Hertz i elektromagnetyzm

Naukowe zbadanie zjawisk elektromagnetycznych umożliwiło odkrycie i wykorzystanie fal radiowych.
Około roku 1800 angielski astronom William Herschel (1738-1822) zaczął się, zastanawiać, dlaczego promienie słoneczne padając na ciało ogrzewają je. Herschel przepuścił promień słoneczny przez pryzmat, podobnie jak 100 lat wcześniej uczynił Newton, uzyskując na ekranie ustawionym za pryzmatem widmo barwne. Następnie umieszczał kolejno w odpowiednich obszarach widma termometr i mierzył przyrosty temperatury w różnych jego częściach. E fioletowej części widma temperatura nie zmieniała się, na obszarze czerwieni słupek rtęci zaczął się podnosić. Na ciemnym obszarze sąsiadującym z czerwienią wzrost temperatury był najwyższy, co oznaczało, że właśnie tam wydziela się najwięcej energii. W ten sposób Herschel odkrył promieniowanie podczerwone.
Prawie w tym samym czasie widmo światła słonecznego badał także niemiecki fizyk Johann Wilhelm Ritter (1776-1810). Wiedział on, że światło powoduje redukcję azotanu srebra do postaci metalicznej. Efekt ten jest szczególnie silny jak się okazało, przy naświetlaniu azotanu światłem z niebiesko-fioletowej części widma, a proces przebiega jeszcze szybciej pod działaniem „niewidzialnych promieni” (promieniowania ultrafioletowego).
Faraday i Maxwell
Stał się jasne, że światło to nie tylko promieniowanie widzialne, jednak nikt nie potrafił wówczas wytłumaczyć czym światło jest naprawdę. Pierwsze sugestie pochodziły od angielskiego fizyka Michaela Faraday’a (1791-1867). Odkrył on związek pomiędzy elektrycznością a magnetyzmem. Faraday stwierdził, że wokół drutu przez który przepływa prąd elektryczny powstają takie same linie sił pola jak wokół stałego magnesu.
W 1855 roku szkocki fizyk i matematyk James Clerk Maxwell (1831-1879), na podstawie doświadczalnych prac Faraday’a i innych naukowców, opisał ścisłe matematyczne relacje pomiędzy liniami sił pola magnetycznego, a przepływem czegoś co nazwał „wyimaginowaną
cieczą”, a co dziś nazywamy prądem elektrycznym.
Maxwell kontynuował rozważania dotyczące sposobu, w jaki prąd płynący w pętli z drutu lub statyczny ładunek elektryczny na izolowanej płycie mogą wyindukować odpowiednio podobny przepływ prądu w jednej pętli lub statyczny ładunek elektryczny na innej płycie. Faraday nazwał wszystko, co może oddzielać, izolować, takie dwa układy przewodników dielektrykiem, niezależnie czy byłaby to płyta szklana, woskowa czy też powietrze. Maxwell założył, że siły elektryczne przechodzą przez taki dielektryk podobnie jak siły sprężystości przez sprężynę. Określił przy tym pewną własność dielektryków – „elastyczność”, czyli podatność elektryczną. Jednocześnie siły elektryczne, odpowiadające ciśnieniu maxwellowskiej „wyimaginowanej cieczy”, pozostawać miały stałe. Ciecz ta była według niego nieściśliwa i wyłącznie „elastyczność” dielektryka odpowiadać miała za jej przenoszenie z jednego miejsca na drugie.
Teoria falowa.
Siły elektryczne miały być według Maxwella przenoszone na zasadzie falowej. Gdy wrzucamy kamień do stawu, wokół miejsca, w którym wpadł do wody tworzą się fale, które przenoszą energię na dużą odległość od miejsca upadku. Korek pływający na wodzie zaczyna podskakiwać na falach, mimo że nie miał żadnej bezpośredniej styczności z wrzuconym kamieniem, który dostarczył układowi energii. Różnica między falami na wodzie a falami elektromagnetycznymi polegała na tym, że fale maxwellowskie mogły się rozchodzić w próżni. Właściwie w czasach Maxwella uważano, że rozchodzę się one w tzw. eterze. Miał on według ówczesnych teorii wypełniać próżnię i stanowić ośrodek, w którym rozchodziły się fale elektromagnetyczne.
Maxwell wykonał szczegółowe obliczenia mechaniki tychże fal i pokazał, że wektor pola elektrycznego zmienia się w kierunku prostopadłym do kierunku rozchodzenia się fali, a jednocześnie w kierunku prostopadłym do tych obu drga wektor pola magnetycznego. Stwierdził, że fale elektromagnetyczne mają wiele własności identycznych z właściwościami światła. Maxwell opublikował fundamentalną teorię elektromagnetyzmu, zwieńczoną czterema słynnymi równaniami, w roku 1864. Jednak dopiero w 1887 roku, Niemiec Heinrich Rudolf Hertz po raz pierwszy zademonstrował działanie fal elektromagnetycznych.
Hertz – młodość.
Hertz urodził się w Hamburgu w roku 1857 i w wieku 20 lat rozpoczął w Berlinie studia pod kierunkiem znakomitego fizyka Hermanna von Helmholtza (1821-1894). Helmholzt twierdził, że nowa teoria Maxwella potrzebuje potwierdzenia eksperymentalnego i ustanowił nagrodę dla pierwszego, kto tego dokona.
W 1883 roku Hertz został wykładowcą w Kilonii, gdzie większość swego czasu poświęcał studiom nad równaniami Maxwella. W wieku 28 lat, w 1885 roku został zatrudniony na stanowisku profesora fizyki na Politechnice w Karlsruhe. Rozpoczął tam prace eksperymentalne. Zbudował „nadajnik” złożony z dwóch metalowych prętów, których końce były oddzielone. Wolne końce prętów przyłączył do przeciwległych wyjść dużej cewki indukcyjnej. Po włączeniu prądu pomiędzy prętami pojawiało się oscylujące wyładowanie elektryczne. W pewnej odległości od tego „nadajnika”, po drugiej stronie dużego pokoju Hertz ustawił „odbiornik”. Były to 2 druty z małą przerwą pomiędzy końcami. Zgodnie z przewidywaniami, gdy „nadajnik” pracował, w obszarze „odbiornika” pojawiał się niewielkie wyładowanie.
Zmienne pole elektryczne „nadajnika” generowało falę elektromagnetyczną, która indukowała w obwodzie „odbiornika” zmienny prąd elektryczny. Hertz udowodnił, że zgodnie z przewidywaniami Maxwella pole elektryczne drga w kierunku prostopadłym do kierunku rozchodzenia się fali elektromagnetycznej. Gdy przerwa „odbiornika” ustawiona była prostopadle do prostej łączącej odbiornik z nadajnikiem, wyładowanie pojawiało się, lecz gdy ustawiono ją wzdłuż tej prostej, wyładowań nie było.
Odkrycie fal radiowych.
By udowodnić falową naturę promieniowania elektromagnetycznego, Hertz zawiesił na odległej ścianie pokoju dużą płytę cynkową. Jeśli promieniowanie byłoby falą, to po odbiciu od płyty interferowałoby z promieniowaniem biegnącym bezpośrednio od nadajnika, powodując miejscowe zaniki i wzmocnienia natężenia, które rejestrowały odbiorniki. Tak było w istocie. Hertz wykazał także, że promieniowanie elektromagnetyczne rozchodzi się z prędkością światła.
Hertz odkrył fale radiowe o długości znacznie większej niż fale świetlne. Dziś wiemy, że promieniowanie elektromagnetyczne ma ciągłe spektrum, poczynając od fal radiowych o małej częstotliwości i dużej długości, poprzez krótsze fale promieniowania podczerwonego, widzialnego, nadfioletowego kończąc na wyjątkowo krótkich falach promieniowania rentgenowskiego oraz promieniowania gamma.
W 1889 roku Hertz objął stanowisko profesora fizyki Uniwersytetu w Bonn. Tam prowadził badania naukowe na tzw. promieniowanie katodowe. W 1896 roku Gugiliemo Marconi (1874-1937) opatentował swój „telegraf bez drutu”. Hertz wykazał, że promieniowanie katodowe jest w stanie przejść przez cienką folię metalową, jednak wkrótce zmarł w 1894 roku. Żył zaledwie 37 lat. W rok po jego śmierci inny niemiecki fizyk Wilhelm Rontgen (1845-1932), odkrył promienie X, zwane również promieniami rentgena, będące inną formą promieniowania elektromagnetycznego. Prace Hertza uczczono, nazywając jego nazwiskiem jednostkę częstotliwości w międzynarodowym układzie SI – Hertz (skrót HZ).