TORIma Academia Logo TORIma Academia
Heinrich Hertz
Ciencias

Heinrich Hertz

TORIma Academia — Físico

Heinrich Hertz

Heinrich Hertz

Heinrich Rudolf Hertz (duele; alemán: [hɛʁts]; 22 de febrero de 1857 – 1 de enero de 1894) fue un físico alemán que fue el primero en demostrar de manera concluyente la existencia del…

Heinrich Rudolf Hertz (duele; alemán: [hɛʁts]; 22 de febrero de 1857 - 1 de enero de 1894) fue un físico alemán conocido por demostrar definitivamente la existencia de ondas electromagnéticas, como teorizaban las ecuaciones de electromagnetismo de James Clerk Maxwell.

Heinrich Rudolf Hertz (duele; alemán: [hɛʁts]; 22 de febrero de 1857 - 1 de enero de 1894) fue un físico alemán que fue el primero en demostrar de manera concluyente la existencia de las ondas electromagnéticas propuestas por James Ecuaciones de electromagnetismo de Clerk Maxwell.

Biografía

Heinrich Rudolf Hertz nació en Hamburgo el 22 de febrero de 1857, hijo de Gustav Ferdinand Hertz, abogado y político, y Anna Elisabeth Pfefferkorn.

Durante sus estudios en la Gelehrtenschule des Johanneums de Hamburgo, Hertz demostró competencia tanto en disciplinas científicas como en idiomas, incluido el árabe. Su educación superior en ciencias e ingeniería tuvo lugar en Dresde, Munich y Berlín, donde fue asesorado por figuras prominentes como Gustav Kirchhoff y Hermann von Helmholtz. Hertz obtuvo su doctorado. desde el Universidad de Berlín en 1880, posteriormente realizó tres años de investigación postdoctoral como asistente de Helmholtz. En 1883, aceptó una cátedra de física teórica en la Universidad de Kiel, seguida de un nombramiento como profesor titular en la Universidad de Karlsruhe en 1885.

En 1886, Hertz se casó con Elisabeth Doll, hija de Max Doll, profesor de geometría en Karlsruhe. La pareja tuvo dos hijas: Johanna, nacida el 20 de octubre de 1887, y Mathilde, nacida el 14 de enero de 1891, que más tarde se distinguió como bióloga. Fue durante este período que Hertz emprendió sus investigaciones fundamentales sobre las ondas electromagnéticas.

El 3 de abril de 1889, Hertz asumió el cargo de profesor de física y director del instituto de física de la Universidad de Bonn, cargo que mantuvo hasta su fallecimiento. Durante su mandato, se centró en la mecánica teórica, y sus contribuciones se publicaron póstumamente en 1894 como el libro Die Prinzipien der Mechanik in neuem Zusammenhange dargestellt (Los principios de la mecánica presentados en una nueva forma).

Trabajo científico

Ondas electromagnéticas

En 1864, James Clerk Maxwell, un físico matemático escocés, introdujo una teoría integral del electromagnetismo, posteriormente conocida como ecuaciones de Maxwell. Esta teoría postulaba que los campos eléctricos y magnéticos interconectados podrían propagarse a través del espacio como "ondas electromagnéticas". Maxwell planteó además la hipótesis de que la luz estaba compuesta por ondas electromagnéticas de longitud de onda corta; sin embargo, la verificación experimental de esto, o la generación y detección de ondas electromagnéticas en otras longitudes de onda, siguió siendo difícil de alcanzar.

En 1879, durante las actividades académicas de Hertz, Helmholtz propuso que la tesis doctoral de Hertz se centrara en la validación experimental de la teoría de Maxwell. Al mismo tiempo, Helmholtz había establecido el "Premio de Berlín" en la Academia de Ciencias de Prusia para cualquiera que pudiera demostrar empíricamente un efecto electromagnético en la polarización y despolarización de aisladores, un fenómeno predicho por el marco de Maxwell. Helmholtz consideró a Hertz como el destinatario más probable de este premio. Sin embargo, Hertz inicialmente consideró que el desafío experimental era demasiado formidable debido a la dificultad percibida para construir el aparato necesario, y optó por investigar la inducción electromagnética. Sin embargo, durante su mandato en Kiel, Hertz llevó a cabo un análisis de las ecuaciones de Maxwell, afirmando su validez superior en comparación con las entonces dominantes teorías de "acción a distancia".

En el otoño de 1886, tras su nombramiento como profesor en Karlsruhe, Hertz estaba realizando experimentos con espirales de Riess cuando observó que al descargar una jarra de Leyden en una bobina inducía una chispa en la otra. Esta observación le proporcionó un marco conceptual para construir un aparato, lo que le permitió abordar el desafío del "Premio de Berlín" de 1879 relativo a la validación empírica de la teoría de Maxwell (a pesar de que el premio había caducado sin ser reclamado en 1882). Para el radiador, empleó una antena dipolo compuesta por dos cables colineales de un metro, separados por una vía de chispas en sus extremos internos, con esferas de zinc fijadas en los extremos externos para proporcionar capacitancia. Esta antena fue energizada por pulsos de alto voltaje de aproximadamente 30 kilovoltios generados por una bobina de Ruhmkorff. Detectó estas ondas utilizando una antena resonante de un solo bucle equipada con una distancia de chispa micrométrica entre sus terminales. Este experimento fundamental generó y recibió con éxito lo que ahora se reconoce como ondas de radio de muy alta frecuencia.

Hertz realizó una serie de experimentos entre 1886 y 1889, que confirmaron que los fenómenos observados eran atribuibles a las ondas electromagnéticas teóricas de Maxwell. A partir de noviembre de 1887 con su publicación "Sobre los efectos electromagnéticos producidos por perturbaciones eléctricas en aisladores", Hertz presentó varios artículos a Helmholtz en la Academia de Berlín. Estas presentaciones incluyeron artículos de 1888 que demostraban ondas electromagnéticas transversales que se propagaban a través del espacio libre a una velocidad finita a lo largo de una distancia específica. Dentro del sistema experimental de Hertz, los campos eléctricos y magnéticos emanaban de los cables en forma de ondas transversales. Para generar ondas estacionarias, Hertz colocó estratégicamente un oscilador a aproximadamente 12 metros de una placa reflectante de zinc. Cada ola medía aproximadamente 4 metros de longitud. Empleando un detector de anillo, documentó variaciones en la magnitud y los componentes direccionales de la onda. Hertz midió con éxito las ondas de Maxwell y estableció que su velocidad correspondía a la velocidad de la luz. Además, Hertz cuantificó la intensidad del campo eléctrico, la polarización y las propiedades de reflexión de estas ondas. Estas investigaciones demostraron de manera concluyente que tanto la luz como estas ondas constituyen formas de radiación electromagnética, siguiendo las ecuaciones de Maxwell.

Hertz no comprendió completamente las implicaciones prácticas de sus experimentos con ondas de radio y comentó que:

No posee ninguna utilidad... esto simplemente constituye un experimento que valida las teorías del Maestro Maxwell; simplemente poseemos estas enigmáticas ondas electromagnéticas, imperceptibles a simple vista, pero innegablemente presentes.

Cuando se le preguntó sobre las posibles aplicaciones de sus descubrimientos, Hertz respondió:

Nada, supongo.

La demostración definitiva de Hertz de las ondas electromagnéticas transportadas por el aire catalizó una rápida expansión de la experimentación con esta novedosa forma de radiación. Inicialmente denominada "ondas hertzianas", esta nomenclatura persistió hasta aproximadamente 1910, cuando "ondas de radio" se convirtió en la terminología estándar. Al cabo de seis años, Guglielmo Marconi inició el desarrollo de un sistema de telegrafía inalámbrica basado en ondas de radio, que posteriormente facilitó la adopción generalizada de las comunicaciones por radio.

Rayos catódicos

En 1883, Hertz intentó demostrar la neutralidad eléctrica de los rayos catódicos, observando lo que interpretó como una ausencia concluyente de desviación dentro de un campo electrostático. Sin embargo, como aclaró J. J. Thomson en 1897, Hertz había colocado los electrodos deflectores dentro de una región altamente conductora del tubo, lo que generaba un importante efecto de apantallamiento cerca de su superficie.

Nueve años después de su trabajo inicial, Hertz comenzó a experimentar más, demostrando que los rayos catódicos poseían la capacidad de penetrar láminas metálicas extremadamente delgadas, como el aluminio. Philipp Lenard, alumno de Heinrich Hertz, amplió esta investigación al "efecto de los rayos". Lenard diseñó un tubo catódico modificado y examinó la penetración de varios materiales mediante rayos X. Sin embargo, Lenard no se dio cuenta de que estaba generando rayos X. Hermann von Helmholtz desarrolló ecuaciones matemáticas relacionadas con los rayos X, postulando una teoría de dispersión antes del descubrimiento y anuncio público de Röntgen. Esta teoría se basó en la teoría electromagnética de la luz (Annalen de Wiedmann, vol. XLVIII). Sin embargo, Helmholtz no realizó experimentos con rayos X reales.

Efecto fotoeléctrico

Hertz contribuyó al establecimiento del efecto fotoeléctrico, un fenómeno aclarado posteriormente por Albert Einstein, al observar que los objetos cargados se descargaban más rápidamente cuando se exponían a la radiación ultravioleta (UV). En 1887, sus observaciones sobre el efecto fotoeléctrico y la generación y recepción de ondas electromagnéticas (EM) fueron documentadas en la revista Annalen der Physik. Su aparato receptor constaba de una bobina equipada con un explosor, diseñado para producir una chispa visible al detectar ondas EM. Para mejorar la visibilidad de la chispa, Hertz encerró la configuración dentro de una caja oscura. Observó que la longitud máxima de la chispa disminuía cuando el aparato estaba dentro de la caja. Un panel de vidrio colocado entre la fuente de ondas EM y el receptor absorbió la radiación UV, que de otro modo facilitó la transferencia de electrones a través del espacio. Al retirar este panel, la longitud de la chispa aumentó. Por el contrario, cuando se sustituyó el vidrio por cuarzo, no se observó ninguna reducción en la longitud de la chispa, debido a la transparencia del cuarzo a la radiación ultravioleta. Hertz concluyó su investigación de varios meses y difundió sus hallazgos. Sin embargo, no realizó más investigaciones sobre este efecto ni intentó proporcionar una explicación para el fenómeno observado.

Mecánica de contacto

En 1881 y 1882, Hertz publicó dos artículos fundamentales sobre lo que posteriormente se conoció como mecánica de contacto, estableciendo una base crucial para desarrollos teóricos posteriores en este campo. Joseph Valentin Boussinesq proporcionó observaciones de importancia crítica sobre el trabajo de Hertz, solidificando así la inmensa importancia de esta investigación en la mecánica de contactos. El trabajo de Hertz dilucida fundamentalmente el comportamiento de dos objetos ejesimétricos bajo carga cuando se ponen en contacto, derivando resultados basados ​​en la teoría clásica de la elasticidad y la mecánica del continuo. Una limitación notable de su teoría fue la omisión de cualquier fuerza adhesiva entre los dos sólidos, un factor que se vuelve cada vez más significativo a medida que los materiales constituyentes exhiben una alta elasticidad. Sin embargo, el descuido de la adhesión era comprensible en aquel momento, dada la ausencia de métodos experimentales para su detección.

Para formular su teoría, Hertz utilizó observaciones de los anillos elípticos de Newton, que se formaban cuando se colocaba una esfera de vidrio sobre una lente, como base para postular una distribución elíptica de la presión ejercida por la esfera. Posteriormente empleó el fenómeno de los anillos de Newton para validar experimentalmente su teoría calculando el desplazamiento de la esfera dentro de la lente. En 1971, Kenneth L. Johnson, K. Kendall y A. D. Roberts (JKR) adoptaron la teoría de Hertz como elemento fundamental para calcular el desplazamiento teórico o la profundidad de indentación en presencia de adhesión. La teoría original de Hertz se puede derivar de su formulación asumiendo una adhesión nula entre los materiales. De manera similar, en 1975, B. V. Derjaguin, V. M. Muller e Y. P. Toporov publicaron una teoría alternativa, conocida en la comunidad investigadora como teoría DMT, que también recuperaba las formulaciones de Hertz bajo el supuesto de adhesión cero, aunque utilizando supuestos subyacentes diferentes. Inicialmente, la teoría DMT resultó prematura y requirió varias revisiones antes de ser aceptada como otra teoría válida del contacto material junto con la teoría JKR. Tanto la teoría DMT como la JKR constituyen los principios fundamentales de la mecánica de contacto, sirven como base para todos los modelos de contacto de transición y se aplican en la predicción de parámetros de materiales para nanoindentación y microscopía de fuerza atómica. Estos modelos son fundamentales para el campo de la tribología, lo que llevó a Duncan Dowson a nombrar a Hertz entre los 23 "Hombres de Tribología". A pesar de preceder a su monumental trabajo sobre electromagnetismo, que el propio Hertz consideraba modestamente trivial, su investigación sobre la mecánica de contacto ha sido fundamental para avanzar en la era de la nanotecnología.

Hertz también identificó el "cono de Hertz", un modo específico de fractura observado en sólidos frágiles, que es inducido por la transmisión de ondas de tensión.

Meteorología

Hertz mantuvo un profundo interés en la meteorología a lo largo de su vida, probablemente debido a sus interacciones con Wilhelm von Bezold, quien fue su profesor durante un curso de laboratorio en el Politécnico de Munich en el verano de 1878. Mientras ayudaba a Helmholtz en Berlín, Hertz contribuyó con varios artículos menores en el campo, que abarcaban investigaciones sobre la evaporación de líquidos, el desarrollo de un novedoso higrómetro y un método gráfico para determinar las propiedades del aire húmedo bajo cambios adiabáticos.

Filosofía de la ciencia

En la introducción a su tratado de 1894, Principios de Mecánica, Hertz examinó críticamente las diversas "imágenes" o marcos conceptuales empleados para representar la física durante su época. Estos incluían el marco de la mecánica newtoniana (centrado en la masa y las fuerzas), un segundo marco (basado en la conservación de la energía y el principio de Hamilton) y su propio marco propuesto (fundamentado exclusivamente en el espacio, el tiempo, la masa y el principio de Hertz). Evaluó estos marcos basándose en su "permisibilidad", "corrección" y "idoneidad". Hertz pretendía eliminar los "supuestos vacíos" y desafió el concepto newtoniano de fuerza, en particular la noción de acción a distancia. El filósofo Ludwig Wittgenstein, profundamente influenciado por el trabajo de Hertz, amplió esta teoría pictórica hasta convertirla en una teoría pictórica integral del lenguaje en su Tractatus Logico-Philosophicus de 1921, que posteriormente impactó el positivismo lógico. Wittgenstein hizo referencia adicional a Hertz en sus Libros azules y marrones.

Muerte

En 1892, Hertz recibió un diagnóstico de una infección después de migrañas severas, que requirió una intervención quirúrgica. Posteriormente sucumbió a las complicaciones derivadas de estas operaciones, cuyo objetivo era aliviar su estado. Una biografía de Albrecht Fölsing de 1997, basada en el diario de Hertz y una extensa correspondencia familiar, sugiere que su enfermedad probablemente era granulomatosis con poliangeítis, una enfermedad no reconocida formalmente hasta 45 años después. Hertz falleció el 1 de enero de 1894 en Bonn a la edad de 36 años y está enterrado en el cementerio Ohlsdorf de Hamburgo.

Elisabeth Hertz (de soltera Doll; 1864-1941), la esposa de Hertz, permaneció soltera después de su muerte. Le sobrevivieron sus dos hijas, Johanna (1887-1967) y Mathilde (1891-1975). Como ninguna de sus hijas se casó ni tuvo hijos, Hertz no tiene descendientes vivos directos.

Persecución bajo el Tercer Reich

A pesar de la conversión de su familia del judaísmo al luteranismo dos décadas antes de su nacimiento, el legado de Hertz encontró la oposición del gobierno nazi en la década de 1930, un régimen que categorizaba a los individuos basándose en la percepción de "raza" en lugar de su adhesión religiosa.

El nombre de Hertz fue eliminado sistemáticamente de los espacios públicos y de las instituciones académicas. Además, se hicieron esfuerzos para cambiar el nombre de la unidad de frecuencia, hercios, que se estableció en su honor, a Hermann von Helmholtz, conservando el símbolo (Hz).

Su familia también enfrentó persecución debido a su clasificación como no aria. Mathilde, la hija menor de Hertz, fue despedida de su cátedra en la Universidad de Berlín tras el ascenso de los nazis al poder. A los pocos años, ella, su hermana y su madre emigraron de Alemania y establecieron su residencia en Inglaterra.

Legado y Honores

El sobrino de Heinrich Hertz, Gustav Ludwig Hertz, recibió el Premio Nobel, y al hijo de Gustav, Carl Helmut Hertz, se le atribuye la invención de la ultrasonografía médica. Su hija, Mathilde Carmen Hertz, logró el reconocimiento como bióloga y psicóloga comparada. Además, el sobrino nieto de Hertz, Hermann Gerhard Hertz, profesor de la Universidad de Karlsruhe, fue pionero en la espectroscopía de RMN y publicó las notas de laboratorio de Hertz en 1995.

La Comisión Electrotécnica Internacional estableció la unidad SI hertz (Hz) en 1930 en honor a Hertz, definiéndola como la unidad de frecuencia, que cuantifica el número de repeticiones de un evento por segundo. La Conférence générale des poids et mesures (CGPM) adoptó formalmente esta unidad en 1960, reemplazando así oficialmente la designación anterior, "ciclos por segundo" (cps).

El Instituto Heinrich-Hertz para la Investigación de la Oscilación se estableció en Berlín en 1928. Esta institución está actualmente reconocida como el Instituto Fraunhofer de Telecomunicaciones, Instituto Heinrich Hertz, HHI.

En 1969, Alemania Oriental emitió una medalla conmemorativa de Heinrich Hertz.

Establecida en 1987, la Medalla IEEE Heinrich Hertz se otorga anualmente "por logros sobresalientes en ondas hertzianas [...] y se presenta anualmente a un individuo por logros que son de naturaleza teórica o experimental".

La radio submilimétrica El telescopio, ubicado en Mt. Graham, Arizona, y terminado en 1992, lleva su nombre.

El cráter Hertz, situado en la cara oculta de la Luna, justo más allá del extremo oriental, lleva su nombre.

En su cumpleaños en 2012, Google conmemoró a Hertz presentando un doodle de Google, inspirado en el trabajo de su vida, en su página de inicio.

Obras

Libros