Генрих Рудольф Герц ( / h ɜːr t s / HURTS ; нем. [ˈhaɪnʁɪç hɛʁts] ; [1] [2] 22 февраля 1857 — 1 января 1894) — немецкий физик , впервые окончательно доказавший существование электромагнитных волн, предсказанных уравнениями электромагнетизма Джеймса Клерка Максвелла . Единица частоты, цикл в секунду , была названа « Герц » в его честь. [3]
Генрих Рудольф Герц родился в 1857 году в Гамбурге , тогда суверенном государстве Германского союза , 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 Johanneums в Гамбурге Герц проявил способности к наукам, а также к языкам, изучив арабский язык . Он изучал науки и инженерное дело в немецких городах Дрездене , Мюнхене и Берлине , 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 лектора по теоретической физике в Кильском университете . В 1885 году Герц стал штатным профессором в Университете Карлсруэ . [6]
В 1886 году Герц женился на Элизабет Долль, дочери Макса Долля, преподавателя геометрии в Карлсруэ. У них было две дочери: Иоганна, родившаяся 20 октября 1887 года, и Матильда , родившаяся 14 января 1891 года, которая впоследствии стала известным биологом. В это время Герц проводил свои эпохальные исследования электромагнитных волн. [7]
Герц занял должность профессора физики и директора Физического института в Бонне 3 апреля 1889 года, и занимал эту должность до самой 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, изложенные в новой форме ), изданной посмертно в 1894 году . [8]
В 1892 году у Герца диагностировали инфекцию (после приступа сильной мигрени ) и ему сделали операцию для лечения болезни. Он умер из-за осложнений после операции, которая пыталась вылечить его состояние; некоторые считают, что его недуг был вызван злокачественным заболеванием кости. [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 выходила замуж. У него остались дочери, Иоганна (1887–1967) и Матильда (1891–1975). Ни одна из них не была замужем и не имела детей, поэтому у Герца нет живых потомков. [13]
В 1864 году шотландский математик-физик Джеймс Клерк Максвелл предложил всеобъемлющую теорию электромагнетизма, которая теперь называется уравнениями Максвелла . Теория Максвелла предсказывала, что связанные электрические и магнитные поля могут перемещаться в пространстве как « электромагнитная волна ». Максвелл предположил, что свет состоит из электромагнитных волн с короткой длиной волны, но никто не смог доказать это или сгенерировать или обнаружить электромагнитные волны с другими длинами волн. [15]
Во время исследований Герца в 1879 году Гельмгольц предложил, чтобы докторская диссертация Герца была посвящена проверке теории Максвелла. Гельмгольц также предложил задачу «Берлинской премии» в том году в Прусской академии наук для того, кто сможет экспериментально доказать электромагнитный эффект в поляризации и деполяризации изоляторов , что было предсказано теорией Максвелла. [16] [17] Гельмгольц был уверен, что Герц был наиболее вероятным кандидатом на ее получение. [17] Не видя способа построить аппарат для экспериментальной проверки этого, Герц посчитал это слишком сложным и вместо этого работал над электромагнитной индукцией . Герц действительно провел анализ уравнений Максвелла во время своего пребывания в Киле, показав, что они действительно имели большую обоснованность, чем распространенные тогда теории « действия на расстоянии ». [18]
Осенью 1886 года, после того как Герц получил профессорское звание в Карлсруэ, он экспериментировал с парой спиралей Рисса, когда заметил, что разряд лейденской банки в одну из этих катушек вызывал искру в другой катушке. Имея идею о том, как построить аппарат, Герц теперь имел способ продолжить задачу «Берлинской премии» 1879 года по доказательству теории Максвелла (хотя сама премия истекла неполученной в 1882 году). [19] [20] Он использовал дипольную антенну, состоящую из двух коллинеарных метровых проводов с искровым промежутком между их внутренними концами и цинковых сфер, прикрепленных к внешним концам для емкости , в качестве излучателя. Антенна возбуждалась импульсами высокого напряжения около 30 киловольт, приложенными между двумя сторонами от катушки Румкорфа . Он принимал волны с помощью резонансной одноконтурной антенны с микрометровым искровым промежутком между концами. В ходе этого эксперимента было получено и получено то, что сейчас называется радиоволнами в очень высоком диапазоне частот .
Между 1886 и 1889 годами Герц провел ряд экспериментов, которые должны были доказать, что наблюдаемые им эффекты были результатом предсказанных Максвеллом электромагнитных волн. Начиная с ноября 1887 года со своей статьи «Об электромагнитных эффектах, производимых электрическими возмущениями в изоляторах», Герц отправил ряд статей Гельмгольцу в Берлинскую академию, включая статьи 1888 года, в которых были показаны поперечные электромагнитные волны в свободном пространстве , распространяющиеся с конечной скоростью на расстояние. [20] [21] В аппарате, который использовал Герц, электрические и магнитные поля излучались от проводов в виде поперечных волн . Герц расположил осциллятор примерно в 12 метрах от цинковой отражающей пластины, чтобы создавать стоячие волны . Каждая волна была длиной около 4 метров. [ требуется цитата ] Используя кольцевой детектор, он записал, как изменялась величина волны и направление ее компонентов. Герц измерил волны Максвелла и продемонстрировал, что скорость этих волн равна скорости света. Интенсивность электрического поля , поляризация и отражение волн также были измерены Герцем. Эти эксперименты установили, что свет и эти волны являются формой электромагнитного излучения, подчиняющегося уравнениям Максвелла. [22]
Герц не осознавал практического значения своих экспериментов с радиоволнами . Он утверждал, что [24] [25] [26]
Это бесполезно... это просто эксперимент, который доказывает, что Маэстро Максвелл был прав — у нас просто есть эти загадочные электромагнитные волны, которые мы не можем увидеть невооруженным глазом. Но они есть.
На вопрос о применении его открытий Герц ответил: [24] [27]
Ничего, я полагаю.
Доказательство Герцем существования воздушных электромагнитных волн привело к взрыву экспериментов с этой новой формой электромагнитного излучения, которая называлась «волнами Герца» 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 позднее и телевидению. В 1909 году Браун и Маркони получили Нобелевскую премию по физике за «вклад в развитие беспроводной телеграфии». [28] Сегодня радио является важнейшей технологией в глобальных телекоммуникационных сетях и средством связи, используемым современными беспроводными устройствами. [29] [30]
В 1883 году он попытался доказать, что катодные лучи электрически нейтральны, и получил то, что он интерпретировал как уверенное отсутствие отклонения в электростатическом поле. Однако, как объяснил Дж. Дж. Томсон в 1897 году, Герц поместил отклоняющие электроды в высокопроводящую область трубки, что привело к сильному экранирующему эффекту вблизи их поверхности. [31]
Девять лет спустя Герц начал экспериментировать и продемонстрировал, что катодные лучи могут проникать через очень тонкую металлическую фольгу (например, алюминий). Филипп Ленард , ученик Генриха Герца, продолжил исследование этого « лучевого эффекта ». Он разработал версию катодной трубки и изучил проникновение рентгеновских лучей в различные материалы. Однако Ленард не осознавал, что он 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 была сформирована на основе электромагнитной теории света ( Wiedmann's Annalen , Vol. XLVIII). Однако он не работал с реальными рентгеновскими лучами. [32]
Герц помог установить фотоэлектрический эффект (который позже был объяснен Альбертом Эйнштейном ), когда он заметил, что заряженный объект теряет свой заряд быстрее при освещении ультрафиолетовым излучением (УФ). В 1887 году он провел наблюдения за фотоэлектрическим эффектом и за производством и приемом электромагнитных (ЭМ) волн, опубликованные в журнале Annalen der Physik . Его приемник состоял из катушки с искровым промежутком , посредством чего искра могла быть видна при обнаружении ЭМ волн. Он поместил прибор в затемненную коробку, чтобы лучше видеть искру. Он заметил, что максимальная длина искры уменьшалась, когда она находилась в коробке. Стеклянная панель, помещенная между источником ЭМ волн и приемником, поглощала УФ, что помогало электронам перепрыгивать через зазор. При ее удалении длина искры увеличивалась. Он не наблюдал уменьшения длины искры, когда заменял стекло кварцем, поскольку кварц не поглощает УФ-излучение. Герц завершил свои месяцы исследований и сообщил о полученных результатах. Он не продолжил исследование этого эффекта и не предпринял никаких попыток объяснить, как возникло наблюдаемое явление. [33]
В 1881 и 1882 годах Герц опубликовал две статьи [34] [35] [36] 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 несколько критически важных наблюдений 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, приведенных 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 пренебрежение любой природой адгезии 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 было экспериментальных методов ее проверки. [37]
Для разработки своей теории Герц использовал свое наблюдение за эллиптическими кольцами Ньютона, образованными при помещении стеклянной сферы на линзу, в качестве основы для предположения, что давление, оказываемое сферой, следует эллиптическому распределению . Он снова использовал образование колец Ньютона, подтверждая свою теорию экспериментами по расчету смещения, которое сфера имеет 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. [38] Теория Герца восстанавливается из их формулировки, если адгезия материалов предполагается равной нулю. Подобно этой теории, однако используя другие предположения, Б. В. Дерягин , В. М. Мюллер и Ю. П. Топоров опубликовали другую теорию в 1975 году, которая стала известна в исследовательском сообществе как теория DMT, которая также восстанавливала формулировки Герца при предположении нулевой адгезии. Эта теория DMT оказалась преждевременной и потребовала нескольких пересмотров, прежде чем ее приняли в качестве еще одной теории контакта материалов в дополнение к теории JKR. Обе теории, DMT и JKR, составляют основу контактной механики, на которой основаны все модели переходного контакта и используются для прогнозирования параметров материалов в наноиндентировании и атомно-силовой микроскопии . Эти модели являются центральными в области трибологии , и Дункан Доусон назвал его одним из 23 «Людей трибологии» . [39] Несмотря на предшествующую ему большую работу по электромагнетизму (которую он сам считал с присущей ему трезвостью тривиальной [24] ), исследования Герца по контактной механике способствовали наступлению эпохи нанотехнологий .
Герц также описал « конус Герца », тип разрушения хрупких твердых тел, вызванный передачей волн напряжения. [40]
Герц всегда питал глубокий интерес к метеорологии , вероятно, благодаря своим контактам с Вильгельмом фон Безольдом (который был его профессором в лабораторном курсе в Мюнхенском политехническом институте летом 1878 года). Будучи помощником Гельмгольца в Берлине , он внес вклад в несколько небольших статей в этой области, включая исследования испарения жидкостей , [41] новый тип гигрометра и графические средства определения свойств влажного воздуха, подвергающегося адиабатическим изменениям. [42]
В предисловии к своей книге 1894 года « Принципы механики » Герц обсуждает различные «картины», использовавшиеся для представления физики в его время, 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». [43] Герц хотел устранить «пустые предположения» и выступить против ньютоновской концепции силы и против действия на расстоянии . [43] Философ Людвиг Витгенштейн, вдохновленный работой Герца, расширил свою теорию картин до теории картин языка в своем «Логико-философском трактате» 1921 года , который оказал влияние на логический позитивизм . [43] Витгенштейн также цитирует его в « Голубой и Коричневой книгах» . [44]
Поскольку семья Герца перешла из иудаизма в лютеранство за два десятилетия до его рождения, его наследие в 1930-х годах столкнулось с трудностями со стороны нацистского правительства, режима, который классифицировал людей по «расе», а не по религиозной принадлежности. [45] [46]
Имя Герца было удалено с названий улиц и учреждений, и даже возникло движение за переименование единицы частоты, названной в его честь (герц), в честь Германа фон Гельмгольца , оставив символ (Гц) неизменным. [46]
Его семью также преследовали за неарийский статус. Младшая дочь Герца, Матильда, потеряла должность преподавателя в Берлинском университете после прихода нацистов к власти, и через несколько лет она, ее сестра и их мать покинули Германию и поселились в Англии. [47]
Племянник Генриха Герца, Густав Людвиг Герц был лауреатом Нобелевской премии, а сын Густава Карл Хельмут Герц изобрел медицинскую ультрасонографию . 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 заметки Герца. [48]
Единица СИ герц (Гц) была установлена в его честь Международной электротехнической комиссией в 1930 году для частоты , выражения числа раз, которое повторяющееся событие происходит в секунду. Она была принята CGPM ( Conférence générale des poids et mesures) в 1960 году, официально заменив предыдущее название « циклы в секунду » (cps). [49]
В 1928 году в Берлине был основан Институт исследований колебаний имени Генриха Герца . Сегодня он известен как Институт телекоммуникаций имени Фраунгофера, Институт Генриха Герца, HHI .
В 1969 году в Восточной Германии была отлита памятная медаль Генриха Герца [50] .
Медаль имени Генриха Герца , учрежденная IEEE в 1987 году, присуждается « за выдающиеся достижения в области волн Герца [...] ежегодно отдельному лицу за достижения теоретического или экспериментального характера ».
В его честь назван субмиллиметровый радиотелескоп на горе Грэм, штат Аризона, построенный в 1992 году .
Кратер , расположенный на обратной стороне Луны , сразу за восточным краем, называется кратером Герца и назван в его честь.
В день его рождения в 2012 году Google почтил память Герца , разместив на своей домашней странице рисунок Google , вдохновленный работой всей его жизни. [51] [52]
Списки и истории
Электромагнитное излучение
Другой
{{cite web}}: CS1 maint: бот: исходный статус URL неизвестен ( ссылка )
