Heinrich Hertz

Zusammenfassung

Heinrich Rudolf Hertz (22. Februar 1857 – 1. Januar 1894) war ein deutscher Physiker, der als Erster die Existenz der elektromagnetischen Wellen nachwies, die in den Gleichungen des Elektromagnetismus von James Clerk Maxwell vorhergesagt wurden. Ihm zu Ehren wurde die Einheit der Frequenz, die Schwingung pro Sekunde, „Hertz“ genannt.

Heinrich Rudolf Hertz wurde 1857 in Hamburg, damals ein souveräner Staat des Deutschen Bundes, in eine wohlhabende und kultivierte hanseatische Familie geboren. Sein Vater war Gustav Ferdinand Hertz. Seine Mutter war Anna Elisabeth Pfefferkorn.

Während seines Studiums an der Gelehrtenschule des Johanneums in Hamburg zeigte Hertz sowohl eine Begabung für Naturwissenschaften als auch für Sprachen und lernte Arabisch und Sanskrit. Er studierte Natur- und Ingenieurwissenschaften in den deutschen Städten Dresden, München und Berlin, wo er bei Gustav R. Kirchhoff und Hermann von Helmholtz studierte. Im Jahr 1880 promovierte Hertz an der Universität Berlin zum Dr. rer. nat. und blieb für die nächsten drei Jahre als Assistent von Helmholtz in der Postdoc-Phase. Im Jahr 1883 nahm Hertz eine Stelle als Dozent für theoretische Physik an der Universität Kiel an. Im Jahr 1885 wurde Hertz ordentlicher Professor an der Universität Karlsruhe.

1886 heiratete Hertz Elisabeth Doll, die Tochter von Max Doll, einem Dozenten für Geometrie in Karlsruhe. Sie bekamen zwei Töchter: Johanna, geboren am 20. Oktober 1887, und Mathilde, geboren am 14. Januar 1891, die später eine angesehene Biologin werden sollte. Während dieser Zeit führte Hertz seine bahnbrechenden Forschungen über elektromagnetische Wellen durch.

Am 3. April 1889 wurde Hertz zum Professor für Physik und Direktor des Physikalischen Instituts in Bonn ernannt, eine Position, die er bis zu seinem Tod innehatte. Während dieser Zeit arbeitete er an der theoretischen Mechanik und veröffentlichte seine Arbeiten in dem Buch Die Prinzipien der Mechanik in neuer Zusammenhange dargestellt, das 1894 posthum erschien.

Tod

1892 wurde bei Hertz eine Infektion diagnostiziert (nach einem Anfall von schwerer Migräne) und er unterzog sich Operationen, um die Krankheit zu behandeln. Er starb nach Komplikationen bei einer Operation, mit der versucht wurde, die Ursache für seine Migräne zu beheben, die manche für eine bösartige Knochenerkrankung halten. Er starb 1894 im Alter von 36 Jahren in Bonn, Deutschland, und wurde auf dem Ohlsdorfer Friedhof in Hamburg beigesetzt.

Hertz“ Frau, Elisabeth Hertz (1864-1941), heiratete nicht wieder. Hertz hinterließ zwei Töchter, Johanna (1887-1967) und Mathilde (1891-1975). Die Töchter von Hertz haben nie geheiratet, und er hat keine Nachkommen.

Elektromagnetische Wellen

1864 stellte der schottische mathematische Physiker James Clerk Maxwell eine umfassende Theorie des Elektromagnetismus auf, die heute als Maxwellsche Gleichungen bezeichnet wird. Maxwells Theorie sagte voraus, dass sich gekoppelte elektrische und magnetische Felder als „elektromagnetische Welle“ durch den Raum ausbreiten können. Maxwell schlug vor, dass das Licht aus elektromagnetischen Wellen kurzer Wellenlänge besteht, aber niemand war in der Lage, dies zu beweisen oder elektromagnetische Wellen anderer Wellenlängen zu erzeugen oder zu erkennen.

Während des Studiums von Hertz im Jahr 1879 schlug Helmholtz vor, dass Hertz seine Doktorarbeit über die Überprüfung der Maxwellschen Theorie schreiben sollte. Helmholtz hatte in diesem Jahr auch den „Berliner Preis“ der Preußischen Akademie der Wissenschaften für denjenigen vorgeschlagen, der experimentell einen elektromagnetischen Effekt bei der Polarisation und Depolarisation von Isolatoren nachweisen konnte, der von der Maxwellschen Theorie vorhergesagt wurde. Helmholtz war sich sicher, dass Hertz der aussichtsreichste Kandidat für diesen Wettbewerb war. Da er keine Möglichkeit sah, einen Apparat zu bauen, um dies experimentell zu testen, hielt Hertz dies für zu schwierig und arbeitete stattdessen an der elektromagnetischen Induktion. Hertz erstellte während seiner Zeit in Kiel eine Analyse der Maxwellschen Gleichungen, die zeigte, dass sie mehr Gültigkeit besaßen als die damals vorherrschenden Theorien der Fernwirkung“.

Nachdem Hertz seine Professur in Karlsruhe erhalten hatte, experimentierte er im Herbst 1886 mit einem Paar Riess-Spiralen, als er bemerkte, dass die Entladung einer Leydener Flasche in eine dieser Spulen einen Funken in der anderen Spule erzeugte. Mit einer Idee für den Bau einer Apparatur hatte Hertz nun eine Möglichkeit, das Problem des „Berliner Preises“ von 1879 zum Nachweis der Maxwellschen Theorie zu lösen (obwohl der eigentliche Preis 1882 ungesammelt verfallen war). Er benutzte eine Dipolantenne, die aus zwei kollinearen Ein-Meter-Drähten mit einer Funkenstrecke zwischen ihren inneren Enden und Zinkkugeln bestand, die an den äußeren Enden zur Kapazitätserhöhung angebracht waren. Die Antenne wurde durch Hochspannungsimpulse von etwa 30 Kilovolt angeregt, die von einer Ruhmkorff-Spule zwischen den beiden Seiten angelegt wurden. Er empfing die Wellen mit einer resonanten Single-Loop-Antenne mit einer Mikrometer-Funkenstrecke zwischen den Enden. Dieses Experiment erzeugte und empfing das, was man heute als Radiowellen im sehr hohen Frequenzbereich bezeichnet.

Zwischen 1886 und 1889 führte Hertz eine Reihe von Experimenten durch, die beweisen sollten, dass die Effekte, die er beobachtete, auf die von Maxwell vorhergesagten elektromagnetischen Wellen zurückzuführen waren. Im November 1887 begann Hertz mit seiner Arbeit „On Electromagnetic Effects Produced by Electrical Disturbances in Insulators“ (Über elektromagnetische Effekte, die durch elektrische Störungen in Isolatoren hervorgerufen werden) und schickte eine Reihe von Arbeiten an Helmholtz an der Berliner Akademie, darunter auch Arbeiten aus dem Jahr 1888, die zeigten, dass sich transversale elektromagnetische Wellen im freien Raum mit einer endlichen Geschwindigkeit über eine bestimmte Entfernung ausbreiten. In der von Hertz verwendeten Apparatur strahlten die elektrischen und magnetischen Felder als Transversalwellen von den Drähten weg. Hertz hatte den Oszillator etwa 12 Meter von einer reflektierenden Zinkplatte entfernt aufgestellt, um stehende Wellen zu erzeugen. Jede Welle war etwa 4 Meter lang. Mit dem Ringdetektor zeichnete er auf, wie sich der Betrag und die Richtung der Komponenten der Welle veränderten. Hertz maß die Maxwellschen Wellen und wies nach, dass die Geschwindigkeit dieser Wellen gleich der Lichtgeschwindigkeit ist. Auch die Intensität des elektrischen Feldes, die Polarisation und die Reflexion der Wellen wurden von Hertz gemessen. Mit diesen Experimenten wurde nachgewiesen, dass sowohl Licht als auch diese Wellen eine Form der elektromagnetischen Strahlung sind, die den Maxwell-Gleichungen gehorchen. Hertz war möglicherweise nicht der erste, der auf das Phänomen der Radiowellen stieß – David Edward Hughes entdeckte ihre Existenz zwar neun Jahre früher, veröffentlichte seine Ergebnisse aber nicht.

Hertz war sich der praktischen Bedeutung seiner Radiowellenexperimente nicht bewusst. Er erklärte, dass,

Auf die Frage nach den Anwendungsmöglichkeiten seiner Entdeckungen antwortete Hertz,

Hertz“ Nachweis der Existenz von elektromagnetischen Wellen in der Luft führte zu einer Explosion von Experimenten mit dieser neuen Form der elektromagnetischen Strahlung, die bis etwa 1910, als sich der Begriff „Radiowellen“ durchsetzte, „Hertzsche Wellen“ genannt wurde. Innerhalb von 10 Jahren setzten Forscher wie Oliver Lodge, Ferdinand Braun und Guglielmo Marconi Radiowellen in den ersten drahtlosen Telegrafie-Funkübertragungssystemen ein, was zum Rundfunk und später zum Fernsehen führte. Braun und Marconi erhielten 1909 den Nobelpreis für Physik für ihre „Beiträge zur Entwicklung der drahtlosen Telegrafie“. Heute ist das Radio eine wesentliche Technologie in globalen Telekommunikationsnetzen und das Übertragungsmedium, das modernen drahtlosen Geräten zugrunde liegt.

Kathodenstrahlen

1892 begann Hertz zu experimentieren und wies nach, dass Kathodenstrahlen sehr dünne Metallfolien (wie Aluminium) durchdringen können. Philipp Lenard, ein Schüler von Heinrich Hertz, erforschte diesen „Strahleneffekt“ weiter. Er entwickelte eine Version der Kathodenröhre und untersuchte die Durchdringung verschiedener Materialien mit Röntgenstrahlen. Lenard war sich jedoch nicht bewusst, dass er Röntgenstrahlen erzeugte. Hermann von Helmholtz formulierte mathematische Gleichungen für Röntgenstrahlen. Er postulierte eine Dispersionstheorie, bevor Röntgen seine Entdeckung und Bekanntgabe machte. Sie basierte auf der elektromagnetischen Theorie des Lichts (Wiedmann“s Annalen, Band XLVIII). Allerdings arbeitete er nicht mit echten Röntgenstrahlen.

Photoelektrischer Effekt

Hertz trug zur Begründung des photoelektrischen Effekts bei (der später von Albert Einstein erklärt wurde), als er feststellte, dass ein geladener Gegenstand seine Ladung leichter verliert, wenn er mit ultravioletter Strahlung (UV) beleuchtet wird. Im Jahr 1887 machte er Beobachtungen zum photoelektrischen Effekt und zur Erzeugung und zum Empfang von elektromagnetischen (EM) Wellen, die er in der Zeitschrift Annalen der Physik veröffentlichte. Sein Empfänger bestand aus einer Spule mit einer Funkenstrecke, so dass beim Empfang von EM-Wellen ein Funke zu sehen war. Er stellte den Apparat in einen abgedunkelten Kasten, um den Funken besser sehen zu können. Er beobachtete, dass sich die maximale Funkenlänge in der Box verringerte. Eine Glasplatte zwischen der Quelle der EM-Wellen und dem Empfänger absorbierte UV-Licht, das die Elektronen beim Überspringen des Spalts unterstützte. Wenn sie entfernt wurde, vergrößerte sich die Funkenlänge. Er beobachtete keine Verringerung der Funkenlänge, als er das Glas durch Quarz ersetzte, da Quarz keine UV-Strahlung absorbiert. Hertz schloss seine monatelangen Untersuchungen ab und berichtete über die erzielten Ergebnisse. Er untersuchte diesen Effekt nicht weiter und unternahm auch keinen Versuch, zu erklären, wie das beobachtete Phänomen zustande kam.

Kontakt Mechaniker

In den Jahren 1886-1889 veröffentlichte Hertz zwei Artikel über das, was später als Kontaktmechanik bekannt werden sollte und sich als wichtige Grundlage für spätere Theorien auf diesem Gebiet erwies. Joseph Valentin Boussinesq veröffentlichte einige kritische Anmerkungen zu den Arbeiten von Hertz und stellte fest, dass diese Arbeiten zur Kontaktmechanik von immenser Bedeutung sind. Seine Arbeit fasst im Wesentlichen zusammen, wie sich zwei achsensymmetrische Objekte, die sich berühren, unter Belastung verhalten, und liefert Ergebnisse auf der Grundlage der klassischen Elastizitätstheorie und der Kontinuumsmechanik. Der größte Fehler seiner Theorie war die Vernachlässigung jeglicher Art von Adhäsion zwischen den beiden Festkörpern, die sich als wichtig erweist, wenn die Materialien, aus denen die Festkörper bestehen, eine hohe Elastizität annehmen. Die Vernachlässigung der Adhäsion war damals selbstverständlich, da es keine experimentellen Methoden gab, um sie zu testen.

Zur Entwicklung seiner Theorie nutzte Hertz seine Beobachtung der elliptischen Newtonschen Ringe, die sich beim Aufsetzen einer Glaskugel auf eine Linse bildeten, als Grundlage für die Annahme, dass der von der Kugel ausgeübte Druck einer elliptischen Verteilung folgt. Er nutzte die Bildung der Newtonschen Ringe erneut, während er seine Theorie mit Experimenten validierte, um die Verschiebung der Kugel in der Linse zu berechnen. Kenneth L. Johnson, K. Kendall und A. D. Roberts (JKR) nutzten diese Theorie als Grundlage für die Berechnung der theoretischen Verschiebung oder Eindringtiefe bei Vorhandensein von Adhäsion im Jahr 1971. Die Hertz“sche Theorie wird aus ihrer Formulierung wiedergewonnen, wenn die Adhäsion der Materialien als Null angenommen wird. Ähnlich wie diese Theorie, jedoch unter anderen Annahmen, veröffentlichten B. V. Derjaguin, V. M. Muller und Y. P. Toporov 1975 eine weitere Theorie, die in der Forschungsgemeinschaft als DMT-Theorie bekannt wurde und ebenfalls die Hertz“schen Formulierungen unter der Annahme von Null-Adhäsion wiederherstellte. Diese DMT-Theorie erwies sich als verfrüht und bedurfte mehrerer Überarbeitungen, bevor sie als weitere Materialkontakttheorie neben der JKR-Theorie akzeptiert wurde. Sowohl die DMT- als auch die JKR-Theorie bilden die Grundlage der Kontaktmechanik, auf der alle Übergangskontaktmodelle beruhen und die bei der Vorhersage von Materialparametern bei der Nanoindentation und der Rasterkraftmikroskopie verwendet werden. Diese Modelle sind von zentraler Bedeutung für das Gebiet der Tribologie, und er wurde von Duncan Dowson als einer der 23 „Men of Tribology“ bezeichnet. Hertz“ Forschungen aus seiner Zeit als Dozent, die seiner großen Arbeit über Elektromagnetismus vorausgingen, die er selbst mit der ihm eigenen Nüchternheit als trivial bezeichnete, haben das Zeitalter der Nanotechnologie ermöglicht.

Hertz beschrieb auch den „Hertz“schen Kegel“, eine Art Bruchform in spröden Festkörpern, die durch die Übertragung von Spannungswellen verursacht wird.

Meteorologie

Hertz hatte schon immer ein großes Interesse an der Meteorologie, was wahrscheinlich auf seine Kontakte mit Wilhelm von Bezold zurückzuführen ist (der im Sommer 1878 sein Professor in einem Laborkurs am Münchner Polytechnikum war). Als Assistent von Helmholtz in Berlin verfasste er einige kleinere Artikel auf diesem Gebiet, darunter Forschungen über die Verdunstung von Flüssigkeiten, eine neue Art von Hygrometer und eine grafische Methode zur Bestimmung der Eigenschaften feuchter Luft bei adiabatischen Veränderungen.

Heinrich Hertz war zeitlebens Lutheraner und hätte sich selbst nicht als Jude betrachtet, da die Familie seines Vaters 1834, als sein Vater noch ein Kind war (im Alter von sieben Jahren), zum Luthertum konvertiert war.

Als jedoch das Nazi-Regime Jahrzehnte nach Hertz“ Tod an die Macht kam, entfernten die Beamten sein Porträt von seinem prominenten Ehrenplatz im Hamburger Rathaus, weil er zum Teil jüdischer Abstammung war. Inzwischen ist das Gemälde wieder öffentlich ausgestellt.

Hertz“ Witwe und seine Töchter verließen Deutschland in den 1930er Jahren und ließen sich in England nieder.

Der Neffe von Heinrich Hertz, Gustav Ludwig Hertz, war Nobelpreisträger, und Gustavs Sohn Carl Helmut Hertz erfand die medizinische Ultraschalltechnik. Seine Tochter Mathilde Carmen Hertz war eine bekannte Biologin und vergleichende Psychologin. Hertz“ Großneffe Hermann Gerhard Hertz, Professor an der Universität Karlsruhe, war ein Pionier der NMR-Spektroskopie und veröffentlichte 1995 Hertz“ Laboraufzeichnungen.

Die SI-Einheit Hertz (Hz) wurde ihm zu Ehren 1930 von der Internationalen Elektrotechnischen Kommission für die Frequenz eingeführt, die die Anzahl der Wiederholungen eines Ereignisses pro Sekunde angibt. Sie wurde 1960 von der CGPM (Conférence générale des poids et mesures) angenommen und ersetzte offiziell die vorherige Bezeichnung „Zyklen pro Sekunde“ (cps).

Im Jahr 1928 wurde in Berlin das Heinrich-Hertz-Institut für Schwingungsforschung gegründet. Heute bekannt als Fraunhofer-Institut für Nachrichtentechnik, Heinrich-Hertz-Institut, HHI.

Im Jahr 1969 wurde in Ostdeutschland eine Heinrich-Hertz-Gedenkmedaille gestiftet. Die 1987 gestiftete Heinrich-Hertz-Medaille des IEEE wird „für herausragende Leistungen auf dem Gebiet der Hertz“schen Wellen jährlich an eine Einzelperson für theoretische oder experimentelle Leistungen verliehen“.

1980 wurde in Italien eine Hochschule mit dem Namen „Istituto Tecnico Industriale Statale Heinrich Hertz“ in der Gegend von Cinecittà Est in Rom gegründet.

Ein Krater auf der Rückseite des Mondes, gleich hinter dem östlichen Rand, ist nach ihm benannt. Der Hertz-Markt für Funkelektronikprodukte in Nischni Nowgorod, Russland, ist nach ihm benannt. Der Heinrich-Hertz-Turm in Hamburg ist nach dem berühmten Sohn der Stadt benannt.

Hertz wird von Japan mit einer Mitgliedschaft im Orden des Heiligen Schatzes geehrt, der mehrere Ehrenstufen für prominente Personen, darunter auch Wissenschaftler, vorsieht.

Heinrich Hertz wurde von einer Reihe von Ländern auf der ganzen Welt in ihren Briefmarkenausgaben geehrt, und in der Zeit nach dem Zweiten Weltkrieg erschien er auch auf verschiedenen deutschen Briefmarkenausgaben.

Zu seinem Geburtstag im Jahr 2012 ehrte Google Hertz mit einem von seinem Lebenswerk inspirierten Google-Doodle auf seiner Startseite.

Quellen

  1. Heinrich Hertz
  2. Heinrich Hertz
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