Генрих Герц

Генрих Герц
Рожденный	Генрих Рудольф Герц ( 1857-02-22 ) 22 февраля 1857 г. Вольный и ганзейский город Гамбург
Умер	1 января 1894 г. ) ( 1894-01-01 ) ( 36 лет Бонн , Германская империя
Альма-матер	Мюнхенский университет Берлинский университет
Известный	Контактные механики Электромагнитное излучение Эмаграмма Параболическая антенна Фотоэлектрический эффект конус Герца Дипольная антенна Герца осциллятор Герца Вектор Герца Уравнение Герца – Кнудсена Принцип наименьшей кривизны Герца
Награды	Медаль Маттеуччи (1888 г.) Медаль Румфорда (1890 г.)
Научная карьера
Поля	Электромагнетизм Электротехника Контактные механики
Учреждения	Кильский университет Университет Карлсруэ Боннский университет
Докторантура	Герман фон Гельмгольц
Докторанты	Вильгельм Бьеркнес
Подпись

Генрих Рудольф Герц ( / h ɜːr t s / HURTS ; Немецкий: [ˈhaɪnʁɪç ˈhɛʁts] ; 22 февраля 1857 — 1 января 1894) — немецкий физик , впервые убедительно доказавший существование электромагнитных волн, предсказанных Клерка Максвелла Джеймса уравнениями электромагнетизма . Единица частоты цикл в секунду была названа в его честь « герцем ».

Биография

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 . Его матерью была Анна Элизабет Пфефферкорн.

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 .

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.

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.

Смерть

В 1892 году у Герца диагностировали инфекцию (после приступа тяжелой мигрени ) и он перенес операцию по лечению болезни. Он умер из-за осложнений после операции, в ходе которой была предпринята попытка вылечить его состояние. Некоторые считают, что его недуг был вызван злокачественным заболеванием костей. Он умер в возрасте 36 лет в Бонне , Германия, в 1894 году и был похоронен на кладбище Ольсдорф в Гамбурге.

Жена Герца, Элизабет Герц ( урожденная Долль; 1864–1941), больше замуж не выходила. У него остались дочери Джоанна (1887–1967) и Матильда (1891–1975). Он никогда не был женат и не имел детей, поэтому у Герца нет живых потомков.

Научная работа

Электромагнитные волны

Аппарат Герца 1887 года для генерации и обнаружения радиоволн: искровой передатчик (слева), состоящий из дипольной антенны с разрядником (S), питаемой импульсами высокого напряжения от катушки Румкорфа (Т) , и приемника (справа), состоящего из рамочной антенны и искрового разрядника.

Один из приемников радиоволн Герца: рамочная антенна с регулируемым искровым микрометром (внизу) .

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.

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. Гельмгольц был уверен, что Герц был наиболее вероятным кандидатом на победу. Не видя способа построить аппарат для экспериментальной проверки этого, Герц посчитал, что это слишком сложно, и вместо этого занялся 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 ».

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). 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 создания емкости В качестве излучателя . 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 созданы и получены то, что сейчас называют радиоволнами в очень высокочастотном диапазоне.

Первый радиопередатчик Герца: с емкостной нагрузкой дипольный резонатор , состоящий из пары медных проводов длиной один метр с искровым промежутком 7,5 мм между ними, заканчивающихся цинковыми сферами диаметром 30 см. Когда индукционная катушка подавала высокое напряжение между двумя сторонами, искры на искровом промежутке создавали стоячие волны радиочастотного тока в проводах, которые излучали радиоволны . Частота . волн составляла примерно 50 МГц, примерно такая же, как в современных телевизионных передатчиках

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 в свободном пространстве электромагнитные волны , движущиеся с конечной скоростью по расстояние. В аппарате, который использовал Герц, электрические и магнитные поля исходили от проводов в виде поперечных волн . Герц расположил генератор на расстоянии примерно 12 метров от цинковой отражающей пластины, чтобы создавать стоячие волны . Каждая волна была около 4 метров в длину. волны Используя кольцевой детектор, он зафиксировал, как менялись величина 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.

Направленный искровой передатчик Герца (в центре) , полуволновая дипольная антенна, сделанная из двух латунных стержней диаметром 13 см с искровым разрядником в центре (крупный план слева), питаемый от катушки Румкорфа из цилиндрического листового металла размером 1,2 х 2 м. , на фокальной линии параболического отражателя . Он излучал луч волн длиной 66 см и частотой около 450 МГц. Приемник (справа) представляет собой аналогичную параболическую дипольную антенну с микрометровым искровым разрядником .

Демонстрация Герца поляризации радиоволн: приемник не реагирует, когда антенны перпендикулярны, как показано, но по мере вращения приемника принимаемый сигнал становится сильнее (как показано по длине искр), пока не достигнет максимума, когда диполи параллельны.

Еще одна демонстрация поляризации: волны проходят через поляризационный фильтр к приемнику только тогда, когда провода перпендикулярны диполям (А) , а не когда они параллельны (Б) .

Демонстрация преломления : радиоволны изгибаются при прохождении через , призму смоляную подобно световым волнам при прохождении через стеклянную призму.

График Герца о стоячих волнах, возникающих, когда радиоволны отражаются от листа металла.

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

Это бесполезно... это всего лишь эксперимент, который доказывает 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:

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». Сегодня радио является важной технологией в глобальных телекоммуникационных сетях и средой связи, используемой современными беспроводными устройствами.

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 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.

Фотоэлектрический эффект

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.

Контактные механики

Основная статья: Контактная механика

Мемориал Генриха Герца на территории кампуса Технологического института Карлсруэ , что переводится как « На этом месте Генрих Герц открыл электромагнитные волны в 1885–1889 годах».

В 1881 и 1882 годах Герц опубликовал две статьи. 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 обобщает, 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.

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. Теория Герца восстанавливается из их формулировки, если предположить, что адгезия материалов равна нулю. Подобную этой теории, но с использованием других предположений, Б. В. Дерягин , В. М. Мюллер и Ю. П. Топоров опубликовали в 1975 г. другую теорию, которая стала известна в исследовательском 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 назвал его одним из 23 «людей трибологии» , и Дункан Доусон . Несмотря на предшествовавшую ему большую работу по электромагнетизму (которую он сам со свойственной ему трезвостью считал тривиальной) ), исследования Герца в области контактной механики способствовали появлению нанотехнологий .

Герц также описал « конус Герца » — тип разрушения хрупких твердых тел, вызванный передачей волн напряжения.

Метеорология

Герц всегда имел глубокий интерес к метеорологии , вероятно, возникший из 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, в том числе исследования испарения жидкостей . новый вид гигрометра и графическое средство определения свойств влажного воздуха при его адиабатических изменениях.

Философия науки

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». Герц хотел отказаться от «пустых предположений» и выступить против ньютоновской концепции силы и против действия на расстоянии . Философ Людвиг Витгенштейн, вдохновленный работами Герца, расширил свою теорию изображений до теории изображений языка в своем «Логико-философском трактате» 1921 года, который оказал влияние на логический позитивизм . Витгенштейн также цитирует его в Голубой и Коричневой книгах .

Лечение Третьего Рейха

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.

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.

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.

Наследие и почести

Генрих Герц

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.

Единица СИ герц (Гц) была учреждена в его честь Международной электротехнической комиссией в 1930 году для частоты , выражения количества раз, которое повторяется событие в секунду. Он был принят CGPM (Общая конференция весов и мер) 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 известен как Институт телекоммуникаций Фраунгофера, Институт Генриха Герца, HHI .

В 1969 году в Восточной Германии памятная медаль Генриха Герца. был отлит.

Медаль IEEE Генриха Герца , учрежденная в 1987 году, « за выдающиеся достижения в волнах Герца [...] ежегодно вручается человеку за достижения теоретического или экспериментального характера ».

году . Его именем назван Субмиллиметровый радиотелескоп на горе Грэм, штат Аризона, построенный в 1992

Кратер , расположенный на стороне Луны обратной , 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.

Работает

• Об индукции во вращающихся сферах (на немецком языке). Берлин: Густав Шаде. 1880.
• Принципы механики представлены в новом контексте (на немецком языке). Лейпциг: Иоганн Амброзиус Барт. 1894.
• Сочинения смешанного содержания (на немецком языке). Лейпциг: Иоганн Амброзиус Барт. 1895.

• 
  Об индукции во вращающихся сферах , 1880 г.
• 
  Сочинения смешанного содержания , 1895 г.

См. также

Списки и истории

• Институт телекоммуникаций Фраунгофера , Институт Генриха Герца
• История радио
• Изобретение радио
• Список физиков
• Очерк физики
• Хронология механики и физики
• Хронология электромагнетизма
• Беспроводная телеграфия

Электромагнитное излучение

• Микроволновая печь

Другой

• Список немецких изобретателей и первооткрывателей

Дальнейшее чтение

• Герц, Х.Р. «Об очень быстрых электрических колебаниях», Анналы физики , вып. 267, № 7, с. 421–448, май 1887 г. два : 10.1002/andp.18872670707
• Герц, Х.Р. «О влиянии ультрафиолетового света на электрический разряд», Анналы физики , том. 267, № 8, с. 983-1000, июнь 1887 г. два : 10.1002/andp.18872670827
• Герц, Х.Р. «О влиянии прямолинейных электрических колебаний на соседнюю траекторию тока», Annals of Physics , vol. 270, № 5, с. 155–170, март 1888 г. два : 10.1002/andp.18882700510
• Герц, Х.Р. «О скорости распространения электродинамических эффектов», Анналы физики , вып. 270, № 7, с. 551–569, май 1888 г. два : 10.1002/andp.18882700708
• Герц, HR (1899) «Принципы механики, представленные в новой форме» , Лондон, Макмиллан, с введением Германа фон Гельмгольца (английский перевод «Принципов механики, представленных в новом контексте» , Лейпциг, посмертно опубликованный в 1894 году).

———

• Эпплярд, Ролло. (1930). Пионеры электрической связи ». Лондон: Macmillan and Company . перепечатано издательством Ayer Company Publishers, Манчестер, Нью-Гэмпшир: ISBN   0-8369-0156-8
• Боданис, Дэвид. (2006). Электрическая вселенная: как электричество изменило современный мир. Нью-Йорк: Three Rivers Press . ISBN   0-307-33598-4
• Брайант, Джон Х. (1988). Генрих Герц, Начало микроволн: открытие электромагнитных волн и открытие электромагнитного спектра Генрихом Герцем в 1886–1892 годах. Нью-Йорк: IEEE (Институт инженеров по электротехнике и электронике). ISBN   0-87942-710-8
• Бухвальд, Джед З. (декабрь 2011 г.) [сентябрь 1994 г.], Создание научных эффектов: Генрих Герц и электрические волны , University of Chicago Press, стр. 45, ISBN  9780226078915
• Дженкинс, Джон Д. «Открытие радиоволн - 1888; Генрих Рудольф Герц (1847–1894)» (получено 27 января 2008 г.)
• Лодж, Оливер Джозеф (1897), Передача сигналов в пространстве без проводов с помощью электрических волн: описание работы Герца и его преемников , Лондон: Типография и паб «Электрик». Ко.
• Можис, Дэниел. (2000). Контакт, адгезия и разрыв упругих тел. Нью-Йорк: Springer-Verlag. ISBN   3-540-66113-1
• Нотон, Рассел. «Генрих Рудольф (альт. Рудольф) Герц, доктор: 1857–1894» (получено 27 января 2008 г.)
• Роберж, Пьер Р. «Генрих Рудольф Герц, 1857–1894» (получено 27 января 2008 г.)
• Сасскинд, Чарльз. (1995). Генрих Герц: короткая жизнь. Сан-Франциско: Сан-Франциско Пресс. ISBN   0-911302-74-3

Внешние ссылки

• «Герц, Генрих Рудольф» . Британская энциклопедия . Том. 13 (11-е изд.). 1911. стр. 400–401.
• Газетные вырезки о Генрихе Герце в архив ZBW ХХ веке Пресс -