Генрих Рудольф Герц ( / h ɜːr t s / HURTS ; немецкий: [ˈhaɪnʁɪç ˈhɛʁts] ; [1] [2] 22 февраля 1857 - 1 января 1894) был немецким физиком , который первым убедительно доказал существование электромагнитных волн , предсказанных Джеймсом . Уравнения электромагнетизма Клерка Максвелла . Единица частоты цикл в секунду была названа в его честь « герцем ». [3]
Генрих Рудольф Герц родился в 1857 году в Гамбурге , тогда суверенном государстве Германской Конфедерации , в зажиточной и культурной ганзейской семье. Его отцом был Густав Фердинанд Герц . [4] Его матерью была Анна Элизабет Пфефферкорн. [5]
Во время учебы в Gelehrtenschule des Yoganeums в Гамбурге Герц проявил способности как к естественным наукам, так и к языкам, выучив арабский язык . Он изучал естественные науки и технику в немецких городах Дрезден , Мюнхен и Берлин , где учился у Густава Р. Кирхгофа и Германа фон Гельмгольца . В 1880 году Герц получил докторскую степень в Берлинском университете и 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 профессором университета Карлсруэ . [6]
В 1886 году Герц женился на Элизабет Долль, дочери Макса Долля, преподавателя геометрии в Карлсруэ. У них было две дочери: Джоанна, родившаяся 20 октября 1887 года, и Матильда , родившаяся 14 января 1891 года, которая впоследствии стала известным биологом. В это время Герц провел свое эпохальное исследование электромагнитных волн. [7]
Герц занял должность профессора физики и директора Физического института в Бонне 3 апреля 1889 года и занимал эту должность до своей смерти. В это время он работал над теоретической механикой, его работа была опубликована в книге Die Prinzipien der Mechanik in neuem Zusammenhange dargestellt ( «Принципы механики, представленные в новой форме »), опубликованной посмертно в 1894 году .
В 1892 году у Герца диагностировали инфекцию (после приступа тяжелой мигрени ) и он перенес операцию по лечению болезни. Он умер после осложнений во время операции, пытаясь вылечить свое состояние, вызвавшее мигрень, которую некоторые считают злокачественным заболеванием костей. [9] Он умер в возрасте 36 лет в Бонне , Германия, в 1894 году и был похоронен на кладбище Ольсдорф в Гамбурге. [10] [11] [12]
Жена Герца, Элизабет Герц ( урожденная Долль; 1864–1941), больше не вышла замуж, и у него остались дочери Йоханна (1887–1967) и Матильда (1891–1975). Он никогда не был женат и не имел детей, поэтому у Герца нет живых потомков. [13]
В 1864 году шотландский физик-математик Джеймс Клерк Максвелл предложил всеобъемлющую теорию электромагнетизма, которая теперь называется уравнениями Максвелла . Теория Максвелла предсказывала, что связанные электрические и магнитные поля могут распространяться в пространстве как « электромагнитные волны ». Максвелл предположил, что свет состоит из электромагнитных волн короткой длины, но никто не смог доказать это или создать или обнаружить электромагнитные волны других длин волн. [15]
Во время учебы Герца в 1879 году Гельмгольц предложил, чтобы докторская диссертация Герца была посвящена проверке теории Максвелла. В том же году Гельмгольц предложил задачу «Берлинской премии» в Прусской академии наук для каждого, кто сможет экспериментально доказать электромагнитный эффект в поляризации и деполяризации изоляторов , что предсказано теорией Максвелла. [16] [17] Гельмгольц был уверен, что Герц был наиболее вероятным кандидатом на победу. [17] Не видя никакого способа построить аппарат для экспериментальной проверки этого, Герц подумал, что это слишком сложно, и вместо этого работал над электромагнитной индукцией . Герц действительно провел анализ уравнений Максвелла во время своего пребывания в Киле, показав, что они действительно имеют большую обоснованность, чем распространенные в то время теории « действия на расстоянии ». [18]
Осенью 1886 года, после того как Герц получил должность профессора в Карлсруэ, он экспериментировал с парой спиралей Рисса , когда заметил, что разряд лейденской банки в одну из этих катушек вызывает искру в другой катушке. Имея идею о том, как построить аппарат, Герц теперь имел возможность приступить к решению задачи «Берлинской премии» 1879 года по доказательству теории Максвелла (хотя срок действия самой премии истек в 1882 году). [19] [20] В качестве излучателя он использовал дипольную антенну , состоящую из двух коллинеарных однометровых проводов с искровым промежутком между их внутренними концами и цинковых сфер, прикрепленных к внешним концам для обеспечения емкости . Антенна возбуждалась импульсами высокого напряжения около 30 киловольт , подаваемыми между двумя сторонами катушки Румкорфа . Он принимал волны с помощью резонансной однорамочной антенны с микрометровым разрядником между концами. В ходе этого эксперимента были произведены и получены то, что сейчас называют радиоволнами в очень высокочастотном диапазоне.
Между 1886 и 1889 годами Герц провел серию экспериментов, которые доказали, что наблюдаемые им эффекты были результатом предсказанных Максвеллом электромагнитных волн. Начиная с ноября 1887 года со своей статьи «Об электромагнитных эффектах, вызываемых электрическими возмущениями в изоляторах», Герц отправил серию статей Гельмгольцу в Берлинскую академию, включая статьи 1888 года, в которых были показаны поперечные электромагнитные волны в свободном пространстве , движущиеся с конечной скоростью по расстояние. [20] [21] В аппарате, который использовал Герц, электрические и магнитные поля излучались от проводов в виде поперечных волн . Герц расположил генератор на расстоянии около 12 метров от цинковой отражающей пластины, чтобы создавать стоячие волны . Каждая волна имела длину около 4 метров. [ нужна цитация ] Используя кольцевой детектор, он записал, как изменяется величина волны и направление ее составляющих. Герц измерил волны Максвелла и показал, что скорость этих волн равна скорости света. Напряженность электрического поля , поляризация и отражение волн были также измерены Герцем. Эти эксперименты установили, что свет и эти волны были формой электромагнитного излучения, подчиняющегося уравнениям Максвелла. [22]
Герц не осознавал практической важности своих экспериментов с радиоволнами . Он заявил, что [24] [25] [26]
Это бесполезно... это всего лишь эксперимент, доказывающий правоту маэстро Максвелла: у нас просто есть загадочные электромагнитные волны, которые мы не можем увидеть невооруженным глазом. Но они есть.
На вопрос о применении своих открытий Герц ответил: [24] [27]
Ничего, я думаю
Доказательство Герца существования воздушных электромагнитных волн привело к бурному экспериментированию с этой новой формой электромагнитного излучения, которое называлось «волнами Герца» примерно до 1910 года, когда термин « радиоволны » стал общепринятым. 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 радиовещанию , а затем и к телевидению. В 1909 году Браун и Маркони получили Нобелевскую премию по физике за «вклад в развитие беспроволочной телеграфии». [28] Сегодня радио является важной технологией в глобальных телекоммуникационных сетях и средой связи, используемой современными беспроводными устройствами. [29] [30]
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 исследование этого « лучевого эффекта ». Он разработал вариант катодной трубки и исследовал 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 до того, как Рентген сделал свое открытие и заявление. Она сформировалась на основе электромагнитной теории света ( «Аннален» Видмана , т. XLVIII). Однако он не работал с настоящими рентгеновскими лучами. [31]
Герц помог установить фотоэлектрический эффект (который позже был объяснен Альбертом Эйнштейном ), когда он заметил, что заряженный объект легче теряет свой заряд при освещении ультрафиолетовым излучением (УФ). В 1887 году он сделал 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 можно было увидеть искру. Он поместил аппарат в затемненный ящик, чтобы лучше видеть искру. Он заметил, что максимальная длина искры в коробке уменьшается. Стеклянная панель, помещенная между источником электромагнитных волн и приемником, поглощала ультрафиолет, что помогало электронам перепрыгивать через зазор. При его удалении длина искры увеличится. Он не заметил уменьшения длины искры, когда заменил стекло кварцем, поскольку кварц не поглощает УФ-излучение. Герц завершил многомесячное расследование и сообщил о полученных результатах. Он не занимался дальнейшим исследованием этого эффекта и не предпринимал никаких попыток объяснить, как возникло наблюдаемое явление. [32]
В 1881 и 1882 годах Герц опубликовал две статьи [33] [34] [35] о том, что впоследствии стало известно как область контактной механики , которая оказалась важной основой для более поздних теорий в этой области. Жозеф Валентин Буссинеск опубликовал некоторые критически важные наблюдения о работе Герца, тем не менее установив, что эта работа по контактной механике имеет огромное значение. Его работа в основном суммирует, как два осесимметричных объекта, помещенных в контакт, будут вести себя под нагрузкой . Он получил результаты, основанные на классической теории упругости и механике сплошной среды . Самым существенным недостатком его теории было игнорирование какой-либо природы сцепления между двумя твердыми телами, что оказывается важным, поскольку материалы, составляющие твердые тела, начинают приобретать высокую эластичность. Однако в то время было естественно пренебречь адгезией, поскольку не существовало экспериментальных методов ее тестирования. [36]
Для разработки своей теории Герц использовал свои наблюдения за эллиптическими кольцами Ньютона , образующимися при помещении стеклянной сферы на линзу, как основу для предположения, что давление, оказываемое сферой, имеет эллиптическое распределение . Он снова использовал образование колец Ньютона, подтверждая свою теорию экспериментами по расчету смещения сферы в линзу. 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. [37] Теория Герца восстанавливается из их формулировки, если адгезия материалов предполагается равным нулю. Подобную этой теории, однако с использованием других предположений, Б. В. Дерягин , В. М. Мюллер и Ю. П. Топоров опубликовали в 1975 г. другую теорию, которая стала известна в научном сообществе как теория ДМТ, которая также восстановила формулировки Герца в предположении нулевой адгезии. Эта теория ДМТ оказалась преждевременной и нуждалась в нескольких пересмотрах, прежде чем она была принята в качестве еще одной теории контакта с материалами в дополнение к теории JKR. Теории DMT и JKR составляют основу контактной механики, на которой основаны все модели переходного контакта и которые используются для прогнозирования параметров материала в наноиндентировании и атомно-силовой микроскопии . Эти модели занимают центральное место в области трибологии , и Дункан Доусон назвал его одним из 23 «людей трибологии» . [38] Несмотря на то, что ему предшествовали его великие работы по электромагнетизму (которые он сам со свойственной ему трезвостью считал тривиальными [24] ), исследования Герца по контактной механике способствовали развитию нанотехнологий .
Герц также описал « конус Герца » — тип разрушения хрупких твердых тел, вызванный передачей волн напряжения. [39]
Герц всегда имел глубокий интерес к метеорологии , вероятно, возникший из-за его контактов с Вильгельмом фон Безольдом (который был его профессором на лабораторном курсе в Мюнхенском политехническом институте летом 1878 года). Будучи помощником Гельмгольца в Берлине , он опубликовал несколько небольших статей в этой области, включая исследования по испарению жидкостей, [40] новый тип гигрометра и графические средства определения свойств влажного воздуха при его воздействии на адиабатические условия . изменения. [41]
Во введении к своей книге «Принципы механики» 1894 года Герц обсуждает различные «картины», использовавшиеся в его время для представления физики, включая картину ньютоновской механики (основанную на массе и силах), вторую картину (основанную на сохранении энергии и принципе Гамильтона). ) и свою собственную картину (основанную исключительно на пространстве, времени, массе и принципе Герца ), сравнивая их с точки зрения «допустимости», «правильности» и «уместности». [42] Герц хотел устранить «пустые предположения» и выступить против ньютоновской концепции силы и против действия на расстоянии . [42] Философ Людвиг Витгенштейн, вдохновленный работой Герца, расширил свою теорию изображений до теории изображений языка в своем «Логико-философском трактате» 1921 года , который оказал влияние на логический позитивизм . [42]
Поскольку семья Герца перешла из иудаизма в лютеранство за два десятилетия до его рождения, его наследие противоречило нацистскому правительству 1930-х годов, режиму, который классифицировал людей по «расе», а не по религиозной принадлежности. [43] [44]
Имя Герца было удалено с улиц и учреждений, и даже возникло движение за переименование единицы частоты, названной в его честь (герц), в честь Германа фон Гельмгольца, сохранив символ (Гц) без изменений. [44]
Его семья также подвергалась преследованиям за неарийский статус. Младшая дочь Герца, Матильда, потеряла преподавательскую должность в Берлинском университете после прихода к власти нацистов, и через несколько лет она, ее сестра и их мать покинули Германию и поселились в Англии. [45]
Племянник Генриха Герца Густав Людвиг Герц был лауреатом Нобелевской премии, а сын Густава Карл Гельмут Герц изобрел медицинское ультразвуковое исследование . Его дочь Матильда Кармен Герц была известным биологом и сравнительной психологией. Внучатый племянник Герца Герман Герхард Герц, профессор Университета Карлсруэ , был пионером ЯМР-спектроскопии и в 1995 году опубликовал лабораторные записи Герца. [46]
Единица СИ герц (Гц) была учреждена в его честь Международной электротехнической комиссией в 1930 году для частоты , выражающей количество раз, когда повторяющееся событие происходит в секунду. Он был принят CGPM (Общая конференция весов и мер) в 1960 году, официально заменив предыдущее название « циклы в секунду » (cps). [47]
В 1928 году в Берлине был основан Институт Генриха-Герца по исследованию колебаний . Сегодня известен как Институт телекоммуникаций Фраунгофера, Институт Генриха Герца, HHI .
В 1969 году в Восточной Германии была отлита памятная медаль Генриха Герца [48] .
Медаль IEEE Генриха Герца , учрежденная в 1987 году, « за выдающиеся достижения в волнах Герца [...] ежегодно вручается человеку за достижения теоретического или экспериментального характера ».
Его именем назван Субмиллиметровый радиотелескоп на горе Грэм, штат Аризона, построенный в 1992 году .
Кратер , расположенный на обратной стороне Луны , сразу за восточным лимбом, — это кратер Герца , названный в его честь.
В день его рождения в 2012 году Google наградил Герца дудлом Google , вдохновленным делом всей его жизни, на своей домашней странице. [49] [50]
{{cite web}}: CS1 maint: bot: original URL status unknown (link)
