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Heinrich Rudolf Hertz (deutsch: [hɛʁts]; 22. Februar 1857 – 1. Januar 1894) war ein deutscher Physiker, der als erster schlüssig die Existenz des… bewies.

Heinrich Rudolf Hertz (hurts; deutsch: [hɛʁts]; 22. Februar 1857 – 1. Januar 1894) war ein deutscher Physiker, der für den endgültigen Nachweis der Existenz elektromagnetischer Wellen bekannt war, wie sie in James Clerk Maxwells Gleichungen des Elektromagnetismus theoretisiert wurden.

Heinrich Rudolf Hertz ( schmerzt; deutsch: [hɛʁts] ; 22. Februar 1857 – 1. Januar 1894) war ein deutscher Physiker, der als erster schlüssig die Existenz der von James Clerk vorgeschlagenen elektromagnetischen Wellen bewies Maxwells Gleichungen des Elektromagnetismus.

Biografie

Heinrich Rudolf Hertz wurde am 22. Februar 1857 in Hamburg als Sohn des Anwalts und Politikers Gustav Ferdinand Hertz und Anna Elisabeth Pfefferkorn geboren.

Während seines Studiums an der Gelehrtenschule des Johanneums in Hamburg zeigte Hertz Kenntnisse sowohl in naturwissenschaftlichen Disziplinen als auch in Sprachen, darunter auch Arabisch. Seine Hochschulausbildung in Naturwissenschaften und Technik fand in Dresden, München und Berlin statt, wo er von prominenten Persönlichkeiten wie Gustav Kirchhoff und Hermann von Helmholtz betreut wurde. Hertz erwarb seinen Ph.D. 1880 promovierte er an der Universität Berlin und forschte anschließend drei Jahre lang als Helmholtz-Assistent. Im Jahr 1883 nahm er einen Lehrauftrag für theoretische Physik an der Universität Kiel an, gefolgt von einer Ernennung zum ordentlichen Professor an der Universität Karlsruhe im Jahr 1885.

Im Jahr 1886 heiratete Hertz Elisabeth Doll, Tochter von Max Doll, einem Geometriedozenten in Karlsruhe. Das Paar hatte zwei Töchter: Johanna, geboren am 20. Oktober 1887, und Mathilde, geboren am 14. Januar 1891, die sich später als Biologin hervortat. In dieser Zeit unternahm Hertz seine bahnbrechenden Untersuchungen zu elektromagnetischen Wellen.

Am 3. April 1889 übernahm Hertz die Position eines Professors für Physik und Direktor des Physikalischen Instituts an der Universität Bonn, eine Position, die er bis zu seinem Tod innehatte. Während seiner Amtszeit konzentrierte er sich auf die theoretische Mechanik. Seine Beiträge wurden 1894 posthum als Buch Die Prinzipien der Mechanik in neuem Zusammenhange dargestellt veröffentlicht.

Wissenschaftliche Arbeit

Elektromagnetische Wellen

Im Jahr 1864 stellte James Clerk Maxwell, ein schottischer mathematischer Physiker, eine umfassende Theorie des Elektromagnetismus vor, die später als Maxwell-Gleichungen bekannt wurde. Diese Theorie ging davon aus, dass sich miteinander verbundene elektrische und magnetische Felder als „elektromagnetische Wellen“ durch den Raum ausbreiten könnten. Maxwell stellte außerdem die Hypothese auf, dass Licht aus kurzwelligen elektromagnetischen Wellen bestehe; Ein experimenteller Nachweis hierfür oder die Erzeugung und Detektion elektromagnetischer Wellen bei anderen Wellenlängen blieb jedoch unerreichbar.

Im Jahr 1879, während Hertz‘ akademischen Aktivitäten, schlug Helmholtz vor, dass sich Hertz‘ Doktorarbeit auf die experimentelle Validierung von Maxwells Theorie konzentrieren sollte. Gleichzeitig hatte Helmholtz an der Preußischen Akademie der Wissenschaften den „Berliner Preis“ für jeden ins Leben gerufen, der empirisch einen elektromagnetischen Effekt bei der Polarisation und Depolarisation von Isolatoren nachweisen konnte, ein von Maxwells System vorhergesagtes Phänomen. Helmholtz hielt Hertz für den wahrscheinlichsten Empfänger dieser Auszeichnung. Allerdings hielt Hertz die experimentelle Herausforderung zunächst für zu gewaltig, da es schwierig war, die notwendigen Geräte zu konstruieren, und entschied sich stattdessen für die Erforschung der elektromagnetischen Induktion. Dennoch führte Hertz während seiner Amtszeit in Kiel eine Analyse der Maxwell-Gleichungen durch und bestätigte deren überlegene Gültigkeit im Vergleich zu den damals vorherrschenden „Fernwirkungs“-Theorien.

Im Herbst 1886, nach seiner Ernennung zum Professor in Karlsruhe, führte Hertz Experimente mit Riess-Spiralen durch, als er beobachtete, dass das Entladen eines Leidener Gefäßes in eine Spule einen Funken in der anderen hervorrief. Diese Beobachtung lieferte ihm einen konzeptionellen Rahmen für die Konstruktion eines Apparats und ermöglichte ihm so, die Herausforderung des „Berliner Preises“ von 1879 zur empirischen Validierung von Maxwells Theorie anzugehen (obwohl der Preis 1882 nicht mehr in Anspruch genommen wurde). Für den Strahler verwendete er eine Dipolantenne, die aus zwei kollinearen, ein Meter langen Drähten bestand, die an ihren inneren Enden durch eine Funkenstrecke getrennt waren und an deren äußeren Enden Zinkkugeln befestigt waren, um für Kapazität zu sorgen. Diese Antenne wurde durch etwa 30 Kilovolt Hochspannungsimpulse gespeist, die von einer Ruhmkorff-Spule erzeugt wurden. Er detektierte diese Wellen mit einer resonanten Einzelschleifenantenne, die zwischen ihren Anschlüssen eine Funkenstrecke im Mikrometerbereich hatte. Dieses entscheidende Experiment erzeugte und empfing erfolgreich Radiowellen, die heute als sehr hochfrequente Radiowellen gelten.

Hertz führte zwischen 1886 und 1889 eine Reihe von Experimenten durch, die bestätigten, dass die beobachteten Phänomene auf Maxwells theoretische elektromagnetische Wellen zurückzuführen waren. Ab November 1887 reichte Hertz mit seiner Veröffentlichung „On Electromagnetic Effects Produced by Electrical Disturbances in Insulators“ mehrere Arbeiten bei Helmholtz an der Berliner Akademie ein. Zu diesen Einsendungen gehörten Arbeiten aus dem Jahr 1888, in denen transversale elektromagnetische Wellen nachgewiesen wurden, die sich mit einer endlichen Geschwindigkeit über eine bestimmte Entfernung durch den freien Raum ausbreiten. Im Versuchsaufbau von Hertz gingen elektrische und magnetische Felder als Transversalwellen von Drähten aus. Um stehende Wellen zu erzeugen, platzierte Hertz einen Oszillator strategisch etwa 12 Meter von einer reflektierenden Zinkplatte entfernt. Jede Welle war etwa 4 Meter lang. Mit einem Ringdetektor dokumentierte er Variationen in der Stärke und den Richtungskomponenten der Welle. Hertz hat die Maxwell-Wellen erfolgreich gemessen und festgestellt, dass ihre Geschwindigkeit der Lichtgeschwindigkeit entspricht. Darüber hinaus quantifizierte Hertz die elektrische Feldstärke, Polarisation und Reflexionseigenschaften dieser Wellen. Diese Untersuchungen haben schlüssig gezeigt, dass sowohl Licht als auch diese Wellen Formen elektromagnetischer Strahlung darstellen, die den Maxwell-Gleichungen entsprechen.

Hertz verstand die praktischen Auswirkungen seiner Radiowellenexperimente nicht vollständig und bemerkte:

Es besitzt überhaupt keinen Nutzen ... dies stellt lediglich ein Experiment dar, das die Theorien von Maestro Maxwell bestätigt – wir besitzen einfach diese rätselhaften elektromagnetischen Wellen, die für das bloße Auge nicht wahrnehmbar und doch unbestreitbar präsent sind.

Auf die Frage nach den möglichen Anwendungen seiner Entdeckungen antwortete Hertz:

Nichts, nehme ich an.

Hertz‘ endgültige Demonstration luftgetragener elektromagnetischer Wellen katalysierte eine rasche Ausweitung der Experimente mit dieser neuartigen Strahlungsform. Ursprünglich als „Hertzsche Wellen“ bezeichnet, blieb diese Nomenklatur bis etwa 1910 bestehen, als „Radiowellen“ zur Standardterminologie wurde. Innerhalb von sechs Jahren initiierte Guglielmo Marconi die Entwicklung eines drahtlosen Telegrafiesystems auf Basis von Funkwellen, das anschließend die weitverbreitete Einführung der Funkkommunikation ermöglichte.

Kathodenstrahlen

Im Jahr 1883 versuchte Hertz, die elektrische Neutralität von Kathodenstrahlen zu demonstrieren, indem er beobachtete, was er als schlüssiges Fehlen einer Ablenkung innerhalb eines elektrostatischen Feldes interpretierte. Dennoch hatte Hertz, wie J. J. Thomson 1897 darlegte, die Ablenkelektroden in einem hochleitfähigen Bereich der Röhre positioniert, was einen erheblichen Abschirmeffekt in der Nähe ihrer Oberfläche erzeugte.

Neun Jahre nach seiner ersten Arbeit begann Hertz mit weiteren Experimenten und zeigte, dass Kathodenstrahlen die Fähigkeit besitzen, extrem dünne Metallfolien wie Aluminium zu durchdringen. Philipp Lenard, ein Schüler von Heinrich Hertz, erweiterte diese Untersuchung um den „Strahleneffekt“. Lenard konstruierte eine modifizierte Kathodenröhre und untersuchte die Durchdringung verschiedener Materialien durch Röntgenstrahlen. Lenard war sich jedoch nicht bewusst, dass er Röntgenstrahlen erzeugte. Hermann von Helmholtz entwickelte mathematische Gleichungen für Röntgenstrahlen und postulierte eine Dispersionstheorie vor Röntgens Entdeckung und öffentlicher Ankündigung. Diese Theorie basierte auf der elektromagnetischen Theorie des Lichts (Wiedmanns Annalen, Bd. XLVIII). Dennoch führte Helmholtz keine Experimente mit tatsächlicher Röntgenstrahlung durch.

Photoelektrischer Effekt

Hertz trug zur Entstehung des photoelektrischen Effekts bei, einem Phänomen, das später von Albert Einstein aufgeklärt wurde, indem er beobachtete, dass sich geladene Objekte schneller entladen, wenn sie ultravioletter (UV) Strahlung ausgesetzt werden. Im Jahr 1887 wurden seine Beobachtungen sowohl zum photoelektrischen Effekt als auch zur Erzeugung und zum Empfang elektromagnetischer (EM) Wellen in der Zeitschrift Annalen der Physik dokumentiert. Sein Empfangsgerät bestand aus einer Spule mit einer Funkenstrecke, die bei der Erkennung elektromagnetischer Wellen einen sichtbaren Funken erzeugen sollte. Um die Sichtbarkeit des Funkens zu verbessern, hat Hertz den Aufbau in einer abgedunkelten Box untergebracht. Er stellte fest, dass die maximale Funkenlänge abnahm, wenn das Gerät in der Box untergebracht war. Eine zwischen der EM-Wellenquelle und dem Empfänger positionierte Glasscheibe absorbierte UV-Strahlung, was ansonsten den Elektronentransfer über den Spalt erleichterte. Beim Entfernen dieser Platte vergrößerte sich die Funkenlänge. Wenn umgekehrt Glas durch Quarz ersetzt wurde, wurde aufgrund der Transparenz von Quarz für UV-Strahlung keine Verringerung der Funkenlänge beobachtet. Hertz schloss seine mehrmonatige Untersuchung ab und verbreitete seine Ergebnisse. Allerdings hat er diesen Effekt weder weiter erforscht noch versucht, eine Erklärung für das beobachtete Phänomen zu liefern.

Kontaktmechanik

In den Jahren 1881 und 1882 veröffentlichte Hertz zwei bahnbrechende Artikel über das, was später als Kontaktmechanik bekannt wurde, und legte damit eine entscheidende Grundlage für spätere theoretische Entwicklungen auf diesem Gebiet. Joseph Valentin Boussinesq lieferte äußerst wichtige Beobachtungen zu Hertz‘ Arbeit und untermauerte damit die immense Bedeutung dieser Forschung in der Kontaktmechanik. Hertz‘ Arbeit klärte grundlegend das Verhalten zweier achsensymmetrischer Objekte unter Last auf, wenn sie in Kontakt gebracht wurden, und leitete Ergebnisse ab, die auf der klassischen Elastizitätstheorie und der Kontinuumsmechanik basieren. Eine bemerkenswerte Einschränkung seiner Theorie war das Fehlen jeglicher Adhäsionskräfte zwischen den beiden Festkörpern, ein Faktor, der umso wichtiger wird, je mehr die Materialien, aus denen sie bestehen, eine hohe Elastizität aufweisen. Allerdings war die Vernachlässigung der Adhäsion damals verständlich, da experimentelle Methoden zu deren Nachweis fehlten.

Um seine Theorie zu formulieren, nutzte Hertz Beobachtungen elliptischer Newton-Ringe, die sich bildeten, wenn eine Glaskugel auf eine Linse gelegt wurde, als Grundlage für die Postulierung einer elliptischen Druckverteilung, die von der Kugel ausgeübt wird. Anschließend nutzte er das Phänomen der Newtonschen Ringe, um seine Theorie experimentell zu validieren, indem er die Verschiebung der Kugel in die Linse berechnete. Im Jahr 1971 übernahmen Kenneth L. Johnson, K. Kendall und A. D. Roberts (JKR) die Theorie von Hertz als grundlegendes Element zur Berechnung der theoretischen Verschiebung oder Eindrücktiefe bei Vorhandensein von Adhäsion. Die ursprüngliche Theorie von Hertz lässt sich aus ihrer Formulierung ableiten, indem man von einer Nullhaftung zwischen den Materialien ausgeht. In ähnlicher Weise veröffentlichten B. V. Derjaguin, V. M. Muller und Y. P. Toporov 1975 eine alternative Theorie, die in der Forschungsgemeinschaft als DMT-Theorie bekannt ist und die Hertz‘ Formulierungen ebenfalls unter der Annahme einer Nulladhäsion wiederherstellte, wenn auch auf anderen zugrunde liegenden Annahmen. Die DMT-Theorie erwies sich zunächst als verfrüht und erforderte mehrere Überarbeitungen, bevor sie sich als weitere gültige Materialkontakttheorie neben der JKR-Theorie durchsetzte. Sowohl die DMT- als auch die JKR-Theorie stellen die Grundprinzipien der Kontaktmechanik dar, dienen als Grundlage für alle Übergangskontaktmodelle und werden bei der Vorhersage von Materialparametern für Nanoindentation und Rasterkraftmikroskopie angewendet. Diese Modelle sind von zentraler Bedeutung für das Gebiet der Tribologie und veranlassten Duncan Dowson, Hertz zu den 23 „Männern der Tribologie“ zu zählen. Obwohl Hertz seiner monumentalen Arbeit zum Elektromagnetismus vorausging, die Hertz selbst bescheiden als trivial betrachtete, war seine Forschung zur Kontaktmechanik maßgeblich daran beteiligt, das Zeitalter der Nanotechnologie voranzutreiben.

Hertz identifizierte auch den „Hertzschen Kegel“, eine spezifische Bruchart, die in spröden Festkörpern beobachtet wird und durch die Übertragung von Spannungswellen induziert wird.

Meteorologie

Hertz hatte sein ganzes Leben lang ein tiefes Interesse an der Meteorologie, was wahrscheinlich auf seine Interaktionen mit Wilhelm von Bezold zurückzuführen war, der im Sommer 1878 während eines Laborkurses am Münchner Polytechnikum als sein Professor fungierte. Während er Helmholtz in Berlin assistierte, verfasste Hertz mehrere kleinere Artikel auf diesem Gebiet, darunter Forschungen zur Flüssigkeitsverdunstung, die Entwicklung eines neuartigen Hygrometers und eine grafische Methode zur Bestimmung der Eigenschaften feuchter Luft unter adiabatischer Strömung Änderungen.

Wissenschaftsphilosophie

In der Einleitung zu seiner Abhandlung Grundsätze der Mechanik aus dem Jahr 1894 untersuchte Hertz kritisch die verschiedenen „Bilder“ oder konzeptionellen Rahmen, die zu seiner Zeit zur Darstellung der Physik verwendet wurden. Dazu gehörten das Rahmenwerk der Newtonschen Mechanik (mit Schwerpunkt auf Masse und Kräften), ein zweites Rahmenwerk (basierend auf der Energieeinsparung und dem Hamilton-Prinzip) und sein eigenes vorgeschlagenes Rahmenwerk (das ausschließlich auf Raum, Zeit, Masse und dem Hertz-Prinzip basiert). Er bewertete diese Rahmenwerke anhand ihrer „Zulässigkeit“, „Richtigkeit“ und „Angemessenheit“. Hertz wollte „leere Annahmen“ beseitigen und stellte das Newtonsche Konzept der Kraft in Frage, insbesondere die Vorstellung der Wirkung aus der Ferne. Der Philosoph Ludwig Wittgenstein, der stark von Hertz‘ Werk beeinflusst war, erweiterte diese Bildtheorie in seinem 1921 erschienenen Tractatus Logico-Philosophicus zu einer umfassenden Bildtheorie der Sprache, die sich später auf den logischen Positivismus auswirkte. Wittgenstein bezog sich außerdem in seinen Blue and Brown Books auf Hertz.

Tod

Im Jahr 1892 erhielt Hertz die Diagnose einer Infektion nach schwerer Migräne, die einen chirurgischen Eingriff erforderlich machte. Anschließend erlag er den Komplikationen dieser Operationen, die darauf abzielten, seinen Zustand zu lindern. Eine Biografie von Albrecht Fölsing aus dem Jahr 1997, die sich auf Hertz‘ Tagebuch und umfangreiche Familienkorrespondenz stützt, legt nahe, dass es sich bei seiner Krankheit wahrscheinlich um eine Granulomatose mit Polyangiitis handelte, eine Krankheit, die erst 45 Jahre später offiziell anerkannt wurde. Hertz verstarb am 1. Januar 1894 im Alter von 36 Jahren in Bonn und ist auf dem Hamburger Ohlsdorfer Friedhof beigesetzt.

Elisabeth Hertz (geb. Doll; 1864–1941), die Frau von Hertz, blieb nach seinem Tod unverheiratet. Er hinterließ seine beiden Töchter Johanna (1887–1967) und Mathilde (1891–1975). Da keine Tochter verheiratet war oder Kinder hatte, hat Hertz keine direkten lebenden Nachkommen.

Verfolgung im Dritten Reich

Obwohl seine Familie zwei Jahrzehnte vor seiner Geburt vom Judentum zum Luthertum konvertierte, stieß Hertz‘ Vermächtnis in den 1930er-Jahren auf Widerstand seitens der Nazi-Regierung, einem Regime, das Einzelpersonen nach ihrer wahrgenommenen „Rasse“ und nicht nach ihrer Religionszugehörigkeit kategorisierte.

Hertz‘ Name wurde systematisch aus öffentlichen Räumen und akademischen Institutionen entfernt. Darüber hinaus gab es Bestrebungen, die ihm zu Ehren eingeführte Frequenzeinheit Hertz in Hermann von Helmholtz umzubenennen und dabei das Symbol (Hz) beizubehalten.

Auch seine Familie wurde wegen ihrer Einstufung als Nichtarier verfolgt. Mathilde, die jüngste Tochter von Hertz, wurde nach der Machtübernahme der Nazis von ihrem Lehrauftrag an der Berliner Universität entlassen. Innerhalb weniger Jahre wanderten sie, ihre Schwester und ihre Mutter aus Deutschland aus und ließen sich in England nieder.

Legacy und Ehren

Der Neffe von Heinrich Hertz, Gustav Ludwig Hertz, war Träger des Nobelpreises, und Gustavs Sohn, Carl Helmut Hertz, gilt als Erfinder der medizinischen Ultraschalluntersuchung. Seine Tochter Mathilde Carmen Hertz erlangte Anerkennung als Biologin und vergleichende Psychologin. Darüber hinaus leistete Hertz‘ Großneffe Hermann Gerhard Hertz, Professor an der Universität Karlsruhe, Pionier der NMR-Spektroskopie und veröffentlichte 1995 Hertz‘ Labornotizen.

Die Internationale Elektrotechnische Kommission führte 1930 zu Ehren von Hertz die SI-Einheit Hertz (Hz) ein und definierte sie als Einheit für die Frequenz, die die Anzahl der Wiederholungen eines Ereignisses pro Sekunde quantifiziert. Die Conférence générale des poids et mesures (CGPM) hat diese Einheit 1960 offiziell übernommen und damit die frühere Bezeichnung „Zyklen pro Sekunde“ (cps) offiziell ersetzt.

Das Heinrich-Hertz-Institut für Schwingungsforschung wurde 1928 in Berlin gegründet. Diese Einrichtung ist derzeit als Fraunhofer-Institut für Nachrichtentechnik, Heinrich-Hertz-Institut, HHI.

Im Jahr 1969 verlieh die DDR eine Heinrich-Hertz-Gedenkmedaille zum Gedenken.

Die 1987 gegründete IEEE-Heinrich-Hertz-Medaille wird jährlich „für herausragende Leistungen in Hertzschen Wellen[...]überreicht und jährlich an eine Einzelperson für Leistungen theoretischer oder experimenteller Natur verliehen“.

Das Submillimeter-Radioteleskop am Mt. Graham, Arizona, das 1992 fertiggestellt wurde, trägt seinen Namen.

Der Hertz-Krater, der sich auf der anderen Seite des Mondes direkt hinter dem Ostrand befindet, ist ihm zu Ehren benannt.

An seinem Geburtstag im Jahr 2012 erinnerte Google an Hertz, indem es auf seiner Homepage ein Google-Doodle veröffentlichte, das von seinem Lebenswerk inspiriert war.

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