В истории науки не так много открытий, с которыми приходиться соприкасаться каждый день. Но без того, что сделал Генрих Герц, современную жизнь представить уже невозможно, поскольку радио и телевидение являются необходимой частью нашего быта, а он сделал открытие именно в этой области.
Генрих Рудольф Герц родился 22 февраля 1857 года в семье адвоката, позже ставшего сенатором. Мальчик был слабым и болезненным, но благополучно преодолел необычайно трудные для него первые годы жизни, и, к радости родителей, выровнялся, стал здоровым и жизнерадостным.
Все считали, что он пойдет по стопам отца. И действительно, Генрих поступил в Гамбургское реальное училище и собирался изучать юриспруденцию. Однако после того как у них в училище начались занятия по физике, его интересы круто изменились. К счастью, родители не мешали мальчику искать свое призвание и разрешили ему перейти в гимназию, окончив которую он получал право поступления в университет.
Получив аттестат зрелости, Герц уехал в 1875 году в Дрезден и поступил в высшее техническое училище. Вначале ему там понравилось, но постепенно юноша понял, что карьера инженера не для него. 1 ноября 1877 года он отправил родителям письмо, где были такие слова: “Раньше я часто говорил себе, что быть посредственным инженером для меня предпочтительнее, чем посредственным ученым. А теперь думаю, что Шиллер прав, сказав: “Кто трусит рисковать жизнью, тот не добьется в ней успеха”. И эта излишняя моя осторожность была бы с моей стороны безумием”.
Поэтому он ушел из училища и отправился в Мюнхен, где был принят сразу на второй курс университета. Проведенные в Мюнхене годы показали, что университетских знаний недостаточно; для самостоятельных научных занятий необходимо было найти ученого, который согласился бы стать его научным руководителем. Вот почему после окончания университета Герц отправился в Берлин, где устроился ассистентом в лаборатории крупнейшего немецкого физика того времени Германа Гельмгольца.
Гельмгольц вскоре заметил талантливого юношу, и между ними установились хорошие отношения, которые впоследствии перешли в тесную дружбу и одновременно в научное сотрудничество. Под руководством Гельмгольца Герц защитил диссертацию и стал признанным специалистом в своей области.
Гельмгольц в своем некрологе вспоминает начало научного пути Герца, когда он предложил ему тему для студенческой работы из области электродинамики, “будучи уверен, что Герц заинтересуется этим вопросом и успешно его разрешит”. Таким образом, Гельмгольц ввел Герца в ту область, в которой ему впоследствии пришлось сделать фундаментальные открытия и обессмертить себя. Характеризуя состояние электродинамики в то время (лето 1879 года), Гельмгольц писал: “...Область электродинамики превратилась в то время в бездорожную пустыню. Факты, основанные на наблюдениях и следствиях из весьма сомнительных теорий, — все это было вперемежку соединено между собой”. Именно в этот год Герц родился как ученый.
Начинающего ученого всецело захватила работа над обязательной для выпускника университета докторской диссертацией, которую он хотел закончить как можно скорее. 5 февраля 1880 года Генрих Герц был увенчан степенью доктора наук с редким в истории Берлинского университета, да еще у таких строгих профессоров, как Кирхгоф и Гельмгольц, предикатом — с отличием. Его дипломная работа “Об индукции во вращающемся шаре” была теоретической, и он продолжал заниматься теоретическими изысканиями в физическом институте при университете.
Но Генрих Герц стал сомневаться, так как он считал, что теоретические работы, опубликованные им, случайны для него как для ученого. Его все больше и больше стали привлекать эксперименты.
По рекомендации своего учителя в 1883 году Герц получил должность доцента в Киле, а через шесть лет стал профессором физики в Высшей технической школе в Карлсруэ. Здесь у Герца была своя собственная экспериментальная лаборатория, которая обеспечила ему свободу творчества, возможность заниматься тем, к чему он чувствовал интерес и признание. Герц осознал, что больше всего на свете его интересует электричество, быстрые электрические колебания, над изучением которых он трудился еще в студенческие годы. Именно в Карлсруэ начался наиболее плодотворный период его научной деятельности, который, к сожалению, продолжался недолго.
В работе 1884 года Герц показывает, что максвелловская электродинамика обладает преимуществами по отношению к обычной, но считает не доказанным, что она является единственно возможной. В дальнейшем Герц, однако, остановился на компромиссной теории Гельмгольца. Гельмгольц взял у Максвелла и Фарадея признание роли среды в электромагнитных процессах, но в отличие от Максвелла считал, что действие незамкнутых токов должно быть отлично от действия замкнутых токов.
Этот вопрос изучал в лаборатории Гельмгольца Н.Н. Шиллер в 1876 году. Шиллер не обнаружил различия между замкнутыми и незамкнутыми токами, как это и должно было быть по теории Максвелла! Но, видимо, Гельмгольц не удовлетворился этим и предложил Герцу вновь заняться проверкой теории Максвелла.
Подсчеты Герца показали, что ожидаемый эффект даже при наиболее благоприятных условиях будет слишком мал, и он “отказался от разработки задачи”. Однако с этих пор он не переставал думать о возможных путях ее решения и его внимание “было обострено в отношении всего, что связано с электрическими колебаниями”.
К началу исследований Герца электрические колебания были изучены и теоретически и экспериментально. Герц с его обостренным вниманием к этому вопросу, работая в высшей технической школе в Карлсруэ, нашел в физическом кабинете пару индукционных катушек, предназначавшихся для лекционных демонстраций. “Меня поразило, — писал он, — что для получения искр в одной обмотке не было необходимости разряжать большие батареи через другую и более того, что для этого достаточны небольшие лейденские банки и даже разряды небольшого индукционного аппарата, если только разряд пробивал искровой промежуток”. Экспериментируя с этими катушками, Герц пришел к идее своего первого опыта.
Экспериментальную установку и сами опыты Герц описал в опубликованной в 1887 году статье “О весьма быстрых электрических колебаниях”. Герц описывает здесь способ генерации колебаний, “приблизительно в сто раз быстрее наблюденных Феддерсеном”. “Период этих колебаний, — пишет Герц, — определяемый, конечно, лишь при помощи теории, измеряется стомиллионными долями секунды. Следовательно, в отношении продолжительности они занимают среднее место между звуковыми колебаниями весомых тел и световыми колебаниями эфира”, но ни о каких электромагнитных волнах длиной порядка 3 метров Герц в этой работе не говорит. Все, что он сделал, это сконструировал генератор и приемник электрических колебаний, изучая индукционное действие колебательного контура генератора на колебательный контур приемника при максимальном расстоянии между ними 3 метра.
В работе “О действия тока” Герц перешел к изучению явлений на более далеком расстоянии, работая в аудитории длиной 14 метров и шириной 12 метров. Он обнаружил, что если расстояние приемника от вибратора менее одного метра, то характер распределения электрической силы аналогичен полю диполя и убывает обратно пропорционально кубу расстояния. Однако на расстояниях, превышающих 3 метра, поле убывает значительно медленнее и неодинаково в различных направлениях. В направлении оси вибратора действие убывает значительно быстрее, чем в направлении, перпендикулярном оси, и едва заметно на расстоянии 4 метров, тогда, как в перпендикулярном направлении, оно достигает расстояний, больших 12 метров.
Этот результат противоречит всем законам теории дальнодействия. Герц продолжал исследование в волновой зоне своего вибратора, поле которого он позже рассчитал теоретически. В ряде последующих работ Герц неопровержимо доказал существование электромагнитных волн, распространяющихся с конечной скоростью. “Результаты опытов, поставленных мною над быстрыми электрическими колебаниями, — писал Герц в своей восьмой статье 1888 года, — показали мне, что теория Максвелла обладает преимуществом перед всеми другими теориями электродинамики”.
Поле в этой волновой зоне в различные моменты времени Герц изобразил с помощью картины силовых линий. Эти рисунки Герца вошли во все учебники электричества. Расчеты Герца легли в основу теории излучения антенн и классической теории излучения атомов и молекул.
Таким образом, Герц в процессе своих исследований окончательно и безоговорочно перешел на точку зрения Максвелла, придал удобную форму его уравнениям, дополнил теорию Максвелла теорией электромагнитного излучения. Герц получил экспериментально электромагнитные волны, предсказанные теорией Максвелла, и показал их тождество с волнами света.
В 1889 году на 62-м съезде немецких естествоиспытателей и врачей Герц прочитал доклад “О соотношении между светом и электричеством”. Здесь он подводит итоги своих опытов в следующих словах: “Все эти опыты очень просты в принципе, но, тем не менее, они влекут за собой важнейшие следствия. Они рушат всякую теорию, которая считает, что электрические силы перепрыгивают пространство мгновенно. Они означают блестящую победу теории Максвелла... Насколько маловероятным казалось ранее ее воззрение на сущность света, настолько трудно теперь не разделить это воззрение”.
В 1890 году Герц опубликовал две статьи: “Об основных уравнениях электродинамики в покоящихся телах” и “Об основных уравнениях электродинамики для движущихся тел”. Эти статьи содержали исследования о распространении “лучей электрической силы” и, в сущности, давали то каноническое изложение максвелловской теории электрического поля, которое вошло с тех пор в учебную литературу.
Опыты Герца вызвали огромный резонанс. Особенное внимание привлекли опыты, описанные в работе “О лучах электрической силы”. “Эти опыты с вогнутыми зеркалами, — писал Герц в “Введении” к своей книге “Исследования по распространению электрической силы”, — быстро обратили на себя внимание, они часто повторялись и подтверждались. Они получили положительную оценку, которая далеко превзошла мои ожидания”.
Среди многочисленных повторений опытов Герца особое место занимают опыты русского физика П. Н. Лебедева, опубликованные в 1895 году, первом году после смерти Герца.
В последние годы жизни Герц переехал в Бонн, где также возглавил кафедру физики в местном университете. Там он совершил еще одно крупнейшее открытие. В своей работе “О влиянии ультрафиолетового света на электрический разряд”, поступившей в “Протоколы Берлинской Академии наук” 9 июня 1887 года, Герц описывает важное явление, открытое им и получившее впоследствии название фотоэлектрического эффекта.
Это замечательное открытие было сделано благодаря несовершенству герцевского метода детектирования колебаний: искры, возбуждаемые в приемнике, были настолько слабы, что Герц решил для облегчения наблюдения поместить приемник в темный футляр. Однако оказалось, что максимальная длина искры при этом значительно меньше, чем в открытом контуре. Удаляя последовательно стенки футляра, Герц заметил, что мешающее действие оказывает стенка, обращенная к искре генератора. Исследуя тщательно это явление, Герц установил причину, облегчающую искровой разряд приемника, — ультрафиолетовое свечение искры генератора. Таким образом, чисто случайно, как пишет сам Герц, был открыт важный факт, не имевший прямого отношения к цели исследования. Этот факт сразу же привлек внимание ряда исследователей, в том числе профессора Московского университета А.Г. Столетова, особенно тщательно исследовавшего новый эффект, названный им актиноэлектрическим.
Исследовать это явление детально Герц не успел, поскольку скоропостижно умер от злокачественной опухоли 1 января 1894 года. До последних дней жизни ученый работал над книгой “Принципы механики, изложенные в новой связи”. В ней он стремился осмыслить собственные открытия и наметить дальнейшие пути исследования электрических явлений.
После безвременной смерти ученого этот труд закончил и подготовил к изданию Герман Гельмгольц. В предисловии к книге он назвал Герца самым талантливым из своих учеников и предсказал, что его открытия будут определять развитие науки на многие десятилетия вперед.
Слова Гельмгольца оказались пророческими и начали сбываться уже через несколько лет после смерти ученого. А в XX веке из работ Герца возникли практически все направления современной физики.
Племянник Г. Герца - Густав Людвиг Герц (1887-1975) - стал известным физиком и лауреатом Нобелевской премии, а сын последнего - Карл Хельмут Герц (1920-1990) - создателем медицинской сонографии.
Основное достижение - экспериментальное подтверждение электромагнитной теории света Джеймса Максвелла. Герц доказал существование электромагнитных волн. Он подробно исследовал отражение, интерференцию, дифракцию и поляризацию электромагнитных волн, доказал что скорость их распространения совпадает со скоростью распространения света, и что свет представляет собой не что иное как разновидность электромагнитных волн. Он построил электродинамику движущихся тел, исходя из гипотезы о том, что эфир увлекается движущимися телами. Однако его электродинамика оказалась в противоречии с опытом и позднее уступила место электронной теории Х. Лоренца. Результаты, полученные Герцем, легли в основу развития радио.
В 1886-87 гг. Герц впервые наблюдал и дал описание внешнего фотоэффекта. Герц разрабатывал теорию резонансного контура, изучал свойства катодных лучей, исследовал влияние ультрафиолетовых лучей на электрический разряд. В ряде работ по механике дал теорию удара упругих шаров, рассчитал время соударения и т.д. В книге "Принципы механики" (1894) дал вывод общих теорем механики и её математического аппарата, исходя из единого принципа (принцип Герца).
Именем Герца с 1933 года называется единица измерения частоты Герц, которая входит в международную метрическую систему единиц СИ.
С 1885 по 1889 годы Герц работал профессором физики технического университета в Карлсруэ. Именно в эти годы он провёл свои знаменитые опыты по распространению электрической силы, доказавшие реальность электромагнитных волн. Аппаратура, которой пользовался Герц, может показаться теперь более чем простой, но тем замечательнее полученные им результаты. Источниками электромагнитного излучения у него были искры в разрядниках. Электромагнитные волны от разрядников вызывали искровые разряды между шариками в "приемниках" - расположенных в нескольких метрах контурах, настроенных в резонанс. Герцу удалось не только обнаружить волны, в том числе, и стоячие, но и исследовать скорость их распространения, отражение, преломление и даже поляризацию. Все это очень напоминало оптику, с тем только (весьма существенным!) отличием, что длины волн были почти в миллиард раз больше.
Радиопередатчик Герца на основе катушки Румкорфа (с ударным возбуждением колебательного контура ключевым прерывателем).
Постоянный ток от DC, проходя через катушку намагничивает её железный сердечник, он притягивает подвижной контакт и цепь разрывается, когда магнитное поле исчезает контакт замыкается снова.[9] Для проведения опытов Герц придумал и сконструировал свой знаменитый излучатель электромагнитных волн, названный впоследствии "вибратором Герца". Вибратор представлял собой два медных прутка с насаженными на концах латунными шариками и по одной большой цинковой сфере или квадратной пластине, играющей роль конденсатора. Между шариками оставался зазор - искровой промежуток. К медным стержням были прикреплены концы вторичной обмотки катушки Румкорфа - преобразователя постоянного тока низкого напряжения в переменный ток высокого напряжения. При импульсах переменного тока между шариками проскакивали искры и в окружающее пространство излучались электромагнитные волны. Перемещением сфер или пластин вдоль стержней регулировались индуктивность и ёмкость цепи, определяющие длину волны.
Чтобы улавливать излучаемые волны, Герц придумал простейший резонатор - проволочное незамкнутое кольцо или прямоугольную незамкнутую рамку с такими же, как у "передатчика" латунными шариками на концах и регулируемым искровым промежутком.
В результате проведённых опытов Герц обнаружил, что если в генераторе будут происходить высокочастотные колебания (в его разрядном промежутке проскакивает искра), то в разрядном промежутке резонатора, удалённом от генератора даже на 3 м, тоже будут проскакивать маленькие искры. Таким образом, искра во второй цепи возникала без всякого непосредственного контакта с первой цепью. Проведя многочисленные опыты при различных взаимных положениях генератора и приёмника, Герц приходит к выводу о существовании электромагнитных волн, распространяющихся с конечной скоростью. Будут ли они вести себя, как свет? Герц проводит тщательную проверку этого предположения. После изучения законов отражения и преломления, после установления поляризации и измерения скорости электромагнитных волн он доказал их полную аналогию со световыми. Всё это было изложено в работе "О лучах электрической силы", вышедшей в декабре 1888 г. Этот год считается годом открытия электромагнитных волн и экспериментального подтверждения теории Максвелла.
Благодаря своим опытам Герц пришёл к следующим выводам:
1. Волны Максвелла "синхронны" (справедливость теории Максвелла, что скорость распространения радиоволн равна скорости света);
2. Можно передавать энергию электрического и магнитного поля без проводов.
В 1887 по завершении опытов вышла первая статья Герца "Об очень быстрых электрических колебаниях", а в 1888 - ещё более фундаментальная работа "Об электродинамических волнах в воздухе и их отражении".
Но даже на теоретическом уровне достижения Герца были сразу отмечены учёными как начало новой "электрической эры".
Чтобы лучше видеть искру в своих опытах, Герц поместил приёмник в затемнённую коробку. При этом он заметил, что в коробке длина искры в приёмнике становится меньше. Тогда Герц стал экспериментировать в этом направлении, в частности, он исследовал зависимость длины искры в случае, когда между передатчиком и приёмником помещается экран из различных материалов. Герц нашёл, что электромагнитные волны проходили через одни виды материалов и отражались другими, что привело в будущем к появлению радаров. Кроме того, Герц заметил, что заряженный конденсатор теряет свой заряд быстрее при освещении его пластин ультрафиолетовым излучением. Полученные результаты явились открытием нового явления в физике, названного фотоэффектом. Теоретическое обоснование этого явления в XX веке как-бы дал Альберт Эйнштейн, получивший за это Нобелевскую премию в 1921 году.
В 1930 году Международная Электротехническая Комиссия в честь Герца установила новую единицу измерения - Герц (Гц), применяемую как мера количества повторяющихся событий в единицу времени (её также называют "количество циклов в секунду"). Она была принята Международным бюро мер и весов в 1964 году как единица частоты в системе СИ.
В 1969 году в Восточной Германии была выпущена памятная медаль в честь Генриха Герца. В 1987 году IEEE учредила Медаль Генриха Герца "за выдающиеся достижения в изучении волн Герца", присуждаемая ежегодно учёным-теоретикам и экспериментаторам.
В честь Герца назвали кратер, который находится на востоке обратной стороны Луны. В Нижнем Новгороде, Россия, в честь Герца назван городской рынок радиоэлектроники. Городская теле-радиокоммуникационная башня в Гамбурге названа в честь знаменитого уроженца города.
В 1889 Итальянское общество наук в Неаполе наградило его медалью имени Маттеучи, Парижская академия наук - премией Лаказа, а Венская императорская академия - премией Баумгартнера. Через год Лондонское королевское общество награждает Герца медалью Румфорда, а в 1891 Королевская академия в Турине - премией Бресса. Прусское правительство награждает его орденом Короны. Кроме того, Герц был удостоен японского ордена Священного сокровища.
|
|
 |
