Герц, Генрих Рудольф

gigatos | 22 ноября, 2021

Post Views: 278

Суммури

Генрих Рудольф Герц (нем.: 22 февраля 1857 — 1 января 1894) — немецкий физик, который впервые убедительно доказал существование электромагнитных волн, предсказанных уравнениями электромагнетизма Джеймса Клерка Максвелла. В его честь единица частоты, цикл в секунду, была названа «герц».

Генрих Рудольф Герц родился в 1857 году в Гамбурге, тогда 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 Гелертеншуле де Йоханнеум в Гамбурге Герц проявил способности к наукам, а также к языкам, изучая арабский и санскрит. Он изучал естественные и технические науки в немецких городах Дрезден, Мюнхен и Берлин, где учился у Густава Р. Кирхгофа и Германа фон Гельмгольца. В 1880 году Герц получил степень доктора философии в Берлинском университете, а в течение следующих трех лет оставался на постдокторантуре у Гельмгольца, работая его ассистентом. В 1883 году Герц занял должность преподавателя теоретической физики в Кильском университете. В 1885 году Герц стал полным профессором в университете Карлсруэ.

В 1886 году Герц женился на Элизабет Долл, дочери Макса Долла, преподавателя геометрии в Карлсруэ. У них родились две дочери: Иоганна, родившаяся 20 октября 1887 года, и Матильда, родившаяся 14 января 1891 года, которая стала известным биологом. В это время Герц проводил свои эпохальные исследования электромагнитных волн.

3 апреля 1889 года Герц занял должность профессора физики и директора Физического института в Бонне, которую он занимал до самой смерти. В это время он работал над теоретической механикой, его работы были опубликованы в книге «Принципы механики, изложенные в новой форме» (Die Prinzipien der Mechanik in neuem Zusammenhange dargestellt), изданной посмертно в 1894 году.

Читайте также, биографии — Вермеер, Ян

Смерть

В 1892 году у Герца была диагностирована инфекция (после приступа сильных мигреней), и он перенес операции по лечению болезни. Он умер после осложнений, возникших в результате хирургического вмешательства при попытке исправить состояние, вызывавшее мигрени, которое, по мнению некоторых, было злокачественным заболеванием костей. Он умер в возрасте 36 лет в Бонне, Германия, в 1894 году и был похоронен на кладбище Олсдорф в Гамбурге.

Жена Герца, Элизабет Герц (1864-1941), не вышла замуж вторично. Герц оставил двух дочерей, Иоганну (1887-1967) и Матильду (1891-1975). Дочери Герца никогда не выходили замуж, и у него нет потомков.

Электромагнитные волны

В 1864 году шотландский физик-математик Джеймс Клерк Максвелл предложил всеобъемлющую теорию электромагнетизма, которая теперь называется уравнениями Максвелла. Теория Максвелла предсказала, что соединенные электрические и магнитные поля могут перемещаться в пространстве в виде «электромагнитной волны». Максвелл предположил, что свет состоит из электромагнитных волн короткой длины, но никто не смог доказать это, а также сгенерировать или обнаружить электромагнитные волны других длин волн.

Во время учебы Герца в 1879 году Гельмгольц предложил, чтобы докторская диссертация Герца была посвящена проверке теории Максвелла. Гельмгольц также предложил в том году в Прусской академии наук проблему «Берлинской премии» для того, кто сможет экспериментально доказать электромагнитный эффект в поляризации и деполяризации изоляторов, что было предсказано теорией Максвелла. Гельмгольц был уверен, что Герц — наиболее вероятный кандидат на победу. Не видя возможности построить прибор для экспериментальной проверки, Герц решил, что это слишком сложно, и вместо этого работал над электромагнитной индукцией. Во время работы в Киле Герц провел анализ уравнений Максвелла, показав, что они действительно имеют большую обоснованность, чем распространенные в то время теории «действия на расстоянии».

После того как Герц получил должность 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 на самом деле премия истекла, не будучи полученной в 1882 году). В качестве излучателя он использовал дипольную антенну, состоящую из двух коллинеарных метровых проводов с искровым промежутком между их внутренними концами и цинковыми сферами, прикрепленными к внешним концам для обеспечения емкости. Антенна возбуждалась импульсами высокого напряжения около 30 киловольт, подаваемыми между двумя сторонами от катушки Румкорфа. Он принимал волны с помощью резонансной одноконтурной антенны с микрометровым искровым промежутком между концами. Этот эксперимент позволил получить и принять то, что сейчас называется радиоволнами в диапазоне очень высоких частот.

Между 1886 и 1889 годами Герц провел серию экспериментов, которые должны были доказать, что наблюдаемые им эффекты являются результатом предсказанных Максвеллом электромагнитных волн. Начав в ноябре 1887 года с работы «Об электромагнитных эффектах, вызванных электрическими возмущениями в изоляторах», Герц отправил ряд работ Гельмгольцу в Берлинскую академию, включая работы 1888 года, в которых демонстрировались поперечные электромагнитные волны в свободном пространстве, распространяющиеся с конечной скоростью на расстояние. В аппарате, который использовал Герц, электрические и магнитные поля излучались от проводов в виде поперечных волн. Герц расположил осциллятор на расстоянии около 12 метров от цинковой отражающей пластины, чтобы создать стоячие волны. Длина каждой волны составляла около 4 метров. Используя кольцевой детектор, он регистрировал изменение величины и направления составляющих волны. Герц измерил волны Максвелла и продемонстрировал, что скорость этих волн равна скорости света. Герц также измерил напряженность электрического поля, поляризацию и отражение волн. Эти эксперименты установили, что свет и эти волны являются формой электромагнитного излучения, подчиняющегося уравнениям Максвелла. Возможно, Герц не был первым, кто столкнулся с явлением радиоволн — Дэвид Эдвард Хьюз, возможно, обнаружил их существование девятью годами ранее, но не опубликовал свои результаты.

Герц не осознавал практической важности своих экспериментов с радиоволнами. Он заявил, что,

На вопрос о применении своих открытий Герц ответил,

Доказательство Герцем существования электромагнитных волн в воздухе привело к взрыву экспериментов с этой новой формой электромагнитного излучения, которую называли «герцевскими волнами» примерно до 1910 года, когда в обиход вошел термин «радиоволны». 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 появлению радиовещания, а затем и телевидения. В 1909 году Браун и Маркони получили Нобелевскую премию по физике за «вклад в развитие беспроводной телеграфии». 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 экспериментировать и продемонстрировал, что катодные лучи могут проникать через очень тонкую металлическую фольгу (например, алюминиевую). Филипп Ленард, ученик Генриха Герца, продолжил исследования этого «лучевого эффекта». Он разработал свою версию 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 еще до того, как Рентген сделал свое открытие и объявил о нем. Она была сформирована на основе электромагнитной теории света (Wiedmann»s Annalen, Vol. XLVIII). Однако он не работал с реальными 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 производства и приема электромагнитных (ЭМ) волн, опубликованные в журнале Annalen der Physik. Его приемник состоял из катушки с искровым промежутком, благодаря чему при обнаружении электромагнитных волн появлялась искра. Он поместил прибор в затемненный ящик, чтобы лучше видеть искру. Он заметил, что максимальная длина искры уменьшалась, когда она находилась в коробке. Стеклянная панель, помещенная между источником электромагнитных волн и приемником, поглощала ультрафиолет, который помогал электронам перескакивать через зазор. Если ее убрать, длина искры увеличивалась. Он не заметил уменьшения длины искры, когда заменил кварц на стекло, так как кварц не поглощает ультрафиолетовое излучение. Герц завершил свои многомесячные исследования и сообщил о полученных результатах. Он не стал продолжать исследование этого эффекта и не попытался объяснить, как возникло наблюдаемое явление.

Контактная механика

В 1886-1889 годах Герц опубликовал две статьи о том, что впоследствии стало известно как область контактной механики, которые оказались важной основой для последующих теорий в этой области. Жозеф Валентин Буссинеск опубликовал несколько критически важных замечаний по работе Герца, тем не менее, установив, что эта работа по контактной механике имеет огромное значение. Его работа в общих чертах описывает поведение двух осесимметричных объектов, находящихся в контакте, при нагрузке. Он получил результаты, основанные на классической теории упругости и механике сплошной среды. Наиболее существенным недостатком его теории было пренебрежение любой природой адгезии между двумя твердыми телами, что оказывается важным, когда материалы, составляющие твердые тела, начинают приобретать высокую упругость. Однако в то время пренебрежение адгезией было естественным, поскольку не существовало экспериментальных методов ее проверки.

Для развития своей теории Герц использовал наблюдение эллиптических колец Ньютона, образующихся при помещении стеклянной сферы на линзу, как основу для предположения, что давление, оказываемое сферой, имеет эллиптическое распределение. Он снова использовал образование колец Ньютона при подтверждении своей теории экспериментами при расчете смещения сферы в линзе. Кеннет Л. Джонсон, К. Кендалл и А. Д. Робертс (JKR) использовали эту теорию в качестве основы при расчете теоретического смещения или глубины вдавливания при наличии адгезии в 1971 году. Теория Герца восстанавливается из их формулировки, если адгезия материалов принимается равной нулю. Подобно этой теории, но с использованием других допущений, Б. В. Дерягин, В. М. Мюллер и Ю. П. Топоров в 1975 году опубликовали другую теорию, которая стала известна в научном сообществе как теория DMT, которая также восстанавливала формулировки Герца при допущении нулевой адгезии. Эта теория DMT оказалась преждевременной, и потребовалось несколько пересмотров, прежде чем она была принята в качестве еще одной теории материального контакта в дополнение к теории JKR. Теории DMT и JKR составляют основу контактной механики, на которой базируются все модели переходных контактов и используются для прогнозирования параметров материала при наноиндентировании и атомно-силовой микроскопии. Эти модели занимают центральное место в области трибологии, и Дункан Даусон назвал его одним из 23 «людей трибологии». Исследования Герца, начатые им еще в бытность его лектором и предшествовавшие его великой работе по электромагнетизму, которую он сам со свойственной ему трезвостью считал тривиальной, способствовали наступлению эры 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 своим контактам с Вильгельмом фон Бецольдом (который был его профессором на лабораторном курсе в Мюнхенском политехническом институте летом 1878 года). Будучи ассистентом Гельмгольца в Берлине, он написал несколько небольших статей в этой области, включая исследования по испарению жидкостей, новый вид гигрометра и графический способ определения свойств влажного воздуха при адиабатических изменениях.

Генрих Герц всю жизнь был лютеранином и не считал себя евреем, поскольку семья его отца перешла в лютеранство, когда отец был еще в детстве (в возрасте семи лет) в 1834 году.

Тем не менее, когда через несколько десятилетий после смерти Герца к власти пришел нацистский режим, чиновники сняли его портрет с почетного места в ратуше Гамбурга (Rathaus) из-за его частично еврейского происхождения. (С тех пор картина была возвращена на всеобщее обозрение).

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

Племянник Генриха Герца Густав Людвиг Герц был лауреатом Нобелевской премии, а сын Густава Карл Хельмут Герц изобрел медицинский ультразвук. Его дочь Матильда Кармен Герц была известным биологом и сравнительным психологом. Внучатый племянник Герца Герман Герхард Герц, профессор университета Карлсруэ, был пионером ЯМР-спектроскопии и в 1995 году опубликовал лабораторные записи Герца.

Единица СИ «герц» (Гц) была установлена в его честь Международной электротехнической комиссией в 1930 году для обозначения частоты, выражающей число повторений какого-либо события в секунду. Она была принята CGPM (Conférence générale des poids et mesures) в 1960 году, официально заменив предыдущее название «циклы в секунду» (cps).

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

В 1969 году в Восточной Германии была отлита памятная медаль Генриха Герца. Медаль Генриха Герца, учрежденная IEEE в 1987 году, «за выдающиеся достижения в области герцевских волн ежегодно вручается отдельному человеку за достижения теоретического или экспериментального характера».

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

В его честь назван кратер, который находится на дальней стороне Луны, сразу за восточным лимбом. В его честь назван рынок радиоэлектронной продукции «Герц» в Нижнем Новгороде, Россия. Радиотелекоммуникационная башня Генрих-Герц-Турм в Гамбурге названа в честь знаменитого сына города.

В Японии Герц удостоен членства в Ордене Священного Сокровища, который имеет несколько уровней почета для выдающихся людей, включая ученых.

Генрих Герц был отмечен рядом стран мира в своих почтовых выпусках, а в период после Второй мировой войны появился и на различных выпусках немецких марок.

В день его рождения в 2012 году Google почтил память Герца, разместив на своей главной странице дудл Google, вдохновленный работой всей его жизни.

Источники