В истории науки не так много открытий, с которыми приходится соприка



жүктеу 137.29 Kb.

Дата29.01.2017
өлшемі137.29 Kb.

Генрих Рудольф Герц

(1857—1894)

В истории науки не так много открытий, с которыми приходится соприка-

саться  каждый  день.  Но  без  того,  что  сделал  Генрих  Герц,  современную  жизнь

представить  уже  невозможно,  поскольку  радио  и  телевидение  являются  необхо-

димой 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 пре-

одолел 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 посту-

пил в Гамбургское реальное училище и собирался изучать юриспруденцию. Одна-

ко после того, как у них в училище начались занятия по физике, его интересы кру-

то изменились. К счастью, родители не мешали мальчику искать свое призвание и

разрешили ему перейти в гимназию, окончив которую, он получал право поступ-

ления в университет.

Получив аттестат зрелости, Герц уехал в 1875 году в Дрезден и поступил в

высшее техническое училище. Вначале ему там понравилось, но постепенно юно-

ша понял, что карьера инженера не для него. 1 ноября 1877 года он отправил ро-

дителям  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  жиз-

нью, 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  уни-

верситетских знаний недостаточно; для самостоятельных научных занятий  необ-

ходимо было найти ученого, который согласился бы стать его научным руководи-

телем. Вот почему после окончания университета Герц отправился в Берлин, где


устроился ассистентом в лаборатории крупнейшего немецкого физика того време-

ни Германа Гельмгольца.

Гельмгольц вскоре заметил талантливого юношу, и между ними установи-

лись хорошие отношения, которые впоследствии перешли в тесную дружбу и од-

новременно  в  научное  сотрудничество.  Под  руководством  Гельмгольца  Герц  за-

щитил диссертацию и стал признанным специалистом в своей области.

Гельмгольц в своем некрологе вспоминает начало научного пути Герца, ко-

гда он предложил ему тему для студенческой работы из области электродинамики,

«будучи  уверен,  что  Герц  заинтересуется  этим  вопросом  и  успешно  его  разре-

шит».  Таким  образом,  Гельмгольц  ввел  Герца  в  ту  область,  в  которой  ему  впо-

следствии  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 пус-

тыню. 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 « вы-

пускника 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 про-

фессоров, как Кирхгоф и Гельмгольц, предикатом — с отличием. Его дипломная

работа «Об индукции во вращающемся шаре» была теоретической, и он продол-

жал  заниматься  теоретическими  изысканиями  в  физическом  институте  при  уни-

верситете.

Но Генрих Герц стал сомневаться, так как он считал, что теоретические ра-

боты, 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 до-

цента в Киле, а через шесть лет стал профессором физики в Высшей технической

школе в Карлсруэ. Здесь у Герца была своя собственная экспериментальная лабо-

ратория,  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  изу-

чением которых он трудился еще в студенческие годы. Именно в Карлсруэ начал-

ся наиболее плодотворный период его научной деятельности, который, к сожале-

нию, продолжался недолго.

В работе 1884 года Герц показывает, что максвелловская электродинамика

обладает  преимуществами  по  отношению  к  обычной,  но  считает  недоказанным,

что она является единственно возможной. В дальнейшем Герц, однако, остановил-

ся на компромиссной теории Гельмгольца. Гельмгольц взял у Максвелла и Фара-



дея признание роли среды в электромагнитных процессах, но в отличие от Мак-

свелла 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-

то и должно было быть по теории Максвелла! Но, видимо, Гельмгольц не удовле-

творился этим и предложил Герцу вновь заняться проверкой теории Максвелла.

Подсчеты Герца показали, что ожидаемый эффект даже при наиболее благо-

приятных  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 ко-

лебаниями».

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  де-

монстраций. «Меня поразило, — писал он, — что для получения искр в одной об-

мотке не было необходимости разряжать большие батареи через другую и, более

того, что для этого достаточны небольшие лейденские банки и даже разряды не-

большого  индукционного  аппарата,  если  только  разряд  пробивал  искровой  про-

межуток». Экспериментируя с этими катушками, Герц пришел к идее своего пер-

вого опыта.

Экспериментальную  установку  и  сами  опыты  Герц  описал  в  опубликован-

ной  в  1887  году  статье  «О  весьма  быстрых  электрических  колебании  ях».  Герц

описывает здесь способ генерации колебаний, «приблизительно в сто раз быстрее

наблюденных Феддерсеном». «Период этих колебаний, — пишет Герц, — опреде-

ляемый, 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 эфи-

ра». Но ни о каких электромагнитных волнах длиной порядка трех метров Герц в

этой работе не говорит. Все, что он сделал, это сконструировал генератор и при-

емник  электрических  колебаний,  изучая  индукционное  действие  колебательного

контура генератора на колебательный контур приемника при максимальном рас-

стоянии между ними три метра.

В  работе  «О  действиях  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 убыва-

ет  обратно  пропорционально  кубу  расстояния.  Однако  на  расстояниях,  превы-

шающих три метра, поле убывает значительно медленнее и неодинаково в различ-



ных  направлениях.  В  направлении  оси  вибратора  действие  убывает  значительно

быстрее, чем в направлении, перпендикулярном оси, и едва заметно на расстоянии

четырех  метров,  тогда  как  в  перпендикулярном  направлении  оно  достигает  рас-

стояний, больших двенадцати 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  электриче-

скими колебаниями, — писал Герц в своей восьмой статье 1888 года, — показали

мне,  что  теория  Максвелла  обладает  преимуществом  перед  всеми  другими  тео-

риями 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 класси-

ческой теории излучения атомов и молекул.

Таким образом. Герц в процессе своих исследований окончательно и безого-

ворочно перешел на точку зрения Максвелла, придал удобную форму его уравне-

ниям,  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 под-

водит 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  про-

странство  мгновенно.  Они  означают  блестящую  победу  теории  Максвелла...  На-

сколько 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 элек-

тродинамики 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.  Особое  внимание  привлекли

опыты, описанные в работе «О лучах электрической силы». «Эти опыты с вогну-

тыми  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 откры-

тие. В своей работе «О влиянии ультрафиолетового света на  электрический  раз-

ряд», поступившей в «Протоколы Берлинской Академии наук» 9 июня 1887 года,

Герц описывает важное явление, открытое им и получившее впоследствии назва-

ние фотоэлектрического эффекта.

Это  замечательное  открытие  было  сделано  благодаря  несовершенству  гер-

цевского  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 стен-

ки 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 важ-

ный 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 из-

данию Герман Гельмгольц. В предисловии к книге он назвал Герца самым талант-

ливым из своих учеников и предсказал, что его открытия будут определять разви-

тие 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 прак-

тически все направления современной физики.



ГЕНРИХ ГЕРЦ — ЛЮБИМЕЦ БОГОВ

К 140-летию со дня рождения

Стремительное становление

Предтеча радиотехники Генрих Рудольф Герц родился 22 февраля 1857

г.  в  Гамбурге.  Его  отец  —  адвокат,  впоследствии  сенатор,  и  его  мать  были

весьма  образованными  людьми.  С  детских  лет  Генрих,  не  отличавшийся

крепким здоровьем, проявлял редкую одаренность и удивительную разносто-

ронность  интересов.  По  свидетельству  школьных  учителей,  он  «блистал  в

учении, как звезда первой величины. Никто не мог превзойти его в быстроте

и  остроте  восприятия».  Он  одинаково  успешно  осваивал  и  точные  науки  -

математику,  физику  —  и  гуманитарные.  Владел  английским,  французским,

итальянским языками, понимал греческий и арабский. По воскресеньям Герц

посещал  школу  искусств  и  ремесел,  где  изучал  чертежное,  слесарное  и  сто-

лярное дело; увлекался работой на токарном станке. Когда он стал известным

ученым, его старый учитель по токарному делу сказал с огорчением: «Жаль!

Из него вышел бы прекрасный токарь».

Начав  в  1875  г.  учебу  сначала  в  Дрезденской,  а  затем  в  Мюнхенской

высшей  технической  школе,  в  1877  г.  Герц  круто  изменил  свой  жизненный

путь:  решил  стать  не  инженером,  а  ученым-физиком.  Столь  кардинальный

поворот он объяснил в письме родителям от 1 ноября 1877 г. строками Фрид-

риха  Шиллера:  «Кто  трусит  жизнью  рисковать,  тому  успехов  в  ней  не

знать!».


Высшее  научное  образование  он  получил  в  Берлинском  университете

под  руководством  знаменитого  физика  Германа  Гельмгольца.  В  первый  же

год учебы на физических практикумах проявилось его необыкновенное даро-

вание экспериментатора. В октябре 1878 г. он взялся за решение предложен-

ной факультетом конкурсной задачи, на решение которой был отведен девя-

тимесячный  срок.  Герц  решил  ее  за  три  месяца,  закончив  работу  в  январе

1879  г.,  и  получил  за  нее  университетский  приз.  Эта  работа  под  названием

«Кинетическая энергия движущихся зарядов» была опубликована в 1880 г.

Вторую  научно-исследовательскую  работу  «Об  индукции  во  вращаю-

щемся шаре» Герц выполнил в 1879 г. всего за два месяца и еще до оконча-

ния четвертого семестра своего университетского образования представил ее

к защите на соискание ученой степени. Вскоре, 5 февраля 1880 г., 23-летний

Герц  был  удостоен  Ученым  советом  (а  его  возглавляли  такие  «зубры  элек-

тротехники», как Герман Гельмгольц и Густав Кирхгоф) степени доктора на-

ук  «с  отличием»,  что  было  весьма  редким  явлением  в  истории  Берлинского


университета. Тогда Гельмгольц писал: «Я увидел, что имею дело с учеником

совершенно необычайного дарования».

Восприятие  Герца  только  как  блестящего  экспериментатора  неполно.

Он был подлинным ученым. Современники отмечали легкость, с которой он

оперировал  сложными  уравнениями  и  специальными  функциями.  100  стра-

ниц  его  диссертации  были  испещрены  формулами.  В  ней  он  продемонстри-

ровал недюжинные математические способности.

Интересна эволюция Герца как ученого: способности к школьным нау-

кам,  ремеслам  и  языкам;  склонность  к  инженерному  делу,  исключительное

экспериментаторское мастерство, наконец, эрудиция одаренного математика.

«Природа  не  часто  наделяет  людей  такими  яркими  и  разнообразными  спо-

собностями.  Герц  —  поистине  любимец  богов»  —  охарактеризовал  его

Гельмгольц.

По окончании университета Герц в 1880-1883 гг. остается в нем в каче-

стве ассистента физической лаборатории, затем переезжает в Киль, где с 1883

г. по 1885 г. утверждается сначала приват-доцентом, а затем заведующим ка-

федрой теоретической физики Кильского университета. С начала 1885 г. 28-

летний Герц — профессор Высшей технической школы в Карлсруэ.

Чудо-опыты

Летом 1886 г. Герц женится на дочери коллеги Елизавете Долль. Вско-

ре начался цикл его исторических опытов, гениальных по замыслу и простоте

исполнения с использованием элементарных подручных средств.

Электромагнитная  теория  выдающегося  английского  физика  Джеймса

Максвелла 25 лет не находила признания в научном мире, и лишь 25 месяцев

потребовалось Герцу, чтобы ее подтвердить экспериментально.

Для проверки теории Максвелла, во-первых, важно было выяснить, со-

провождается ли изменение электрического поля  в диэлектрике  (ток  смеще-

ния) такими же изменениями магнитного поля, как и в случае изменяющего-

ся  тока  в  проводнике;  во-вторых,  надо  было  показать,  что  изменяющееся

магнитное  поле  вызывает  такую  же  поляризацию  диэлектрика,  как  электри-

ческое поле, и, в-третьих, надо было показать, что воздух ведет себя так же,

как другие диэлектрики. Иными словами, нужно было обнаружить магнитное

поле тока смещения и получить электромагнитные волны.

Герц  понял,  что  для  доказательства  теории  Максвелла  прежде  всего

необходимо  получить  такие  быстрые  электромагнитные  колебания,  чтобы

соответствующие  им  электромагнитные  волны  можно  было  наблюдать  в

пределах  лаборатории.  Необходимо  было найти  также  и  способы  обнаруже-

ния этих волн.



Известными  в  то  время  способами,  например  при  разряде  лейденской

банки,  удавалось  получить  токи  колебательного  характера,  однако  частота

таких  колебаний  была  не  более  10

6

  1/с,  что  соответствовало  волнам  длиной



не  менее  300  м.  При  этом  колебания  продолжались  недолго;  они  состояли

всего из нескольких быстро затухающих толчков.

Герц  сумел  увеличить  частоту  колебаний  в  сотни  раз.  Для  этого  он

придумал  и  сконструировал  свой  знаменитый  излучатель  электромагнитных

волн, названный впоследствии «вибратором Герца».

Первоначально  вибратор  представлял  собой  два  соосных  медных

стержня диаметром 5 мм и длиной по 1,3 м; на концах стержней были наса-

жены по одному латунному маленькому (диаметром 3 см) шарику и по одной

большой цинковой сфере или полусфере (диаметром 30 см) либо квадратной

пластине.  Между  маленькими  шариками  оставался  искровой  промежуток  в

7...7,5 мм (рис. 1). К медным стержням вблизи маленьких шариков были при-

креплены  обмотки  катушки  Румкорфа  —  преобразователя  постоянного  тока

низкого напряжения в переменный ток высокого напряжения.

Рис. 1. Схема опыта Герца

При импульсах постоянного  тока,  вследствие  действия  прерывателя,  в

гальванической  цепи  вторичной  обмотки  катушки  между  шариками  проска-

кивали  искры  и  в  окружающую  среду  излучались  электромагнитные  волны.

Перемещением больших сфер (или пластин) вдоль стержней регулировались

индуктивность  и  емкость  цепи,  определяющие  частоты  колебаний  (и  соот-

ветственно длины волн) согласно формуле Томсона.

Чтобы  улавливать  излучаемые  волны,  Герц  сделал  простой  резонатор,

представляющий  собой  проволочное  незамкнутое  кольцо  диаметром  70  см

или прямоугольную незамкнутую рамку 125 х 80 см, также с латунными ша-

риками на концах и также с малым искровым регулируемым промежутком.



Вибратор и  резонатор Герца поражают  своей остроумной  простотой  и

высокой  эффективностью.  Изменяя  размеры  и  положение  резонатора,  уче-

ный настраивал его на частоту колебаний вибратора. В разряднике резонато-

ра  проскакивали  маленькие  искры  в  те  самые  моменты,  когда  происходили

разряды между шариками вибратора. Интенсивность искрообразования была

очень мала и наблюдения приходилось вести в темноте.

Опыты  Герц  начал  в  конце  октября  1886  г.  и  уже  в  ноябре  в  рабочем

дневнике записал: «Мне посчастливилось установить индукционное действие

друг на друга двух незамкнутых цепей с током». Дневниковая запись в нача-

ле  декабря:  «Удалось  установить  резонанс  между  электрическими  колеба-

ниями в двух цепях».

Сначала  Герц  добился  частоты  электромагнитных  колебаний  50  •  10

6

1/с.  Затем,  совершенствуя  конструкции  вибратора  и  резонатора  и  уменьшая



их  размеры,  например,  длину  медных  стержней  —  до  13  см,  искровые  про-

межутки  —  до  3  мм,  диаметры  шариков  -до  3  см,  заменив  один  латунный

шарик  острием  и  соответственно  в  5  раз  уменьшив  диаметр  резонатора,  он

довел частоту колебаний до 500 • 10

6

 1/с.


Таким образом, уже в начале работы были достигнуты два важнейших

результата:  открыты  способы  получения  электромагнитных  колебаний

сверхвысоких  частот  и  их  обнаружения  и  сконструированы  устройства  для

этого:  высокочастотный  генератор  —  вибратор  и  детектор  излучаемых  им

колебаний — резонатор.

В 1887 г. вышла статья Герца «Об очень быстрых электрических коле-

баниях», принесшая ему широкую известность.

Герц  обратил  внимание  на  отражение  электромагнитных  волн  от  про-

водящих  предметов.  На  стене  лаборатории  размером  15х6  м  был  укреплен

цинковый экран 4х2 м; вибратор находился на расстоянии 13 м от экрана; на-

строенный  резонатор  перемещался  между  вибратором  и  экраном.  Наблюдая

интенсивность  искры  в  резонаторе,  Герц  установил  наличие  максимумов  и

минимумов, характерных для картины стоячих волн. Так была получена ин-

терференция  волн,  идущих  от  вибратора,  и  волн,  отраженных  от  экрана,  и

были измерены их длины: сначала 9,6 м, затем 6 м, 60 см и даже 30 см.

«Эти  опыты,  —  писал  Герц,  —  в  которых  волнообразное  распростра-

нение индукции в воздухе делается почти осязаемым... могут служить  осно-

ванием  теории  электродинамических  явлений,  разработанной  Максвеллом,

базирующейся на представлениях Фарадея».

Добившись укорочения длины волны, Герц попытался достичь концен-

трации электромагнитной энергии с помощью отражающих зеркал, имеющих

форму параболических цинковых цилиндров. Вибратор был укреплен внутри

зеркала  на  его  фокальной  оси.  Настроенный  резонатор  показал  наличие  за-

метной  концентрации  электромагнитного  излучения  в  направлении  оптиче-

ской оси зеркала. Затем Герц манипулировал двумя вращающимися зеркала-

ми, поместив на фокальной оси второго зеркала резонатор.



Для  выяснения  вопроса  о  поляризации  электромагнитных  волн  Герц

сначала произвел опыты с относительным вращением зеркал вокруг их опти-

ческой оси. Затем он применил решетку размером 2х2 м из медных проволок

диаметром 1 мм, натянутых на деревянной раме с расстоянием между ними 3

см, и расположил ее между зеркалами с вибратором и резонатором. При этом

оси зеркал были параллельны.

Когда проволоки решетки были перпендикулярны вибратору и резона-

тору,  искры  получались  такими  же,  как  и  при  отсутствии  решетки.  По  мере

вращения  решетки  искры  в  резонаторе  ослабевали  и  при  параллельном  рас-

положении  проволок  совершенно  прекращались.  Опыты  подтвердили,  что

электрическое поле вибратора лежит в плоскости, проходящей через его ось,

т. е. в меридиональной плоскости. При взаимно-перпендикулярном располо-

жении зеркал искры в резонаторе отсутствовали как при горизонтальном, так

и при вертикальном расположении проволок решетки. Однако при повороте

решетки  на  45°  в  резонаторе  появлялись  достаточно  сильные  искры.  «Оче-

видно, — писал по этому поводу Герц, — решетка разлагает проходящее ко-

лебание Е на две составляющие и пропускает лишь ту, которая перпендику-

лярна  направлению  ее  проволок  Е

1

.

 



Эта  составляющая  образует  угол  45°  с

фокальной линией второго зеркала и, будучи еще раз им разложена, оказыва-

ет  влияние  Е

2

  на  резонатор».  Так  было  доказано  явление  поляризации  элек-



тромагнитных волн (рис. 2).

Рис. 2. Решетка из медных проволок

на пути электромагнитной волны

Продолжая изучать явление отражения волн, Герц расположил зеркала

так, что их оптические оси образовывали некоторый угол. При расположении

цинкового экрана в точке пересечения оптических осей, когда перпендикуляр

к его поверхности совпадал с биссектрисой  угла  (рис. 3),  возникало  искроо-

бразование.  Аналогичные  результаты  получались  при  замене  сплошного  эк-

рана  проволочной  решеткой.  Опыты  показали,  что  отражение  электромаг-


нитных волн происходит по тем же законам, что и отражение света, как это и

следует из теории Максвелла.

Рис. 3. Отражение электромагнитных волн

Наконец, для изучения вопроса о преломлении электромагнитных волн

Герц изготовил асфальтовую призму высотой 1,5 м весом в 1,2 т  с  попереч-

ным  сечением  в  виде  равнобедренного  треугольника  со  сторонами  1,2  м.

Призма  образовывала  преломляющий  угол  30°.  Помещение  призмы  между

зеркалами,  стоящими  одно  против  другого,  вызывало  полное  прекращение

искры в резонаторе. Искрообразование восстанавливалось при перемещении

приемного зеркала на угол

 22° по направлению к основанию призмы (рис. 4).

Вычисленный коэффициент преломления асфальта 1,69 был близок к истин-

ному значению.

Рис. 4. Преломление электромагнитных волн

Подводя  итоги  всем  этим  опытам,  Герц  писал:  «...  описанные  опыты

доказывают  идентичность  света,  тепловых  лучей  и  электродинамического

волнового движения».


О  полученных  результатах  Герц  в  начале  ноября  1887  г.  сообщил

Гельмгольцу. Через два дня последний ответил открыткой: «Манускрипт по-

лучен. Браво! В четверг пошлю в печать».

Искусный  экспериментатор  достиг  цели,  установив,  что  электромаг-

нитные  волны,  подобно  световым,  подвержены  отражению,  преломлению,

интерференции,  поляризации  и  дифракции.  Удалось  измерить  длину  и  рас-

считать  скорость  распространения  волн.  Теоретик  Герц,  основываясь  на

уравнениях  Максвелла,  ввел  вспомогательную  функцию  («функция Герца»),

получил  общие  выражения  для  составляющих  электрического  и  магнитного

полей и вывел их зависимость от расстояния до вибратора. Он получил также

формулу для излучаемой мощности.

В  работе  «Силы  электрических  колебаний,  рассматриваемые  с  точки

зрения  теории  Максвелла»  (1888  г.),  Герц  дал  классический  расчет  электро-

магнитного излучения простейшего вибратора (диполя). Его выводы легли в

основание теории излучения радиоволн и методики расчета антенн.

В  том  же  1888  г.  вышла  фундаментальная  работа  Герца  «Об  электро-

динамических волнах в воздухе и их отражении». Физики всего мира начали

воспроизводить  опыты  Герца  и  повсюду  говорили  и  писали  о  «волнах  Гер-

ца». Заключительная работа цикла «О лучах электрической силы», доложен-

ная Герцем 13 декабря 1888 г. на заседании Берлинской академии наук, про-

извела подлинную сенсацию.

Он получил от ряда университетов предложения возглавить кафедры и

выбрал  кафедру  физики  в  Боннском  университете.  Его  приветствовали  из-

вестные ученые и научные учреждения.

В дальнейшем Герц перестал заниматься электромагнитными волнами.

Свои труды в этой области он объединил и издал под общим названием «Ис-

следования о распространении электрической силы».

Старт радиотехники

Эпохальное открытие Герца явилось стартом восьмилетнего  марафона

по созданию средств беспроволочной связи. Академик Леонид Мандельштам

отмечал: «То, что открытие Герца ... поставило на очередь проблему исполь-

зования электромагнитных волн для практических целей передачи сигналов,

можно  утверждать  наверное».  Видный  английский  физик  Уильям  Крукс  в

1892  г.  в  статье  об  опытах  Герца  писал:  «Здесь  раскрывается  поразительная

возможность телеграфирования без проводов, телеграфных столбов, кабелей

и всяких других дорогостоящих современных приспособлений».

Многие  годы  не  утихают  дискуссии  на  тему,  кто  же  изобрел  радио,

Попов  или  Маркони,  чей  это  национальный  приоритет?  Постепенно  многие

ученые  мира  пришли  к  мнению,  что  говорить  об  изобретении  радио  некор-


ректно, тем более сделанном одним человеком. Радио — детище коллектив-

ное,  интернациональное,  созданное  не  единовременно,  а  поэтапно,  совокуп-

ными вкладами ряда ученых.

Француз  Эдуард  Бранли  в  1890  г.  заменил  примитивный  резонатор

Герца  более  чувствительным  приемником  —  «радиокондуктором»,  исполь-

зуя  свойство  металлических  порошков  изменять  свое  электрическое  сопро-

тивление  под  влиянием  электромагнитного  излучения.  Англичанин  Оливер

Лодж в


1894  г.  усовершенствовал  радиокондуктор  Бранли,  назвал  его  когере-

ром  и  соорудил  действующий  приемник,  посредством  которого  принимал

сигналы от вибратора Герца на расстоянии до 60 м.

И все же, как известно, решающий вклад на завершающем этапе  эста-

феты  внесли  двое  —  русский  преподаватель  физики  Александр  Попов  и

итальянский студент Гульельмо Маркони. А. Попов в 1895 г. сконструировал

удобный  и  надежный  в  эксплуатации  приемник,  принимающий  сигналы  от

вибратора Герца на расстоянии до 80 м и, главное, создал на его основе пер-

вое  радиотехническое  устройство  практического  применения  —  «грозоот-

метчик»  —  прибор  одностороннего  действия,  улавливающий  и  записываю-

щий мощные электрические колебания грозовых разрядов.

В том же 1895 г. Г. Маркони решил проблему не только приемника, но

и  передатчика  с  высокой  антенной,  обеспечил  их  резонанс  и  осуществил  на

длинных  волнах  первую  в  мире  беспроволочную  телеграфную  передачу  ко-

дом  Морзе  на  расстояние  2...2,5  км,  что  и  послужило  фактическим  началом

радиосвязи — беспроволочного телеграфа (по терминологии тех  лет).  Пред-

ставление о коллективном поэтапном создании радио как средства связи от-

ражено в юбилейном, посвященном столетию радио, сборнике Европейского

радиовещательного  союза,  в  котором,  кроме  столпов  электромагнетизма  -

великих Майкла Фарадея и Джеймса Максвелла, в числе пионеров радиотех-

ники названы Г. Герц, О. Лодж, А. Попов и Г. Маркони.

Подобную концепцию в основном разделяет ряд отечественных ученых

— академик РАН В.В. Мигулин, а также недавно ушедший из жизни замес-

титель председателя и Почетный член Российского научно-технического об-

щества  радиотехники,  электроники  и  связи  доктор  технических  наук  В.Н.

Сретенский,  член  нескольких  отраслевых  академий  заслуженный  деятель

науки и техники доктор технических наук профессор Н.И. Чистяков и другие.

Переехав в 1889 г. в Бонн, Герц занялся переработкой законов класси-

ческой механики и написал книгу «Принципы механики».

В  1892  г.  его  здоровье  резко  ухудшилось.  Сказалось  перенапряжение

последних лет,  когда он, по  собственному  определению, работал  «...  как  ра-

бочий  на  заводе  и  по  времени  и  по  характеру...»  (из  письма  к  родителям).

Обострился туберкулез, испортилось зрение, последовали заболевания зубов,

носа, ушей и общее заражение крови.



Мировое признание

Генрих Герц умер в расцвете творческих сил, в возрасте 37 лет. За свою

короткую жизнь он сделал очень много. Еще не одно десятилетие во всех фи-

зических экспериментах с электромагнитными волнами и в их практических

применениях для сигнализации и связи основой служил «вибратор Герца».

Введенная  им  при  расчете  электромагнитных  полей  вспомогательная

функция  П,  являющаяся  векторной  величиной,  получила  название  «вектор

Герца».  Эта  функция  постоянно  используется  в  теории  распространения  ра-

диоволн.

Профессор Петербургского университета Орест Хвольсон в 1890 г. пи-

сал: «Опыты Герца, классические на веки вечные, обратили на себя внимание

не только ученых, занимающихся физикой, но и всего образованного мира».

А  известный  английский  физик  Дж.  Дж.  Томсон  охарактеризовал  значение

работ Герца так: «Подобно открытию Фарадеем электромагнитной индукции,

оно имело огромное влияние на цивилизацию».

Выдающийся российский физик профессор МГУ Александр Столетов в

своей речи «Эфир и электричество», произнесенной 8 января 1890 г. в Петер-

бурге,  сказал  об  открытии  Герца:  «Эти  результаты  поразительны.  Максвелл

нашел или предсказал их путем теории. Оставалось  проверить  предсказание

теории. Эта-то важная победа науки достигнута блестящими опытами Герца.

До его опытов максвелловскую теорию можно было замалчивать или трети-

ровать, теперь о ней надо говорить».

В  1887  г.  Герц  наблюдал  явление  внешнего  фотоэффекта,  когда  под

влиянием  ультрафиолетового  свечения  искры  усиливается  электрический

разряд между двумя электродами. В 1891 г. он опубликовал статью «О про-

хождении катодных лучей в тонких металлических слоях».

Развивая  теорию  Максвелла,  он  придал  уравнениям  электродинамики

симметричную  форму,  наглядно  демонстрирующую  полную  взаимозависи-

мость  между  электрическими  и  магнитными  явлениями  (электродинамика

Максвелла — Герца).

Исследования  электромагнитных  волн  принесли  Герцу  мировую  из-

вестность и способствовали всеобщему признанию теории Максвелла, что, в

свою очередь, повлекло за собой революцию в физическом мировоззрении. А

исследования фотоэффекта сыграли важную роль в развитии квантовой  тео-

рии.

В 1888-1891 гг. он был награжден рядом премий и медалей академий и



научных  обществ  Англии,  Италии,  Австрии,  Франции.  Семь  европейских

академий избрали его членом-корреспондентом. Прусское правительство на-

градило орденом Короны.

Его именем названа единица частоты — герц (Гц) — одно колебание в

секунду.  А  «волны  Герца»,  получившие  в  дальнейшем  название  радиоволн,


вошли  в  число  важнейших  доминант  жизни  современного  общества.  С  его

безвременной смертью мировая наука потеряла одного из самых ярких своих

представителей.

Литература

1. Вейтков Ф. Летопись электричества. — М.: Госэнергоиздат, 1946.

2. Heinrich Hertz // Radio und Fernsehen. — 1957. — № 4.

3. Аренберг А.Г. Генрих Герц. — М.: Знание, 1957.

4. Кудрявцев П.С. История физики. Т. II. — М.: Квант,1956.

5. Григорьян А.Т., Вяльцев А.Н. Генрих Герц. — М.: Наука, 1968.

6. Родионов В.М. Зарождение радиотехники. — М.: Наука, 1985.

7. Маркчев Н.Т. Сравнение различных форм уравнении Максвелла. В

сб. Максвелл и развитие физики

 ХIХ-ХХ веков. — М.: Наука, 1985.

8. Генрих Рудольф Герц // Гутен таг. — 1986. — №

 1.

9. Мигулин В.В. Стоячие волны Герца // Радио. — 1988. -№ 11.



10.

 Самарин М.С. Вольт, Ампер, Ом и другие. — М.: Радио и связь,

1988.

11.


 Сретенский В.Н. Освоение спектра электромагнитных колебаний и

особенности физического эксперимента в радиотехнике и электронике //  Ра-

диотехника. — 1992. — № 3.

12.


  Генрих  Герц  В  сб.  Знаменитые  евреи.  —  М.:  ТОО  Внешсигма,

1992.


13.

 Мигулин В.В. Зарождение радио и первые шаги радиотехники. В

сб. 100 лет радио. -М.: Радио и связь, 1995.

14.


 Чистяков Н.И., Шахгильдян В.В. А.С. Попов и формирование ра-

дио // Радиотехника. — 1995. — № 4-5.

15. Six great pioneers of wireless // European Broadcasting Union Technical

Rewiew. — 1995. — № 263.

Д. Шарле

————————————

Шарле Д. Генрих Герц —  любимец  богов  //  Электросвязь.  —  1997.  —

№ 2. С. 42-45.






©emirb.org 2017
әкімшілігінің қараңыз

войти | регистрация
    Басты бет


загрузить материал