Heinrich Hertz

Samenvatting

Heinrich Rudolf Hertz (Duits: 22 februari 1857 – 1 januari 1894) was een Duits natuurkundige die als eerste onomstotelijk het bestaan bewees van de elektromagnetische golven die door de elektromagnetismevergelijkingen van James Clerk Maxwell werden voorspeld. De eenheid van frequentie, cyclus per seconde, werd ter ere van hem de “hertz” genoemd.

Heinrich Rudolf Hertz werd in 1857 geboren in Hamburg, toen een soevereine staat van de Duitse Confederatie, in een welvarende en gecultiveerde Hanze-familie. Zijn vader was Gustav Ferdinand Hertz. Zijn moeder was Anna Elisabeth Pfefferkorn.

Tijdens zijn studie aan de Gelehrtenschule des Johanneums in Hamburg toonde Hertz een aanleg voor zowel wetenschappen als talen en leerde hij Arabisch en Sanskriet. Hij studeerde wetenschappen en techniek in de Duitse steden Dresden, München en Berlijn, waar hij studeerde bij Gustav R. Kirchhoff en Hermann von Helmholtz. In 1880 promoveerde Hertz aan de Universiteit van Berlijn en de volgende drie jaar bleef hij postdoctoraal studeren bij Helmholtz, als diens assistent. In 1883 werd Hertz docent theoretische fysica aan de universiteit van Kiel. In 1885 werd Hertz hoogleraar aan de universiteit van Karlsruhe.

In 1886 trouwde Hertz met Elisabeth Doll, de dochter van Max Doll, een docent meetkunde in Karlsruhe. Zij kregen twee dochters: Johanna, geboren op 20 oktober 1887 en Mathilde, geboren op 14 januari 1891, die later een opmerkelijk biologe zou worden. In deze periode verrichtte Hertz zijn baanbrekende onderzoek naar elektromagnetische golven.

Hertz werd op 3 april 1889 professor in de natuurkunde en directeur van het natuurkundig instituut in Bonn, een functie die hij bekleedde tot aan zijn dood. Gedurende deze tijd werkte hij aan theoretische mechanica, zijn werk werd gepubliceerd in het boek Die Prinzipien der Mechanik in neuem Zusammenhange dargestellt (De principes van de mechanica gepresenteerd in een nieuwe vorm), postuum gepubliceerd in 1894.

Dood

In 1892 werd Hertz gediagnosticeerd met een infectie (na een periode van hevige migraine) en onderging operaties om de ziekte te behandelen. Hij stierf na complicaties tijdens operaties in pogingen om zijn aandoening die deze migraine veroorzaakte te verhelpen, wat volgens sommigen een kwaadaardige botaandoening was. Hij stierf op 36-jarige leeftijd in Bonn, Duitsland, in 1894, en werd begraven op het Ohlsdorf kerkhof in Hamburg.

De vrouw van Hertz, Elisabeth Hertz (1864-1941), hertrouwde niet. Hertz liet twee dochters na, Johanna (1887-1967) en Mathilde (1891-1975). De dochters van Hertz zijn nooit getrouwd en hij heeft geen nakomelingen.

Elektromagnetische golven

In 1864 stelde de Schotse wiskundige natuurkundige James Clerk Maxwell een uitgebreide theorie van het elektromagnetisme voor, die nu de vergelijkingen van Maxwell worden genoemd. Maxwells theorie voorspelde dat gekoppelde elektrische en magnetische velden zich door de ruimte konden verplaatsen als een “elektromagnetische golf”. Maxwell stelde voor dat licht bestond uit elektromagnetische golven met een korte golflengte, maar niemand had dit kunnen bewijzen, of elektromagnetische golven van andere golflengten kunnen opwekken of detecteren.

Tijdens Hertz” studie in 1879 stelde Helmholtz voor om Hertz” proefschrift te wijden aan het testen van Maxwells theorie. Helmholtz had dat jaar aan de Pruisische Academie van Wetenschappen ook het probleem van de “Berlijnse Prijs” voorgesteld voor iedereen die experimenteel een elektromagnetisch effect kon aantonen in de polarisatie en depolarisatie van isolatoren, iets dat voorspeld was door Maxwells theorie. Helmholtz was er zeker van dat Hertz de meest waarschijnlijke kandidaat was om de wedstrijd te winnen. Hertz zag geen mogelijkheid om een apparaat te bouwen om dit experimenteel te testen en vond het te moeilijk, en werkte in plaats daarvan aan elektromagnetische inductie. Hertz produceerde een analyse van Maxwells vergelijkingen gedurende zijn tijd in Kiel, waaruit bleek dat deze meer geldigheid hadden dan de toen heersende “actie op afstand” theorieën.

Nadat Hertz zijn professoraat in Karlsruhe had gekregen, was hij in de herfst van 1886 aan het experimenteren met een paar Riess spiralen toen hij merkte dat het ontladen van een Leyden pot in een van deze spoelen een vonk veroorzaakte in de andere spoel. Met een idee over hoe een apparaat te bouwen, had Hertz nu een manier om verder te gaan met het probleem van de “Berlijnprijs” van 1879 over het bewijzen van Maxwells theorie (hoewel de eigenlijke prijs in 1882 niet was geïnd). Hij gebruikte een dipoolantenne bestaande uit twee collineaire draden van een meter met een vonkspleet tussen hun binnenste uiteinden, en zinkbollen bevestigd aan de buitenste uiteinden voor de capaciteit, als een radiator. De antenne werd geprikkeld door hoogspanningspulsen van ongeveer 30 kilovolt die tussen de twee zijden werden aangelegd vanuit een Ruhmkorff-spoel. Hij ontving de golven met een resonante enkel-lus antenne met een vonkspleet van een micrometer tussen de uiteinden. Dit experiment produceerde en ontving wat nu radiogolven in het zeer hoge frequentiebereik worden genoemd.

Tussen 1886 en 1889 voerde Hertz een reeks experimenten uit die zouden bewijzen dat de effecten die hij waarnam het resultaat waren van Maxwells voorspelde elektromagnetische golven. Hertz begon in november 1887 met zijn artikel “On Electromagnetic Effects Produced by Electrical Disturbances in Insulators” en stuurde een reeks artikelen naar Helmholtz van de Berlijnse Academie, waaronder artikelen uit 1888 die aantoonden dat transversale elektromagnetische golven in de vrije ruimte zich met een eindige snelheid over een afstand voortbewogen. In het apparaat dat Hertz gebruikte, straalden de elektrische en magnetische velden van de draden weg als transversale golven. Hertz had de oscillator ongeveer 12 meter van een zinken reflecterende plaat geplaatst om staande golven te produceren. Elke golf was ongeveer 4 meter lang. Met behulp van de ringdetector registreerde hij hoe de grootte en de richting van de golven varieerden. Hertz mat de golven van Maxwell en toonde aan dat de snelheid van deze golven gelijk was aan de snelheid van het licht. De intensiteit van het elektrische veld, de polarisatie en de weerkaatsing van de golven werden ook door Hertz gemeten. Deze experimenten stelden vast dat licht en deze golven beide een vorm van elektromagnetische straling waren die gehoorzaamde aan de vergelijkingen van Maxwell. Hertz was misschien niet de eerste die het verschijnsel van radiogolven ontdekte – David Edward Hughes ontdekte het bestaan ervan misschien negen jaar eerder, maar publiceerde zijn bevindingen niet.

Hertz realiseerde zich niet het praktische belang van zijn radiogolf experimenten. Hij verklaarde dat,

Gevraagd naar de toepassingen van zijn ontdekkingen, antwoordde Hertz,

Hertz”s bewijs van het bestaan van elektromagnetische golven in de lucht leidde tot een explosie van experimenten met deze nieuwe vorm van elektromagnetische straling, die “Hertziaanse golven” werd genoemd tot rond 1910, toen de term “radiogolven” gangbaar werd. Binnen 10 jaar gebruikten onderzoekers als Oliver Lodge, Ferdinand Braun en Guglielmo Marconi radiogolven in de eerste draadloze telegrafie radiocommunicatiesystemen, wat leidde tot radio-omroep, en later televisie. In 1909 ontvingen Braun en Marconi de Nobelprijs voor natuurkunde voor hun “bijdragen aan de ontwikkeling van de draadloze telegrafie”. Vandaag de dag is radio een essentiële technologie in wereldwijde telecommunicatienetwerken, en het transmissiemedium dat ten grondslag ligt aan moderne draadloze apparatuur.

Kathode stralen

In 1892 begon Hertz te experimenteren en toonde aan dat kathodestralen door zeer dunne metaalfolie (zoals aluminium) konden dringen. Philipp Lenard, een student van Heinrich Hertz, deed verder onderzoek naar dit “stralingseffect”. Hij ontwikkelde een versie van de kathodebuis en bestudeerde de penetratie door röntgenstraling van verschillende materialen. Lenard realiseerde zich echter niet dat hij röntgenstraling produceerde. Hermann von Helmholtz formuleerde wiskundige vergelijkingen voor röntgenstraling. Hij poneerde een dispersietheorie voordat Röntgen zijn ontdekking en aankondiging deed. Deze was gebaseerd op de elektromagnetische theorie van het licht (Wiedmann”s Annalen, Vol. XLVIII). Hij werkte echter niet met echte röntgenstraling.

Foto-elektrisch effect

Hertz hielp bij de totstandkoming van het foto-elektrisch effect (dat later werd verklaard door Albert Einstein) toen hij merkte dat een geladen voorwerp zijn lading gemakkelijker verliest wanneer het wordt verlicht door ultraviolette straling (UV). In 1887 deed hij waarnemingen aan het foto-elektrisch effect en aan de productie en ontvangst van elektromagnetische (EM) golven, die werden gepubliceerd in het tijdschrift Annalen der Physik. Zijn ontvanger bestond uit een spoel met een vonkbrug, waardoor bij detectie van EM-golven een vonk te zien zou zijn. Hij plaatste het apparaat in een verduisterde kast om de vonk beter te kunnen zien. Hij merkte op dat de maximale vonklengte korter werd wanneer hij in de doos stond. Een glazen paneel dat tussen de bron van de EM-golven en de ontvanger was geplaatst, absorbeerde UV-straling die de elektronen hielp om over de spleet te springen. Wanneer het verwijderd werd, nam de vonklengte toe. Hij nam geen afname van de vonklengte waar toen hij kwarts verving door glas, omdat kwarts geen UV-straling absorbeert. Hertz beëindigde zijn maandenlange onderzoek en rapporteerde de verkregen resultaten. Hij zette zijn onderzoek naar dit effect niet voort, noch deed hij een poging om uit te leggen hoe het waargenomen verschijnsel tot stand kwam.

Contact monteurs

In 1886-1889 publiceerde Hertz twee artikelen over wat bekend zou worden als het gebied van de contactmechanica, die een belangrijke basis bleken te zijn voor latere theorieën op dit gebied. Joseph Valentin Boussinesq publiceerde enkele kritisch belangrijke opmerkingen over Hertz”s werk, waardoor dit werk over contactmechanica toch van immens belang werd. Zijn werk vat in wezen samen hoe twee axi-symmetrische voorwerpen die met elkaar in contact komen zich onder belasting zullen gedragen, hij verkreeg resultaten die gebaseerd zijn op de klassieke theorie van de elasticiteit en de continuummechanica. De belangrijkste tekortkoming van zijn theorie was de verwaarlozing van elke vorm van adhesie tussen de twee vaste stoffen, die belangrijk blijkt te zijn naarmate de materialen waaruit de vaste stoffen bestaan een hoge elasticiteit beginnen aan te nemen. Het was echter normaal om adhesie in die tijd te verwaarlozen, omdat er geen experimentele methoden waren om dit te testen.

Om zijn theorie te ontwikkelen gebruikte Hertz zijn waarneming van elliptische Newton ringen die gevormd werden bij het plaatsen van een glazen bol op een lens als basis voor de veronderstelling dat de druk die door de bol wordt uitgeoefend een elliptische verdeling volgt. Hij gebruikte de vorming van Newton”s ringen opnieuw bij het valideren van zijn theorie met experimenten bij het berekenen van de verplaatsing die de bol in de lens heeft. Kenneth L. Johnson, K. Kendall en A. D. Roberts (JKR) gebruikten deze theorie als basis bij het berekenen van de theoretische verplaatsing of indrukdiepte in aanwezigheid van adhesie in 1971. De theorie van Hertz wordt teruggevonden in hun formulering indien de adhesie van de materialen wordt verondersteld nul te zijn. Gelijkaardig aan deze theorie, maar met andere veronderstellingen, publiceerden B. V. Derjaguin, V. M. Muller en Y. P. Toporov in 1975 een andere theorie, die in de onderzoekswereld bekend werd als de DMT-theorie, die ook de formuleringen van Hertz herstelde onder de veronderstelling van nuladhesie. Deze DMT-theorie bleek voorbarig te zijn en moest verschillende malen worden herzien voordat zij werd aanvaard als een andere materiaal-contacttheorie naast de JKR-theorie. Zowel de DMT- als de JKR-theorie vormen de basis van de contactmechanica waarop alle overgangscontactmodellen zijn gebaseerd en die worden gebruikt bij de voorspelling van materiaalparameters bij nano-indentatie en atoomkrachtmicroscopie. Deze modellen staan centraal in het vakgebied van de tribologie en hij werd door Duncan Dowson uitgeroepen tot een van de 23 “Men of Tribology”. Hertz” onderzoek uit zijn tijd als docent, dat voorafging aan zijn grote werk op het gebied van elektromagnetisme, dat hij zelf met zijn karakteristieke nuchterheid als triviaal beschouwde, heeft het tijdperk van de nanotechnologie mogelijk gemaakt.

Hertz beschreef ook de “Hertziaanse kegel”, een type breukwijze in brosse vaste stoffen veroorzaakt door de overdracht van spanningsgolven.

Meteorologie

Hertz had altijd al een grote belangstelling voor meteorologie, waarschijnlijk voortkomend uit zijn contacten met Wilhelm von Bezold (die in de zomer van 1878 zijn professor was in een laboratoriumcursus aan de Polytechnische School van München). Als assistent van Helmholtz in Berlijn droeg hij een paar kleine artikelen bij op dit gebied, waaronder onderzoek naar de verdamping van vloeistoffen, een nieuw soort hygrometer, en een grafische manier om de eigenschappen van vochtige lucht te bepalen wanneer die wordt onderworpen aan adiabatische veranderingen.

Heinrich Hertz was zijn hele leven een Lutheraan en zou zichzelf niet als Jood hebben beschouwd, aangezien de familie van zijn vader zich allemaal tot het Lutheranisme had bekeerd toen zijn vader nog in zijn kindertijd was (zeven jaar oud) in 1834.

Toen het nazi-regime tientallen jaren na Hertz” dood aan de macht kwam, verwijderden de ambtenaren zijn portret van de prominente ereplaats in het stadhuis (Rathaus) van Hamburg, vanwege zijn deels joodse afkomst. Het schilderij is sindsdien weer in het openbaar te zien.

Hertz” weduwe en dochters verlieten Duitsland in de jaren 1930 en vestigden zich in Engeland.

De neef van Heinrich Hertz, Gustav Ludwig Hertz, was Nobelprijswinnaar, en Gustavs zoon Carl Helmut Hertz was de uitvinder van de medische ultrasonografie. Zijn dochter Mathilde Carmen Hertz was een bekend biologe en vergelijkend psychologe. Hertz” achterneef Hermann Gerhard Hertz, professor aan de Universiteit van Karlsruhe, was een pionier van de NMR-spectroscopie en publiceerde in 1995 Hertz” laboratoriumaantekeningen.

De SI-eenheid hertz (Hz) werd te zijner ere door de Internationale Elektrotechnische Commissie in 1930 ingesteld voor frequentie, een uitdrukking van het aantal keren dat een herhaalde gebeurtenis per seconde plaatsvindt. Zij werd in 1960 door de CGPM (Conférence générale des poids et mesures) goedgekeurd en verving officieel de vroegere benaming, “cycli per seconde” (cps).

In 1928 werd in Berlijn het Heinrich-Hertz-Instituut voor oscillatie-onderzoek opgericht. Tegenwoordig bekend als het Fraunhofer Instituut voor Telecommunicatie, Heinrich Hertz Instituut, HHI.

In 1969 werd in Oost-Duitsland een Heinrich Hertz-herdenkingsmedaille gegoten. De IEEE Heinrich Hertz Medal, ingesteld in 1987, is “voor opmerkelijke prestaties in Hertziaanse golven die jaarlijks worden uitgereikt aan een persoon voor prestaties die theoretisch of experimenteel van aard zijn”.

In 1980 werd in Italië in de buurt van Cinecittà Est, in Rome, een middelbare school opgericht onder de naam “Istituto Tecnico Industriale Statale Heinrich Hertz”.

De Submillimeter Radio Telescoop op Mt. Graham, Arizona, gebouwd in 1992 is naar hem genoemd.

Een krater die aan de andere kant van de maan ligt, net achter de oostelijke maanhelft, is naar hem vernoemd. De Hertz-markt voor radio-elektronicaproducten in Nizjni Novgorod, Rusland, is naar hem genoemd. De Heinrich-Hertz-Turm radiotelecommunicatietoren in Hamburg is naar de beroemde zoon van de stad genoemd.

Hertz wordt door Japan geëerd met een lidmaatschap in de Orde van de Heilige Schat, die meerdere erelagen kent voor vooraanstaande personen, waaronder wetenschappers.

Heinrich Hertz is geëerd door een aantal landen over de hele wereld in hun postuitgiften, en in de tijd na de Tweede Wereldoorlog is hij ook verschenen op verschillende Duitse postzegeluitgiften.

Op zijn verjaardag in 2012 eerde Google Hertz met een Google doodle, geïnspireerd door zijn levenswerk, op zijn homepage.

Bronnen

  1. Heinrich Hertz
  2. Heinrich Hertz