Heinrich Hertz
gigatos | december 21, 2021
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.
Läs också: biografier – Neville Chamberlain
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, vilket 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. Hertz efterlämnade två döttrar, Johanna (1887-1967) och Mathilde (1891-1975). Hertz döttrar gifte sig aldrig och han har inga efterkommande.
Läs också: historia-sv – Spanska självständighetskriget
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 överföringsmedium som ligger till grund för moderna trådlösa apparater.
Läs också: biografier – Francisco Franco
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.
Läs också: biografier – Philip Guston
Kontaktmekaniker
1886-1889 publicerade Hertz två artiklar om vad som skulle komma att kallas kontaktmekanik, som 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 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”. Hertz” forskning från hans dagar som föreläsare, som föregick hans stora arbete om elektromagnetism, som han själv med sin karakteristiska nykterhet ansåg vara trivialt, har underlättat nanoteknikens tidsålder.
Hertz beskrev också den ”Hertzska konen”, en typ av brottsform i spröda fasta material som orsakas av överföringen av spänningsvågor.
Läs också: biografier – John Lennon
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.
Heinrich Hertz var lutheran under hela sitt liv och skulle inte ha betraktat sig själv som jude, eftersom hans fars familj alla hade konverterat till lutheranismen när hans far fortfarande var i barndomen (sju år) 1834.
När den nazistiska regimen tog makten flera decennier efter Hertz” död tog dess tjänstemän bort hans porträtt från den framträdande hedersplatsen i Hamburgs stadshus (Rathaus) på grund av hans delvis judiska härstamning. Målningen har sedan dess återställts för offentlig visning.
Hertz” änka och döttrar lämnade Tyskland på 1930-talet och bosatte sig i England.
Heinrich Hertz brorson Gustav Ludwig Hertz fick Nobelpriset, och Gustavs son Carl Helmut Hertz uppfann medicinsk ultraljud. Hans dotter Mathilde Carmen Hertz var en välkänd biolog och jämförande psykolog. Hertz barnbarn Hermann Gerhard Hertz, professor vid universitetet i Karlsruhe, var en pionjär inom NMR-spektroskopi och publicerade 1995 Hertz” laboratorieanteckningar.
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 ”en utmärkelse för framstående insatser inom Hertzska vågor som årligen delas ut till en enskild person för insatser av teoretisk eller experimentell karaktär”.
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
