Генрих Рудольф Герц – первооткрыватель электромагнитных волн

Генрих Рудольф Герц – первооткрыватель электромагнитных волн

Приведен краткий научно-исторический очерк, связанный с открытием Герцем электромагнитных волн и триумфом теории электромагнитного поля Максвелла. Наведено короткий науково-історичний нарис, пов’язаний з відкриттям Герцом електромагнітних хвиль та тріумфом теорії електромагнітного поля Максвелла. Th...

Ausführliche Beschreibung

Gespeichert in:
Bibliographische Detailangaben
Veröffentlicht in:Електротехніка і електромеханіка
Datum:2006
1. Verfasser: Баранов, М.И.
Format: Artikel
Sprache:Russian
Veröffentlicht: Інститут технічних проблем магнетизму НАН України 2006
Schlagworte:
Електротехніка. Визначні події. Славетні імена
Online Zugang:https://nasplib.isofts.kiev.ua/handle/123456789/142626
Tags: Tag hinzufügen
Keine Tags, Fügen Sie den ersten Tag hinzu!
Назва журналу:Digital Library of Periodicals of National Academy of Sciences of Ukraine
Zitieren:Генрих Рудольф Герц – первооткрыватель электромагнитных волн / М.И. Баранов // Електротехніка і електромеханіка. — 2006. — № 1. — С. 5-11. — Бібліогр.: 19 назв. — рос.

Institution

Digital Library of Periodicals of National Academy of Sciences of Ukraine
id nasplib_isofts_kiev_ua-123456789-142626
record_format dspace
spelling Баранов, М.И.
2018-10-13T15:11:53Z
2018-10-13T15:11:53Z
2006
Генрих Рудольф Герц – первооткрыватель электромагнитных волн / М.И. Баранов // Електротехніка і електромеханіка. — 2006. — № 1. — С. 5-11. — Бібліогр.: 19 назв. — рос.
2074-272X
https://nasplib.isofts.kiev.ua/handle/123456789/142626
621.3:537.87
Приведен краткий научно-исторический очерк, связанный с открытием Герцем электромагнитных волн и триумфом теории электромагнитного поля Максвелла.
Наведено короткий науково-історичний нарис, пов’язаний з відкриттям Герцом електромагнітних хвиль та тріумфом теорії електромагнітного поля Максвелла.
The paper presents a brief historical overview of Hertz's discovery of electromagnetic waves and further triumph of Maxwell's electromagnetic field theory.
ru
Інститут технічних проблем магнетизму НАН України
Електротехніка і електромеханіка
Електротехніка. Визначні події. Славетні імена
Генрих Рудольф Герц – первооткрыватель электромагнитных волн
Heinrich Rudolf Hertz was the first to discover electromagnetic waves
Article
published earlier
institution Digital Library of Periodicals of National Academy of Sciences of Ukraine
collection DSpace DC
title Генрих Рудольф Герц – первооткрыватель электромагнитных волн
spellingShingle Генрих Рудольф Герц – первооткрыватель электромагнитных волн
Баранов, М.И.
Електротехніка. Визначні події. Славетні імена
title_short Генрих Рудольф Герц – первооткрыватель электромагнитных волн
title_full Генрих Рудольф Герц – первооткрыватель электромагнитных волн
title_fullStr Генрих Рудольф Герц – первооткрыватель электромагнитных волн
title_full_unstemmed Генрих Рудольф Герц – первооткрыватель электромагнитных волн
title_sort генрих рудольф герц – первооткрыватель электромагнитных волн
author Баранов, М.И.
author_facet Баранов, М.И.
topic Електротехніка. Визначні події. Славетні імена
topic_facet Електротехніка. Визначні події. Славетні імена
publishDate 2006
language Russian
container_title Електротехніка і електромеханіка
publisher Інститут технічних проблем магнетизму НАН України
format Article
title_alt Heinrich Rudolf Hertz was the first to discover electromagnetic waves
description Приведен краткий научно-исторический очерк, связанный с открытием Герцем электромагнитных волн и триумфом теории электромагнитного поля Максвелла. Наведено короткий науково-історичний нарис, пов’язаний з відкриттям Герцом електромагнітних хвиль та тріумфом теорії електромагнітного поля Максвелла. The paper presents a brief historical overview of Hertz's discovery of electromagnetic waves and further triumph of Maxwell's electromagnetic field theory.
issn 2074-272X
url https://nasplib.isofts.kiev.ua/handle/123456789/142626
citation_txt Генрих Рудольф Герц – первооткрыватель электромагнитных волн / М.И. Баранов // Електротехніка і електромеханіка. — 2006. — № 1. — С. 5-11. — Бібліогр.: 19 назв. — рос.
work_keys_str_mv AT baranovmi genrihrudolʹfgercpervootkryvatelʹélektromagnitnyhvoln
AT baranovmi heinrichrudolfhertzwasthefirsttodiscoverelectromagneticwaves
first_indexed 2025-11-27T05:49:50Z
last_indexed 2025-11-27T05:49:50Z
_version_ 1850803348598423552
fulltext Електротехніка: Визначні події. Славетні імена Електротехніка і Електромеханіка. 2006. №1 5 УДК 621.3:537.87 ГЕНРИХ РУДОЛЬФ ГЕРЦ – ПЕРВООТКРЫВАТЕЛЬ ЭЛЕКТРОМАГНИТНЫХ ВОЛН Баранов М.И., д.т.н. НИПКИ "Молния" Национального технического университета "Харьковский политехнический институт" Украина, 61013, Харьков, ул. Шевченко, 47, НИПКИ "Молния" НТУ "ХПИ" тел. (057) 707-68-41, факс (057) 707-61-33, E-mail: nipkimolniya@kpi.kharkov.ua Наведено короткий науково-історичний нарис, пов’язаний з відкриттям Герцом електромагнітних хвиль та тріум- фом теорії електромагнітного поля Максвелла. Приведен краткий научно-исторический очерк, связанный с открытием Герцем электромагнитных волн и триумфом теории электромагнитного поля Максвелла. К 150-летию со дня рождения выдающегося физика Генриха Рудольфа Герца посвящается. НАЧАЛО КОРОТКОГО ПУТИ Родился Генрих Рудольф Герц 22 февраля 1857 года в Германии в г. Гамбурге. Будущий великий уче- ный родился ослабленным и болезненным ребенком, что наложило свой негативный "отпечаток" на всю его непродолжительную, но яркую научными свер- шениями жизнь. Его отцом был адвокат, ставший впо- следствии городским сенатором. Мать Генриха Герца была домохозяйкой, образованной и незаурядной женщиной [1]. В то время, когда выдающийся анг- лийский физик Джеймс Клерк Максвелл на основе физических идей и нового физического мировоззре- ния великого английского ученого Майкла Фарадея, обладавшего гениальной интуицией, создавал свою теорию электромагнитного поля [2], будущий вы- дающийся электрофизик, электро− и радиотехник Г. Герц только посещал начальные классы гимназии. Учился он блестяще и в противоположность Д.К. Максвеллу ему нравились практически все школьные предметы −в равной степени, как физика, так и иностранные языки. Юношей он любил сочи- нять стихи и увлеченно работать на токарном станке, вытачивая различные деревянные фигуры. За что бы не брался он в этот период, все у него получалось и получалось хорошо. Значительно позже, когда Г. Герц уже стал знаменитым ученым, его мастер-наставник по токарному делу своим знакомым однажды заме- тил: "...Жаль. Из Г. Герца мог бы получиться отлич- ный токарь" [3]. По окончанию гимназии Г. Герц, решив стать инженером, в 1875 году поступает учить- ся сначала в Дрезденскую, а затем в Мюнхенскую Высшие технические школы. Когда в последней при- шло время изучать специальные инженерные дисцип- лины, он резко меняет свои учебные намерения и планы и с благословления своих мудрых родителей встает на трудный путь ученого-физика. В 1877 году Г. Герц оставляет Мюнхенскую Высшую техниче- скую школу и поступает на физический факультет Берлинского университета. С этого времени его жиз- ненным девизом становится известное двустишие великого немецкого поэта И.Х.Ф. Шиллера: "...Кто трусит жизнью рисковать, тому успеха в ней не знать!" [1, 3]. Здесь он попадает в прекрасные "руки" −его научным руководителем становится видный не- мецкий физик Герман Людвиг Гельмгольц [4], автор и до сих пор с успехом используемой в физике, технике сильных магнитных и электрических полей и элек- тротехнике магнитной системы с однородным полем, получившей название "колец Гельмгольца" [5]. Генрих Рудольф Герц (1857−1894) Под покровительством этого маститого ученого, создавшего известную в мире немецкую физическую школу и выстроившего в г. Берлине в 70-х годах XIX столетия мощный физический институт, прошла практически вся короткая научная жизнь Г. Герца. В эти годы в объединенной Германии Вернер Сименс интенсивно работал в области электротехники силь- ных переменных токов, он был организатором круп- нейших немецких электротехнических фирм (напри- мер, "Сименс и Гальске"; "Сименс и Шункерт") и приходился родственником Г.Л. Гельмгольцу. Вот в 6 Електротехніка і Електромеханіка. 2006. №1 эту среду лидеров немецкой науки и электротехники неожиданно "вошел" молодой и полный творческих планов Г. Герц. Под влиянием Г.Л. Гельмгольца фор- мировались научно-технические взгляды Г. Герца. Следует обратить внимание читателя на то, что Г.Л. Гельмгольц оказался первым из известных евро- пейских (континентальных) ученых, обратившим при- стальное внимание на новую теорию электромагне- тизма − теорию электромагнитного поля Д.К. Мак- свелла и оценившим ее сильные стороны, многогран- ность и универсальность. В тоже время Г.Л. Гельм- гольц из-за противоречивости своего научного миро- воззрения, опиравшегося, в основном, на логические установки известного немецкого философа− идеали- ста Э. Канта, не мог принять существование в элек- тродинамике и соответственно в природе введенной еще М. Фарадеем в тридцатые годы XIX века "про- межуточной среды− поля" и оставался сторонником консервативной концепции "дальнодействия" при электромагнитном взаимодействии физических тел [2]. Заметим, что согласно классической концепции "дальнодействия" электрическое действие одного физического тела на другое происходит мгновенно без какой-либо "промежуточной среды". Из истории физики и электродинамики известно, что первый мощный "удар" по концепции "дальнодей- ствия" нанес знаменитый немецкий математик и фи- зик К.Ф. Гаусс, выдвинувший идею конечной скоро- сти распространения электромагнитного взаимодей- ствия физических тел [1]. Одним из самых важных результатов появившейся в 1873 году в завершенном виде и еще не общепризнанной к 1886 году "максвел- ловской" теории электромагнитного поля явилась вы- текающая из нее формула для скорости v распро- странения электромагнитной волны в среде, имеющая следующий вид [1, 5]: v = με/ ⋅c , где с =3·108 м/с −скорость света в вакууме; −με, соответственно от- носительные диэлектрическая и магнитная проницае- мости среды. Из приведенного соотношения для ско- рости v следует, что электромагнитные волны в ве- ществе распространяются со скоростью, зависящей от значений ε и μ среды, в которой происходит их рас- пространение. Общеизвестно, что для пустоты (ва- куума) и воздуха ε =μ=1. Поэтому для этих сплош- ных сред согласно теории Д.К. Максвелла скорость v распространения электромагнитной волны становится равной скорости света с . Данный вывод при его экс- периментальном подтверждении мог стать тем по- следним решающим "ударом", выдержать который европейская консервативная физическая школа, бази- рующаяся на представлении о "дальнодействии", бы- ла бы не в состоянии. ПЕРВЫЕ ШАГИ В НАУЧНОЙ КАРЬЕРЕ Попав в Берлинский университет, Г. Герц через участие в конкурсных научных студенческих работах начинает активно работать в его физической лабора- тории. Эти научные работы Г. Герца следует рассмат- ривать как определенные этапы процесса формирова- ния его как научного исследователя и ученого. Пер- вой самостоятельной научной работой Г. Герца в 1878 году стало исследование, связанное с определе- нием верхней границы для кинетической энергии кW электрического тока проводимости в металлическом проводнике [1, 3]. Заметим, что к этому моменту в физике еще не существовало правильного представ- ления о природе электрического тока в металле, а электрон как элементарная частица еще не был от- крыт. Справочно отметим, что электрон был открыт лишь в 1897 году выдающимся английским физиком Джозефом Джоном Томсоном в ходе исследований по прохождению электричества через разряженные газы. Успех этой работы Г. Герца всецело зависел от точно- сти измерений. В условиях данных опытов Г. Герца последняя определялась, прежде всего, чувствитель- ностью гальванометра и исключением влияния тем- пературы окружающей воздушной среды на исполь- зуемые им электрические цепи в мосте Ч. Уитстона. Достигнув точности измерений до 1%, молодой Г. Герц в результате многочисленных экспериментов с различными модификациями объекта исследования, в конце концов, приходит к выводу, согласно которо- му кинетическая энергия электрического тока в 1 мм3 серебряного проводника с плотностью тока в "1 элек- тромагнитную единицу" (1 А/мм2) не превышает ве- личины кW =2·10-17 Дж [6]. С позиций сегодняшнего дня мы знаем, что электрический ток проводимости в металлах обусловлен потоком дрейфующих свобод- ных электронов, которые действительно обладают конечной массой и, следовательно, кинетической энергией. Однако масса и кинетическая энергия элек- тронов оказались значительно меньшими, чем мог себе представить в 1878 году начинающий научный работник Г. Герц или кто-нибудь из окружающих его "ученых мужей" − современников. В тех условиях, для которых приведен вышеуказанный численный результат применительно к энергии кW , истинное значение искомой величины для кW согласно совре- менным данным оказалось в 104 раз меньше, чем по- лученное Г. Герцем [1]. Тем не менее, это первое экс- периментальное исследование Г. Герца, к которому последний обращался с 1878 по 1881 годы не один раз с целью получения для кW более точных конечных результатов, выявило его удивительные творческие способности и получило высокую оценку руководства физического факультета Берлинского университета, а денежная премия для рассматриваемой конкурсной студенческой работы − победителя была удвоена по сравнению с первоначально назначенной [1, 3]. В 1879 году Г. Герц активно берется за подго- товку докторской диссертации на тему "Теоретиче- ское исследование об индукции при вращении тел в магнитном поле", подводящей определенные итоги его университетскому образованию [1, 3]. В данной работе, посвященной электродинамике движущихся проводников, он ограничился рассмотрением элек- тропроводящих сплошных и полых сфер, вращаю- щихся в постоянном магнитном поле вокруг своих осей. Полученные формулы для скалярного и вектор- ного магнитного потенциалов, а также скалярного Електротехніка і Електромеханіка. 2006. №1 7 электрического потенциала и плотности тока в иссле- дуемых металлических проводниках Г. Герц при по- мощи предельных переходов применил к расчету то- ков для известных частных случаев (например, в слу- чае диска известного французского физика Д.Ф. Ара- го − бесконечного металлического диска, вращающе- гося в постоянном магнитном поле) и получил ре- зультаты, хорошо согласующиеся с известными как теоретическими, так и экспериментальными данными [7]. Оппоненты− экзаменаторы этой диссертации Г. Герца (известные немецкие ученые Г.Р. Кирхгоф, Э. Целлер, Э.Э. Куммер и Г.Л. Гельмгольц) были по- ражены той легкости, с которой Г. Герц оперировал весьма сложными уравнениями электродинамики и специальными функциями. После блестящей защиты в 1879 году Г. Герцем указанной диссертации послед- ний в 1880 году становится доктором философии, а его научный руководитель Г.Л. Гельмгольц называет своего одаренного ученика "любимцем богов" [1]. По- этому можно считать, что именно в 1879 году (году смерти автора новой теории электромагнетизма − Д.К. Максвелла) Г. Герц становится сформировав- шимся ученым-физиком. В 1880 году он с целью бо- лее быстрого получения научно-педагогической должности доцента переезжает из столичного г. Бер- лина в провинциальный г. Киль. На новом месте ра- боты физической лаборатории практически не было и Г. Герц увлекается теоретическими исследованиями в области электрических и магнитных явлений. Он уг- лубленно изучает полные нововведениями и новыми воззрениями научные труды М. Фарадея и Д.К. Мак- свелла по электромагнетизму. Именно во время пре- бывания в г. Киле Г. Герц корректирует систему элек- тродинамических уравнений сторонника Г.Л. Гельм- гольца и концепции "дальнодействия" − немецкого физика Ф. Неймана и получает в 1884 году свою сис- тему уравнений, частным случаем которой являлись уравнения теории электромагнитного поля Д.К. Мак- свелла [8]. От полученного результата Г. Герц испы- тывает лишь разочарование: по его мнению, в случае, если теория электромагнитного поля английского фи- зика Д.К. Максвелла универсальна, то все электроди- намические теории известных немецких физиков (Г.Л. Гельмгольца, В.Э. Вебера и Ф. Неймана), счи- тавшихся многие десятилетия непревзойденными мэтрами электродинамики, следует отправить на за- пыленные полки научно-исторического архива все- мирной физики. К этому следует добавить то, что по свидетельству другого выдающегося немецкого физи- ка-теоретика Макса Планка, открывшего миру "квант действия" [9], "национальное чувство" Г. Герца силь- но мешало ему объективно оценивать научный вклад иностранных ученых в те или иные области человече- ского познания [3]. Кстати, здесь следует особо подчеркнуть то, что тот компактный вид уравнений Д.К. Максвелла, кото- рым и поныне пользуются во всем мире физики и электротехники [2, 5], многим "обязан" Г. Герцу и известному английскому электротехнику и физику Оливеру Хевисайду [9]. Это они своим титаническим трудом "расчистили" двенадцать уравнений Д.К. Максвелла из его "Трактата по электричеству и магнетизму" [10], содержащего более одной тысячи страниц, и оставили из них лишь четыре уравнения− основные и самые важные [2]. Другие же электроди- намические уравнения, представленные Д.К. Мак- свеллом в [10], могли быть выведены друг из друга, а некоторые вообще были лишними и не отражали фун- даментальных законов природы. Историки науки и техники отмечают, что именно Г. Герц и О. Хевисайд превратили "…неорганизованные формулы Д.К. Мак- свелла в стройную и непоколебимую до сих пор элек- трофизическую систему" [1, 3]. В 1885 году Г. Герц переезжает в пределах Германии из г. Киля в г. Кар- лсруэ, где ему была предложена должность профессо- ра в местной Высшей технической школе. Устроив- шись на новом месте, он возобновляет научные изы- скания, в том числе по электричеству и магнетизму. Летом 1886 года двадцатидевятилетний Г. Герц же- нится на Елизавете Дооль − дочери своего коллеги. Это событие положительным образом повлияло на Генриха: тоска, нежелание работать сменяются неви- данным творческим подъемом. Следует указать на то, что к этому времени у Г. Герца глубокие знания в об- ласти математики, физики, электротехники и электро- динамики органично сочетались с уникальным экспе- риментальным талантом. ОПЫТЫ ГЕРЦА ПО ВОЗБУЖДЕНИЮ И НАБЛЮДЕНИЮ ЭЛЕКТРОМАГНИТНЫХ ВОЛН Г. Герц был любимым учеником Г.Л. Гельмголь- ца и поэтому именно ему последний поручил экспе- риментально проверить теоретические выводы Д.К. Максвелла, касающиеся новой электродинамики сплошных сред. Свои знаменитые опыты, неожидан- но приведшие к открытию "волн Герца" или предска- занных Д.К. Максвеллом еще в 1864 году электромаг- нитных волн, Г. Герц начал в 1886 году, будучи про- фессором Высшей технической школы в г. Карлсруэ, а закончил их в 1888 году в г. Бонне, где был профес- сором экспериментальной физики местного универ- ситета. На взгляд автора, прежде чем приступить к описанию этих опытов, для пользы общего дела (как общеобразовательного, так и научного) целесообраз- но совершить небольшой научно-исторический экс- курс по физике и определиться, хотя бы в общих чер- тах, с состоянием вопроса в области теории и практи- ки электрических (электромагнитных) колебаний, касающегося того бурного и полного научными от- крытиями времени, непосредственно предшествовав- шего этим экспериментам Г. Герца. В этой связи следует отметить, что в 1842 году выдающийся американский электротехник и физик Джозеф Генри, повторяя опыты от 1826 года извест- ного французского физика Феликса Савара, экспери- ментально установил, что при разряде предваритель- но заряженной "лейденской банки"−электрического конденсатора в разрядной электрической цепи возни- кают затухающие электрические колебания [9]. Вот как описал этот электрический процесс сам Д. Генри: "...При разряде лейденской банки необходимо допус- тить существование главного разряда в одном на- правлении, а затем несколько отраженных действий назад и вперед, каждое из которых является более 8 Електротехніка і Електромеханіка. 2006. №1 слабым, чем предыдущее, продолжающееся до тех пор, пока не наступит равновесие" [9]. Не безынте- ресно для читателя указать и то, что Д. Генри, как свидетельствуют архивные научно-исторические ма- териалы, независимо от М. Фарадея открыл явление электромагнитной индукции [9]. Однако его научная публикация об этом открытии запоздала, и слава ве- ликого открытия по праву принадлежит М. Фарадею. Кроме того, в 1853 году великий английский фи- зик Уильям Томсон (Кельвин) теоретически исследо- вал разряд предварительно заряженной электрической емкости С (проводника заданной емкости С ) в элек- трическом контуре, содержащем сосредоточенную индуктивность L и активное сопротивление R [9]. В случае, когда омическое сопротивление R колеба- тельного контура было пренебрежимо мало, им для периода T электрических колебаний разрядного тока в рассматриваемом контуре было получено следую- щее известное аналитическое соотношение: T = CL ⋅⋅π⋅2 (формула Томсона). Из этого класси- ческого соотношения можно заключить, что для по- лучения в указанном контуре электрических колеба- ний тока высокой частоты емкость конденсатора (проводника) С и индуктивность электрической цепи (проводника) L колебательного контура должны быть малыми. В этом случае геометрические размеры элементов колебательного контура должны быть со- ответственно также малыми, то есть простой отрезок проводника с электрическим током может являться электрическим колебательным контуром (в современ- ной электротехнической и физической терминологии − открытым колебательным контуром [11]). Далее отметим, что до Г. Герца электрические колебания в −RLC контуре были экспериментально исследованы В. Феддерсеном, который рассматривал изображение электрического искрового разряда "лей- денской банки" во вращающемся зеркале [9]. Фото- графируя эти изображения, В. Феддерсен установил, что "…в электрической искре имеют место попере- менно противоположные токи, а период колебаний T тока в ней увеличивается в той мере, как возрас- тает величина С " [9]. Эти опытные данные под- тверждали достоверность формулы Томсона для пе- риода T электрических колебаний. Таким образом, к началу рассматриваемых экспериментальных иссле- дований Г. Герца по обнаружению искусственно соз- данных соответствующим генератором электромаг- нитных волн в воздушном пространстве электриче- ские (электромагнитные) колебания в −RLC контурах в определенной степени были изучены как теоретиче- ски, так и экспериментально. Необходимо обратить внимание читателя и на то обстоятельство, что Г. Герцу как талантливому физику − теоретику было хорошо известно то, что согласно теории Д.К. Мак- свелла электромагнитная волна представляет собой взаимосвязанную цепочку электрических и магнит- ных полей, возникающих, например, из изменяюще- гося во времени или в пространстве электрического поля. Последнее (переменное электрическое поле), как известно, может создаваться проводником с пере- менным током (например, колебаниями электриче- ского тока в −RLC контуре). Причем, в соответствии с электродинамическими уравнениями Д.К. Максвел- ла интенсивность электромагнитной волны в той или иной среде будет тем выше, чем быстрее во времени или в пространстве изменяется, например, соответст- вующее электрическое поле. А чем выше интенсив- ность электромагнитной волны в среде (например, в воздухе), тем ее легче экспериментально обнаружить. Основываясь на этих соображениях, будущему иссле- дователю опытным путем электромагнитных волн необходимо было сосредоточиться на высокочастот- ных и сверхвысокочастотных электрических колеба- ниях в −RLC контурах, то есть в электрических кон- турах с очень малыми значениями электрической ем- кости С и индуктивности L . Таким подходом после ряда пробных экспериментов по генерированию бы- строизменяющихся во времени t электрических ко- лебаний в −RLC контуре, в конце концов, и восполь- зовался Г. Герц. Свою серию знаменитых опытов Г. Герц начал с изучения индукционной связи двух незамкнутых элек- трических цепей [1, 9]. Для этой цели им была собрана высоковольтная электрическая установка, принципи- альная схема которой нами изображена на рис. 1. Со- гласно приведенной на рис.1 схеме эта установка со- держала открытый задающий электрический −RLC контур I (первая цепь), включающий воздуш- ный шаровой искровой двухэлектродный разрядник 1, два прямолинейных проводника (провода) 2 и 3, рас- положенных в одну линию и содержащих на своих концах металлические шары 4 и 5. Электроды искрово- го разрядника 1 при помощи проводников (проводов) 6 и 7 подключались к источнику высокого переменного напряжения 8 − катушке Румкорфа [12]. Общая длина электрического контура I составляла около 3 м. Рис. 1. Принципиальная электрическая схема экспериментальной электроустановки Г. Герца Открытый электрический контур II (вторая цепь) был выполнен первоначально в виде проводни- Електротехніка і Електромеханіка. 2006. №1 9 ка (провода) 9, согнутого в форме прямоугольника (длина меньшей стороны−0,8 м, а большей−1,2 м) с воздушным искровым разрядником 10 в одной из его коротких сторон, длина промежутка которого могла регулироваться при помощи микрометрического вин- та. Электрические контуры I и II друг от друга мог- ли располагаться на расстоянии, не превышающем 3 м. Длина искрового промежутка в воздушном раз- ряднике 1 на первом этапе исследований составляла несколько миллиметров, а в воздушном разряднике 10−несколько десятых долей миллиметра [1, 12]. Во время работы в установке Г. Герца электриче- ского контура I (первой цепи), сопровождающейся возникновением в промежутке его разрядника 1 элек- трических искр, в электрическом контуре II (второй цепи), который мог быть при помощи провода как электрически связан с электрическим контуром I , так и несвязан с последним, также наблюдались электри- ческие искры. Причем, искры в контуре II при этом были столь слабыми, что их видеть можно было только в затемненной комнате привыкшими к темноте глазами или с помощью специальной увеличительной трубы [1, 12]. 13 ноября 1886 года Г. Герц в своем дневнике записывает: "...Посчастливилось установить индукци- онное действие друг на друга двух незамкнутых цепей с током. Длина цепей – 3 м, а расстояние между ними- 1,5 м" [3]. В ходе этих исследований Г. Герц пришел к мысли о том, что в электрических контурах I и II , с которыми он работал, происходят электрические коле- бания необыкновенно высокой частоты (порядка 108 колебаний в 1 с) [9, 12]. Следует заметить, что до Г. Герца электрические колебания получали с частотой не выше 106 колебаний в 1 с [1]. Кроме того, благодаря воспроизведению опытов на созданной им установке с электрическим контуром I и искровым разрядником 1, допускающим переме- щение металлических шаров 4 и 5 вдоль проводников (стержней) 2 и 3 (рис. 1) и тем самым изменение пе- риода T генерируемых этим контуром затухающих электрических колебаний (рис. 2), и прямоугольным электрическим контуром II различных размеров и, следовательно, обладающим различными периодами T собственных электрических колебаний, Г. Герц установил существование явления резонанса между указанными контурами I и II [1, 9]. 5 декабря 1886 года Г. Герц в письме своему учителю− научному мэтру Г.Л. Гельмгольцу после описания созданной им экспериментальной высоковольтной электроустанов- ки сообщает: "...Мне удалось совершенно определенно установить индукционное действие одной незамкну- той прямолинейной цепи с током на другую незамк- нутую прямолинейную цепь" [1, 3]. Установление Г. Герцем в первой серии своих опытов резонансной связи между электрическими контурами I и II , в одном из которых создавались, а в другом индуктировались электрические колебания высокой частоты, только согласовывалось с выводами теории электромагнитного поля Д.К. Максвелла, но не доказывало их справедливости. Наблюдаемый Г. Герцем эффект мог быть объяснен с помощью обычной индукционной связи электрических конту- ров по М. Фарадею [13], проникшему в сущность электромагнитных явлений, что и делал сам Г. Герц. Иначе говоря, для объяснения результатов этой на- чальной серии опытов Г. Герца не требовалось поня- тия "электромагнитной волны", а вполне достаточно было понятия "электрического колебания". Поэтому экспериментальное обоснование новой теории элек- тромагнетизма Д.К. Максвелла все еще оставалось делом недалекого будущего. Рис. 2. Временная зависимость тока Bi в электрическом контуре I экспериментальной электроустановки Г. Герца Главные части высоковольтной эксперименталь- ной установки Г. Герца (рис.1) − электрические кон- туры I и II , по существу являющиеся основными элементами современной радиосвязи, вошли в исто- рию науки соответственно под названием "вибрато- ра" и "резонатора Герца". Интересно отметить, что эти названия рассматриваемым приборам дал не сам Г. Герц, а его английские коллеги [14]. При выполнении вышеуказанных опытов Г. Герц был заинтересован в том, чтобы электрические искры в контуре II (резонаторе) были более интенсивными и, значит, легче наблюдаемыми. Именно эта заинте- ресованность и помогла ему экспериментально уста- новить увеличение длины искр в резонаторе в том случае, когда на искровой промежуток воздушного разрядника 10 контура II непосредственно падал свет от электрических искр воздушного разрядника 1 контура I (вибратора). Дополнительные исследова- ния, проведенные Г. Герцем в 1887 году, показали, что обнаруженным действием обладает свет от вибра- тора в ультрафиолетовом диапазоне. Ультрафиолето- вая часть спектра света от электрических искр вибра- тора, как известно, в силу своего коротковолнового характера обладает наиболее высокими, по сравнению с другими составными частями видимого света, энер- гетическими показателями ("квантами действия"). Поэтому именно "ультрафиолетовый свет" преиму- щественно и вызывал этот эффект. Так попутно Г. Герцем опытным путем в 1887 году было открыто новое явление, впоследствии названное внешним фо- тоэлектрическим эффектом (фотоэффектом) [15]. Вы- дающийся советский физик П.Л. Капица в связи с открытием этого явления по прошествии многих лет в XX столетии говорил: "...С учетом общего состояния науки во время Г. Герца это явление невозможно бы- ло предсказать теоретически" [16]. Самим Г. Герцем 10 Електротехніка і Електромеханіка. 2006. №1 для этого эффекта не было введено специального тер- мина. Он говорил о "...явлении влияния ультрафиоле- тового света на электрический разряд" [1,15]. Термин "фотоэлектрический эффект" в науку был введен физиком А. Риги [1]. Фотоэффект оказался одним из немногих физических явлений, на основе которого в дальнейшем возникла новая физическая теория− кван- товая физика. Лишь спустя почти 30 лет после работ Г. Герца на основе изучения явления фотоэффекта ве- ликим немецким физиком-теоретиком Альбертом Эйн- штейном были выведены знаменитые уравнения, ука- зывающие на квантовую природу этого явления [9]. После изучения и описания открытого Г. Герцем явления "фотоэлектрического эффекта" он вновь в сентябре 1887 года возвращается к исследованию вы- сокочастотных электрических колебаний в созданной им системе "вибратор− резонатор". Г. Герцу было известно, что теория Д.К. Максвелла постулирует существование электромагнитных волн определенно- го рода, то есть волн, подчиняющихся строго опреде- ленным законам и обладающих определенными свой- ствами. Только подтвердив на опыте все эти законы и установив все эти свойства, можно было говорить об экспериментальном доказательстве истинности тео- рии электромагнитного поля Д.К. Максвелла. Вот этим доказательством и занялся Г. Герц в за- ключительной серии своих знаменитых опытов. Он, сам того не желая, начинает опытным путем обосно- вывать идентичность используемых им в эксперимен- тах с вибратором и резонатором электромагнитных волн ("лучей Герца" или "волн Герца") со светом. Если эти электромагнитные волны будут вести себя как свет, заключает Г. Герц, то значит теория Д.К. Мак- свелла верна. В связи с этим Г. Герц приступает к комплексной проверке данной идеи. Он подробно экспериментальным путем изучает пространственную картину (топологию) электрического поля, создавае- мого вибратором. Полученные при этом результаты и выполненные им расчеты свидетельствуют в пользу теории Д.К. Максвелла. Затем Г. Герц изучает рас- пространение генерируемых его электроустановкой волн в различных средах. Металлический лист не пропускает новых волн, но зато изоляторы (например, деревянные двери комнаты) были для них прозрачны, как для света− стекло. Новые "лучи" распространяют- ся прямолинейно и имеют конечную скорость распро- странения. После проведения Г. Герцем ряда остро- умных измерений [1, 3] он для их скорости распро- странения в воздухе получает данные, очень близкие к скорости света с . Г. Герц в лабораторном помеще- нии изготавливает призму весом две тоны из асфальта и устанавливает, что новые "лучи" в этой призме от- клоняются от своего прямолинейного направления. Причем, отклоняются на столько, на сколько они должны были бы отклоняться согласно теории Д.К. Максвелла. Количественно Г. Герц получил для показателя преломления примененной им призмы число, равное 1,69. В пределах допустимых ошибок это соответствовало оптическому показателю пре- ломления асфальта, лежащему между числами 1,5 и 1,6 [1, 11]. Совпадение электромагнитного и све- тового показателей преломления количественно, по его мнению, подтверждало тождественность электро- магнитных и световых волн [17]. Далее с помощью изготовленной электроуста- новки (см. рис.1) он получает новые данные по отра- жению этих "лучей" от металлических (цинковых) экранов и их интерференции. С учетом полученных результатов Г. Герц изготавливает даже параболиче- ские зеркала для новых волн [1, 9]. Эти результаты позволили Г. Герцу построить пространственные кар- тины "стоячих электромагнитных волн" и экспери- ментально определить их длину λ (ее Г. Герц оцени- вал порядка 3 м). Зная период T электрических коле- баний тока в вибраторе (его Г. Герц оценивал порядка 10-8 с), можно было легко определиться и со скоро- стью v распространения электромагнитной волны в воздушной среде и уточнить ее численное значение по сравнению с первоначально им полученным. Экс- периментально убедившись, что вибратор в электро- установке создает плоскополяризованный "луч", Г. Герц опытным путем убеждается и в том, этот "луч" допускает вращение плоскости своей поляризации [1, 3]. После этой заключительной серии опытов у Г. Герца не оставалось практически никаких сомне- ний в том, что открытые им "лучи"−предсказанные Д.К. Максвеллом электромагнитные волны. Причем, согласно этим многочисленным опытам совпадение было не только качественным, но и количественным [1, 17, 18]. Указанные выше опыты Г. Герца и их результа- ты вызывают у него чувство физической наглядности картины исследуемых электромагнитных волн. В письме Г.Л. Гельмгольцу от 19 марта 1888 года он пишет: "...Я думаю, волновая природа звука в пустом пространстве демонстрируется не так ясно, как волновая природа этого электродинамического про- цесса" [1]. После всего вышеизложенного можно го- ворить о том, что Г. Герц в 1888 году своими иссле- дованиями "лучей Герца" по существу открыл и изу- чил новый и ранее никем не наблюдаемый вид излу- чения, а, именно, электромагнитное излучение. Это открытие Г. Герца можно поставить в один ряд с бу- дущими открытиями новых видов излучения: в 1895 году " −X лучей" немецким физиком Вильгельмом Рентгеном, возникающих во внутренних электронных энергетических уровнях атомов вещества, и в 1896 году "радиоактивных лучей" французским физиком Анри Антуаном Беккерелем, рождающихся внутри атомных ядер вещества [1, 9]. Он своими опытами проверил и доказал правильность теории электромаг- нитного поля Д.К. Максвелла. Именно это и характе- ризует историческое значение его опытов. По завер- шению этих исследований Г. Герц написал: "...Мы не можем лучше охарактеризовать цель и результаты наших собственных опытов, как, сказав: целью опы- тов была проверка основных гипотез Фарадея и Мак- свелла, результатом их явилось подтверждение ос- новных гипотез этой теории" [18]. Свой трудовой и научный подвиг Г. Герц совершил за удивительно короткий временной срок. С момента определения им в ноябре 1886 года индукционного действия друг на друга двух открытых незамкнутых электрических Електротехніка і Електромеханіка. 2006. №1 11 цепей [12] и до момента завершения в декабре 1888 года его "оптических" опытов [18] прошло не- многим более двух лет. За этот сравнительно малый временной период Г. Герц произвел настоящий пере- ворот в физической науке и обеспечил себе в истории человечества то высокое положение, которое он по праву занимает. Такие кульминационные периоды в жизни и творчестве любого известного ученого пред- ставляют величайшую ценность для истории науки. Ведь по таким периодам, в основном, и раскрывается психология настоящего научного творчества ученого. Описанные опыты Г. Герца вызвали настоящую бурю в научных кругах мира. Для физиков они и их результаты означали полный триумф полевых урав- нений Д.К. Максвелла и крах всех других электроди- намических теорий. Опыты Г. Герца с электромаг- нитными волнами привлекли внимание всего цивили- зованного человечества. Благодаря, прежде всего, им Г. Герц стал ученым с мировым именем. Эти опыты открыли в истории человечества новую эру. Электро- магнитные волны становятся повседневной реально- стью в ведущих физических лабораториях мира и очень скоро входят в практику беспроволочной элек- тросвязи. Уже в 1895 году наш соотечественник, про- фессор кафедры физики Петербургского электротех- нического института А.С. Попов, развивая идею о возможности практического использования открытых Г. Герцем электромагнитных волн, сделал прибор, излучающий и улавливающий электрические колеба- ния [19]. На основании описанных выше опытов Г. Герца теория электромагнитного поля Д.К. Мак- свелла получила всеобщее признание и стала одной из фундаментальных теорий физики. Нервные и физиче- ские перегрузки, особенно во время открытия элек- тромагнитных волн, не прошли для Г. Герца бесслед- но. 1 января 1894 года от общего заражения крови в возрасте всего лишь 37 лет наступила преждевремен- ная смерть выдающегося физика Г. Герца, повергшая в глубокую скорбь научные коллективы всех стран мира. Ушел из жизни человек в расцвете творческих сил, удостоенный при жизни великих почестей. ∗ ∗ ∗ Генрих Герц завершил колоссальный научный труд, начатый М. Фарадеем и продолженный Д.К. Максвеллом в области электромагнетизма. По меткому и образному выражению историков науки и техники "…если Максвелл перевел физические пред- ставления Фарадея в образы математики, то Герц превратил эти образы в осязаемые, видимые и слы- шимые колебания− в реально существующие элек- тромагнитные волны, описываемые все теми же уравнениями Максвелла" [3]. Широко известна радио- грамма, переданная и принятая в 1896 году изобрета- телем радио, выдающимся русским физиком и радио- техником А.С. Поповым и состоящая всего из двух слов: "Генрих Герц" [1]. Эта символическая радио- грамма характеризует роль и место Г. Герца в миро- вой истории радио. Благодарные потомки именем Генриха Рудольфа Герца назвали единицу частоты колебаний (сокращенно Гц), равную одному колеба- нию в одну секунду. В феврале 1957 года, когда отме- чалось 100−летие со дня рождения выдающегося не- мецкого электрофизика и электротехника Г. Герца, Президиум АН СССР направил немецким ученым приветствие, в котором говорилось: "...Советские ученые, полные веры в мирное и созидательное при- менение науки, убеждены, что дальнейшее развитие идей Г. Герца и успехи теоретической и эксперимен- тальной физики в целом будут служить делу мира и прогресса" [1]. ЛИТЕРАТУРА [1] Григорьян А.Т., Вяльцев А.Н. Генрих Герц. 1857– 1894.-М.: Наука, 1968.-309с. [2] Баранов М.И. Джеймс Клерк Максвелл и теория элек- тромагнитного поля// Електротехніка і електромехані- ка.-2005.-№1.-С.5-7. [3] Карцев В.П. Приключения великих уравнений.-М.: Знание, 1978.-224с. [4] Лебединский А.В., Франкфурт У.И., Френк А.М. Гельмгольц (1821-1894).-М.: Наука, 1966.-319с. [5] Кнопфель Г. Сверхсильные импульсные магнитные поля.-М.: Мир, 1972.-391с. [6] Hertz H. Obere Grenze für die kinetische Energie der bewegten Elektrizität// Annalen der Physik.-1881.-Bd.14.- S.581-590. [7] Hertz H. Über die Induktion in rotierenden Kugeln. Inaugural- Dissertation. Berlin, 1880.- 97s. [8] Hertz H. Über die Beziehungen zwischen den Maxwell’schen elektrodynamischen Grundgleichungen und den Grundgleichungen der gegnerischen Elektrodynamik// Annalen der Physik.-1884.-Bd.23.-S.84- 103. [9] Кудрявцев П.С. Курс истории физики.-М.: Просвеще- ние, 1974.-312с. [10] Maxwell J.C. A Treatise on Electricity and Magnetism, vol. I-II, Clarendon Press, Oxford, 1873.-1011p. [11] Кузьмичев В.Е. Законы и формулы физики/ Отв. ред. В.К. Тартаковский. Киев: Наукова думка. 1989. 864с. [12] Hertz H. Über sehr schnelle elektrische Schwingungen// Annalen der Physik.-1887.-Bd.31.-S.421-448. [13] Боев В.М. К 175-летию опубликования первой серии "Экспериментальных исследований по электричеству" Майкла Фарадея// Електротехніка і електромеханіка.- 2004.-№3.-С.5-7. [14] Trouton F. Repetition of Hertz’s Experiments and Deter- mination of the Direction of the Vibration of Light// Na- ture.-1889.-Vol. 39.-p.391-393. [15] Hertz H. Über einen Einfluss des ultravioletten Lichtes auf die elektrische Entladung// Annalen der Physik.-1887.- Bd.31.-S.983-1000. [16] Капица П.Л.. Эксперимент. Теория. Практика: Статьи и выступления.-М.: Наука, 1987.-496с. [17] Hertz H. Über Strahlen elektrischer Kraft// Annalen der Physik.-1889.-Bd.36.-S.769-783. [18] Hertz H. Über die Fortleitung elektrischer Wellen durch Drähte// Annalen der Physik.-1889.-Bd.37.-S.395-408. [19] Попов А.С. Прибор для обнаружения и регистриро- вания электрических колебаний// Журнал русского физико-химического общества. Серия физическая.- 1896.-Т.28.-С.1-14. Поступила 31.05.2005

Ähnliche Einträge