Außerhalb unseres Bewusstseins liegt die kalte und fremde Welt der tatsächlichen Dinge. Zwischen den beiden erstreckt sich das schmale Grenzland der Sinne. Keine Kommunikation zwischen den beiden Welten ist möglich, außer über den schmalen Streifen. Für ein richtiges Verständnis unserer selbst und der Welt ist es von höchster Wichtigkeit, dass dieses Grenzland gründlich erforscht wird.
Heinrich Rudolf Hertz war ein deutscher Physiker, der die Existenz der elektromagnetischen Wellen, die durch James Clerk Maxwells Gleichungen des Elektromagnetismus vorhergesagt wurden, erstmals schlüssig bewies. Die Einheit der Frequenz, Zyklus pro Sekunde, wurde ihm zu Ehren „Hertz" genannt.
Biografie
Heinrich Rudolf Hertz wurde 1857 in Hamburg geboren, damals ein souveräner Staat der Deutschen Konföderation, in eine wohlhabende und kultivierte Hanseatische Familie. Sein Vater war Gustav Ferdinand Hertz. Seine Mutter war Anna Elisabeth Pfefferkorn.
Während seines Studiums an der Gelehrtenschule des Johanneums in Hamburg zeigte Hertz eine Begabung für Naturwissenschaften sowie Sprachen und erlernte Arabisch und Sanskrit. Er studierte Naturwissenschaften und Ingenieurwesen in den deutschen Städten Dresden, München und Berlin, wo er unter Gustav R. Kirchhoff und Hermann von Helmholtz studierte. 1880 erhielt Hertz seinen PhD von der Universität Berlin und blieb die nächsten drei Jahre zur postdoktoralen Forschung unter Helmholtz, wo er als sein Assistent tätig war. 1883 nahm Hertz eine Stelle als Dozent für theoretische Physik an der Universität Kiel an. 1885 wurde Hertz Ordinarius an der Universität Karlsruhe.
1886 heiratete Hertz Elisabeth Doll, die Tochter von Max Doll, einem Dozenten für Geometrie in Karlsruhe. Sie hatten zwei Töchter: Johanna, geboren am 20. Oktober 1887 und Mathilde, geboren am 14. Januar 1891, die später eine bemerkenswerte Biologin wurde. Während dieser Zeit führte Hertz seine bahnbrechende Forschung zu elektromagnetischen Wellen durch.
Hertz nahm am 3. April 1889 eine Stelle als Professor für Physik und Direktor des Physikalischen Instituts in Bonn an, eine Position, die er bis zu seinem Tod innehatte. Während dieser Zeit arbeitete er an theoretischer Mechanik, dessen Arbeiten in dem Buch „Die Prinzipien der Mechanik in neuem Zusammenhange dargestellt" veröffentlicht wurden, das 1894 posthum veröffentlicht wurde.
Tod
1892 wurde Hertz nach einer Zeit schwerer Migränen mit einer Infektion diagnostiziert und unterzog sich Operationen zur Behandlung der Krankheit. Er starb an Komplikationen bei einer Operation, um seinen Zustand zu beheben, der diese Migränen verursachte, was manche als maligne Knochenkrankheit betrachten. Er starb im Alter von 36 Jahren 1894 in Bonn, Deutschland und wurde auf dem Ohlsdorf-Friedhof in Hamburg begraben.
Hertz' Frau, Elisabeth Hertz geb. Doll 1864–1941, heiratete nicht wieder. Hertz hinterließ zwei Töchter, Johanna 1887–1967 und Mathilde 1891–1975. Hertz' Töchter heirateten nie und er hat keine Nachkommen.
Wissenschaftliche Arbeit
Elektromagnetische Wellen
1864 schlug der schottische mathematische Physiker James Clerk Maxwell eine umfassende Theorie des Elektromagnetismus vor, die heute Maxwell-Gleichungen genannt wird. Maxwells Theorie sagte vorher, dass gekoppelte elektrische und magnetische Felder durch den Raum als „elektromagnetische Welle" wandern könnten. Maxwell schlug vor, dass Licht aus elektromagnetischen Wellen kurzer Wellenlänge besteht, aber niemand war in der Lage gewesen, dies zu beweisen oder elektromagnetische Wellen anderer Wellenlängen zu erzeugen oder nachzuweisen.
Während Hertz' Studien 1879 schlug Helmholtz vor, dass Hertz' Dissertations-Thema auf der Prüfung von Maxwells Theorie beruhen sollte. Helmholtz hatte auch das „Berliner Preis"-Problem dieses Jahres an der Preußischen Akademie der Wissenschaften für jeden gestellt, der experimentell einen elektromagnetischen Effekt bei der Polarisierung und Depolarisierung von Isolatoren beweisen könnte, etwas, das Maxwells Theorie vorhergesagt hatte. Helmholtz war sicher, dass Hertz der wahrscheinlichste Kandidat für den Gewinn war. Da Hertz keinen Weg sah, um ein Gerät zum experimentellen Testen zu bauen, dachte er, es wäre zu schwierig, und arbeitete stattdessen an elektromagnetischer Induktion. Hertz produzierte eine Analyse von Maxwells Gleichungen während seiner Zeit in Kiel und zeigte, dass sie mehr Gültigkeit hatten als die damals vorherrschenden Theorien der „Fernwirkung".
Nach Hertz' Berufung zum Professor in Karlsruhe experimentierte er mit einem Paar Riess-Spiralen im Herbst 1886, als er bemerkte, dass das Entladen einer Leyden-Flasche in eine dieser Spulen einen Funken in der anderen Spule erzeugen würde. Mit einer Idee, wie man ein Gerät bauen könnte, hatte Hertz nun einen Weg, um mit dem „Berliner Preis"-Problem von 1879 zum Beweis von Maxwells Theorie voranzukommen, obwohl der eigentliche Preis 1882 uneingelöst abgelaufen war. Er verwendete eine von einer Ruhmkorff-Spule angetriebene Funkenstrecke und ein Eins-Meter-Drahtkpaar als Strahler. Kapazitätskugeln waren an den Enden für Schaltungsresonanzeinstellungen vorhanden. Sein Empfänger war eine Schleifenantenne mit einer Mikrometer-Funkenstrecke zwischen den Elementen. Dieses Experiment erzeugte und empfing das, was heute als Radiowellen im sehr hohen Frequenzbereich bekannt ist.
Hertz' erster Radiosender: ein kapazitätsbelasteter Dipolresonator, bestehend aus einem Paar ein Meter langer Kupferdrähte mit einer 7,5 mm Funkenstrecke zwischen ihnen, endend in 30 cm Zinkspären. Wenn eine Induktionsspule eine hohe Spannung zwischen die beiden Seiten anlegte, erzeugten Funken über die Funkenstrecke stehende Wellen von Radiofrequenzstrom in den Drähten, die Radiowellen ausstrahlten. Die Frequenz der Wellen betrug etwa 50 MHz, ungefähr die in modernen Fernsehsendern verwendete Frequenz.
Zwischen 1886 und 1889 führte Hertz eine Reihe von Experimenten durch, die die Auswirkungen beweisen würden, die er beobachtete, waren Ergebnisse von Maxwells vorhergesagten elektromagnetischen Wellen. Ab November 1887 mit seinem Papier „Über elektromagnetische Effekte, die durch elektrische Störungen in Isolatoren erzeugt werden", würde Hertz eine Reihe von Papieren an Helmholtz an der Berliner Akademie senden, einschließlich Papieren von 1888, die transversale freie Raumwellen zeigten, die elektromagnetisch mit endlicher Geschwindigkeit über eine Distanz reisen. In dem Apparat, den Hertz verwendete, würden sich die elektrischen und magnetischen Felder von den Drähten als transversale Wellen ausbreiten. Hertz hatte den Oszillator etwa 12 Meter von einer Zinkreflexionsplatte positioniert, um stehende Wellen zu erzeugen. Jede Welle war etwa 4 Meter lang. Mit dem Ring-Detektor zeichnete er auf, wie sich die Größe und die Komponenten-Richtung der Welle änderten. Hertz maß Maxwells Wellen und demonstrierte, dass die Geschwindigkeit dieser Wellen gleich der Lichtgeschwindigkeit war. Die elektrische Feldstärke, Polarisierung und Reflexion der Wellen wurden ebenfalls von Hertz gemessen. Diese Experimente zeigten, dass Licht und diese Wellen beide eine Form der elektromagnetischen Strahlung waren, die den Maxwell-Gleichungen gehorchte.
Hertz' direktionaler Funkensender-Mitte, eine Halbwellen-Dipolantenne aus zwei 13 cm Messingventilen mit Funkenstrecke in der Mitte Nahaufnahme links angetrieben von einer Ruhmkorff-Spule, auf der Brennlinie eines 1,2 m x 2 m zylindrischen Blechparabolreflektors. Es strahlte einen Strahl von 66 cm Wellen mit einer Frequenz von etwa 450 MHz ab. Empfänger rechts ist eine ähnliche parabolische Dipolantenne mit Mikrometer-Funkenstrecke. Hertz' Demonstration der Polarisierung von Radiowellen: Der Empfänger reagiert nicht, wenn die Antennen senkrecht sind wie gezeigt, aber wenn der Empfänger gedreht wird, wächst das empfangene Signal stärker, wie durch die Länge der Funken gezeigt, bis es ein Maximum erreicht, wenn die Dipole parallel sind. Eine weitere Demonstration der Polarisierung: Wellen durchlaufen das Polarisierungsfilter zum Empfänger nur, wenn die Drähte senkrecht zu den Dipolen A stehen, nicht wenn sie parallel B sind. Demonstration der Brechung: Radiowellen biegen sich, wenn sie durch ein aus Pech bestehendes Prisma gehen, ähnlich wie Lichtwellen, wenn sie durch ein Glasprisma gehen. Hertz' Diagramm der stehenden Wellen, die entstehen, wenn Radiowellen von einem Metallblatt reflektiert werden
Hertz erkannte die praktische Bedeutung seiner Radiowellen-Experimente nicht. Er sagte,
"Es ist überhaupt zu nichts nutze[...] dies ist nur ein Experiment, das beweist, dass Maestro Maxwell recht hatte – wir haben nur diese geheimnisvollen elektromagnetischen Wellen, die wir mit dem bloßen Auge nicht sehen können. Aber sie sind da."
Auf die Frage nach den Anwendungen seiner Entdeckungen antwortete Hertz,
"Nichts, würde ich sagen."
Hertz' Beweis der Existenz von Luft-Elektromagnetischen Wellen führte zu einer Explosion von Experimenten mit dieser neuen Form elektromagnetischer Strahlung, die bis etwa 1910 „Hertzsche Wellen" genannt wurde, als der Begriff „Radiowellen" gebräuchlich wurde. Innerhalb von 10 Jahren beschäftigten sich Forscher wie Oliver Lodge, Ferdinand Braun und Guglielmo Marconi mit Radiowellen in den ersten drahtlosen Telegrafie-Funktelegrafie-Kommunikationssystemen, was zu Rundfunk und später zum Fernsehen führte. 1909 erhielten Braun und Marconi den Nobelpreis für Physik für ihre „Beiträge zur Entwicklung der drahtlosen Telegrafie". Heute ist Radio eine wesentliche Technologie in globalen Telekommunikationsnetzwerken und das Übertragungsmedium, das modernen drahtlosen Geräten zugrunde liegt. „Heinrich Hertz". Abgerufen am 3. Februar 2020.
Kathodenstrahlen
1892 begann Hertz zu experimentieren und demonstrierte, dass Kathodenstrahlen sehr dünne Metallfolien wie Aluminium durchdringen konnten. Philipp Lenard, ein Schüler von Heinrich Hertz, forschte diese „Strahleffekt" weiter. Er entwickelte eine Version der Kathodenröhre und studierte die Durchdringung verschiedener Materialien durch Röntgenstrahlen. Philipp Lenard erkannte jedoch nicht, dass er Röntgenstrahlen erzeugte. Hermann von Helmholtz formulierte mathematische Gleichungen für Röntgenstrahlen. Er postulierte eine Dispersionstheorie vor Röntgens Entdeckung und Ankündigung. Sie wurde auf der Grundlage der elektromagnetischen Lichttheorie Wiedmann's Annalen, Band XLVIII formuliert. Er arbeitete jedoch nicht mit tatsächlichen Röntgenstrahlen.
Photoelektrischer Effekt
Hertz half, den photoelektrischen Effekt zu etablieren, der später von Albert Einstein erklärt wurde, als er bemerkte, dass ein geladenes Objekt seine Ladung leichter verliert, wenn es von ultravioletter Strahlung UV beleuchtet wird. 1887 machte er Beobachtungen des photoelektrischen Effekts und der Erzeugung und des Empfangs elektromagnetischer EM-Wellen, veröffentlicht in der Zeitschrift Annalen der Physik. Sein Empfänger bestand aus einer Spule mit einer Funkenstrecke, wobei beim Empfang von EM-Wellen ein Funken sichtbar wäre. Er platzierte den Apparat in einer verdunkelten Box, um den Funken besser zu sehen. Er beobachtete, dass die maximale Funkenlänge in der Box verringert wurde. Ein zwischen der EM-Wellenquelle und dem Empfänger platziertes Glaspanel absorbierte UV, die den Elektronen beim Überqueren des Spalts half. Wenn es entfernt wurde, würde die Funkenlänge zunehmen. Er beobachtete keine Abnahme der Funkenlänge, als er Quarz durch Glas ersetzte, da Quarz keine UV-Strahlung absorbiert. Hertz schloss seine Monate lange Untersuchung ab und berichtete über die erhaltenen Ergebnisse. Er verfolgte diese Auswirkung nicht weiter, noch machte er irgendwelche Versuche, zu erklären, wie das beobachtete Phänomen zustande kam.
Kontaktmechanik
1886–1889 veröffentlichte Hertz zwei Artikel zu dem, was als Bereich der Kontaktmechanik bekannt werden sollte und sich als wichtige Grundlage für spätere Theorien auf diesem Gebiet erwies. Joseph Valentin Boussinesq veröffentlichte einige kritisch wichtige Beobachtungen zu Hertz' Arbeit und etablierte diese Arbeit über Kontaktmechanik als von immenser Bedeutung. Seine Arbeit fasst grundsätzlich zusammen, wie sich zwei axisymmetrische Objekte in Kontakt unter Belastung verhalten, erhielt er Ergebnisse basierend auf der klassischen Elastizitätstheorie und Kontinuumsmechanik. Das signifikanteste Versagen seiner Theorie war die Vernachlässigung jeder Art von Adhäsion zwischen den zwei Festkörpern, was sich als wichtig erweist, wenn die Materialien, die die Festkörper bilden, beginnen, hohe Elastizität anzunehmen. Es war natürlich, Adhäsion in diesem Zeitalter zu vernachlässigen, da es keine experimentellen Methoden zum Testen gab.
Um seine Theorie zu entwickeln, nutzte Hertz seine Beobachtung elliptischer Newtonringe, die beim Platzieren einer Glaskugel auf einem Objektiv gebildet wurden, als Grundlage für die Annahme, dass der von der Kugel ausgeübte Druck einer elliptischen Verteilung folgt. Er nutzte die Bildung von Newtonringen erneut, während er seine Theorie mit Experimenten bei der Berechnung der Verschiebung, die die Kugel in das Objektiv hat, validierte. K. L. Johnson, K. Kendall und A. D. Roberts JKR nutzten diese Theorie 1971 als Grundlage bei der Berechnung der theoretischen Verschiebung oder Eindrucktiefe in Gegenwart von Adhäsion. Hertz' Theorie wird aus ihrer Formulierung zurückgewonnen, wenn die Adhäsion der Materialien als null angenommen wird. Ähnlich dieser Theorie, aber mit anderen Annahmen, veröffentlichten B. V. Derjaguin, V. M. Muller und Y. P. Toporov 1975 eine andere Theorie, die in der Forschungsgemeinschaft als DMT-Theorie bekannt wurde und auch Hertz' Formulierungen unter der Annahme von Null-Adhäsion zurückgewann. Diese DMT die
