Heinrich Rudolf Hertz (en alemán: [ˈhaɪnʁɪç ˈhɛʁts] ; 22 de febrero de 1857 - 1 de enero de 1894) fue un físico alemán que demostró por primera vez de manera concluyente la existencia de las ondas electromagnéticas predichas por las ecuaciones de electromagnetismo de James Clerk Maxwell . La unidad de frecuencia, ciclo por segundo , fue nombrada « hercio » en su honor. [3]
Heinrich Rudolf Hertz nació en 1857 en Hamburgo , entonces un estado soberano de la Confederación Alemana , en el seno de una familia hanseática próspera y culta. Su padre era Gustav Ferdinand Hertz . [4] Su madre era Anna Elisabeth Pfefferkorn. [5]
Mientras estudiaba en la Gelehrtenschule des Johanneums en Hamburgo, Hertz mostró aptitud para las ciencias y los idiomas, aprendiendo árabe . Estudió ciencias e ingeniería en las ciudades alemanas de Dresde , Múnich y Berlín , donde estudió con Gustav R. Kirchhoff y Hermann von Helmholtz . En 1880, Hertz obtuvo su doctorado en la Universidad de Berlín , y durante los siguientes tres años permaneció para realizar estudios posdoctorales con Helmholtz, sirviendo como su asistente. En 1883, Hertz aceptó un puesto como profesor de física teórica en la Universidad de Kiel . En 1885, Hertz se convirtió en profesor titular en la Universidad de Karlsruhe . [6]
En 1886, Hertz se casó con Elisabeth Doll, hija de Max Doll, profesor de geometría en Karlsruhe. Tuvieron dos hijas: Johanna, nacida el 20 de octubre de 1887 y Mathilde , nacida el 14 de enero de 1891, que se convertiría en una destacada bióloga. Durante esta época, Hertz llevó a cabo su histórica investigación sobre las ondas electromagnéticas. [7]
El 3 de abril de 1889, Hertz asumió el cargo de catedrático de física y director del Instituto de Física de Bonn , cargo que ocupó hasta su muerte. Durante este tiempo trabajó en mecánica teórica y su trabajo se publicó en el libro Die Prinzipien der Mechanik in neuem Zusammenhange dargestellt ( Los principios de la mecánica presentados en una nueva forma ), publicado póstumamente en 1894. [8]
En 1892, a Hertz le diagnosticaron una infección (después de un ataque de migrañas severas ) y se sometió a operaciones para tratar la enfermedad. Murió debido a complicaciones después de una cirugía que había intentado curar su condición; algunos consideran que su dolencia fue causada por una enfermedad ósea maligna. [9] Murió a la edad de 36 años en Bonn , Alemania, en 1894, y fue enterrado en el cementerio Ohlsdorf en Hamburgo. [10] [11] [12]
La esposa de Hertz, Elisabeth Hertz ( née Doll; 1864–1941), no se volvió a casar. Le sobrevivieron sus hijas, Johanna (1887–1967) y Mathilde (1891–1975). Ninguna de ellas se casó ni tuvo hijos, por lo que Hertz no tiene descendientes vivos. [13]
En 1864, el físico matemático escocés James Clerk Maxwell propuso una teoría integral del electromagnetismo, hoy llamada ecuaciones de Maxwell . La teoría de Maxwell predecía que los campos eléctricos y magnéticos acoplados podían viajar a través del espacio como una " onda electromagnética ". Maxwell propuso que la luz consistía en ondas electromagnéticas de longitud de onda corta, pero nadie había sido capaz de demostrarlo, ni de generar o detectar ondas electromagnéticas de otras longitudes de onda. [15]
Durante los estudios de Hertz en 1879, Helmholtz sugirió que la tesis doctoral de Hertz fuera sobre la prueba de la teoría de Maxwell. Helmholtz también había propuesto el problema del "Premio de Berlín" ese año en la Academia Prusiana de Ciencias para cualquiera que pudiera probar experimentalmente un efecto electromagnético en la polarización y despolarización de los aislantes , algo predicho por la teoría de Maxwell. [16] [17] Helmholtz estaba seguro de que Hertz era el candidato con más probabilidades de ganarlo. [17] Al no ver ninguna manera de construir un aparato para probar esto experimentalmente, Hertz pensó que era demasiado difícil y trabajó en la inducción electromagnética en su lugar. Hertz produjo un análisis de las ecuaciones de Maxwell durante su tiempo en Kiel, demostrando que tenían más validez que las teorías de " acción a distancia " prevalecientes en ese momento. [18]
En el otoño de 1886, después de que Hertz recibiera su cátedra en Karlsruhe, estaba experimentando con un par de espirales de Riess cuando notó que al descargar una botella de Leyden en una de estas bobinas se producía una chispa en la otra bobina. Con una idea sobre cómo construir un aparato, Hertz ahora tenía una forma de proceder con el problema del "Premio de Berlín" de 1879 sobre la demostración de la teoría de Maxwell (aunque el premio real había expirado sin cobrar en 1882). [19] [20] Utilizó una antena dipolo que constaba de dos cables colineales de un metro con un espacio de chispa entre sus extremos internos y esferas de zinc unidas a los extremos externos para la capacitancia , como radiador. La antena se excitaba con pulsos de alto voltaje de aproximadamente 30 kilovoltios aplicados entre los dos lados desde una bobina de Ruhmkorff . Recibió las ondas con una antena resonante de un solo bucle con un espacio de chispa micrométrico entre los extremos. Este experimento produjo y recibió lo que ahora se llama ondas de radio en el rango de frecuencia muy alta .
Entre 1886 y 1889, Hertz realizó una serie de experimentos que demostrarían que los efectos que estaba observando eran resultados de las ondas electromagnéticas predichas por Maxwell. A partir de noviembre de 1887 con su artículo "Sobre los efectos electromagnéticos producidos por perturbaciones eléctricas en aisladores", Hertz envió una serie de artículos a Helmholtz en la Academia de Berlín, incluidos artículos de 1888 que mostraban ondas electromagnéticas transversales en el espacio libre que viajaban a una velocidad finita a lo largo de una distancia. [20] [21] En el aparato que Hertz utilizó, los campos eléctricos y magnéticos se irradiaban desde los cables como ondas transversales . Hertz había colocado el oscilador a unos 12 metros de una placa reflectante de zinc para producir ondas estacionarias . Cada onda tenía unos 4 metros de largo. [ cita requerida ] Utilizando el detector de anillo, registró cómo variaba la magnitud de la onda y la dirección del componente. Hertz midió las ondas de Maxwell y demostró que la velocidad de estas ondas era igual a la velocidad de la luz. La intensidad del campo eléctrico , la polarización y la reflexión de las ondas también se midieron mediante Hertz. Estos experimentos establecieron que la luz y estas ondas eran una forma de radiación electromagnética que obedecía a las ecuaciones de Maxwell. [22]
Hertz no se dio cuenta de la importancia práctica de sus experimentos con ondas de radio . Afirmó que, [24] [25] [26]
No sirve de nada... esto es solo un experimento que demuestra que el Maestro Maxwell tenía razón: solo tenemos estas misteriosas ondas electromagnéticas que no podemos ver a simple vista, pero están ahí.
Cuando se le preguntó sobre las aplicaciones de sus descubrimientos, Hertz respondió: [24] [27]
Nada, supongo
La prueba de Hertz de la existencia de ondas electromagnéticas aerotransportadas condujo a una explosión de experimentación con esta nueva forma de radiación electromagnética, que se denominó "ondas hertzianas" hasta alrededor de 1910, cuando se generalizó el término " ondas de radio ". En el plazo de 10 años, investigadores como Oliver Lodge , Ferdinand Braun y Guglielmo Marconi emplearon ondas de radio en los primeros sistemas de comunicación por radio mediante telegrafía inalámbrica , lo que dio lugar a la radiodifusión y, más tarde, a la televisión. En 1909, Braun y Marconi recibieron el Premio Nobel de Física por sus "contribuciones al desarrollo de la telegrafía inalámbrica". [28] Hoy en día, la radio es una tecnología esencial en las redes de telecomunicaciones globales y el medio de comunicación utilizado por los dispositivos inalámbricos modernos. [29] [30]
En 1883, intentó demostrar que los rayos catódicos son eléctricamente neutros y obtuvo lo que interpretó como una ausencia segura de deflexión en el campo electrostático. Sin embargo, como explicó JJ Thomson en 1897, Hertz colocó los electrodos deflectores en una zona altamente conductora del tubo, lo que dio como resultado un fuerte efecto de apantallamiento cerca de su superficie. [31]
Nueve años después, Hertz comenzó a experimentar y demostró que los rayos catódicos podían penetrar láminas metálicas muy finas (como el aluminio). Philipp Lenard , un estudiante de Heinrich Hertz, investigó más a fondo este " efecto de rayos ". Desarrolló una versión del tubo catódico y estudió la penetración de los rayos X en varios materiales. Sin embargo, Lenard no se dio cuenta de que estaba produciendo rayos X. Hermann von Helmholtz formuló ecuaciones matemáticas para los rayos X. Postuló una teoría de la dispersión antes de que Röntgen hiciera su descubrimiento y anuncio. Se formó sobre la base de la teoría electromagnética de la luz ( Anales de Wiedmann , vol. XLVIII). Sin embargo, no trabajó con rayos X reales. [32]
Hertz ayudó a establecer el efecto fotoeléctrico (que luego fue explicado por Albert Einstein ) cuando notó que un objeto cargado pierde su carga más fácilmente cuando es iluminado por radiación ultravioleta (UV). En 1887, hizo observaciones del efecto fotoeléctrico y de la producción y recepción de ondas electromagnéticas (EM), publicadas en la revista Annalen der Physik . Su receptor consistía en una bobina con un espacio de chispa , por lo que se vería una chispa al detectar ondas EM. Colocó el aparato en una caja oscura para ver mejor la chispa. Observó que la longitud máxima de la chispa se reducía cuando estaba en la caja. Un panel de vidrio colocado entre la fuente de ondas EM y el receptor absorbía los rayos UV que ayudaban a los electrones a saltar a través del espacio. Cuando se retiraba, la longitud de la chispa aumentaba. No observó ninguna disminución en la longitud de la chispa cuando sustituyó el vidrio por cuarzo, ya que el cuarzo no absorbe la radiación UV. Hertz concluyó sus meses de investigación e informó los resultados obtenidos. No continuó investigando este efecto, ni hizo ningún intento de explicar cómo se produjo el fenómeno observado. [33]
En 1881 y 1882, Hertz publicó dos artículos [34] [35] [36] sobre lo que se conocería como el campo de la mecánica de contacto , que resultó ser una base importante para teorías posteriores en el campo. Joseph Valentin Boussinesq publicó algunas observaciones de importancia crítica sobre el trabajo de Hertz, estableciendo no obstante que este trabajo sobre la mecánica de contacto era de inmensa importancia. Su trabajo básicamente resume cómo se comportarán dos objetos axisimétricos colocados en contacto bajo carga , obtuvo resultados basados en la teoría clásica de la elasticidad y la mecánica del medio continuo . El defecto más significativo de su teoría fue el descuido de cualquier naturaleza de adhesión entre los dos sólidos, que resulta ser importante a medida que los materiales que componen los sólidos comienzan a asumir una alta elasticidad. Sin embargo, era natural descuidar la adhesión en ese momento, ya que no había métodos experimentales para probarla. [37]
Para desarrollar su teoría, Hertz utilizó su observación de los anillos elípticos de Newton formados al colocar una esfera de vidrio sobre una lente como base para suponer que la presión ejercida por la esfera sigue una distribución elíptica . Utilizó nuevamente la formación de los anillos de Newton mientras validaba su teoría con experimentos para calcular el desplazamiento que tiene la esfera en la lente. Kenneth L. Johnson , K. Kendall y AD Roberts (JKR) utilizaron esta teoría como base al calcular el desplazamiento teórico o la profundidad de sangría en presencia de adhesión en 1971. [38] La teoría de Hertz se recupera de su formulación si se supone que la adhesión de los materiales es cero. Similar a esta teoría, sin embargo, utilizando diferentes suposiciones, BV Derjaguin , VM Muller e YP Toporov publicaron otra teoría en 1975, que llegó a conocerse como la teoría DMT en la comunidad de investigación, que también recuperó las formulaciones de Hertz bajo el supuesto de adhesión cero. Esta teoría DMT resultó ser prematura y necesitó varias revisiones antes de que llegara a ser aceptada como otra teoría de contacto material además de la teoría JKR. Tanto la teoría DMT como la JKR forman la base de la mecánica de contacto sobre la que se basan todos los modelos de contacto de transición y se utilizan en la predicción de parámetros materiales en nanoindentación y microscopía de fuerza atómica . Estos modelos son fundamentales para el campo de la tribología y fue nombrado como uno de los 23 "Hombres de Tribología" por Duncan Dowson . [39] A pesar de preceder a su gran trabajo sobre electromagnetismo (que él mismo consideraba con su sobriedad característica como trivial [24] ), la investigación de Hertz sobre la mecánica de contacto ha facilitado la era de la nanotecnología .
Hertz también describió el " cono hertziano ", un tipo de modo de fractura en sólidos frágiles causado por la transmisión de ondas de estrés. [40]
Hertz siempre tuvo un profundo interés en la meteorología , probablemente derivado de sus contactos con Wilhelm von Bezold (quien fue su profesor en un curso de laboratorio en el Politécnico de Múnich en el verano de 1878). Como asistente de Helmholtz en Berlín , contribuyó con algunos artículos menores en el campo, incluida la investigación sobre la evaporación de líquidos, [41] un nuevo tipo de higrómetro y un medio gráfico para determinar las propiedades del aire húmedo cuando se somete a cambios adiabáticos . [42]
En la introducción de su libro de 1894 Principios de mecánica , Hertz analiza las diferentes "imágenes" utilizadas para representar la física en su tiempo, incluida la imagen de la mecánica newtoniana (basada en la masa y las fuerzas), una segunda imagen (basada en la conservación de la energía y el principio de Hamilton ) y su propia imagen (basada únicamente en el espacio, el tiempo, la masa y el principio de Hertz ), comparándolas en términos de "permisibilidad", "corrección" y "adecuación". [43] Hertz quería eliminar las "suposiciones vacías" y argumentar en contra del concepto newtoniano de fuerza y en contra de la acción a distancia . [43] El filósofo Ludwig Wittgenstein, inspirado por el trabajo de Hertz, extendió su teoría de la imagen a una teoría de la imagen del lenguaje en su Tractatus Logico-Philosophicus de 1921 que influyó en el positivismo lógico . [43] Wittgenstein también lo cita en los Libros Azul y Marrón . [44]
Debido a que la familia de Hertz se convirtió del judaísmo al luteranismo dos décadas antes de su nacimiento, su legado chocó con el gobierno nazi en la década de 1930, un régimen que clasificaba a las personas por "raza" en lugar de por afiliación religiosa. [45] [46]
El nombre de Hertz fue eliminado de calles e instituciones e incluso hubo un movimiento para cambiar el nombre de la unidad de frecuencia nombrada en su honor (hertz) por Hermann von Helmholtz , manteniendo el símbolo (Hz) sin cambios. [46]
Su familia también fue perseguida por su condición de no aria. La hija menor de Hertz, Mathilde, perdió una cátedra en la Universidad de Berlín después de que los nazis llegaran al poder y, al cabo de unos años, ella, su hermana y su madre abandonaron Alemania y se establecieron en Inglaterra. [47]
El sobrino de Heinrich Hertz, Gustav Ludwig Hertz, fue ganador del Premio Nobel, y el hijo de Gustav, Carl Helmut Hertz, inventó la ultrasonografía médica . Su hija Mathilde Carmen Hertz fue una reconocida bióloga y psicóloga comparativa. El sobrino nieto de Hertz, Hermann Gerhard Hertz, profesor de la Universidad de Karlsruhe , fue un pionero de la espectroscopia de RMN y en 1995 publicó las notas de laboratorio de Hertz. [48]
La unidad del SI hertz (Hz) fue establecida en su honor por la Comisión Electrotécnica Internacional en 1930 para la frecuencia , una expresión del número de veces que ocurre un evento repetido por segundo. Fue adoptada por la CGPM (Conférence générale des poids et mesures) en 1960, reemplazando oficialmente el nombre anterior, " ciclos por segundo " (cps). [49]
En 1928 se fundó en Berlín el Instituto Heinrich-Hertz para la Investigación de Oscilaciones , hoy conocido como Instituto Fraunhofer de Telecomunicaciones, Instituto Heinrich Hertz, HHI .
En 1969, en Alemania del Este , se fundió una medalla conmemorativa de Heinrich Hertz [50] .
La Medalla IEEE Heinrich Hertz , establecida en 1987, es " por logros sobresalientes en ondas hertzianas [...] presentada anualmente a un individuo por logros que son de naturaleza teórica o experimental ".
El radiotelescopio submilimétrico del Monte Graham, Arizona, construido en 1992, lleva su nombre.
Un cráter que se encuentra en el lado oculto de la Luna , justo detrás del extremo oriental, es el cráter Hertz , llamado así en su honor.
En su cumpleaños en 2012, Google honró a Hertz con un doodle de Google , inspirado en el trabajo de su vida, en su página de inicio. [51] [52]
Listas e historias
Radiación electromagnética
Otro
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