние“.

След като Херц получава професорската си титла в Карлсруе, през есента на 1886 г. той експериментира с двойка спирали на Рийс, когато забелязва, че при пускането на буркан от Лайден в една от тези спирали се получава искра в другата спирала. С идеята за построяване на апарат Херц вече имал начин да продължи да решава проблема с „Берлинската награда“ от 1879 г. за доказване на теорията на Максуел (въпреки че действителната награда изтекла неполучена през 1882 г.). Той използва диполна антена, състояща се от две колинеарни еднометрови жици с искрова междина между вътрешните им краища и цинкови сфери, прикрепени към външните краища за капацитет, като радиатор. Антената е била възбуждана от импулси с високо напрежение от около 30 киловолта, подавани между двете страни от намотка на Румкорф. Той приемал вълните с резонансна едноконтурна антена с микрометрова искрова междина между краищата. Този експеримент произвежда и приема това, което сега се нарича радиовълни в диапазона на много високите честоти.

Между 1886 и 1889 г. Херц провежда серия от експерименти, които доказват, че наблюдаваните от него ефекти са резултат от предсказаните от Максуел електромагнитни вълни. Започвайки през ноември 1887 г. с работата си „За електромагнитните ефекти, предизвикани от електрически смущения в изолатори“, Херц изпраща поредица от статии на Хелмхолц в Берлинската академия, включително статии през 1888 г., които показват напречни електромагнитни вълни в свободното пространство, движещи се с крайна скорост на определено разстояние. В апаратурата, която Херц използва, електрическите и магнитните полета се излъчват от проводниците като напречни вълни. Херц е разположил осцилатора на около 12 метра от цинкова отразяваща плоча, за да предизвика стоящи вълни. Всяка вълна е била дълга около 4 метра. С помощта на пръстеновидния детектор той е записал как се променят големината и посоката на компонентите на вълната. Херц измерил вълните на Максуел и доказал, че скоростта на тези вълни е равна на скоростта на светлината. Интензитетът на електрическото поле, поляризацията и отражението на вълните също са измерени от Херц. Тези експерименти установили, че светлината и тези вълни са форма на електромагнитно излъчване, подчиняващо се на уравненията на Максуел. Възможно е Херц да не е първият, който се е сблъскал с явлението радиовълни – Дейвид Едуард Хюз може би е открил съществуването им девет години по-рано, но не е публикувал резултатите си.

Херц не осъзнава практическото значение на експериментите си с радиовълни. Той твърди, че,

Запитан за приложенията на своите открития, Херц отговаря,

Доказателството на Херц за съществуването на въздушни електромагнитни вълни довежда до експлозия на експерименти с тази нова форма на електромагнитно излъчване, която е наречена „вълни на Херц“ до около 1910 г., когато става актуален терминът „радиовълни“. В рамките на 10 години изследователи като Оливър Лодж, Фердинанд Браун и Гулиелмо Маркони използват радиовълните в първите системи за безжична телеграфия и радиокомуникация, което води до радиоразпръскване, а по-късно и до телевизия. През 1909 г. Браун и Маркони получават Нобелова награда за физика за „приноса си за развитието на безжичната телеграфия“. Днес радиото е основна технология в глобалните телекомуникационни мрежи и комуникационна среда, използвана от съвременните безжични устройства.

Катодни лъчи

През 1892 г. Херц започва да експериментира и доказва, че катодните лъчи могат да проникнат през много тънко метално фолио (например алуминий). Филип Ленард, ученик на Хайнрих Херц, продължава да изследва този „лъчев ефект“. Той разработва версия на катодната тръба и изследва проникването на рентгеновите лъчи в различни материали. Ленард обаче не осъзнава, че произвежда рентгенови лъчи. Херман фон Хелмхолц формулира математически уравнения за рентгеновите лъчи. Той постулира дисперсионна теория, преди Рьонтген да направи своето откритие и съобщение. Тя е формирана въз основа на електромагнитната теория на светлината (Wiedmann’s Annalen, Vol. XLVIII). Въпреки това той не е работил с действителни рентгенови лъчи.

Фотоелектричен ефект

Херц спомага за установяването на фотоелектричния ефект (който по-късно е обяснен от Алберт Айнщайн), когато забелязва, че зареден обект губи заряда си по-лесно, когато е осветен от ултравиолетова радиация (UV). През 1887 г. той прави наблюдения на фотоелектричния ефект и на производството и приемането на електромагнитни (ЕМ) вълни, които публикува в списание Annalen der Physik. Неговият приемник се състои от бобина с искрова междина, при която се вижда искра при откриване на ЕМ вълни. Той поставя апарата в затъмнена кутия, за да вижда по-добре искрата. Той забелязва, че максималната дължина на искрата намалява, когато е в кутията. Стъклен панел, поставен между източника на ЕМ вълни и приемника, поглъщал ултравиолетовите лъчи, които помагали на електроните да прескачат през искровата междина. Когато се премахне, дължината на искрата се увеличава. Той не наблюдава намаляване на дължината на искрата, когато замени стъклото с кварц, тъй като кварцът не поглъща UV лъчение. Херц приключва месеците на своето изследване и съобщава получените резултати. Той не продължил да изследва този ефект, нито пък направил опит да обясни как се е получило наблюдаваното явление.

Механика за контакт

През 1881 г. и 1882 г. Херц публикува две статии за това, което става известно като област на контактната механика, които се оказват важна основа за по-късните теории в тази област. Жозеф Валентин Бусинеск публикува някои критично важни наблюдения върху работата на Херц, като все пак установява, че тази работа по контактна механика е от огромно значение. Работата му в общи линии обобщава как два аксиално-симетрични обекта, поставени в контакт, ще се държат при натоварване, като той получава резултати, основани на класическата теория на еластичността и механиката на непрекъснатите процеси. Най-същественият недостатък на теорията му е пренебрегването на всякакъв вид сцепление между двете твърди тела, което се оказва важно, когато материалите, от които са съставени твърдите тела, започнат да придобиват висока еластичност. По онова време обаче пренебрегването на адхезията е било естествено, тъй като не е имало експериментални методи за нейното изследване.

За да развие теорията си, Херц използва наблюденията си върху елиптичните пръстени на Нютон, образувани при поставянето на стъклена сфера върху леща, като основа за предположението, че налягането, упражнявано от сферата, следва елиптично разпределение. Той отново използва образуването на пръстените на Нютон, докато потвърждава теорията си с експерименти, за да изчисли преместването, което сферата има в лещата. През 1971 г. Кенет Л. Джонсън, К. Кендал и А. Д. Робъртс (JKR) използват тази теория като основа при изчисляването на теоретичното преместване или дълбочината на вдлъбване при наличие на адхезия. Теорията на Херц се възстановява от тяхната формулировка, ако се приеме, че адхезията на материалите е нулева. Подобно на тази теория, но използвайки различни допускания, Б. В. Дерягин, В. М. Мюлер и Ю. П. Топоров публикуват през 1975 г. друга теория, станала известна като теорията DMT в научните среди, която също възстановява формулировките на Херц при допускане за нулева адхезия. Тази теория на DMT се оказа преждевременна и се нуждаеше от няколко преработки, преди да бъде приета като друга теория за контакта с материала в допълнение към теорията на JKR. Както теорията DMT, така и теорията JKR формират основата на контактната механика, на която се основават всички модели на преходни контакти и се използват при прогнозиране на параметрите на материалите при наноиндентация и атомно-силова микроскопия. Тези модели имат централно значение за областта на трибологията и той е обявен за един от 23-те „мъже на трибологията“ от Дънкан Даусън. Въпреки че го предшества голямата му работа по електромагнетизма (която самият той с характерната си трезвост смята за тривиална), изследванията на Херц върху механиката на контакта улесняват епохата на нанотехнологиите.

Херц описва и „конуса на Херц“ – вид режим на разрушаване в крехки твърди тела, причинен от предаването на вълни на напрежение.

Метеорология

Херц винаги се е интересувал от метеорология, което вероятно се дължи на контактите му с Вилхелм фон Безолд (който е негов преподавател в лабораторен курс в Мюнхенската политехника през лятото на 1878 г.). Като асистент на Хелмхолц в Берлин той допринася с няколко незначителни статии в тази област, включително изследвания върху изпарението на течности, нов вид хигрометър и графичен начин за определяне на свойствата на влажния въздух, когато е подложен на адиабатни промени.

Тъй като семейството на Херц преминава от юдаизъм към лутеранство две десетилетия преди раждането му, наследството му се сблъсква с нацисткото правителство през 30-те години на миналия век – режим, който класифицира хората по „раса“, а не по религиозна принадлежност.

Името на Херц е премахнато от улици и институции и дори се появява движение за преименуване на единицата за честота, наречена в негова чест (херц), на името на Херман фон Хелмхолц, като символът (Hz) остава непроменен.

Семейството му също е преследвано заради неарийския си статут. Най-малката дъщеря на Херц, Матилде, губи лекторското място в Берлинския университет след идването на нацистите на власт и в рамките на няколко години тя, сестра ѝ и майка им напускат Германия и се установяват в Англия.

Племенникът на Хайнрих Херц – Густав Лудвиг Херц, е носител на Нобелова награда, а синът на Густав – Карл Хелмут Херц, изобретява медицинската ултрасонография. Дъщеря му Матилде Кармен Херц е известен биолог и сравнителен психолог. Племенникът на Херц Херман Герхард Херц, професор в университета в Карлсруе, е пионер на ЯМР-спектроскопията и през 1995 г. публикува лабораторните записки на Херц.

В негова чест през 1930 г. Международната електротехническа комисия въвежда единицата за честота SI херц (Hz), която изразява броя на повторенията на дадено събитие в секунда. Тя е приета от CGPM (Conférence générale des poids et mesures) през 1960 г., като официално замества предишното наименование „цикли в секунда“ (cps).

През 1928 г. в Берлин е основан Институтът за изследване на трептенията „Хайнрих-Херц“. Днес е известен като Институт за телекомуникации „Фраунхофер“, Институт „Хайнрих Херц“, HHI.

През 1969 г. в Източна Германия е отлят мемориален медал на Хайнрих Херц. Медалът на IEEE „Хайнрих Херц“, учреден през 1987 г., е „за изключителни постижения в областта на вълните на Херц, който се връчва ежегодно на физическо лице за постижения, които са от теоретично или експериментално естество“.

През 1980 г. в Италия е основана гимназия, наречена „Istituto Tecnico Industriale Statale Heinrich Hertz“, в квартала Cinecittà Est в Рим.

На негово име е наречен субмилиметровият радиотелескоп в планината Греъм, Аризона, построен през 1992 г.

В негова чест е наречен кратер, който се намира на далечната страна на Луната, точно зад източния лимб. Пазарът за радиоелектронни продукти Hertz в Нижни Новгород, Русия, е кръстен на него. Радиотелекомуникационната кула „Хайнрих-Херц-Турм“ в Хамбург е кръстена на известния син на града.

Херц е почетен от Япония с членство в Ордена на свещеното съкровище, който има множество нива на почести за видни хора, включително учени.

Хайнрих Херц е почетен от редица държави по света в техните пощенски издания, а след Втората световна война се появява и на различни германски пощенски марки.

На рождения му ден през 2012 г. Google почете Херц с дудъл на началната си страница, вдъхновен от работата му.

Източници

1. Heinrich Hertz
2. Хайнрих Херц
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. ^ Robertson, O’Connor. „Heinrich Rudolf Hertz“. MacTutor. University of Saint Andrews, Scotland. Retrieved 20 October 2020.
6. ^ Plan Ohlsdorfer Friedhof (Map of Ohlsdorf Cemetery). friedhof-hamburg.de.
7. ^ Susskind, Charles. (1995). Heinrich Hertz: A Short Life. San Francisco: San Francisco Press. ISBN 0-911302-74-3
8. 1 2 Архив по истории математики Мактьютор
9. 1 2 Heinrich Hertz // Encyclopædia Britannica (англ.)
10. 1 2 Heinrich Rudolf Hertz // Энциклопедия Брокгауз (нем.) / Hrsg.: Bibliographisches Institut & F. A. Brockhaus, Wissen Media Verlag
11. Éditions Larousse, « Heinrich Hertz – LAROUSSE », sur www.larousse.fr (consulté le 28 mai 2022)
12. Buildings Integral to the Former Life and/or Persecution of Jews in Hamburg – Eimsbüttel/Rotherbaum I. (Memento vom 4. August 2009 im Internet Archive)
13. Hardwin Jungclaussen: Frei in drei Diktaturen – Wie ich mein Leben erlebte und wie ich mein Glück fand. Autobiografie. trafo Verlagsgruppe Dr. Wolfgang Weist, trafo Literaturverlag, Reihe Autobiographien Band 48, Berlin 2015, ISBN 978-3-86465-050-5.
14. Jörg Willer: Fachdidaktik im Dritten Reich am Beispiel der Physik. In: Medizinhistorische Mitteilungen. Zeitschrift für Wissenschaftsgeschichte und Fachprosaforschung. Band 34, 2015 (2016), ISBN 978-3-86888-118-9, S. 105–121, hier: S. 105.
15. Die Originalapparate von Heinrich Hertz im Deutschen Museum, abgerufen am 29. April 2019; archivierte Version vom 16. März 2021: [1]
16. Albrecht Fölsing: Heinrich Hertz. Hoffmann und Campe, Hamburg 1997, ISBN 3-455-11212-9, S. 275.