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Heinrich Hertz

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Heinrich Rudolf Hertz (fa male; tedesco: [hɛʁts]; 22 febbraio 1857 – 1 gennaio 1894) è stato un fisico tedesco che per primo dimostrò in modo definitivo l'esistenza del…

Heinrich Rudolf Hertz (fa male; tedesco: [hɛʁts]; 22 febbraio 1857 – 1 gennaio 1894) è stato un fisico tedesco famoso per aver dimostrato in modo definitivo l'esistenza delle onde elettromagnetiche, come teorizzato dalle equazioni dell'elettromagnetismo di James Clerk Maxwell.

Heinrich Rudolf Hertz (hurts; tedesco: [hɛʁts]; 22 febbraio 1857 – 1 gennaio 1894) è stato un fisico tedesco che per primo dimostrò in modo definitivo l'esistenza delle onde elettromagnetiche proposte da James Clerk Maxwell equazioni dell'elettromagnetismo.

Biografia

Heinrich Rudolf Hertz nacque ad Amburgo il 22 febbraio 1857, figlio di Gustav Ferdinand Hertz, avvocato e politico, e Anna Elisabeth Pfefferkorn.

Durante i suoi studi alla Gelehrtenschule des Johanneums di Amburgo, Hertz dimostrò competenza sia nelle discipline scientifiche che nelle lingue, compreso l'arabo. La sua formazione superiore in scienze e ingegneria ebbe luogo a Dresda, Monaco e Berlino, dove fu mentore di figure di spicco come Gustav Kirchhoff e Hermann von Helmholtz. Hertz ha conseguito il dottorato di ricerca. dall'Università di Berlino nel 1880, intraprendendo successivamente tre anni di ricerca post-dottorato come assistente di Helmholtz. Nel 1883 accettò una cattedra di fisica teorica presso l'Università di Kiel, seguita da una nomina a professore ordinario presso l'Università di Karlsruhe nel 1885.

Nel 1886, Hertz sposò Elisabeth Doll, figlia di Max Doll, docente di geometria a Karlsruhe. La coppia ebbe due figlie: Johanna, nata il 20 ottobre 1887, e Mathilde, nata il 14 gennaio 1891, che in seguito si distinse come biologa. Fu durante questo periodo che Hertz intraprese le sue ricerche fondamentali sulle onde elettromagnetiche.

Il 3 aprile 1889, Hertz assunse il ruolo di professore di fisica e direttore dell'istituto di fisica dell'Università di Bonn, posizione che mantenne fino alla sua morte. Durante il suo mandato, si concentrò sulla meccanica teorica, con i suoi contributi pubblicati postumi nel 1894 come il libro Die Prinzipien der Mechanik in neuem Zusammenhange dargestellt (I principi della meccanica presentati in una nuova forma).

Lavoro scientifico

Onde elettromagnetiche

Nel 1864, James Clerk Maxwell, un fisico matematico scozzese, introdusse una teoria completa dell'elettromagnetismo, successivamente nota come equazioni di Maxwell. Questa teoria postulava che i campi elettrici e magnetici interconnessi potessero propagarsi attraverso lo spazio come "onde elettromagnetiche". Maxwell ipotizzò inoltre che la luce comprendesse onde elettromagnetiche a lunghezza d'onda corta; tuttavia, la verifica sperimentale di questo, o la generazione e il rilevamento di onde elettromagnetiche ad altre lunghezze d'onda, rimasero sfuggenti.

Nel 1879, durante le attività accademiche di Hertz, Helmholtz propose che la tesi di dottorato di Hertz si concentrasse sulla convalida sperimentale della teoria di Maxwell. Allo stesso tempo, Helmholtz aveva istituito il "Premio Berlino" presso l'Accademia delle Scienze prussiana per chiunque potesse dimostrare empiricamente un effetto elettromagnetico nella polarizzazione e depolarizzazione degli isolanti, un fenomeno previsto dalla struttura di Maxwell. Helmholtz considerava Hertz il destinatario più probabile di questo premio. Tuttavia, Hertz inizialmente ritenne la sfida sperimentale troppo ardua a causa della difficoltà percepita nel costruire l'apparato necessario, optando invece per la ricerca sull'induzione elettromagnetica. Tuttavia, durante la sua permanenza a Kiel, Hertz condusse un'analisi delle equazioni di Maxwell, affermando la loro validità superiore rispetto alle teorie allora dominanti dell'"azione a distanza".

Nell'autunno del 1886, dopo la sua nomina a professore a Karlsruhe, Hertz stava conducendo esperimenti con le spirali di Riess quando osservò che scaricare una bottiglia di Leida in una bobina induceva una scintilla nell'altra. Questa osservazione gli fornì un quadro concettuale per la costruzione di un apparato, consentendogli così di affrontare la sfida del "Premio Berlino" del 1879 riguardante la convalida empirica della teoria di Maxwell (nonostante il premio fosse scaduto non reclamato nel 1882). Per il radiatore, impiegò un'antenna a dipolo comprendente due fili collineari di un metro, separati da uno spinterometro alle estremità interne, con sfere di zinco fissate alle estremità esterne per fornire capacità. Questa antenna era energizzata da impulsi ad alta tensione di circa 30 kilovolt generati da una bobina di Ruhmkorff. Ha rilevato queste onde utilizzando un'antenna risonante a circuito singolo dotata di uno spinterometro micrometrico tra i suoi terminali. Questo esperimento fondamentale ha generato e ricevuto con successo quelle che ora sono riconosciute come onde radio ad altissima frequenza.

Hertz condusse una serie di esperimenti tra il 1886 e il 1889, i quali confermarono che i fenomeni osservati erano attribuibili alle onde elettromagnetiche teoriche di Maxwell. A partire dal novembre 1887 con la sua pubblicazione "Sugli effetti elettromagnetici prodotti dai disturbi elettrici negli isolanti", Hertz presentò numerosi documenti a Helmholtz presso l'Accademia di Berlino. Queste proposte includevano documenti del 1888 che dimostravano le onde elettromagnetiche trasversali che si propagavano attraverso lo spazio libero a una velocità finita su una distanza specifica. Nell'apparato sperimentale di Hertz, i campi elettrici e magnetici emanavano dai fili come onde trasversali. Per generare onde stazionarie, Hertz ha posizionato strategicamente un oscillatore a circa 12 metri da una piastra riflettente di zinco. Ogni onda misurava circa 4 metri di lunghezza. Utilizzando un rilevatore ad anello, ha documentato le variazioni nell'ampiezza dell'onda e nelle componenti direzionali. Hertz misurò con successo le onde di Maxwell e stabilì che la loro velocità corrispondeva alla velocità della luce. Inoltre, Hertz ha quantificato l’intensità del campo elettrico, la polarizzazione e le proprietà di riflessione di queste onde. Queste indagini hanno dimostrato in modo conclusivo che sia la luce che queste onde costituiscono forme di radiazione elettromagnetica, aderendo alle equazioni di Maxwell.

Hertz non comprese appieno le implicazioni pratiche dei suoi esperimenti sulle onde radio, sottolineando che:

Non possiede alcuna utilità... costituisce semplicemente un esperimento che convalida le teorie del Maestro Maxwell: possediamo semplicemente queste enigmatiche onde elettromagnetiche, impercettibili a occhio nudo, ma innegabilmente presenti.

Interrogato sulle potenziali applicazioni delle sue scoperte, Hertz ha risposto:

Niente, suppongo.

La dimostrazione definitiva di Hertz delle onde elettromagnetiche trasportate dall'aria ha catalizzato una rapida espansione della sperimentazione con questa nuova forma di radiazione. Inizialmente chiamata "onde hertziane", questa nomenclatura persistette fino al 1910 circa, quando "onde radio" divenne la terminologia standard. Nel giro di sei anni, Guglielmo Marconi iniziò lo sviluppo di un sistema di telegrafia senza fili basato sulle onde radio, che successivamente facilitò l'adozione diffusa della comunicazione radio.

Raggi catodici

Nel 1883, Hertz tentò di dimostrare la neutralità elettrica dei raggi catodici, osservando quella che interpretò come una definitiva assenza di deflessione all'interno di un campo elettrostatico. Tuttavia, come J. J. Thomson spiegò nel 1897, Hertz aveva posizionato gli elettrodi di deflessione all'interno di una regione altamente conduttiva del tubo, che generava un significativo effetto schermante vicino alla loro superficie.

Nove anni dopo il suo lavoro iniziale, Hertz iniziò ulteriori sperimentazioni, dimostrando che i raggi catodici possedevano la capacità di penetrare fogli metallici estremamente sottili, come l'alluminio. Philipp Lenard, uno studente di Heinrich Hertz, estese questa indagine all'"effetto raggio". Lenard progettò un tubo catodico modificato ed esaminò la penetrazione di vari materiali da parte dei raggi X. Tuttavia, Lenard rimase all'oscuro del fatto che stava generando raggi X. Hermann von Helmholtz sviluppò equazioni matematiche relative ai raggi X, postulando una teoria della dispersione prima della scoperta di Röntgen e dell'annuncio pubblico. Questa teoria trovò il suo fondamento nella teoria elettromagnetica della luce (Annalen di Wiedmann, vol. XLVIII). Tuttavia, Helmholtz non ha condotto esperimenti con i raggi X reali.

Effetto fotoelettrico

Hertz contribuì alla creazione dell'effetto fotoelettrico, un fenomeno successivamente chiarito da Albert Einstein, osservando che gli oggetti carichi si scaricavano più rapidamente se esposti alla radiazione ultravioletta (UV). Nel 1887, le sue osservazioni riguardanti sia l'effetto fotoelettrico che la generazione e ricezione delle onde elettromagnetiche (EM) furono documentate nella rivista Annalen der Physik. Il suo apparato ricevente comprendeva una bobina dotata di uno spinterometro, progettato per produrre una scintilla visibile al rilevamento delle onde EM. Per migliorare la visibilità della scintilla, Hertz ha racchiuso il setup all'interno di una scatola oscurata. Notò che la lunghezza massima della scintilla diminuiva quando l'apparecchio era contenuto nella scatola. Un pannello di vetro posizionato tra la sorgente di onde EM e il ricevitore assorbiva la radiazione UV, che altrimenti facilitava il trasferimento di elettroni attraverso lo spazio vuoto. Dopo la rimozione di questo pannello, la lunghezza della scintilla è aumentata. Al contrario, quando il quarzo è stato sostituito al vetro, non è stata osservata alcuna riduzione della lunghezza della scintilla, a causa della trasparenza del quarzo alla radiazione UV. Hertz ha concluso la sua indagine durata molti mesi e ha diffuso le sue scoperte. Tuttavia, non ha portato avanti ulteriori ricerche su questo effetto né ha tentato di fornire una spiegazione al fenomeno osservato.

Contatta Meccanica

Nel 1881 e nel 1882, Hertz pubblicò due articoli fondamentali su quella che in seguito divenne nota come meccanica del contatto, stabilendo una base cruciale per i successivi sviluppi teorici nel campo. Joseph Valentin Boussinesq fornì osservazioni di fondamentale importanza sul lavoro di Hertz, consolidando così l'immenso significato di questa ricerca sulla meccanica del contatto. Il lavoro di Hertz ha fondamentalmente chiarito il comportamento di due oggetti assialsimmetrici sotto carico quando posti in contatto, ricavando risultati basati sulla teoria classica dell'elasticità e sulla meccanica del continuo. Una limitazione notevole della sua teoria era l'omissione di qualsiasi forza adesiva tra i due solidi, un fattore che diventa sempre più significativo poiché i materiali costituenti presentano un'elevata elasticità. Tuttavia, all'epoca la negligenza nei confronti dell'adesione era comprensibile, data l'assenza di metodi sperimentali per la sua rilevazione.

Per formulare la sua teoria, Hertz utilizzò le osservazioni degli anelli ellittici di Newton, che si formavano quando una sfera di vetro veniva posta su una lente, come base per postulare una distribuzione ellittica della pressione esercitata dalla sfera. Successivamente utilizzò il fenomeno degli anelli di Newton per convalidare sperimentalmente la sua teoria calcolando lo spostamento della sfera nella lente. Nel 1971, Kenneth L. Johnson, K. Kendall e A. D. Roberts (JKR) adottarono la teoria di Hertz come elemento fondamentale per il calcolo dello spostamento teorico o della profondità di rientranza in presenza di adesione. La teoria originale di Hertz può essere derivata dalla loro formulazione assumendo zero adesione tra i materiali. Allo stesso modo, nel 1975, B. V. Derjaguin, V. M. Muller e Y. P. Toporov pubblicarono una teoria alternativa, nota nella comunità di ricerca come teoria DMT, che recuperava anche le formulazioni di Hertz sotto il presupposto di adesione zero, sebbene utilizzando diverse ipotesi sottostanti. La teoria DMT inizialmente si è rivelata prematura, richiedendo diverse revisioni prima di ottenere l’accettazione come un’altra teoria valida del contatto materiale insieme alla teoria JKR. Entrambe le teorie DMT e JKR costituiscono i principi fondamentali della meccanica del contatto, fungendo da base per tutti i modelli di contatto di transizione e vengono applicate nella previsione dei parametri materiali per la nanoindentazione e la microscopia a forza atomica. Questi modelli sono centrali nel campo della tribologia, portando Duncan Dowson a nominare Hertz tra i 23 "Uomini della tribologia". Nonostante abbia preceduto il suo monumentale lavoro sull'elettromagnetismo, che Hertz stesso considerava modestamente banale, la sua ricerca sulla meccanica del contatto è stata determinante nel far avanzare l'era della nanotecnologia.

Hertz ha anche identificato il "cono hertziano", una modalità specifica di frattura osservata nei solidi fragili, che è indotta dalla trasmissione di onde di stress.

Meteorologia

Hertz mantenne un profondo interesse per la meteorologia per tutta la sua vita, probabilmente derivante dalle sue interazioni con Wilhelm von Bezold, che prestò servizio come suo professore durante un corso di laboratorio al Politecnico di Monaco nell'estate del 1878. Mentre assisteva Helmholtz a Berlino, Hertz contribuì con diversi articoli minori al campo, comprendendo la ricerca sull'evaporazione dei liquidi, lo sviluppo di un nuovo igrometro e un metodo grafico per determinare le proprietà dell'aria umida sotto cambiamenti adiabatici.

Filosofia della scienza

Nell'introduzione al suo trattato del 1894, Principi della meccanica, Hertz esaminò criticamente le varie "immagini" o strutture concettuali utilizzate per rappresentare la fisica durante la sua epoca. Questi includevano il quadro della meccanica newtoniana (centrato su massa e forze), un secondo quadro (basato sulla conservazione dell'energia e sul principio di Hamilton) e il quadro da lui proposto (fondato unicamente su spazio, tempo, massa e principio di Hertz). Ha valutato questi quadri in base alla loro "ammissibilità", "correttezza" e "adeguatezza". Hertz mirava a eliminare le "assunzioni vuote" e sfidò il concetto newtoniano di forza, in particolare la nozione di azione a distanza. Il filosofo Ludwig Wittgenstein, profondamente influenzato dal lavoro di Hertz, espanse questa teoria delle immagini in una teoria delle immagini completa del linguaggio nel suo Tractatus Logico-Philosophicus del 1921, che successivamente influenzò il positivismo logico. Wittgenstein fece ulteriori riferimenti a Hertz nei suoi Libri blu e marroni.

Morte

Nel 1892, Hertz ricevette la diagnosi di un'infezione dovuta a una grave emicrania, che rese necessario un intervento chirurgico. Successivamente ha ceduto alle complicazioni derivanti da queste operazioni, che miravano ad alleviare le sue condizioni. Una biografia del 1997 di Albrecht Fölsing, attingendo al diario di Hertz e all'ampia corrispondenza familiare, suggerisce che la sua malattia era probabilmente granulomatosi con poliangioite, una malattia non formalmente riconosciuta fino a 45 anni dopo. Hertz morì il 1 gennaio 1894 a Bonn all'età di 36 anni e fu sepolto nel cimitero Ohlsdorf di Amburgo.

Elisabeth Hertz (nata Doll; 1864–1941), moglie di Hertz, rimase nubile dopo la sua morte. Gli sopravvissero le sue due figlie, Johanna (1887–1967) e Mathilde (1891–1975). Poiché nessuna figlia si è sposata né ha avuto figli, Hertz non ha discendenti viventi diretti.

Persecuzione sotto il Terzo Reich

Nonostante la conversione della sua famiglia dal giudaismo al luteranesimo due decenni prima della sua nascita, l'eredità di Hertz incontrò l'opposizione del governo nazista negli anni '30, un regime che classificava gli individui in base alla "razza" percepita piuttosto che all'adesione religiosa.

Il nome di Hertz fu sistematicamente cancellato dagli spazi pubblici e dalle istituzioni accademiche. Inoltre, furono compiuti sforzi per rinominare l'unità di frequenza, hertz, istituita in suo onore, in Hermann von Helmholtz, pur mantenendo il simbolo (Hz).

Anche la sua famiglia dovette affrontare persecuzioni a causa della loro classificazione come non ariana. Mathilde, la figlia più giovane di Hertz, fu licenziata dalla sua cattedra all'Università di Berlino in seguito all'ascesa al potere dei nazisti. Nel giro di pochi anni lei, sua sorella e la madre emigrarono dalla Germania e si stabilirono in Inghilterra.

Eredità e riconoscimenti

Il nipote di Heinrich Hertz, Gustav Ludwig Hertz, fu insignito del Premio Nobel, mentre al figlio di Gustav, Carl Helmut Hertz, viene attribuito il merito di aver inventato l'ecografia medica. Sua figlia, Mathilde Carmen Hertz, ottenne il riconoscimento come biologa e psicologa comparata. Inoltre, il pronipote di Hertz, Hermann Gerhard Hertz, professore all'Università di Karlsruhe, fu pioniere della spettroscopia NMR e pubblicò gli appunti di laboratorio di Hertz nel 1995.

La Commissione Elettrotecnica Internazionale istituì l'unità SI hertz (Hz) nel 1930 per onorare Hertz, definendola come l'unità di frequenza, che quantifica il numero di ripetizioni di un evento al secondo. La Conférence générale des poids et mesures (CGPM) adottò formalmente questa unità nel 1960, sostituendo così ufficialmente la precedente designazione, "cicli al secondo" (cps).

L'Istituto Heinrich-Hertz per la ricerca sulle oscillazioni è stato fondato a Berlino nel 1928. Questa istituzione è attualmente riconosciuta come Istituto Fraunhofer per le telecomunicazioni, Istituto Heinrich Hertz, HHI.

Nel 1969, la Germania dell'Est ha emesso una medaglia commemorativa commemorativa di Heinrich Hertz.

Istituita nel 1987, la medaglia Heinrich Hertz dell'IEEE viene assegnata ogni anno "per risultati eccezionali nelle onde hertziane [...] presentata ogni anno a un individuo per risultati di natura teorica o sperimentale".

La radio submillimetrica Il telescopio, situato sul monte Graham, in Arizona, e completato nel 1992, porta il suo nome.

Il cratere Hertz, situato sul lato nascosto della Luna appena oltre il lembo orientale, prende il nome in suo onore.

In occasione del suo compleanno, nel 2012, Google ha commemorato Hertz inserendo uno scarabocchio di Google, ispirato al lavoro della sua vita, sulla sua home page.

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