赫兹

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基本资料

海因里希·鲁道夫·赫兹(Heinrich Rudolf Hertz,1857年(丁巳年)2月22日-1894年(甲午年)1月1日),德国物理学家,于1888年首先证实了电磁波的存在。并对电磁学有很大的贡献,故频率的国际单位制单位赫兹以他的名字命名。 国籍:德国 出生地:德国汉堡 生日期:1857年2月22日 逝世日期:1894年1月1日 毕业院校:柏林大学 中文名:海因里希·鲁道夫·赫兹

人物简介

  海因里希·魯道夫·赫茲(Heinrich Rudolf Hertz)于1857年出生在德国汉堡的一个改信基督教的犹太家庭。海因里希·魯道夫·赫茲自幼就表现出良好的科学和语言天赋,曾在多个地方学习科学和工程学。  1886至1888年间,海因里希·魯道夫·赫茲首先通过试验验证了麦克斯韦的理论,同时证明了无线电辐射具有波的特性,并发现电磁场方程可以用偏微分方程,即波动方程。随后,海因里希·魯道夫·赫茲还通过实验证实电磁波是横波,具有与光类似的特性。在全面验证了麦克斯韦电磁理论的正确性的同时,他进一步完善了麦克斯韦方程组。  除此之外,海因里希·魯道夫·赫茲还通过实验,证明电信号如同麦克斯韦预言的那样可以穿越空气,这一理论是发明无线电的基础。他还注意到带电物体当被紫外光照射时会很快失去它的电荷,发现了光电效应 (后来由阿尔伯特·爱因斯坦给予解释)。  海因里希·魯道夫·赫茲被誉为“电磁波之父”,为此后电磁学的发展做出了很大的贡献,但是这位伟大物理学家的生命是短暂的。海因里希·魯道夫·赫茲于1894年死于血液中毒,年仅36岁。

人物生平

天才出世

  1857年2月22日赫兹出生在德国汉堡一个改信基督教的犹太家庭。父亲是汉堡城的一名顾问,母亲是一位医生的女儿。

求学之路

  在他去柏林大学就读之前就已经展现出良好的科学和语言天赋,喜欢学习阿拉伯语和梵文。他曾经在德国德累斯顿、慕尼黑和柏林等地学习科学和工程学。他是古斯塔夫·基尔霍夫和赫尔曼·范·亥姆霍兹的学生。1880年赫兹获得博士学位,但继续跟随亥姆霍兹学习,直到1883年他收到来自基尔大学出任理论物理学讲师的邀请。

发现电磁波

  1885年他获得卡尔斯鲁厄大学正教授资格,并在那里发现电磁波。1885年,吉尔大学准备晋升赫兹为副教授,但他不愿获得一个纯理论物理学家的职位。正在此时,卡尔斯鲁厄工业大学准备给予赫兹物理学教授职位。考虑到该大学有较好的物理研究所,于是他便来到了卡尔斯鲁厄大学。起初赫兹在卡尔斯鲁厄感到有些孤独,并对自己未来的研究没有把握。但在随后的时间里,赫兹完成了两件大事。1886年7月,在经过三个月的求婚之后,赫兹与一位同事的女儿伊利莎白·多尔(Elisabeth Doll)完婚。随后,赫兹着手并最终完成了那个给他带来世界性声誉的电磁波实验。  赫兹在柏林大学随赫尔姆霍兹学物理时,受赫尔姆霍兹之鼓励研究麦克斯韦电磁理论,当时德国物理界深信韦伯的电力与磁力可瞬时传送的理论。因此赫兹就决定以实验来证实韦伯与麦克斯韦理论谁的正确。依照麦克斯韦理论,电扰动能辐射电磁波。赫兹根据电容器经由电火花隙会产生振荡原理,设计了一套电磁波发生器,赫兹将一感应线圈的两端接于产生器二铜棒上。当感应线圈的电流突然中断时,其感应高电压使电火花隙之间产生火花。瞬间后,电荷便经由电火花隙在锌板间振荡,频率高达数百万周。由麦克斯韦理论,此火花应产生电磁波,于是赫兹设计了一简单的检波器来探测此电磁波。他将一小段导线弯成圆形,线的两端点间留有小电火花隙。因电磁波应在此小线圈上产生感应电压,而使电火花隙产生火花。所以他坐在一暗室内,检波器距振荡器10米远,结果他发现检波器的电火花隙间确有小火花产生。赫兹在暗室远端的墙壁上覆有可反射电波的锌板,入射波与反射波重叠应产生驻波,他也以检波器在距振荡器不同距离处侦测加以证实。赫兹先求出振荡器的频率,又以检波器量得驻波的波长,二者乘积即电磁波的传播速度。正如麦克斯韦预测的一样。电磁波传播的速度等于光速。1888年,赫兹的实验成功了,而麦克斯韦理论也因此获得了无上的光彩。赫兹在实验时曾指出,电磁波可以被反射、折射和如同可见光、热波一样的被偏振。由他的振荡器所发出的电磁波是平面偏振波,其电场平行于振荡器的导线,而磁场垂直于电场,且两者均垂直传播方向。1889年在一次著名的演说中,赫兹明确的指出,光是一种电磁现象。第一次以电磁波传递讯息是1896年意大利的马可尼开始的。1901年,马可尼又成功的将讯号送到大西洋彼岸的美国。20世纪无线电通讯更有了异常惊人的发展。赫兹实验不仅证实麦克斯韦的电磁理论,更为无线电、电视和雷达的发展找到了途径。随着迈克尔逊在1881年进行的实验和1887年的迈克尔逊-莫雷实验推翻了光以太的存在,赫兹改写了麦克斯韦方程组,将新的发现纳入其中。通过实验,他证明电信号象詹姆士·麦克斯韦和迈克尔·法拉第预言的那样可以穿越空气,这一理论是发明无线电的基础。他注意到带电物体当被紫外光照射时会很快失去它的电荷,发现了光电效应 (后来由阿尔伯特·爱因斯坦给予解释)。

婚姻家庭

  一八八五年三月,赫兹转到德国西南部边境的卡尔斯鲁尔(Karlsruhe)技术学院,担任物理系教授。又开始装配他的电学实验室,并且在上课时示范电学实验。他说:“我不相信一个人只能由理论,就可以知道实际。”  小学校的实验经费少得可怜,他却一点一滴造出一间精密的电磁实验室。系上教三角学的多尔(Max Doll)教授很欣赏他,知道这个年轻人身上有一种不与人比较的风骨;他请赫兹来家里坐坐,把女儿伊利沙白(Elisabeth Doll)介绍给他。  伊丽莎白后来写下:『赫兹在星光下有一种近乎骄傲的自信。他自认是全世界唯一了解星光是什么的人,在他看来满天的星光是不同的光体,规律地发出不同频率的电磁波来到地上…… 在他的说明中,星夜不只是美丽的,而且是规则准确的。』赫兹的自信没有错,十九世纪全世界最懂电磁波实验的有两人,一位是法拉第(Michael Faraday),另一位就是赫兹。  伊利沙白不懂电磁波,但是她知道这位寻求科学之真的男士,心里也是一片真诚与率直。他们认识不到四个月就结婚,当时赫兹二十九岁。  赫兹找到爱情的归宿,并展开他一生最着名的研究。因为这一实验研究的成功,后来纽约物理系教授薛默士(Morris H.Shamos)回顾历史上物理学家,由伽利略到爱因斯坦,他认为最伟大的物理实验家就是赫兹。赫兹以实验证明人类千古的谜团--光的本质是电磁波。

英年早逝

  在1892年,赫兹被诊断出感染了韦格纳肉芽肿(发病时会经历剧烈的头痛),而他试着去治疗这种疾病。 在1894年,赫兹在德国波恩不幸离世,享年36岁,他死后被埋在Ohlsdorf汉堡的犹太墓地。 赫兹死后留下了他的妻子伊丽莎白?赫兹(原名:伊丽莎白?道欧)和两名女儿乔安娜和玛蒂尔德。 而他的妻子在他死后并没有改嫁。 1930那年代,希特勒崛起,他的妻子和两名女儿也从德国搬到英国。 1960年,查尔斯萨?斯坎德拜访了玛蒂尔德?赫兹,询问有关她父亲的事,并在不久之后出版了一本有关海因里希?赫兹的书。根据查尔斯萨的书指出,赫兹的两名女儿都没有结婚,因此他没有任何后裔。

人物贡献

    赫兹对人类文明作出了很大贡献,正当人们对他寄以更大期望时,他却于1894年元旦因血中毒逝世,年仅36岁。为了纪念他的功绩,人们用他的名字来命名各种波动频率的单位,简称“赫”。赫兹也是是国际单位制中频率的单位,它是每秒中的周期性变动重复次数的计量。赫兹的名字来自于德国物理学家海因里希·鲁道夫·赫兹。其符号是Hz。电(电压或电流),有直流和交流之分。在通信应用中,用作信号传输的一般郝是交流电。呈正弦变化的交流电信号,随着时间的变化,其幅度时正、时负,以一定的能量和速度向前传播。通常,我们把上述正弦波幅度在1秒钟内的重复变化次数称为信号的“频率”,用f表示;而把信号波形变化一次所需的时间称作“周期”,用T表示,以秒为单位。波行进一个周期所经过的距离称为“波长”,用λ表示,以米为单位。f、T和λ存在如下关系: f=1/T ,v=λ.f ,其中,v是电磁波的传播速度,等于3xlO^8米/秒。频率的单位是赫兹,简称赫,以符号Hz表示。赫兹(H·Hertz)是德国著名的物理学家,1887年,是他通过实验证实了电磁波的存在。后人为了纪念他,把“赫兹”定为频率的单位。常用的频率单位还有千赫(KHz)、兆赫(MHz)、吉赫(GHz)等。在载带信息的电信号中,有时会包含多种频率成分;将所有这些成分在频率轴上的位置标示出来,并表示出每种成分在功率或电压上的大小,这就是信号的“频谱”。它所占据的频率范围就叫做信号的频带范围。例如,在电话通信中,话音信号的频率范围是300~3400赫;在调频(FM)广播中,声音的频率范围是40赫~15千赫,电视广播信号的频率范围是0~4.2兆赫等。

光电效应

  光照射到某些物质上,引起物质的电性质发生变化。这类光致电变的现象被人们统称为光电效应。金属表面在光辐照作用下发射电子的效应,发射出来的电子叫做光电子。光波长小于某一临界值时方能发射电子,即极限波长,对应的光的频率叫做极限频率。临界值取决于金属材料,而发射电子的能量取决于光的波长而与光强度无关,这一点无法用光的波动性解释。还有一点与光的波动性相矛盾,即光电效应的瞬时性,按波动性理论,如果入射光较弱,照射的时间要长一些,金属中的电子才能积累住足够的能量,飞出金属表面。可事实是,只要光的频率高于金属的极限频率,光的亮度无论强弱,光子的产生都几乎是瞬时的,不超过十的负九次方秒。正确的解释是光必定是由与波长有关的严格规定的能量单位(即光子或光量子)所组成。这种解释为爱因斯坦所提出。光电效应由德国物理学家赫兹于1887年发现,对发展量子理论起了根本性作用,在光的照射下,使物体中的电子脱出的现象叫做光电效应(Photoelectric effect)。光电效应分为光电子发射、光电导效应和光生伏打效应。前一种现象发生在物体表面,又称外光电效应。后两种现象发生在物体内部,称为内光电效应。光电效应里,电子的射出方向不是完全定向的,只是大部分都垂直于金属表面射出,与光照方向无关,光是电磁波,但是光是高频震荡的正交电磁场,振幅很小,不会对电子射出方向产生影响。hυ=(1/2)mv^2+I+W 式中(1/2)mv^2是脱出物体的光电子的初动能。金属内部有大量的自由电子,这是金属的特征,因而对于金属来说,I项可以略去,爱因斯坦方程成为 hυ=(1/2)mv^2+W 假如hυW,电子就不能脱出金属的表面。对于一定的金属,产生光电效 应的最小光频率(极限频率) υ0。由 hυ0=W确定。相应的极限波长为 λ0=C/υ0=hc/W。发光强度增加使照射到物体上的光子的数量增加,因而发射的光电子数和照射光的强度成正比。③利用光电效应可制造光电倍增管。光电倍增管能将一次次闪光转换成一个个放大了的电脉冲,然后送到电子线路去,记录下来。算式在以爱因斯坦方式量化分析光电效应时使用以下算式:光子能量= 移出一个电子所需的能量 + 被发射的电子的动能 代数形式:hf=φ+Em φ=hf0 Em=(1/2)mv^2 其中 h是普朗克常数,h = 6.63 ×10^-34 J·s,f是入射光子的频率,φ是功函数,从原子键结中移出一个电子所需的最小能量,f0是光电效应发生的阀值频率,Em是被射出的电子的最大动能,m是被发射电子的静止质量,v是被发射电子的速度,如果光子的能量(hf)不大于功函数(φ),就不会有电子射出。功函数有时又以W标记。这个算式与观察不符时(即没有射出电子或电子动能小于预期),可能是因为系统没有完全的效率,某些能量变成热能或辐射而失去了。爱因斯坦因成功解释了光电效应而获得1921年诺贝尔物理学奖。

接触力学

  接触力学是研究相互接触的物体之间如何变形的一门学科。赫兹1882年发表了关于接触力学的著名文章“关于弹性固体的接触(On the contact of elastic solids)”,赫兹进行这方面研究的初衷是为了理解外力如何导致材料光学性质的改变。为了发展他的理论,赫兹用一个玻璃球放置在一个棱镜上,他首先观察到这个系统形成了椭圆形的牛顿环,以此实验观察,赫兹假设玻璃球对棱镜施加的压力也为椭圆分布。随后他根据压力分布计算了玻璃球导致的棱镜的位移并反算出牛顿环,以此再和实验观察对比以检验理论的正确性。最后赫兹的到了接触应力和法向加载力,接触体的曲率半径,以及弹性模量之间的关系。赫兹的方程是研究疲劳,摩擦以及任何有接触体之间相互作用的基本方程。  赫兹接触理论的主要缺点是没有考虑两个接触体之间的结合力。这一问题在1971年 K. L. Johnson K. Kendall 和 A. D. Roberts解决,他们提出了最后以三人名字命名的JKR接触理论。JKR理论中他们考虑了材料的表面能效应,由于表面能的存在,相互接触的固体之间将引进一个结合力,最后根据能量平衡的原理,他们得到一个方程描述接触应力分布,接触体曲率半径,弹性模量以及材料表面能之间的关系。在JKR模型中,当表面能为零时,方程自然过渡到赫兹方程。推导JKR模型的前提之一是,认为两个接触体的所有相互作用均发生在接触半径之内,后来证明如果采用不同的假设会得到不同的结论。1975年,B.V.Derjaguin, V. M. Muller and Y. P. Toporov等人假设接触体之间相互作用可以发生在接触半径之外,据此假设提出了所谓的DMT模型试图考虑结合力的影响。根据JKR和DMT模型,会的到不同的(pull-off)分离力(分开两个接触体所需要的最大作用力),这一不同的结果曾引起很多争论,最后Muller等人指出JKR和DMT模型各有各的应用范围:JKR模型对大颗粒,高表面能,低弹性模量的材料描述较好。而DMT模型则相反。  由赫兹开创性工作开始,随后由其他人完善的接触力学理论是涉及到接触体的各种科学及工程研究中不可缺少的工具之一。因此赫兹在接触力学领域所作出的贡献不应该被他在电磁学领域杰出的成就而忽视。

遗产荣耀

  他的侄子古斯塔夫·路德维希·赫兹曾获得诺贝尔物理学奖,而古斯塔夫的儿子卡尔·海尔莫斯·赫兹(Carl Hellmuth Hertz)则创立了超声影像医学(例如常见的B超)。国际单位制使用海因里希的名字制定“单位赫兹”是因为他的荣誉,这项荣誉是他于1930年在国际电工委员会做的测量“频率”,某活动每秒发生的次数。这项荣誉于1964年通过CGPM(国际度量衡)的认定。  在月球东边的坑洞,用赫兹的名字来命名。俄罗斯的诺夫哥罗德的无线电产品,也用他的名字命名。在德国汉堡的无线电发射塔被命名为海因里希赫兹塔(Heinrich-Hertz-Turm)。“海因里希–赫兹”无线电电信通讯,也是以这城市最著名的人物来命名。  除了这些荣誉之外,赫兹还得到了一项殊荣,他曾得到日本授与的“瑞宝章”(日本于1888年开始制定的勋章,在公共事务有功劳者,长年从事公务者,功绩受到推举者为授与对象),瑞宝章也有分很多的赠与项目,其中一项就是科学家。  另外世界不少国家都曾以他的肖像制作邮票。第二次世界大战后,他的祖国——德国,也推出了他的肖像邮票。  2012年2月22日,Google推出动态Doodle纪念赫兹155周年诞辰。

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