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Heinrich Rudolf Hertz (dói; alemão: [hɛʁts]; 22 de fevereiro de 1857 - 1 de janeiro de 1894) foi um físico alemão que primeiro provou conclusivamente a existência do…

Heinrich Rudolf Hertz (dói; alemão: [hɛʁts]; 22 de fevereiro de 1857 - 1 de janeiro de 1894) foi um físico alemão conhecido por demonstrar definitivamente a existência de ondas eletromagnéticas, conforme teorizado pelas equações de eletromagnetismo de James Clerk Maxwell.

Heinrich Rudolf Hertz ( dói; Alemão: [hɛʁts] ; 22 de fevereiro de 1857 - 1 de janeiro de 1894) foi um físico alemão que primeiro provou conclusivamente a existência das ondas eletromagnéticas propostas por James Equações do eletromagnetismo de Clerk Maxwell.

Biografia

Heinrich Rudolf Hertz nasceu em Hamburgo em 22 de fevereiro de 1857, filho de Gustav Ferdinand Hertz, advogado e político, e Anna Elisabeth Pfefferkorn.

Durante seus estudos na Gelehrtenschule des Johanneums em Hamburgo, Hertz demonstrou proficiência em disciplinas científicas e idiomas, incluindo o árabe. Sua educação superior em ciências e engenharia ocorreu em Dresden, Munique e Berlim, onde foi orientado por figuras proeminentes como Gustav Kirchhoff e Hermann von Helmholtz. Hertz obteve seu Ph.D. da Universidade de Berlim em 1880, posteriormente realizando três anos de pesquisa de pós-doutorado como assistente de Helmholtz. Em 1883, ele aceitou um cargo de professor de física teórica na Universidade de Kiel, seguido por uma nomeação como professor titular na Universidade de Karlsruhe em 1885. Em 1886, Hertz casou-se com Elisabeth Doll, filha de Max Doll, professor de geometria em Karlsruhe. O casal teve duas filhas: Johanna, nascida em 20 de outubro de 1887, e Mathilde, nascida em 14 de janeiro de 1891, que mais tarde se destacou como bióloga. Foi durante esse período que Hertz empreendeu suas investigações seminais sobre ondas eletromagnéticas.

Em 3 de abril de 1889, Hertz assumiu o cargo de professor de física e diretor do instituto de física da Universidade de Bonn, cargo que manteve até sua morte. Durante seu mandato, ele se concentrou na mecânica teórica, com suas contribuições publicadas postumamente em 1894 como o livro Die Prinzipien der Mechanik in neuem Zusammenhange dargestellt (Os princípios da mecânica apresentados em uma nova forma).

Trabalho Científico

Ondas eletromagnéticas

Em 1864, James Clerk Maxwell, um físico matemático escocês, introduziu uma teoria abrangente do eletromagnetismo, posteriormente conhecida como equações de Maxwell. Esta teoria postulava que campos elétricos e magnéticos interconectados poderiam se propagar pelo espaço como “ondas eletromagnéticas”. Maxwell levantou ainda a hipótese de que a luz compreendia ondas eletromagnéticas de comprimento de onda curto; no entanto, a verificação experimental disso, ou a geração e detecção de ondas eletromagnéticas em outros comprimentos de onda, permaneceu indefinida. Em 1879, durante as atividades acadêmicas de Hertz, Helmholtz propôs que a dissertação de doutorado de Hertz se concentrasse na validação experimental da teoria de Maxwell. Ao mesmo tempo, Helmholtz estabeleceu o "Prêmio de Berlim" na Academia Prussiana de Ciências para qualquer um que pudesse demonstrar empiricamente um efeito eletromagnético na polarização e despolarização de isoladores, um fenômeno previsto pela estrutura de Maxwell. Helmholtz considerou a Hertz a mais provável ganhadora deste prêmio. No entanto, Hertz inicialmente considerou o desafio experimental muito formidável devido à dificuldade percebida na construção do aparato necessário, optando por pesquisar a indução eletromagnética. No entanto, durante o seu mandato em Kiel, Hertz conduziu uma análise das equações de Maxwell, afirmando a sua validade superior em comparação com as então dominantes teorias de "ação à distância".

No outono de 1886, após sua nomeação como professor em Karlsruhe, Hertz estava conduzindo experimentos com espirais de Riess quando observou que a descarga de uma jarra de Leyden em uma bobina induzia uma faísca na outra. Esta observação forneceu-lhe uma estrutura conceptual para a construção de um aparelho, permitindo-lhe assim enfrentar o desafio do "Prémio de Berlim" de 1879 relativo à validação empírica da teoria de Maxwell (apesar do prémio ter caducado sem ser reclamado em 1882). Para o radiador, ele empregou uma antena dipolo composta por dois fios colineares de um metro, separados por um centelhador em suas extremidades internas, com esferas de zinco fixadas nas extremidades externas para fornecer capacitância. Esta antena foi energizada por pulsos de alta tensão de aproximadamente 30 quilovolts gerados por uma bobina de Ruhmkorff. Ele detectou essas ondas usando uma antena ressonante de circuito único equipada com um centelhador micrométrico entre seus terminais. Este experimento crucial gerou e recebeu com sucesso o que hoje é reconhecido como ondas de rádio de frequência muito alta.

Hertz conduziu uma série de experimentos entre 1886 e 1889, que confirmaram que os fenômenos observados eram atribuíveis às ondas eletromagnéticas teóricas de Maxwell. Começando em novembro de 1887 com sua publicação "Sobre os efeitos eletromagnéticos produzidos por perturbações elétricas em isoladores", Hertz apresentou vários artigos a Helmholtz na Academia de Berlim. Essas submissões incluíram 1.888 artigos demonstrando ondas eletromagnéticas transversais se propagando através do espaço livre a uma velocidade finita ao longo de uma distância específica. Na configuração experimental de Hertz, os campos elétricos e magnéticos emanavam dos fios como ondas transversais. Para gerar ondas estacionárias, a Hertz colocou estrategicamente um oscilador a aproximadamente 12 metros de uma placa refletora de zinco. Cada onda media aproximadamente 4 metros de comprimento. Empregando um detector de anel, ele documentou variações na magnitude e nos componentes direcionais da onda. Hertz mediu com sucesso as ondas de Maxwell e estabeleceu que sua velocidade correspondia à velocidade da luz. Além disso, Hertz quantificou a intensidade do campo elétrico, a polarização e as propriedades de reflexão dessas ondas. Estas investigações demonstraram conclusivamente que tanto a luz como estas ondas constituem formas de radiação eletromagnética, aderindo às equações de Maxwell.

Hertz não compreendeu completamente as implicações práticas de seus experimentos com ondas de rádio, observando que:

Não possui qualquer utilidade... constitui apenas um experimento que valida as teorias do Maestro Maxwell - simplesmente possuímos essas ondas eletromagnéticas enigmáticas, imperceptíveis a olho nu, mas inegavelmente presentes.

Quando questionado sobre as possíveis aplicações de suas descobertas, Hertz respondeu:

Nada, eu suponho.

A demonstração definitiva de ondas eletromagnéticas transportadas pelo ar pela Hertz catalisou uma rápida expansão da experimentação com esta nova forma de radiação. Inicialmente denominada "ondas hertzianas", esta nomenclatura persistiu até aproximadamente 1910, quando "ondas de rádio" se tornou a terminologia padrão. Em seis anos, Guglielmo Marconi iniciou o desenvolvimento de um sistema de telegrafia sem fio baseado em ondas de rádio, o que posteriormente facilitou a adoção generalizada da comunicação por rádio.

Raios Catódicos

Em 1883, Hertz tentou demonstrar a neutralidade elétrica dos raios catódicos, observando o que interpretou como uma ausência conclusiva de deflexão dentro de um campo eletrostático. No entanto, como J. J. Thomson elucidou em 1897, Hertz posicionou os eletrodos defletores dentro de uma região altamente condutora do tubo, o que gerou um efeito de blindagem significativo próximo à sua superfície.

Nove anos depois do seu trabalho inicial, Hertz iniciou novas experiências, demonstrando que os raios catódicos possuíam a capacidade de penetrar folhas metálicas extremamente finas, como o alumínio. Philipp Lenard, aluno de Heinrich Hertz, estendeu esta investigação ao "efeito do raio". Lenard projetou um tubo catódico modificado e examinou a penetração de vários materiais por raios X. No entanto, Lenard não sabia que estava gerando raios X. Hermann von Helmholtz desenvolveu equações matemáticas relativas aos raios X, postulando uma teoria de dispersão antes da descoberta de Röntgen e do anúncio público. Esta teoria foi fundamentada na teoria eletromagnética da luz (Wiedmann's Annalen, Vol. XLVIII). No entanto, Helmholtz não conduziu experimentos com raios X reais.

Efeito fotoelétrico

Hertz contribuiu para o estabelecimento do efeito fotoelétrico, fenômeno posteriormente elucidado por Albert Einstein, ao observar que objetos carregados descarregavam mais rapidamente quando expostos à radiação ultravioleta (UV). Em 1887, as suas observações relativas ao efeito fotoelétrico e à geração e recepção de ondas eletromagnéticas (EM) foram documentadas na revista Annalen der Physik. Seu aparelho receptor compreendia uma bobina equipada com um centelhador, projetado para produzir uma faísca visível após a detecção de ondas EM. Para aumentar a visibilidade da faísca, a Hertz colocou a configuração em uma caixa escura. Ele notou que o comprimento máximo da faísca diminuía quando o aparelho estava contido dentro da caixa. Um painel de vidro posicionado entre a fonte de onda EM e o receptor absorveu a radiação UV, o que de outra forma facilitou a transferência de elétrons através da lacuna. Após a remoção deste painel, o comprimento da faísca aumentou. Por outro lado, quando o quartzo foi substituído pelo vidro, não foi observada redução no comprimento da faísca, devido à transparência do quartzo à radiação UV. Hertz concluiu sua investigação de vários meses e divulgou suas descobertas. No entanto, ele não prosseguiu com pesquisas sobre este efeito nem tentou fornecer uma explicação para o fenômeno observado.

Mecânica de contato

Em 1881 e 1882, Hertz publicou dois artigos seminais sobre o que posteriormente ficou conhecido como mecânica de contato, estabelecendo uma base crucial para desenvolvimentos teóricos posteriores na área. Joseph Valentin Boussinesq forneceu observações extremamente importantes sobre o trabalho de Hertz, solidificando assim a imensa importância desta pesquisa em mecânica de contato. O trabalho de Hertz elucidou fundamentalmente o comportamento de dois objetos axialmente simétricos sob carga quando colocados em contato, derivando resultados baseados na teoria clássica da elasticidade e na mecânica do contínuo. Uma limitação notável de sua teoria foi a omissão de quaisquer forças adesivas entre os dois sólidos, fator que se torna cada vez mais significativo à medida que os materiais constituintes apresentam alta elasticidade. No entanto, o descaso com a adesão era compreensível na época, dada a ausência de métodos experimentais para a sua detecção.

Para formular sua teoria, Hertz utilizou observações de anéis elípticos de Newton, que se formaram quando uma esfera de vidro foi colocada sobre uma lente, como base para postular uma distribuição elíptica de pressão exercida pela esfera. Posteriormente, ele empregou o fenômeno dos anéis de Newton para validar experimentalmente sua teoria, calculando o deslocamento da esfera na lente. Em 1971, Kenneth L. Johnson, K. Kendall e A. D. Roberts (JKR) adotaram a teoria de Hertz como elemento fundamental para calcular o deslocamento teórico ou profundidade de indentação na presença de adesão. A teoria original de Hertz pode ser derivada de sua formulação assumindo zero adesão entre os materiais. Da mesma forma, em 1975, B. V. Derjaguin, V. M. Muller e Y. P. Toporov publicaram uma teoria alternativa, conhecida na comunidade científica como teoria DMT, que também recuperou as formulações de Hertz sob o pressuposto de adesão zero, embora usando diferentes pressupostos subjacentes. A teoria DMT inicialmente provou ser prematura, exigindo várias revisões antes de ganhar aceitação como outra teoria válida de contato material ao lado da teoria JKR. Ambas as teorias DMT e JKR constituem os princípios fundamentais da mecânica de contato, servindo como base para todos os modelos de contato de transição e sendo aplicadas na previsão de parâmetros de materiais para nanoindentação e microscopia de força atômica. Esses modelos são centrais para o campo da tribologia, levando Duncan Dowson a nomear Hertz entre os 23 "Homens da Tribologia". Apesar de preceder seu monumental trabalho sobre eletromagnetismo, que o próprio Hertz considerava modestamente trivial, sua pesquisa sobre mecânica de contato foi fundamental para o avanço da era da nanotecnologia.

Hertz também identificou o "cone hertziano", um modo específico de fratura observado em sólidos frágeis, que é induzido pela transmissão de ondas de tensão.

Meteorologia

Hertz manteve um profundo interesse pela meteorologia ao longo de sua vida, provavelmente decorrente de suas interações com Wilhelm von Bezold, que atuou como seu professor durante um curso de laboratório na Politécnica de Munique no verão de 1878. Enquanto auxiliava Helmholtz em Berlim, Hertz contribuiu com vários artigos menores para a área, abrangendo pesquisas sobre evaporação de líquidos, o desenvolvimento de um novo higrômetro e um método gráfico para determinar as propriedades do ar úmido sob mudanças adiabáticas.

Filosofia da ciência

Na introdução ao seu tratado de 1894, Princípios de Mecânica, Hertz examinou criticamente as várias "imagens" ou estruturas conceituais empregadas para representar a física durante sua época. Estes incluíam a estrutura da mecânica newtoniana (centrada na massa e nas forças), uma segunda estrutura (baseada na conservação de energia e no princípio de Hamilton) e a sua própria estrutura proposta (fundada exclusivamente no espaço, no tempo, na massa e no princípio de Hertz). Ele avaliou essas estruturas com base na sua 'permissibilidade', 'correção' e 'adequação'. Hertz pretendia eliminar "suposições vazias" e desafiou o conceito newtoniano de força, particularmente a noção de ação à distância. O filósofo Ludwig Wittgenstein, profundamente influenciado pelo trabalho de Hertz, expandiu essa teoria pictórica em uma teoria pictórica abrangente da linguagem em seu Tractatus Logico-Philosophicus de 1921, que posteriormente impactou o positivismo lógico. Wittgenstein ainda fez referência a Hertz em seus Livros azuis e marrons.

Morte

Em 1892, Hertz recebeu o diagnóstico de uma infecção após enxaquecas graves, necessitando de intervenção cirúrgica. Posteriormente, ele sucumbiu às complicações decorrentes dessas operações, que visavam aliviar seu estado. Uma biografia de 1997 de Albrecht Fölsing, baseada no diário de Hertz e na extensa correspondência familiar, sugere que sua doença era provavelmente granulomatose com poliangiite, uma doença que só foi formalmente reconhecida 45 anos depois. Hertz faleceu em 1º de janeiro de 1894, em Bonn, aos 36 anos, e está enterrado no Cemitério Ohlsdorf, em Hamburgo. Elisabeth Hertz (nascida Doll; 1864–1941), esposa de Hertz, permaneceu solteira após sua morte. Ele deixou suas duas filhas, Johanna (1887–1967) e Mathilde (1891–1975). Como nenhuma filha se casou nem teve filhos, Hertz não tem descendentes vivos diretos.

Perseguição sob o Terceiro Reich

Apesar da conversão de sua família do judaísmo ao luteranismo duas décadas antes de seu nascimento, o legado de Hertz encontrou oposição do governo nazista na década de 1930, um regime que categorizava os indivíduos com base na "raça" percebida, e não na adesão religiosa.

O nome de Hertz foi sistematicamente eliminado de espaços públicos e instituições acadêmicas. Além disso, foram feitos esforços para renomear a unidade de frequência, hertz, que foi estabelecida em sua homenagem, para Hermann von Helmholtz, mantendo o símbolo (Hz).

Sua família também enfrentou perseguição devido à sua classificação como não-ariana. Mathilde, a filha mais nova de Hertz, foi demitida de seu cargo de professora na Universidade de Berlim após a ascensão nazista ao poder. Dentro de alguns anos, ela, sua irmã e sua mãe emigraram da Alemanha e estabeleceram residência na Inglaterra.

Legado e Honras

O sobrinho de Heinrich Hertz, Gustav Ludwig Hertz, recebeu o Prêmio Nobel, e o filho de Gustav, Carl Helmut Hertz, é responsável pela invenção da ultrassonografia médica. Sua filha, Mathilde Carmen Hertz, alcançou reconhecimento como bióloga e psicóloga comparativa. Além disso, o sobrinho-neto de Hertz, Hermann Gerhard Hertz, professor da Universidade de Karlsruhe, foi o pioneiro na espectroscopia NMR e publicou as notas de laboratório de Hertz em 1995.

A Comissão Eletrotécnica Internacional estabeleceu a unidade SI hertz (Hz) em 1930 para homenagear Hertz, definindo-o como a unidade de frequência, que quantifica o número de repetições de um evento por segundo. A Conférence générale des poids et mesures (CGPM) adotou formalmente esta unidade em 1960, substituindo oficialmente a designação anterior, "ciclos por segundo" (cps).

O Instituto Heinrich-Hertz para Pesquisa de Oscilação foi estabelecido em Berlim em 1928. Esta instituição é atualmente reconhecida como o Instituto Fraunhofer de Telecomunicações, Instituto Heinrich Hertz, HHI.

Em 1969, a Alemanha Oriental emitiu uma medalha comemorativa em memória de Heinrich Hertz.

Estabelecida em 1987, a Medalha Heinrich Hertz do IEEE é concedida anualmente "por realizações notáveis em ondas hertzianas [...] apresentada anualmente a um indivíduo por realizações de natureza teórica ou experimental".

O Radiotelescópio Submilimétrico, localizada no Monte Graham, Arizona, e concluída em 1992, leva seu nome.

A cratera Hertz, situada no outro lado da Lua, logo além do membro leste, é nomeada em sua homenagem.

Em seu aniversário em 2012, o Google comemorou Hertz apresentando um doodle do Google, inspirado no trabalho de sua vida, em sua página inicial.

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