Генріх ГЕРЦ

1. Біографія Генріха Герца
2. Наукова спадщина Генріха Герца
3. Дослідження електромагнітних хвиль
4. Експериментальний апарат Герца в 1887 році
5. Радіоприймач Герца (іскровий)
6. Відкриття зовнішнього фотоефекту
7. Нагороди Генріха Герца
8. Наукові праці Генріха Герца

1. Біографія Генріха Герца
2. Наукова спадщина Генріха Герца
3. Дослідження електромагнітних хвиль
4. Експериментальний апарат Герца в 1887 році
5. Радіоприймач Герца (іскровий)
6. Відкриття зовнішнього фотоефекту
7. Нагороди Генріха Герца
8. Наукові праці Генріха Герца

Біографія Генріха Герца

В історії науки не так багато відкриттів, з якими доводиться стикатися щодня. Але без того, що зробив Генріх Герц, сучасне життя уявити вже неможливо, оскільки радіо і телебачення є необхідною частиною нашого побуту, а він зробив відкриття саме в цій області.

Всі вважали, що він піде по стопах батька. І дійсно, Генріх вступив в Гамбургське реальне училище і збирався вивчати юриспруденцію. Однак після того як у них в училищі почалися заняття з фізики, його інтереси круто змінилися. На щастя, батьки не заважали хлопчикові шукати своє покликання і дозволили йому перейти до гімназії, закінчивши яку він отримував право вступу до університету.
Отримавши атестат зрілості, Герц виїхав в 1875 році в Дрезден і вступив до вищого технічного училища. Спочатку йому там сподобалося, але поступово юнак зрозумів, що кар'єра інженера не для нього. 1 листопада 1877 він відправив батькам лист, де були такі слова: "Раніше я часто говорив собі, що бути посереднім інженером для мене краще, ніж посереднім ученим. А тепер думаю, що Шиллер прав, сказавши: "Хто боїться ризикувати життям, той не доб'ється в ній успіху". І ця зайва моя обережність була б із мого боку безумством ".

Тому він пішов з училища і відправився в Мюнхен, де був прийнятий відразу на другий курс університету. Проведені в Мюнхені роки показали, що університетських знань недостатньо; для самостійних наукових занять необхідно було знайти вченого, який погодився б стати його науковим керівником. Ось чому після закінчення університету Герц вирушив до Берліна, де влаштувався асистентом в лабораторії найбільшого німецького фізика того часу Германа Гельмгольца.
Гельмгольц незабаром помітив талановитого юнака, і між ними встановилися хороші відносини, які згодом перейшли в тісну дружбу і одночасно в наукове співробітництво. Під керівництвом Гельмгольца Герц захистив дисертацію і став визнаним фахівцем у своїй галузі.

Гельмгольц в своєму некролозі згадує початок наукового шляху Герца, коли він запропонував йому тему для студентської роботи з області електродинаміки, "будучи впевнений, що Герц зацікавиться цим питанням і успішно його дозволить". Таким чином, Гельмгольц ввів Герца в ту область, в якій йому згодом довелося зробити фундаментальні відкриття і обезсмертити себе. Характеризуючи стан електродинаміки в той час (літо 1879 роки), Гельмгольц писав: "... Область електродинаміки перетворилася на той час в бездорожную пустелю. Факти, засновані на спостереженнях і наслідках з вельми сумнівних теорій, - все це було упереміж з'єднане між собою ". Саме в цей рік Герц народився як вчений.
Вченого-цілком захопила робота над обов'язковою для випускника університету докторською дисертацією, яку він хотів закінчити як можна швидше. 5 лютого 1880 Генріх Герц був увінчаний ступенем доктора наук з рідкісним в історії Берлінського університету, та ще у таких суворих професорів, як Кірхгоф і Гельмгольц, предикатом - з відзнакою. Його дипломна робота "Про індукції в обертовому кулі" була теоретичної, і він продовжував займатися теоретичними дослідженнями у фізичному інституті при університеті.

Але Генріх Герц став сумніватися, так як він вважав, що теоретичні роботи, оприлюднені ним, випадкові для нього як для вченого. Його все більше і більше стали залучати експерименти.

За рекомендацією свого вчителя в 1883 році Герц отримав посаду доцента в Кілі, а через шість років став професором фізики у Вищій технічній школі в Карлсруе. Тут у Герца була своя власна експериментальна лабораторія, яка забезпечила йому свободу творчості, можливість займатися тим, до чого він відчував інтерес і визнання. Герц усвідомив, що більше всього на світі його цікавить електрика, швидкі електричні коливання, над вивченням яких він трудився ще в студентські роки. Саме в Карлсруе почався найбільш плідний період його наукової діяльності, який, на жаль, тривав недовго.

У роботі 1884 Герц показує, що максвеллівська електродинаміка має переваги по відношенню до звичайної, але вважає недоведеним, що вона є єдино можливою. Надалі Герц, однак, зупинився на компромісній теорії Гельмгольца. Гельмгольц взяв у Максвелла і Фарадея визнання ролі середовища в електромагнітних процесах, але на відміну від Максвелла вважав, що дія незамкнутих струмів має бути відмінно від дії замкнутих струмів.
Це питання вивчав в лабораторії Гельмгольца М.М. Шиллер в 1876 році. Шиллер не виявлено відмінності між замкнутими і незамкненими струмами, як це і повинно було бути по теорії Максвелла! Але, мабуть, Гельмгольц не задовольнився цим і запропонував Герцу знову зайнятися перевіркою теорії Максвелла.

Підрахунки Герца показали, що очікуваний ефект навіть при найбільш сприятливих умовах буде занадто малий, і він "відмовився від розробки завдання". Однак з того часу він не переставав думати про можливі шляхи її вирішення і його увага "було загострене щодо всього, що пов'язано з електричними коливаннями".

До початку досліджень Герца електричні коливання були вивчені і теоретично і експериментально. Герц з його загостреною увагою до цього питання, працюючи у вищій технічній школі в Карлсруе, знайшов у фізичному кабінеті пару індукційних котушок, що призначалися для лекційних демонстрацій. "Мене вразило, - писав він, - що для отримання іскри в одній обмотці не було необхідності розряджати великі батареї через іншу і більш того, що для цього достатні невеликі лейденські банки і навіть розряди невеликого індукційного апарату, якщо тільки розряд пробивав іскровий проміжок". Експериментуючи з цими котушками, Герц прийшов до ідеї свого першого досвіду.

Експериментальну установку і самі досліди Герц описав в опублікованій в 1887 році статті "Про вельми швидких електричних коливаннях". Герц описує тут спосіб генерації коливань, "приблизно в сто разів швидше спостережених Феддерсеном". "Період цих коливань, - пише Герц, - визначається, звичайно, лише за допомогою теорії, вимірюється стомільйонний частками секунди. Отже, щодо тривалості вони займають середнє місце між звуковими коливаннями вагомих тіл і світловими коливаннями ефіру ", але ні про які електромагнітних хвилях довжиною близько 3 метрів Герц в цій роботі не говорить. Все, що він зробив, це сконструював генератор і приймач електричних коливань, вивчаючи індукційне дію коливального контуру генератора на коливальний контур приймача при максимальній відстані між ними 3 метри.

У роботі "Про дії струму" Герц перейшов до вивчення явищ на більш далекій відстані, працюючи в аудиторії довжиною 14 метрів і шириною 12 метрів. Він виявив, що якщо відстань приймача від вібратора менше одного метра, то характер розподілу електричної сили аналогічний полю диполя і убуває обернено пропорційно кубу відстані. Однак на відстанях, що перевищують 3 метра, поле спадає значно повільніше і неоднаково в різних напрямках. У напрямку осі вібратора дію спадає значно швидше, ніж в напрямку, перпендикулярному осі, і ледь помітно на відстані 4 метрів, тоді, як в перпендикулярному напрямку, воно досягає відстаней, великих 12 метрів.
Цей результат суперечить всім законам теорії дальнодействия. Герц продовжував дослідження в хвильовій зоні свого вібратора, поле якого він пізніше розрахував теоретично. У багатьох наступних робіт Герц незаперечно довів існування електромагнітних хвиль, що поширюються з кінцевою швидкістю. "Результати дослідів, поставлених мною над швидкими електричними коливаннями, - писав Герц у своїй восьмій статті 1888 року, - показали мені, що теорія Максвелла має перевагу перед усіма іншими теоріями електродинаміки".

Поле в цій хвильової зоні в різні моменти часу Герц зобразив за допомогою картини силових ліній. Ці малюнки Герца увійшли в усі підручники електрики. Розрахунки Герца лягли в основу теорії випромінювання антен і класичної теорії випромінювання атомів і молекул.

Таким чином, Герц в процесі своїх досліджень остаточно і беззастережно перейшов на точку зору Максвелла, надав зручну форму його рівнянням, доповнив теорію Максвелла теорією електромагнітного випромінювання. Герц отримав експериментально електромагнітні хвилі, передбачені теорією Максвелла, і показав їх тотожність з хвилями світла.

У 1889 році на 62-му з'їзді німецьких природознавців і лікарів Герц прочитав доповідь "Про співвідношення між світлом і електрикою". Тут він підводить підсумки своїх дослідів в наступних словах: "Всі ці досліди дуже прості в принципі, але, тим не менш, вони тягнуть за собою найважливіші слідства. Вони руйнують будь-яку теорію, яка вважає, що електричні сили перестрибують простір миттєво. Вони означають блискучу перемогу теорії Максвелла ... Наскільки малоймовірним здавалося раніше її погляд на сутність світла, настільки важко тепер не розділити цей погляд ".
У 1890 році Герц опублікував дві статті: "Про основні рівняннях електродинаміки в покояться тілах" і "Про основні рівняннях електродинаміки для рухомих тіл". Ці статті містили дослідження про поширення "променів електричної сили" і, по суті, давали то канонічний виклад максвеллівською теорії електричного поля, яке увійшло з тих пір в навчальну літературу.

Досліди Герца викликали величезний резонанс. Особливу увагу привернули досліди, описані в роботі "Про променях електричної сили". "Ці досліди з увігнутими дзеркалами, - писав Герц в" Запровадження "до своєї книги" Дослідження з розповсюдження електричної сили ", - швидко звернули на себе увагу, вони часто повторювалися і підтверджувалися. Вони отримали позитивну оцінку, яка далеко перевершила мої очікування ".

Серед численних повторень дослідів Герца особливе місце займають досліди російського фізика П. Н. Лебедєва, опубліковані в 1895 році, першому році після смерті Герца.

В останні роки життя Герц переїхав до Бонна, де також очолив кафедру фізики в місцевому університеті. Там він скоїв ще одне найбільше відкриття. У своїй роботі "Про вплив ультрафіолетового світла на електричний розряд", що надійшла в "Протоколи Берлінської Академії наук" 9 червня 1887 року Герц описує важливе явище, відкрите їм і який отримав згодом назву фотоелектричного ефекту.

Це чудове відкриття було зроблено завдяки недосконалості герцевского методу детектування коливань: іскри, порушувані в приймальнику, були настільки слабкі, що Герц вирішив для полегшення спостереження помістити приймач в темний футляр. Однак виявилося, що максимальна довжина іскри при цьому значно менше, ніж у відкритому контурі. Видаляючи послідовно стінки футляра, Герц помітив, що заважає, надає стінка, звернена до іскри генератора. Досліджуючи ретельно це явище, Герц встановив причину, яка полегшує іскровий розряд приймача, - ультрафіолетове світіння іскри генератора. Таким чином, чисто випадково, як пише сам Герц, був відкритий важливий факт, який не мав прямого відношення до мети дослідження. Цей факт відразу ж привернув увагу ряду дослідників, в тому числі професора Московського університету А.Г. Столєтова, особливо ретельно досліджував новий ефект, названий їм актіноелектріческім.

Дослідити це явище детально Герц не встиг, оскільки раптово помер від злоякісної пухлини 1 січня 1894 року. До останніх днів життя вчений працював над книгою "Принципи механіки, викладені в новій зв'язку". У ній він прагнув осмислити власні відкриття і намітити подальші шляхи дослідження електричних явищ.

Після передчасної смерті вченого цю працю закінчив і підготував до видання Герман Гельмгольц. У передмові до книги він назвав Герца найталановитішим зі своїх учнів і передбачив, що його відкриття будуть визначати розвиток науки на багато десятиліть вперед.

Слова Гельмгольца виявилися пророчими і почали збуватися вже через кілька років після смерті вченого. А в XX столітті з робіт Герца виникли практично всі напрямки сучасної фізики.

Племінник Г. Герца - Густав Людвіг Герц (1887-1975) - став відомим фізиком і лауреатом Нобелівської премії, а син останнього - Карл Хельмут Герц (1920-1990) - творцем медичної сонографии.

Наукова спадщина Генріха Герца

Основне досягнення - експериментальне підтвердження електромагнітної теорії світла Джеймса Максвелла. Герц довів існування електромагнітних хвиль. Він докладно дослідив відображення, інтерференцію, дифракцію і поляризацію електромагнітних хвиль, довів що швидкість їх поширення збігається зі швидкістю поширення світла, і що світло являє собою не що інше як різновид електромагнітних хвиль. Він побудував електродинаміку рухомих тіл, виходячи з гіпотези про те, що ефір захоплюється рухомими тілами. Однак його електродинаміка виявилася в протиріччі з досвідом і пізніше поступилася місцем електронної теорії Х. Лоренца. Результати, отримані Герцем, лягли в основу розвитку радіо.

У 1886-87 рр. Герц вперше спостерігав і дав опис зовнішнього фотоефекту. Герц розробляв теорію резонансного контуру, вивчав властивості катодних променів, досліджував вплив ультрафіолетових променів на електричний розряд. У ряді робіт з механіки дав теорію удару пружних куль, розрахував час зіткнення і т.д. У книзі "Принципи механіки" (1894) дав висновок загальних теорем механіки і її математичного апарату, виходячи з єдиного принципу (принцип Герца).

Іменем Герца з 1933 року називається одиниця вимірювання частоти Герц, яка входить в міжнародну метричну систему одиниць СІ.

Дослідження електромагнітних хвиль

З 1885 по 1889 роки Герц працював професором фізики технічного університету в Карлсруе. Саме в ці роки він провів свої знамениті досліди з розповсюдження електричної сили, які довели реальність електромагнітних хвиль. Апаратура, якою користувався Герц, може здатися тепер більш ніж простий, але тим замечательнее отримані ним результати. Джерелами електромагнітного випромінювання у нього були іскри в розрядниках. Електромагнітні хвилі від розрядників викликали іскрові розряди між кульками в "приймачах" - розташованих в декількох метрах контурах, налаштованих в резонанс. Герцу вдалося не тільки виявити хвилі, в тому числі, і стоячі, а й дослідити швидкість їх поширення, відображення, заломлення і навіть поляризацію. Все це дуже нагадувало оптику, з тим тільки (досить істотним!) Відмінністю, що довжини хвиль були майже в мільярд разів більше.

Експериментальний апарат Герца в 1887 році

Радіопередавач Герца на основі котушки Румкорфа (з ударним збудженням коливального контуру ключовим переривником).

Постійний струм від DC, проходячи через котушки намагнічує ее залізний сердечник, ВІН прітягує рухомий контакт и ланцюг розрівається, коли магнітне поле зникає контакт замікається знову. [9] Для проведення дослідів Герц придумавши и сконструював свой Знаменитий віпромінювач електромагнітніх хвиля, назв Згідно "вібратором Герца". Вібратор представляв собою два мідніх прутка з насаджень на кінцях латунними кульками и по одній Великій цінковій сфере або квадратної пластини, что грає роль конденсатора. Між кульками залишався зазор - іскровий проміжок. До мідним стрижнях були прикріплені кінці вторинної обмотки котушки Румкорфа - перетворювача постійного струму низької напруги в змінний струм високої напруги. При імпульсах змінного струму між кульками проскакували іскри і в навколишній простір випромінювалися електромагнітні хвилі. Переміщенням сфер або пластин уздовж стрижнів регулювалися індуктивність і ємність ланцюга, що визначають довжину хвилі.

Радіоприймач Герца (іскровий)

Щоб вловлювати випромінюються хвилі, Герц придумав найпростіший резонатор - дротове незамкнуте кільце або прямокутну незамкнуту рамку з такими ж, як у "передавача" латунними кульками на кінцях і регульованим іскровим проміжком.

В результаті проведених дослідів Герц виявив, що якщо в генераторі відбуватимуться високочастотні коливання (в його розрядному проміжку проскакує іскра), то в розрядному проміжку резонатора, віддаленому від генератора навіть на 3 м, теж будуть проскакувати маленькі іскри. Таким чином, іскра в другій ланцюга виникала без всякого безпосереднього контакту з першої ланцюгом. Провівши численні досліди при різних взаємних положеннях генератора і приймача, Герц приходить до висновку про існування електромагнітних хвиль, що поширюються з кінцевою швидкістю. Чи будуть вони вести себе, як світло? Герц проводить ретельну перевірку цього припущення. Після вивчення законів відображення і заломлення, після встановлення поляризації та вимірювання швидкості електромагнітних хвиль він довів їх повну аналогію зі світловими. Все це було викладено в роботі "Про променях електричної сили", що вийшла в грудні 1888 г. Цей рік вважається роком відкриття електромагнітних хвиль і експериментального підтвердження теорії Максвелла.

Завдяки своїм дослідам Герц прийшов до наступних висновків:

1. Хвилі Максвелла "синхронні" (справедливість теорії Максвелла, що швидкість поширення радіохвиль дорівнює швидкості світла);

2. Можна передавати енергію електричного і магнітного поля без проводів.

У 1887 після закінчення дослідів вийшла перша стаття Герца "Про дуже швидких електричних коливаннях", а в 1888 - ще більш фундаментальна праця "Про електродинамічних хвилях у повітрі і їх відображенні".

Але навіть на теоретичному рівні досягнення Герца були відразу відзначені вченими як початок нової "електричної ери".

Відкриття зовнішнього фотоефекту

Щоб краще бачити іскру в своїх дослідах, Герц помістив приймач в затемнену коробку. При цьому він зауважив, що в коробці довжина іскри в приймачі стає менше. Тоді Герц став експериментувати в цьому напрямку, зокрема, він досліджував залежність довжини іскри в разі, коли між передавачем і приймачем поміщається екран з різних матеріалів. Герц знайшов, що електромагнітні хвилі проходили через одні види матеріалів і відбивалися іншими, що призвело в майбутньому до появи радарів. Крім того, Герц помітив, що заряджений конденсатор втрачає свій заряд швидше при висвітленні його пластин ультрафіолетовим випромінюванням. Отримані результати стали відкриттям нового явища у фізиці, названого фотоефектом. Теоретичне обґрунтування цього явища в XX столітті як-би дав Альберт Ейнштейн, який отримав за це Нобелівську премію в 1921 році.

Нагороди Генріха Герца

У 1930 році Міжнародна Електротехнічна Комісія в честь Герца встановила нову одиницю виміру - Герц (Гц), яка застосовується як міра кількості повторюваних подій в одиницю часу (її також називають "кількість циклів в секунду"). Вона була прийнята Міжнародним бюро мір і ваг в 1964 році як одиниця частоти в системі СІ.

У 1969 році в Східній Німеччині була випущена пам'ятна медаль на честь Генріха Герца. У 1987 році IEEE заснувала Медаль Генріха Герца "за видатні досягнення у вивченні хвиль Герца", що присуджується щорічно ученим-теоретикам і експериментаторам.

На честь Герца назвали кратер, який знаходиться на сході зворотного боку Місяця. У Нижньому Новгороді, Росія, в честь Герца названий міський ринок радіоелектроніки. Міська теле-радіокомунікаційна вежа в Гамбурзі названа в честь знаменитого уродженця міста.

У 1889 Італійське суспільство наук в Неаполі нагородило його медаллю імені Маттеучі, Паризька академія наук - премією Лаказ, а Віденська імператорська академія - премією Баумгартнера. Через рік Лондонське королівське товариство нагороджує Герца медаллю Румфорда, а в 1891 Королівська академія в Турині - премією Бресса. Прусський уряд нагороджує його орденом Корони. Крім того, Герц був удостоєний японського ордена Святого скарби.

Наукові праці Генріха Герца

1. Hertz, HR "Ueber sehr schnelle electrische Schwingungen" , Annalen der Physik, vol. 267, no. 7, p. 421-448, May 1 887.
2. Hertz, HR "Ueber einen Einfluss des ultravioletten Lichtes auf die electrische Entladung" , Annalen der Physik, vol. 267, no. 8, p. 983-1000, June 1887
3. Hertz, HR "Ueber die Einwirkung einer geradlinigen electrischen Schwingung auf eine benachbarte Strombahn" , Annalen der Physik, vol. 270, no. 5, p. 155-170, March 1888
4. Hertz, HR "Ueber die Ausbreitungsgeschwindigkeit der electrodynamischen Wirkungen" , Annalen der Physik, vol. 270, no. 7, p. 551-569, May 1888
5. Hertz, HR "Electric Waves: Being Researches on the Propagation of Electric Action with Finite Velocity Through Space" . Dover Publications. ISBN 1-4297-4036-1., 1893.
6. Hertz, HR "The Principles of Mechanics Presented in a New Form", - London, Macmillan, 1899, with an introduction by Hermann von Helmholtz (English translation of Die Prinzipien der Mechanik in neuem Zusammenhange dargestellt, Leipzig, posthumously published in 1894).
7. Герц Г.Р. Дослідження про поширення електричної сили. - М.-Л., 1938.
8. Герц Г.Р. Принципи механіки, викладені в новій зв'язку. - М .: Изд. АН СРСР, 1959.
9. Герц Г.Р. 50 років хвиль Герца (збірка вибраних робіт Г.Герца під ред. Аркадьева В.К.) . М.-Л .: АН СРСР, 1938. (djvu)