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Heinrich Hertz

Heinrich Hertz

Heinrich Rudolf Hertz (mal ; allemand : [hɛʁts] ; 22 février 1857 – 1 janvier 1894) était un physicien allemand qui fut le premier à prouver de manière concluante l'existence du…

Heinrich Rudolf Hertz (mal ; allemand : [hɛʁts] ; 22 février 1857 – 1er janvier 1894) était un physicien allemand réputé pour avoir définitivement démontré l'existence des ondes électromagnétiques, telles que théorisées par les équations de l'électromagnétisme de James Clerk Maxwell.

Heinrich Rudolf Hertz ( fait mal ; Allemand : [hɛʁts] ; 22 février 1857 – 1er janvier 1894) était un physicien allemand qui a le premier prouvé de manière concluante l'existence des ondes électromagnétiques proposées par James Clerk. Les équations de l'électromagnétisme de Maxwell.

Biographie

Heinrich Rudolf Hertz est né à Hambourg le 22 février 1857, fils de Gustav Ferdinand Hertz, avocat et homme politique, et d'Anna Elisabeth Pfefferkorn.

Au cours de ses études à la Gelehrtenschule des Johanneums de Hambourg, Hertz a fait preuve de maîtrise des disciplines scientifiques et des langues, y compris l'arabe. Ses études supérieures en sciences et en ingénierie ont eu lieu à Dresde, Munich et Berlin, où il a été encadré par des personnalités telles que Gustav Kirchhoff et Hermann von Helmholtz. Hertz a obtenu son doctorat. de l'Université de Berlin en 1880, entreprenant par la suite trois années de recherches postdoctorales en tant qu'assistant de Helmholtz. En 1883, il accepte un cours de physique théorique à l'Université de Kiel, suivi d'une nomination comme professeur ordinaire à l'Université de Karlsruhe en 1885.

En 1886, Hertz épousa Elisabeth Doll, fille de Max Doll, professeur de géométrie à Karlsruhe. Le couple a deux filles : Johanna, née le 20 octobre 1887, et Mathilde, née le 14 janvier 1891, qui se distinguera plus tard comme biologiste. C'est au cours de cette période que Hertz entreprit ses recherches majeures sur les ondes électromagnétiques.

Le 3 avril 1889, Hertz assuma le rôle de professeur de physique et de directeur de l'institut de physique de l'Université de Bonn, poste qu'il conserva jusqu'à sa disparition. Au cours de son mandat, il s'est concentré sur la mécanique théorique, avec ses contributions publiées à titre posthume en 1894 sous le titre Die Prinzipien der Mechanik in neuem Zusammenhange dargestellt (Les principes de la mécanique présentés sous une nouvelle forme).

Travaux scientifiques

Ondes électromagnétiques

En 1864, James Clerk Maxwell, un physicien mathématicien écossais, a introduit une théorie complète de l'électromagnétisme, connue par la suite sous le nom d'équations de Maxwell. Cette théorie postulait que les champs électriques et magnétiques interconnectés pouvaient se propager dans l’espace sous forme d’« ondes électromagnétiques ». Maxwell a en outre émis l'hypothèse que la lumière comprenait des ondes électromagnétiques de courte longueur d'onde ; cependant, la vérification expérimentale de cela, ou la génération et la détection d'ondes électromagnétiques à d'autres longueurs d'onde, restaient insaisissables.

En 1879, pendant les études universitaires de Hertz, Helmholtz proposa que la thèse de doctorat de Hertz se concentre sur la validation expérimentale de la théorie de Maxwell. Parallèlement, Helmholtz avait créé le « Prix de Berlin » à l'Académie prussienne des sciences pour quiconque pourrait démontrer empiriquement un effet électromagnétique dans la polarisation et la dépolarisation des isolants, un phénomène prédit par le cadre de Maxwell. Helmholtz considérait Hertz comme le récipiendaire le plus probable de ce prix. Cependant, Hertz a d'abord jugé le défi expérimental trop formidable en raison de la difficulté perçue dans la construction de l'appareil nécessaire, choisissant plutôt de rechercher l'induction électromagnétique. Néanmoins, pendant son mandat à Kiel, Hertz a mené une analyse des équations de Maxwell, affirmant leur validité supérieure par rapport aux théories alors dominantes de « l'action à distance ».

À l'automne 1886, après sa nomination comme professeur à Karlsruhe, Hertz menait des expériences avec les spirales de Riess lorsqu'il observa que la décharge d'un pot de Leyde dans une bobine provoquait une étincelle dans l'autre. Cette observation lui a fourni un cadre conceptuel pour construire un appareil, lui permettant ainsi de relever le défi du « Prix de Berlin » de 1879 concernant la validation empirique de la théorie de Maxwell (bien que le prix soit resté non réclamé en 1882). Pour le radiateur, il a utilisé une antenne dipôle composée de deux fils colinéaires d'un mètre, séparés par un éclateur à leurs extrémités intérieures, avec des sphères de zinc fixées aux extrémités extérieures pour fournir une capacité. Cette antenne était alimentée par des impulsions haute tension d'environ 30 kilovolts générées par une bobine de Ruhmkorff. Il a détecté ces ondes à l’aide d’une antenne résonante à boucle unique équipée d’un éclateur micrométrique entre ses bornes. Cette expérience cruciale a généré et reçu avec succès ce qui est maintenant reconnu comme des ondes radio à très haute fréquence.

Hertz a mené une série d'expériences entre 1886 et 1889, qui ont confirmé que les phénomènes observés étaient attribuables aux ondes électromagnétiques théoriques de Maxwell. À partir de novembre 1887, avec sa publication « Sur les effets électromagnétiques produits par les perturbations électriques dans les isolants », Hertz soumit plusieurs articles à Helmholtz de l'Académie de Berlin. Ces soumissions comprenaient 1 888 articles démontrant que les ondes électromagnétiques transversales se propagent dans l’espace libre à une vitesse finie sur une distance spécifique. Dans le cadre expérimental de Hertz, les champs électriques et magnétiques émanaient des fils sous forme d'ondes transversales. Pour générer des ondes stationnaires, Hertz a stratégiquement placé un oscillateur à environ 12 mètres d'une plaque réfléchissante en zinc. Chaque vague mesurait environ 4 mètres de longueur. À l'aide d'un détecteur annulaire, il a documenté les variations de l'ampleur et des composantes directionnelles de l'onde. Hertz a réussi à mesurer les ondes de Maxwell et à établir que leur vitesse correspondait à la vitesse de la lumière. De plus, Hertz a quantifié l’intensité du champ électrique, la polarisation et les propriétés de réflexion de ces ondes. Ces recherches ont démontré de manière concluante que la lumière et ces ondes constituent des formes de rayonnement électromagnétique, adhérant aux équations de Maxwell.

Hertz n'a pas pleinement compris les implications pratiques de ses expériences sur les ondes radio, remarquant que :

Cela ne possède aucune utilité... cela constitue simplement une expérience validant les théories de Maestro Maxwell : nous possédons simplement ces ondes électromagnétiques énigmatiques, imperceptibles à l'œil nu, mais indéniablement présentes.

Interrogé sur les applications potentielles de ses découvertes, Hertz a répondu :

Rien, je suppose.

La démonstration définitive par Hertz des ondes électromagnétiques aériennes a catalysé une expansion rapide de l'expérimentation avec cette nouvelle forme de rayonnement. Initialement appelée « ondes hertziennes », cette nomenclature a persisté jusque vers 1910, lorsque « ondes radio » est devenue la terminologie standard. En six ans, Guglielmo Marconi a lancé le développement d'un système de télégraphie sans fil basé sur les ondes radio, ce qui a ensuite facilité l'adoption généralisée de la communication radio.

Rayons cathodiques

En 1883, Hertz tenta de démontrer la neutralité électrique des rayons cathodiques, observant ce qu'il interpréta comme une absence concluante de déviation au sein d'un champ électrostatique. Néanmoins, comme l'a expliqué J. J. Thomson en 1897, Hertz avait positionné les électrodes de déflexion dans une région hautement conductrice du tube, ce qui générait un effet d'écran significatif près de leur surface.

Neuf ans après ses premiers travaux, Hertz a commencé d'autres expériences, démontrant que les rayons cathodiques possédaient la capacité de pénétrer des feuilles métalliques extrêmement fines, telles que l'aluminium. Philipp Lenard, élève de Heinrich Hertz, a étendu cette enquête à « l'effet de rayon ». Lenard a conçu un tube cathodique modifié et a examiné la pénétration de divers matériaux par les rayons X. Cependant, Lenard ignorait qu’il générait des rayons X. Hermann von Helmholtz a développé des équations mathématiques relatives aux rayons X, postulant une théorie de la dispersion avant la découverte et l'annonce publique de Röntgen. Cette théorie était fondée sur la théorie électromagnétique de la lumière (Annalen de Wiedmann, Vol. XLVIII). Néanmoins, Helmholtz n'a pas mené d'expériences avec de vrais rayons X.

Effet photoélectrique

Hertz a contribué à l'établissement de l'effet photoélectrique, un phénomène élucidé par la suite par Albert Einstein, en observant que les objets chargés se déchargeaient plus rapidement lorsqu'ils étaient exposés au rayonnement ultraviolet (UV). En 1887, ses observations concernant à la fois l'effet photoélectrique et la génération et la réception d'ondes électromagnétiques (EM) ont été documentées dans la revue Annalen der Physik. Son appareil de réception comprenait une bobine équipée d'un éclateur, conçue pour produire une étincelle visible lors de la détection d'ondes EM. Pour améliorer la visibilité de l'étincelle, Hertz a enfermé l'installation dans une boîte sombre. Il a noté que la longueur maximale de l'étincelle diminuait lorsque l'appareil était contenu dans la boîte. Un panneau de verre placé entre la source d'ondes EM et le récepteur absorbait le rayonnement UV, ce qui facilitait autrement le transfert d'électrons à travers l'espace. Lors du retrait de ce panneau, la longueur de l'étincelle a augmenté. À l’inverse, lorsque le quartz a été remplacé par le verre, aucune réduction de la longueur de l’étincelle n’a été observée, en raison de la transparence du quartz aux rayons UV. Hertz a conclu son enquête de plusieurs mois et a diffusé ses conclusions. Cependant, il n'a pas poursuivi de recherches plus approfondies sur cet effet ni tenté de fournir une explication au phénomène observé.

Contactez les mécaniciens

En 1881 et 1882, Hertz a publié deux articles fondateurs sur ce qui est devenu par la suite connu sous le nom de mécanique des contacts, établissant une base cruciale pour les développements théoriques ultérieurs dans ce domaine. Joseph Valentin Boussinesq a fourni des observations d'une importance cruciale sur les travaux de Hertz, consolidant ainsi l'immense importance de cette recherche en mécanique des contacts. Les travaux de Hertz ont fondamentalement élucidé le comportement de deux objets à symétrie axiale soumis à une charge lorsqu'ils sont placés en contact, obtenant des résultats basés sur la théorie classique de l'élasticité et la mécanique des milieux continus. Une limite notable de sa théorie était l’omission de toute force d’adhésion entre les deux solides, un facteur qui devient de plus en plus important à mesure que les matériaux constitutifs présentent une élasticité élevée. Cependant, la négligence de l'adhésion était compréhensible à l'époque, étant donné l'absence de méthodes expérimentales pour sa détection.

Pour formuler sa théorie, Hertz a utilisé les observations des anneaux de Newton elliptiques, qui se sont formés lorsqu'une sphère de verre a été placée sur une lentille, comme base pour postuler une distribution de pression elliptique exercée par la sphère. Il a ensuite utilisé le phénomène des anneaux de Newton pour valider expérimentalement sa théorie en calculant le déplacement de la sphère dans la lentille. En 1971, Kenneth L. Johnson, K. Kendall et A. D. Roberts (JKR) ont adopté la théorie de Hertz comme élément fondamental pour calculer le déplacement théorique ou la profondeur d'indentation en présence d'adhésion. La théorie originale de Hertz peut être dérivée de leur formulation en supposant une adhésion nulle entre les matériaux. De même, en 1975, B. V. Derjaguin, V. M. Muller et Y. P. Toporov ont publié une théorie alternative, connue dans la communauté des chercheurs sous le nom de théorie DMT, qui récupérait également les formulations de Hertz sous l'hypothèse d'une adhérence nulle, bien qu'en utilisant des hypothèses sous-jacentes différentes. La théorie DMT s'est initialement révélée prématurée, nécessitant plusieurs révisions avant d'être acceptée comme une autre théorie valide du contact matériel aux côtés de la théorie JKR. Les théories DMT et JKR constituent les principes fondamentaux de la mécanique des contacts, servant de base à tous les modèles de contact de transition et étant appliquées à la prédiction des paramètres des matériaux pour la nanoindentation et la microscopie à force atomique. Ces modèles sont au cœur du domaine de la tribologie, ce qui a amené Duncan Dowson à nommer Hertz parmi les 23 « hommes de la tribologie ». Bien qu'ils aient précédé ses travaux monumentaux sur l'électromagnétisme, que Hertz lui-même considérait modestement comme triviaux, ses recherches sur la mécanique des contacts ont joué un rôle déterminant dans l'avancement de l'ère de la nanotechnologie.

Hertz a également identifié le « cône hertzien », un mode de fracture spécifique observé dans les solides fragiles, qui est induit par la transmission d'ondes de contrainte.

Météorologie

Hertz a maintenu un profond intérêt pour la météorologie tout au long de sa vie, probablement dû à ses interactions avec Wilhelm von Bezold, qui lui a servi de professeur lors d'un cours de laboratoire à l'École polytechnique de Munich à l'été 1878. Tout en assistant Helmholtz à Berlin, Hertz a rédigé plusieurs articles mineurs dans le domaine, englobant la recherche sur l'évaporation des liquides, le développement d'un nouvel hygromètre et une méthode graphique pour déterminer les propriétés de l'air humide sous des changements adiabatiques.

Philosophie des sciences

Dans l'introduction de son traité de 1894, Principes de mécanique, Hertz a examiné de manière critique les différentes « images » ou cadres conceptuels utilisés pour représenter la physique à son époque. Ceux-ci comprenaient le cadre de la mécanique newtonienne (centré sur la masse et les forces), un deuxième cadre (basé sur la conservation de l'énergie et le principe de Hamilton) et son propre cadre proposé (fondé uniquement sur l'espace, le temps, la masse et le principe de Hertz). Il a évalué ces cadres en fonction de leur « admissibilité », « exactitude » et « pertinence ». Hertz visait à éliminer les « hypothèses vides » et remettait en question le concept newtonien de force, en particulier la notion d'action à distance. Le philosophe Ludwig Wittgenstein, profondément influencé par le travail de Hertz, a élargi cette théorie de l'image en une théorie globale de l'image du langage dans son Tractatus Logico-Philosophicus de 1921, qui a ensuite eu un impact sur le positivisme logique. Wittgenstein a également fait référence à Hertz dans ses Livres bleus et bruns.

Mort

En 1892, Hertz reçut un diagnostic d'infection suite à de graves migraines, nécessitant une intervention chirurgicale. Il a ensuite succombé aux complications liées à ces opérations visant à améliorer son état. Une biographie d'Albrecht Fölsing datant de 1997, s'appuyant sur le journal de Hertz et sur une abondante correspondance familiale, suggère que sa maladie était probablement une granulomatose avec polyangéite, une maladie qui n'a été officiellement reconnue que 45 ans plus tard. Hertz est décédé le 1er janvier 1894 à Bonn à l'âge de 36 ans et est enterré au cimetière d'Ohlsdorf à Hambourg.

Elisabeth Hertz (née Doll ; 1864–1941), l'épouse de Hertz, est restée célibataire après sa mort. Il laisse dans le deuil ses deux filles, Johanna (1887-1967) et Mathilde (1891-1975). Comme aucune fille n'est mariée ni n'a eu d'enfants, Hertz n'a pas de descendant vivant direct.

Persécution sous le Troisième Reich

Malgré la conversion de sa famille du judaïsme au luthéranisme deux décennies avant sa naissance, l'héritage de Hertz s'est heurté à l'opposition du gouvernement nazi dans les années 1930, un régime qui catégorisait les individus en fonction de leur « race » perçue plutôt que de leur appartenance religieuse.

Le nom de Hertz a été systématiquement effacé des espaces publics et des institutions universitaires. En outre, des efforts ont été faits pour renommer l'unité de fréquence, hertz, qui a été créée en son honneur, en Hermann von Helmholtz, tout en conservant le symbole (Hz).

Sa famille a également été persécutée en raison de sa classification comme non-aryenne. Mathilde, la plus jeune fille de Hertz, a été démis de ses fonctions de professeur à l'Université de Berlin après l'arrivée au pouvoir des nazis. En quelques années, elle, sa sœur et leur mère ont émigré d'Allemagne et ont établi leur résidence en Angleterre.

Héritage et distinctions

Le neveu de Heinrich Hertz, Gustav Ludwig Hertz, a reçu le prix Nobel, et le fils de Gustav, Carl Helmut Hertz, est reconnu pour avoir inventé l'échographie médicale. Sa fille, Mathilde Carmen Hertz, est reconnue comme biologiste et psychologue comparée. De plus, le petit-neveu de Hertz, Hermann Gerhard Hertz, professeur à l'Université de Karlsruhe, a été le pionnier de la spectroscopie RMN et a publié les notes de laboratoire de Hertz en 1995.

La Commission électrotechnique internationale a créé l'unité SI hertz (Hz) en 1930 pour honorer Hertz, la définissant comme l'unité de fréquence, qui quantifie le nombre de répétitions d'un événement par seconde. La Conférence générale des poids et mesures (CGPM) a officiellement adopté cette unité en 1960, remplaçant ainsi officiellement la désignation antérieure, « cycles par seconde » (cps).

L'Institut Heinrich-Hertz pour la recherche sur les oscillations a été créé à Berlin en 1928. Cette institution est actuellement reconnue sous le nom de Institut Fraunhofer pour les télécommunications, Institut Heinrich Hertz, HHI.

Dans En 1969, l'Allemagne de l'Est a émis une médaille commémorative Heinrich Hertz.

Créée en 1987, la médaille Heinrich Hertz de l'IEEE est décernée chaque année "pour des réalisations exceptionnelles dans les ondes hertziennes[...] décernées chaque année à un individu pour des réalisations de nature théorique ou expérimentale".

Le radiotélescope submillimétrique, situé au mont Graham, en Arizona, et achevé en 1992, porte son nom.

Le cratère Hertz, situé sur la face cachée de la Lune, juste au-delà du limbe oriental, porte son nom.

Le jour de son anniversaire en 2012, Google a commémoré Hertz en présentant sur sa page d'accueil un doodle Google, inspiré de l'œuvre de sa vie.

Travaux

Livres