Heinrich Rudolf Hertz

gigatos | Novembre 16, 2021

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Riassunto

Heinrich Rudolf Hertz (tedesco: 22 febbraio 1857 – 1 gennaio 1894) è stato un fisico tedesco che per primo dimostrò definitivamente l”esistenza delle onde elettromagnetiche previste dalle equazioni dell”elettromagnetismo di James Clerk Maxwell. L”unità di frequenza, il ciclo al secondo, fu chiamata “hertz” in suo onore.

Heinrich Rudolf Hertz nacque nel 1857 ad Amburgo, allora uno stato sovrano della Confederazione Tedesca, in una prospera e colta famiglia anseatica. Suo padre era Gustav Ferdinand Hertz. Sua madre era Anna Elisabeth Pfefferkorn.

Mentre studiava alla Gelehrtenschule des Johanneums di Amburgo, Hertz mostrò un”attitudine per le scienze e le lingue, imparando l”arabo e il sanscrito. Studiò scienze e ingegneria nelle città tedesche di Dresda, Monaco e Berlino, dove studiò sotto Gustav R. Kirchhoff e Hermann von Helmholtz. Nel 1880, Hertz ottenne il suo dottorato di ricerca presso l”Università di Berlino, e per i tre anni successivi rimase per lo studio post-dottorato sotto Helmholtz, servendo come suo assistente. Nel 1883, Hertz prese un posto come docente di fisica teorica all”Università di Kiel. Nel 1885, Hertz divenne professore ordinario all”Università di Karlsruhe.

Nel 1886, Hertz sposò Elisabeth Doll, la figlia di Max Doll, docente di geometria a Karlsruhe. Ebbero due figlie: Johanna, nata il 20 ottobre 1887 e Mathilde, nata il 14 gennaio 1891, che divenne un”importante biologa. Durante questo periodo Hertz condusse la sua ricerca di riferimento sulle onde elettromagnetiche.

Hertz prese una posizione di professore di fisica e direttore dell”Istituto di Fisica a Bonn il 3 aprile 1889, una posizione che mantenne fino alla sua morte. Durante questo periodo lavorò sulla meccanica teorica con il suo lavoro pubblicato nel libro Die Prinzipien der Mechanik in neuem Zusammenhange dargestellt (I principi della meccanica presentati in una nuova forma), pubblicato postumo nel 1894.

Morte

Nel 1892, a Hertz fu diagnosticata un”infezione (dopo un periodo di forti emicranie) e fu sottoposto a operazioni per curare la malattia. Morì dopo complicazioni nell”intervento chirurgico nel tentativo di sistemare la sua condizione che stava causando queste emicranie, che alcuni considerano essere stata una condizione ossea maligna. Morì all”età di 36 anni a Bonn, in Germania, nel 1894, e fu sepolto nel cimitero di Ohlsdorf ad Amburgo.

La moglie di Hertz, Elisabeth Hertz (1864-1941), non si risposò. Hertz lasciò due figlie, Johanna (1887-1967) e Mathilde (1891-1975). Le figlie di Hertz non si sono mai sposate e lui non ha discendenti.

Onde elettromagnetiche

Nel 1864 il fisico matematico scozzese James Clerk Maxwell propose una teoria completa dell”elettromagnetismo, ora chiamata equazioni di Maxwell. La teoria di Maxwell prevedeva che i campi elettrici e magnetici accoppiati potessero viaggiare nello spazio come “onda elettromagnetica”. Maxwell propose che la luce consisteva in onde elettromagnetiche di breve lunghezza d”onda, ma nessuno era stato in grado di dimostrare questo, o generare o rilevare onde elettromagnetiche di altre lunghezze d”onda.

Durante gli studi di Hertz nel 1879 Helmholtz suggerì che la tesi di dottorato di Hertz fosse sulla verifica della teoria di Maxwell. Helmholtz aveva anche proposto il problema del “Premio Berlino” quell”anno all”Accademia Prussiana delle Scienze per chiunque potesse dimostrare sperimentalmente un effetto elettromagnetico nella polarizzazione e depolarizzazione degli isolanti, qualcosa previsto dalla teoria di Maxwell. Helmholtz era sicuro che Hertz fosse il candidato più probabile per vincere. Non vedendo alcun modo per costruire un apparato per testare sperimentalmente questo, Hertz pensò che fosse troppo difficile, e lavorò invece sull”induzione elettromagnetica. Hertz produsse un”analisi delle equazioni di Maxwell durante il suo periodo a Kiel, dimostrando che avevano più validità delle teorie allora prevalenti dell””azione a distanza”.

Dopo che Hertz ricevette la sua cattedra a Karlsruhe stava sperimentando con una coppia di spirali Riess nell”autunno del 1886 quando notò che scaricando una bottiglia di Leida in una di queste bobine produceva una scintilla nell”altra bobina. Con un”idea su come costruire un apparato, Hertz aveva ora un modo per procedere con il problema del “Premio Berlino” del 1879 sulla dimostrazione della teoria di Maxwell (anche se il premio effettivo era scaduto senza essere stato riscosso nel 1882). Usò come radiatore un”antenna a dipolo costituita da due fili collineari di un metro con uno spinterogeno tra le loro estremità interne, e sfere di zinco attaccate alle estremità esterne per la capacità. L”antenna era eccitata da impulsi di alta tensione di circa 30 kilovolt applicati tra i due lati da una bobina di Ruhmkorff. Riceveva le onde con un”antenna risonante a loop singolo con uno spacco micrometrico tra le estremità. Questo esperimento produsse e ricevette quelle che oggi sono chiamate onde radio nella gamma delle frequenze molto alte.

Tra il 1886 e il 1889 Hertz condusse una serie di esperimenti che avrebbero dimostrato che gli effetti che stava osservando erano i risultati delle onde elettromagnetiche previste da Maxwell. A partire dal novembre 1887 con il suo documento “On Electromagnetic Effects Produced by Electrical Disturbances in Insulators”, Hertz ha inviato una serie di documenti a Helmholtz presso l”Accademia di Berlino, tra cui documenti nel 1888 che ha mostrato le onde elettromagnetiche trasversali spazio libero che viaggiano ad una velocità finita su una distanza. Nell”apparato usato da Hertz, i campi elettrici e magnetici si irradiavano dai fili come onde trasversali. Hertz aveva posizionato l”oscillatore a circa 12 metri da una piastra riflettente di zinco per produrre onde stazionarie. Ogni onda era lunga circa 4 metri. Usando il rilevatore ad anello, registrò come variava la grandezza dell”onda e la direzione della componente. Hertz misurò le onde di Maxwell e dimostrò che la velocità di queste onde era uguale alla velocità della luce. Anche l”intensità del campo elettrico, la polarizzazione e la riflessione delle onde furono misurate da Hertz. Questi esperimenti stabilirono che la luce e queste onde erano entrambe una forma di radiazione elettromagnetica che obbediva alle equazioni di Maxwell. Hertz potrebbe non essere stato il primo a imbattersi nel fenomeno delle onde radio – David Edward Hughes potrebbe aver rilevato la loro esistenza nove anni prima, ma non ha pubblicato i suoi risultati.

Hertz non si rese conto dell”importanza pratica dei suoi esperimenti sulle onde radio. Ha dichiarato che,

Interrogato sulle applicazioni delle sue scoperte, Hertz rispose,

La prova di Hertz dell”esistenza di onde elettromagnetiche nell”aria portò ad un”esplosione di sperimentazione con questa nuova forma di radiazione elettromagnetica, che fu chiamata “onde hertziane” fino al 1910 circa, quando il termine “onde radio” divenne corrente. Entro 10 anni ricercatori come Oliver Lodge, Ferdinand Braun e Guglielmo Marconi impiegarono le onde radio nei primi sistemi di comunicazione radio di telegrafia senza fili, portando alla radiodiffusione e più tardi alla televisione. Nel 1909, Braun e Marconi ricevettero il premio Nobel per la fisica per i loro “contributi allo sviluppo della telegrafia senza fili”. Oggi la radio è una tecnologia essenziale nelle reti globali di telecomunicazione e il mezzo di trasmissione alla base dei moderni dispositivi senza fili.

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Raggi catodici

Nel 1892, Hertz cominciò a sperimentare e dimostrò che i raggi catodici potevano penetrare un foglio di metallo molto sottile (come l”alluminio). Philipp Lenard, uno studente di Heinrich Hertz, studiò ulteriormente questo “effetto raggio”. Sviluppò una versione del tubo catodico e studiò la penetrazione dei raggi X in vari materiali. Tuttavia, Lenard non si rese conto che stava producendo raggi X. Hermann von Helmholtz formulò equazioni matematiche per i raggi X. Ha postulato una teoria della dispersione prima che Röntgen facesse la sua scoperta e il suo annuncio. Era formata sulla base della teoria elettromagnetica della luce (Wiedmann”s Annalen, Vol. XLVIII). Tuttavia, non ha lavorato con i raggi X reali.

Effetto fotoelettrico

Hertz contribuì a stabilire l”effetto fotoelettrico (che fu poi spiegato da Albert Einstein) quando notò che un oggetto carico perde la sua carica più rapidamente quando viene illuminato da una radiazione ultravioletta (UV). Nel 1887, fece delle osservazioni sull”effetto fotoelettrico e sulla produzione e ricezione di onde elettromagnetiche (EM), pubblicate nella rivista Annalen der Physik. Il suo ricevitore consisteva in una bobina con uno spinterometro, per cui una scintilla sarebbe stata vista al rilevamento delle onde EM. Ha messo l”apparecchio in una scatola oscurata per vedere meglio la scintilla. Ha osservato che la lunghezza massima della scintilla era ridotta quando nella scatola. Un pannello di vetro posto tra la sorgente di onde EM e il ricevitore assorbiva i raggi UV che aiutavano gli elettroni a saltare attraverso la fessura. Quando veniva rimosso, la lunghezza della scintilla aumentava. Non ha osservato alcuna diminuzione della lunghezza della scintilla quando ha sostituito il quarzo per il vetro, in quanto il quarzo non assorbe la radiazione UV. Hertz concluse i suoi mesi di indagine e riportò i risultati ottenuti. Non continuò a indagare su questo effetto, né fece alcun tentativo di spiegare come il fenomeno osservato fosse stato generato.

Meccanici di contatto

Nel 1886-1889, Hertz pubblicò due articoli su quello che sarebbe diventato noto come il campo della meccanica dei contatti, che si rivelò una base importante per le successive teorie nel campo. Joseph Valentin Boussinesq pubblicò alcune osservazioni criticamente importanti sul lavoro di Hertz, stabilendo comunque che questo lavoro sulla meccanica dei contatti è di immensa importanza. Il suo lavoro riassume fondamentalmente il comportamento sotto carico di due oggetti assi-simmetrici posti a contatto, ottenendo risultati basati sulla teoria classica dell”elasticità e sulla meccanica dei continui. Il difetto più significativo della sua teoria era la trascuratezza di qualsiasi natura dell”adesione tra i due solidi, che si rivela importante quando i materiali che compongono i solidi iniziano ad assumere un”elevata elasticità. Era naturale trascurare l”adesione all”epoca, tuttavia, poiché non esistevano metodi sperimentali per verificarla.

Per sviluppare la sua teoria, Hertz utilizzò la sua osservazione degli anelli di Newton ellittici che si formano quando si pone una sfera di vetro su una lente come base per assumere che la pressione esercitata dalla sfera segua una distribuzione ellittica. Usò di nuovo la formazione degli anelli di Newton mentre convalidava la sua teoria con esperimenti per calcolare lo spostamento che la sfera ha nella lente. Kenneth L. Johnson, K. Kendall e A. D. Roberts (JKR) hanno usato questa teoria come base per calcolare lo spostamento teorico o la profondità di rientro in presenza di adesione nel 1971. La teoria di Hertz viene recuperata dalla loro formulazione se si assume che l”adesione dei materiali sia zero. Simile a questa teoria, ma con presupposti diversi, B. V. Derjaguin, V. M. Muller e Y. P. Toporov pubblicarono un”altra teoria nel 1975, conosciuta nella comunità dei ricercatori come teoria DMT, che recuperava anche le formulazioni di Hertz sotto l”ipotesi di adesione zero. Questa teoria DMT si è rivelata prematura e ha avuto bisogno di diverse revisioni prima di essere accettata come un”altra teoria del contatto materiale oltre alla teoria JKR. Sia la teoria DMT che la teoria JKR formano la base della meccanica del contatto su cui si basano tutti i modelli di contatto di transizione, utilizzati nella previsione dei parametri dei materiali nella nanoindentazione e nella microscopia a forza atomica. Questi modelli sono centrali nel campo della tribologia e lui è stato nominato come uno dei 23 “Uomini della tribologia” da Duncan Dowson. Le ricerche di Hertz fin dai suoi giorni da docente, che precedettero il suo grande lavoro sull”elettromagnetismo, che lui stesso considerava con la sua caratteristica sobrietà banale, hanno facilitato l”era della nanotecnologia.

Hertz ha anche descritto il “cono hertziano”, un tipo di modalità di frattura nei solidi fragili causata dalla trasmissione delle onde di stress.

Meteorologia

Hertz ebbe sempre un profondo interesse per la meteorologia, probabilmente derivato dai suoi contatti con Wilhelm von Bezold (che fu suo professore in un corso di laboratorio al Politecnico di Monaco nell”estate del 1878). Come assistente di Helmholtz a Berlino, contribuì con alcuni articoli minori nel campo, comprese le ricerche sull”evaporazione dei liquidi, un nuovo tipo di igrometro, e un mezzo grafico per determinare le proprietà dell”aria umida quando è sottoposta a cambiamenti adiabatici.

Heinrich Hertz fu luterano per tutta la sua vita e non si sarebbe considerato ebreo, dato che la famiglia di suo padre si era tutta convertita al luteranesimo quando suo padre era ancora in tenera età (sette anni) nel 1834.

Tuttavia, quando il regime nazista prese il potere decenni dopo la morte di Hertz, i suoi funzionari rimossero il suo ritratto dalla sua prominente posizione d”onore nel municipio di Amburgo (Rathaus) a causa della sua ascendenza parzialmente ebraica. (Il dipinto da allora è stato restituito alla pubblica esposizione).

La vedova e le figlie di Hertz lasciarono la Germania negli anni ”30 e si stabilirono in Inghilterra.

Il nipote di Heinrich Hertz, Gustav Ludwig Hertz, fu un premio Nobel e il figlio di Gustav, Carl Helmut Hertz, inventò l”ultrasonografia medica. Sua figlia Mathilde Carmen Hertz fu una nota biologa e psicologa comparata. Il pronipote di Hertz, Hermann Gerhard Hertz, professore all”Università di Karlsruhe, fu un pioniere della spettroscopia NMR e nel 1995 pubblicò gli appunti di laboratorio di Hertz.

L”unità SI hertz (Hz) fu stabilita in suo onore dalla Commissione Elettrotecnica Internazionale nel 1930 per la frequenza, espressione del numero di volte che un evento ripetuto si verifica al secondo. Fu adottata dalla CGPM (Conférence générale des poids et mesures) nel 1960, sostituendo ufficialmente il nome precedente, “cicli al secondo” (cps).

Nel 1928 fu fondato a Berlino l”Istituto Heinrich-Hertz per la ricerca sulle oscillazioni. Oggi conosciuto come Istituto Fraunhofer per le telecomunicazioni, Istituto Heinrich Hertz, HHI.

Nel 1969, nella Germania dell”Est, fu lanciata una medaglia commemorativa di Heinrich Hertz. La IEEE Heinrich Hertz Medal, istituita nel 1987, è “per i risultati eccezionali nelle onde hertziane presentata annualmente a un individuo per i risultati che sono di natura teorica o sperimentale”.

Nel 1980, in Italia fu fondata una scuola superiore chiamata “Istituto Tecnico Industriale Statale Heinrich Hertz” nel quartiere di Cinecittà Est, a Roma.

Un cratere che si trova sul lato estremo della Luna, appena dietro il lembo orientale, è chiamato in suo onore. Il mercato Hertz per prodotti di radioelettronica a Nizhny Novgorod, Russia, porta il suo nome. La torre di telecomunicazione radio Heinrich-Hertz-Turm ad Amburgo prende il nome dal famoso figlio della città.

Hertz è onorato dal Giappone con un”appartenenza all”Ordine del Sacro Tesoro, che ha più livelli di onore per le persone importanti, compresi gli scienziati.

Heinrich Hertz è stato onorato da un certo numero di paesi in tutto il mondo nelle loro emissioni postali, e nel secondo dopoguerra è apparso anche su varie emissioni di francobolli tedeschi.

Per il suo compleanno nel 2012, Google ha onorato Hertz con un doodle di Google, ispirato al lavoro della sua vita, sulla sua home page.

Fonti