В конце XIX века, когда наука об электричестве ещё была в зачаточном состоянии, один человек совершил открытие, которое навсегда изменило наше понимание мира. Этот человек — Генрих Герц, и его эксперименты с электромагнитными волнами положили начало новой эре в физике и технологиях.
Открытие электромагнетизма
Во втором десятилетии XIX века датский физик и химик Ганс Кристиан Эрстед провел исследования электрических батарей Вольта и проводимости электрического тока. Весной 1820 года, готовясь к одной из лекций по электричеству, которую он должен был прочитать в Копенгагенском университете, Эрстед сделал удивительное открытие.
Желая продемонстрировать своим студентам нагрев проводника при подключении к источнику напряжения, он заметил, что протекающий электрический ток заставляет отклоняться стрелку расположенного неподалеку компаса. Его исследования, проведенные в последующие месяцы, показали, что движение электрических зарядов ответственно за создание магнитного поля. И не только в проводниках, по которым течет ток, но и в постоянных магнитах.
Влияние тока на магнитное поле
Дальнейшие наблюдения показали, что магнитное поле зависит от направления течения тока и его интенсивности. Благодаря этому открытию позже был создан электромагнит, который, питаясь от батареи Вольта, использовался для конструкции электрического телеграфа или телефонной трубки.
Однако важнейшим следствием открытия Эрстеда стала конструкция Майклом Фарадеем генератора электрического тока, в результате чего появилась возможность производить электричество большой мощности, далеко превосходящее батареи Вольта.
Фарадей продемонстрировал, что изменяющееся магнитное поле может индуцировать электрический ток в проводнике, что стало основой для понимания работы трансформаторов и генераторов переменного тока. Это явление получило название электромагнитной индукции и легло в основу современной электротехники.
Открытие электромагнетизма
Однако, вернувшись к наблюдениям и исследованиям Эрстеда, учёный открыл одно из величайших явлений природы: электромагнетизм. Достижение Эрстеда в сочетании с теорией Фарадея, который в 1831 году показал, что переменное магнитное поле индуцирует электрический ток, стало ядром теории, развитой другим ученым, Джеймсом Клерком Максвеллом.
Максвелл описал все электрические и магнитные явления и их взаимосвязи в виде системы математических уравнений. Уравнения Максвелла показали, что электрические и магнитные поля распространяются в вакууме со скоростью света в виде волны.
Теория Максвелла оказала огромное влияние на развитие физики, предсказав существование электромагнитных волн и открыв путь для их практического использования.
Генрих Герц и радиоволны
Однако человеком, который перенес радиоволны из области математической теории в реальный мир, был выдающийся немецкий физик Генрих Герц (22 февраля 1857 года - 1 января 1894 года).
Жизнь Генриха Герца была недолгой, но его вклад в науку оказался неоценимым. За свои 37 лет он достиг значительных высот: его главным триумфом стало экспериментальное подтверждение электромагнитной теории света, предложенной Джеймсом Максвеллом.
Герц не просто доказал существование электромагнитных волн, он открыл новую страницу в истории физики, которая проложила путь к многочисленным открытиям и изобретениям в области беспроводной связи.
Генрих Герц был исключительно талантливым учеником известного немецкого учёного Германа фон Гельмгольца.
Мастер будущего первооткрывателя радиоволн был врачом по образованию и внес значительный вклад в физиологию, особенно в области исследований, связанных с выделением тепла процессами, происходящими в живых организмах, а также в связи с исследованиями на нервные импульсы.
Однако наибольшую известность он получил как физик. Он сформулировал фундаментальный принцип сохранения энергии, а также занимался механикой, акустикой, термодинамикой, светом, электричеством и магнетизмом.
В 1879 году Гельмольц предложил Герцу изучить теорию Максвелла в рамках своей докторской диссертации. Однако Герц отказался, посчитав, что вопрос для него слишком сложен, и представил докторскую диссертацию по электромагнитной индукции, которую с отличием защитил в Берлинском университете в 1880 году.
В апреле 1886 года Герц провел исследование электромагнитной индукции. Во время одного из своих экспериментов, оценивая работу индукционных катушек, он заметил, как в лейденской бутылке неподалеку вспыхивает искра.
Между катушкой и бутылкой не было электрического соединения, поэтому энергия, необходимая для того, чтобы искра полетела, должна была генерироваться электромагнитными волнами. Это неожиданное открытие побудило Генриха Герца начать систематические исследования явления электромагнетизма.
Исследования Герца
Во второй половине 1880-х годов Герц провел множество исследований, определяя свойства производимых им волн. Результаты этих исследований он отправил Гельмгольцу, который опубликовал их в трудах Берлинской академии.
Ученый также построил направленный источник электромагнитных волн. Он окружил свой генератор параболическим металлическим зеркалом. Он также построил направленный приемник радиоволн, работающий по аналогичному принципу.
Это были важные инструменты, поскольку с таким направленным пучком радиоволн и направленным приемником он мог проводить более сложные исследования. Наложив волну, посылаемую аппаратом, и волну, отраженную от плоского листа металла, Герц создал так называемую стоячую волну и исследовал ее свойства.
Исследуя стоячие волны, Герц обнаружил, что они образуются в результате интерференции двух волн — исходящей и отраженной. Это явление позволило ему измерить длину волны и скорость распространения радиоволн. Герц также показал, что радиоволны могут проходить через различные материалы и отклоняться металлическими предметами, что подчеркивает их волновую природу.
Эти открытия подтвердили предсказания Максвелла и показали, что радиоволны и свет являются разными формами одного и того же явления — электромагнитного излучения.
Однако он не осознал потенциала своего открытия — на вопрос, для чего можно использовать открытые радиоволны, он ответил: «Думаю, это бесполезно!»
Потенциал электромагнитных явлений
Сегодня мы знаем, какой потенциал таится в электромагнитных явлениях. Волны, открытые Герцем, использовались в общении между людьми, главным образом в коммуникациях. Без открытия Герца у нас не было бы радио, телевидения, мобильной телефонии, связи Wi-Fi и Bluetooth. О величии его открытий свидетельствует тот факт, что наука приняла единицу частоты, названную в честь ученого «Герц». Это дань уважения человеку, который произвел революцию в общении между людьми.