In einer Reihe brillanter Experimente entdeckte Heinrich Hertz Radiowellen und stellte fest, dass James Clerk Maxwells Theorie des Elektromagnetismus korrekt ist.
Hertz entdeckte auch den photoelektrischen Effekt und lieferte damit einen der ersten Hinweise auf die Existenz der Quantenwelt. Die Frequenzeinheit Hertz ist ihm zu Ehren benannt.
Anfänge
Heinrich Rudolf Hertz wurde am 22.Februar 1857 in der deutschen Hafenstadt Hamburg geboren. Er war das Erstgeborene von fünf Kindern.
Seine Mutter war Anna Elisabeth Pfefferkorn, die Tochter eines Arztes.
Sein Vater war Gustav Ferdinand Hertz, ein Rechtsanwalt, der Senator wurde.
Sein Großvater väterlicherseits, ein wohlhabender jüdischer Geschäftsmann, hatte in eine lutherische Familie geheiratet und war zum Christentum konvertiert.
Heinrichs Eltern waren beide Lutheraner, und er wurde in diesem Glauben erzogen. Seine Eltern interessierten sich jedoch mehr für seine Ausbildung als für seinen religiösen Status.
Schule
Mit sechs Jahren begann Heinrich an der Dr. Wichard Lange Schule in Hamburg. Dies war eine Privatschule für Jungen, die von dem berühmten Pädagogen Friedrich Wichard Lange geleitet wurde. Die Schule operierte ohne religiösen Einfluss; Es wurden kindgerechte Unterrichtsmethoden verwendet, die die individuellen Unterschiede der Schüler berücksichtigten. Es war auch streng; Von den Schülern wurde erwartet, dass sie hart arbeiten und miteinander konkurrieren, um die Klassenbeste zu sein. Heinrich genoss seine Schulzeit und war in der Tat Klassenbester.
Ungewöhnlich war, dass die Schule von Dr. Lange nicht Griechisch und Latein unterrichtete – die Klassiker, die für den Hochschulzugang benötigt wurden. Der sehr junge Heinrich sagte seinen Eltern, er wolle Ingenieur werden. Als sie nach einer Schule für ihn suchten, entschieden sie, dass Dr. Langes alternativer Fokus, der die Wissenschaften einschloss, die beste Option war.
Heinrich Hertz, ca. 12 Jahre alt, mit Vater, Mutter und zwei jüngeren Brüdern.
Heinrichs Mutter war besonders begeistert von seiner Ausbildung. Als sie erkannte, dass er ein natürliches Talent zum Basteln und Zeichnen hatte, arrangierte sie sonntags Zeichenkurse für ihn an einer technischen Hochschule. Er begann diese im Alter von 11.
Heimschule und Bau wissenschaftlicher Apparate
Mit 15 Jahren verließ Heinrich die Dr. Lange Schule, um zu Hause unterrichtet zu werden. Er hatte beschlossen, dass er vielleicht doch noch zur Universität gehen möchte. Jetzt erhielt er Nachhilfe in Griechisch und Latein, um ihn auf die Prüfungen vorzubereiten.
Er zeichnete sich durch Sprachen aus, ein Geschenk, das er von seinem Vater geerbt zu haben scheint.
Professor Redslob, ein Sprachspezialist, der Heinrich Arabisch unterrichtete, riet seinem Vater, Heinrich solle orientalische Sprachen lernen. Nie zuvor hatte er jemanden mit einem größeren natürlichen Talent getroffen.
Heinrich begann auch zu Hause mit Hilfe eines Privatlehrers Naturwissenschaften und Mathematik zu studieren.
Er hatte einen kolossalen Appetit auf harte Arbeit. Seine Mutter sagte:
Wenn er mit seinen Büchern saß, konnte ihn nichts stören oder von ihnen wegziehen.
Obwohl er seine normale Schule verlassen hatte, besuchte er am Sonntagmorgen weiterhin die technische Hochschule.
Abends arbeitete er mit den Händen. Er lernte eine Drehmaschine zu bedienen. Er baute Modelle und begann mit dem Bau immer ausgefeilterer wissenschaftlicher Geräte wie eines Spektroskops. Er benutzte diesen Apparat, um seine eigenen physikalischen und chemischen Experimente durchzuführen.
Architektur und Armee
Im Alter von 17 Jahren kehrte Heinrich für ein Jahr in die Schule, das Johanneum, zurück, um sich vollständig auf die klassischen Prüfungen für die Universität vorzubereiten. Nachdem er die Prüfungen bestanden hatte, änderte er prompt seine Meinung und beschloss, Architektenlehrling zu werden. Er zog nach Frankfurt, wo er tagsüber in einem Architektenbüro arbeitete und abends Physikbücher auf Deutsch und altgriechische Literatur auf Altgriechisch las – natürlich!
Architektur langweilte ihn schnell.
Im Frühjahr 1876 zog er im Alter von 19 Jahren erneut nach Dresden, um Ingenieurwissenschaften zu studieren. Nach nur wenigen Monaten wurde er für ein Jahr in die Armee eingezogen. Obwohl er die Disziplin des Armeelebens genoss, fand er die Armee langweilig. Eher kläglich, er schrieb einmal nach Hause:
„… von Tag zu Tag wird mir bewußter, wie nutzlos ich in dieser Welt bleibe.“
Inzwischen wuchs sein Interesse an Mathematik und Physik weiter.
Hertz’Lebenszeit im Kontext
Hertz’Lebenszeit und die Lebenszeiten verwandter Wissenschaftler und Mathematiker.
Wissenschaftler werden
Physik in München
Nach seinem Wehrdienst zog der 20-jährige Hertz im Oktober 1877 nach München, um ein Ingenieurstudium zu beginnen. Einen Monat später, nach viel innerer Angst, brach er den Kurs ab. Er hatte beschlossen, dass er vor allem Physiker werden wollte.
Er schrieb sich an der Universität München ein und wählte Kurse in höherer Mathematik und Mechanik, Experimentalphysik und Experimentalchemie.
Nach einem erfolgreichen Jahr in München wechselte er an die Universität Berlin, weil sie bessere Physiklabors als München hatte.
Berlin, Helmholtz und Anerkennung
In Berlin begann Hertz im Alter von 21 Jahren in den Labors des großen Physikers Hermann von Helmholtz zu arbeiten.
Helmholtz muss in Hertz ein seltenes Talent erkannt und ihn sofort gebeten haben, an einem Problem zu arbeiten, an dessen Lösung er besonders interessiert war. Das Problem war Gegenstand einer heftigen Debatte zwischen Helmholtz und einem anderen Physiker namens Wilhelm Weber.
Die Philosophische Fakultät der Universität Berlin hatte mit Helmholtz’Ermutigung einen Preis für jeden ausgelobt, der das Problem lösen konnte: Bewegt sich Elektrizität mit Trägheit? Alternativ könnten wir die Frage in der Form stellen: Hat elektrischer Strom Masse? Oder, wie von Hertz umrahmt: Hat elektrischer Strom kinetische Energie?
Hertz begann mit der Arbeit an dem Problem und geriet schnell in eine angenehme Routine: teilnahme an einer Vorlesung jeden Morgen entweder in analytischer Dynamik oder Elektrizität & Magnetismus, Durchführung von Experimenten im Labor bis 4pm, dann Lesen, Berechnen und Denken am Abend.
Er entwarf persönlich Experimente, von denen er glaubte, dass sie Helmholtz ‚Frage beantworten würden. Er begann sich wirklich zu amüsieren und schrieb nach Hause:
„Ich kann Ihnen nicht sagen, wie viel mehr Befriedigung es mir gibt, für mich und für andere direkt aus der Natur Wissen zu gewinnen, als nur von anderen und mir allein zu lernen.“
Der Preis
Im August 1879 gewann Hertz im Alter von 22 Jahren den Preis – eine Goldmedaille. In einer Reihe hochempfindlicher Experimente zeigte er, dass elektrischer Strom, wenn er überhaupt eine Masse hat, unglaublich klein sein muss. Wir müssen bedenken, dass, als Hertz diese Arbeit ausführte, das Elektron – der Träger des elektrischen Stroms – noch nicht einmal entdeckt worden war. J. J. Thomsons Entdeckung wurde 1897 gemacht, 18 Jahre nach Hertz ‚Arbeit.
1.109 x 1030 Elektronen haben eine Masse von 1 kg.
Die Masse von 1.109 x 1030 Menschen würden mehr als 30 Sonnensystemen wie unserem eigenen entsprechen.
Die Masse des Elektrons ist in der Tat winzig.
Andere Physiker bemerkten, wie blendend Hertz ‚Arbeit war – der junge Student stellte Experimente an der Spitze der Physik zusammen und modifizierte Apparate nach Bedarf persönlich. Seine praktischen Fähigkeiten, die er abends zu Hause entwickelte, erwiesen sich als unbezahlbar. Seine preisgekrönte Arbeit wurde in der renommierten Zeitschrift Annalen der Physik veröffentlicht.
Helmholtz erkannte das unglaubliche Talent, das er in seinem Labor hatte, und bat Hertz nun um einen Preis der Berliner Akademie: die Überprüfung von James Clerk Maxwells Theorie des Elektromagnetismus. Maxwell hatte 1864 erklärt, dass Licht eine elektromagnetische Welle sei und dass auch andere Arten elektromagnetischer Wellen existieren könnten.
Doktor der Physik
Hertz lehnte dieses Projekt ab; Er glaubte, dass der Versuch ohne Erfolgsgarantie mehrere Jahre Arbeit in Anspruch nehmen würde. Er war ehrgeizig und wollte schnell neue Ergebnisse veröffentlichen, um seinen Ruf zu etablieren.
Anstatt für den Preis zu arbeiten, führte er ein meisterhaftes dreimonatiges Projekt zur elektromagnetischen Induktion durch. Er hat das als Diplomarbeit geschrieben. Im Februar 1880, im Alter von 23 Jahren, brachte ihm seine Dissertation den Doktortitel in Physik. Helmholtz ernannte ihn schnell zum Assistenzprofessor. Später in diesem Jahr schrieb Hertz:
„Ich werde mir immer bewusster und in mehrfacher Hinsicht als erwartet, dass ich im Mittelpunkt meines eigenen Feldes stehe; und ob es Torheit oder Weisheit ist, es ist ein sehr angenehmes Gefühl.“
Hertz blieb in Helmholtz-Labor bis 1883, während dieser Zeit veröffentlichte er 15 Papiere in Fachzeitschriften.
Mathematische Physik in Kiel
Hertz war ein begnadeter Experimentalphysiker, aber die Konkurrenz um einen Lehrauftrag in Berlin war groß.
Stattdessen wurde Hertz mit Helmholtz-Unterstützung Dozent für Mathematische Physik an der Universität Kiel. Diese eher theoretische als experimentelle Position erweiterte seine Fähigkeiten. In Kiel begann er sich mit Maxwells Gleichungen auseinanderzusetzen und schrieb in sein Tagebuch:
„Hart am Maxwellschen Elektromagnetismus am Abend. Nichts als Elektromagnetismus.“
Das Ergebnis von Hertz ‚Arbeit war ein hoch angesehenes Papier, in dem Maxwells elektromagnetische Theorie mit konkurrierenden Theorien verglichen wurde. Er kam zu dem Schluss, dass Maxwells Theorie am vielversprechendsten aussah. Tatsächlich überarbeitete er Maxwells Gleichungen in eine bequemere Form.
Er schrieb später:
„Von Anfang an war Maxwells Theorie die eleganteste von allen … die grundlegende Hypothese von Maxwells Theorie widersprach den üblichen Ansichten und wurde nicht durch Beweise aus entscheidenden Experimenten gestützt.“
Die Entdeckung der Radiowellen
Wenn Sie einen etwas detaillierteren technischen Bericht über die Entdeckung der Radiowellen durch Hertz wünschen, haben wir hier einen.
Gut ausgestattete Laboratorien und Angriff auf das größte Problem
Im März 1885 wollte Hertz unbedingt zur Experimentalphysik zurückkehren und wechselte an die Universität Karlsruhe. Mit 28 Jahren sicherte er sich eine ordentliche Professur. Ihm wurden tatsächlich zwei weitere ordentliche Professuren angeboten, ein Zeichen seines blühenden Rufs. Er wählte Karlsruhe, weil es die besten Laboreinrichtungen hatte.
Er fragte sich, in welche Richtung seine Forschung gehen sollte, und seine Gedanken wanderten zu der ersten Arbeit, zu der Helmholtz ihn sechs Jahre zuvor nicht überreden konnte: Maxwells Theorie experimentell zu beweisen.
Hertz entschied, dass dieses gewaltige Unterfangen im Mittelpunkt seiner Forschung in Karlsruhe stehen würde.
Ein Funke, der alles veränderte
Nach einigen Monaten experimenteller Versuche begannen die scheinbar unzerbrechlichen Mauern, die alle Versuche, Maxwells Theorie zu beweisen, vereitelt hatten, zu bröckeln.
Es begann mit einem Funken.
Es begann mit einer zufälligen Beobachtung Anfang Oktober 1886, als Hertz Studenten elektrische Funken zeigte. Hertz begann tief über Funken und ihre Auswirkungen auf Stromkreise nachzudenken. Er begann eine Reihe von Experimenten und erzeugte Funken auf verschiedene Arten.
Er hat etwas Erstaunliches entdeckt. Funken erzeugten eine regelmäßige elektrische Vibration innerhalb der elektrischen Drähte, zwischen denen sie sprangen. Die Vibration bewegte sich jede Sekunde häufiger hin und her als alles, was Hertz jemals zuvor in seiner elektrischen Arbeit erlebt hatte.
Er wusste, dass die Schwingung aus schnell beschleunigenden und verlangsamenden elektrischen Ladungen bestand. Wenn Maxwells Theorie richtig wäre, würden diese Ladungen elektromagnetische Wellen ausstrahlen, die genauso wie Licht durch die Luft gehen würden.
Erzeugung und Detektion von Radiowellen
Im November 1886 konstruierte Hertz die unten gezeigte Vorrichtung.
Der Oszillator. An den Enden befinden sich zwei hohle Zinkkugeln mit einem Durchmesser von 30 cm. Die Kugeln sind jeweils mit Kupferdrähten verbunden, die in die Mitte verlaufen, wo sich ein Spalt befindet, zwischen dem Funken springen können.
Er legte Hochspannungs-Wechselstrom über die zentrale Funkenstrecke an und erzeugte Funken.
Die Funken verursachten heftige elektrische Stromimpulse in den Kupferdrähten. Diese Impulse hallten in den Drähten wider und strömten mit einer Geschwindigkeit von etwa 100 Millionen pro Sekunde hin und her.
Wie Maxwell vorhergesagt hatte, erzeugten die oszillierenden elektrischen Ladungen elektromagnetische Wellen – Radiowellen –, die sich durch die Luft um die Drähte herum ausbreiteten. Einige der Wellen erreichten eine 1,5 Meter entfernte Kupferdrahtschleife und erzeugten darin elektrische Stromstöße. Diese Überspannungen führten dazu, dass Funken über eine Funkenstrecke in der Schleife sprangen.
Dies war ein experimenteller Triumph. Hertz hatte Radiowellen erzeugt und detektiert. Er hatte elektrische Energie durch die Luft von einem Gerät zu einem anderen geleitet, das sich über einen Meter entfernt befand. Es wurden keine Verbindungsdrähte benötigt.
Weiterführend
In den nächsten drei Jahren bestätigte Hertz in einer Reihe brillanter Experimente Maxwells Theorie vollständig. Er bewies zweifelsfrei, dass sein Gerät elektromagnetische Wellen erzeugte, was zeigte, dass die von seinen elektrischen Oszillatoren abgestrahlte Energie reflektiert, gebrochen, Interferenzmuster erzeugt und stehende Wellen wie Licht erzeugt werden konnte.
Hertz ‚Experiment hat bewiesen, dass Radiowellen und Lichtwellen Teil derselben Familie sind, die wir heute das elektromagnetische Spektrum nennen.
Das elektromagnetische Spektrum. Hertz entdeckte den Radioteil des Spektrums.
Seltsamerweise schätzte Hertz jedoch die monumentale praktische Bedeutung der von ihm erzeugten elektromagnetischen Wellen nicht.
„Ich glaube nicht, dass die drahtlosen Wellen, die ich entdeckt habe, eine praktische Anwendung haben werden.“
Dies lag daran, dass Hertz einer der reinsten reinen Wissenschaftler war. Er war nur daran interessiert, Experimente zu entwerfen, um die Natur dazu zu verleiten, ihm ihre Geheimnisse zu offenbaren. Sobald er dies erreicht hatte, würde er weitermachen und alle praktischen Anwendungen für andere ausnutzen.
Die Wellen, die Hertz erstmals im November 1886 erzeugte, veränderten schnell die Welt.
Bis 1896 hatte Guglielmo Marconi ein Patent für drahtlose Kommunikation angemeldet. Bis 1901 hatte er ein drahtloses Signal über den Atlantik von Großbritannien nach Kanada übertragen.
Die Entdeckung von Hertz war der Grundstein für einen Großteil unserer modernen Kommunikationstechnologie. Radio, Fernsehen, Satellitenkommunikation und Mobiltelefone sind alle darauf angewiesen. Sogar Mikrowellenherde verwenden elektromagnetische Wellen: Die Wellen dringen in das Essen ein und erhitzen es schnell von innen.
Unsere Fähigkeit, Radiowellen zu detektieren, hat auch die Wissenschaft der Astronomie verändert. Die Radioastronomie hat es uns ermöglicht, Merkmale zu sehen, die wir im sichtbaren Teil des Spektrums nicht sehen können. Und weil Blitze Radiowellen aussenden, können wir sogar Gewitter auf Jupiter und Saturn hören.
Heinrich Hertz haben Wissenschaftler und Nichtwissenschaftler viel zu verdanken.
Der photoelektrische Effekt
Im Jahr 1887 berichtete Hertz im Rahmen seiner Arbeiten zum Elektromagnetismus über ein Phänomen, das enorme Auswirkungen auf die Zukunft der Physik und unser grundlegendes Verständnis des Universums hatte. Es wurde als photoelektrischer Effekt bekannt.
Er strahlte ultraviolettes Licht auf elektrisch geladenes Metall und beobachtete, dass das UV-Licht dazu führte, dass das Metall seine Ladung schneller verlor als sonst.
Er schrieb das Werk auf, veröffentlichte es in den Annalen der Physik und überließ es anderen. Es wäre ein faszinierendes Phänomen für Hertz selbst gewesen, es zu untersuchen, aber er war zu dieser Zeit zu sehr in sein Maxwell-Projekt verwickelt.
Experimentatoren beeilten sich, das neue Phänomen zu untersuchen, das Hertz angekündigt hatte.
1899 wurde J. J. Thomson, der Entdecker des Elektrons, stellte fest, dass ultraviolettes Licht tatsächlich Elektronen aus Metall ausstieß.
Dies veranlasste Albert Einstein, die Theorie des Lichts zu überdenken. Im Jahr 1905 schlug er richtig vor, dass Licht in verschiedenen Energiepaketen namens Photonen kam. Photonen des ultravioletten Lichts haben die richtige Energiemenge, um mit Elektronen in Metallen zu interagieren, wodurch die Elektronen genügend Energie erhalten, um aus dem Metall zu entweichen.
Einsteins Erklärung des photoelektrischen Effekts war einer der Haupttreiber bei der Konstruktion einer völlig neuen Art, Ereignisse auf atomarer Ebene zu beschreiben – der Quantenphysik. Einstein erhielt 1921 den Nobelpreis für Physik für die Erklärung des Effekts, den Hertz 34 Jahre zuvor entdeckt hatte.
Der photoelektrische Effekt. Photonen des UV-Lichts tragen die richtige Energiemenge, um Elektronen aus einem Metall auszustoßen.
Einige Personalien und das Ende
1886 heiratete Hertz im Alter von 29 Jahren Elisabeth Doll in Karlsruhe. Sie war die Tochter eines Mathematikers. Sie hatten zwei Töchter, Johanna und Mathilde. Mathilde wurde eine einflussreiche Biologin und machte zum Nachdenken anregende Entdeckungen auf dem Gebiet der Problemlösung von Tieren.
Im Alter von 35 Jahren wurde Hertz sehr krank und litt an schwerer Migräne. Die Ärzte dachten, er hätte eine Infektion. Sie führten eine Reihe von Operationen durch, aber Hertz verschlechterte sich weiter.
Heinrich Rudolf Hertz starb am 1. Januar 1894 im Alter von 36 Jahren in Bonn an einer Blutgefäßentzündung infolge von Problemen des Immunsystems – insbesondere Granulomatose mit Polyangiitis. Er wurde in seiner Heimatstadt Hamburg auf dem Friedhof Ohlsdorf beigesetzt.
1930 wurde die Frequenzeinheit von der Internationalen Elektrotechnischen Kommission Hertz genannt. 1960 wurde die Einheit von der Generalkonferenz für Maße und Gewichte offiziell gemacht.
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"Heinrich Hertz." Famous Scientists. famousscientists.org. 23 Nov. 2015. Web. <www.famousscientists.org/heinrich-hertz/>.
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Weiterführende Literatur
Heinrich Hertz
Elektrische Wellen
Macmillan und Co., 1893
Sir Oliver Lodge
Die Arbeit von Hertz und einigen seiner Nachfolger
D. van Nostrand Company, 1894
Rollo Appleyard
Pioniere der elektrischen Kommunikation: Heinrich Rudolf Hertz
Elektrische Kommunikation, Nr. 2, 2, p63-77, Oktober 1927
G. R. M. Garratt
Die frühe Geschichte des Radios: Von Faraday bis Marconi
IET, 1994
Jed Z. Buchwald
Die Schaffung wissenschaftlicher Effekte: Heinrich Hertz und elektrische Wellen
University of Chicago Press, 1994
Michael Heidelberger, Gregor Schiemann
Die Bedeutung des Hypothetischen in den Naturwissenschaften
Walter de Gruyter, 2009
D. Baird, R.I. Hughes, Alfred Nordmann (Herausgeber)
Heinrich Hertz: Klassischer Physiker, Moderner Philosoph
Springer Science & Wirtschaftsmedien, 2013