Экспериментальное обнаружение электромагнитных волн Генрихом Герцем

Экспериментальное обнаружение электромагнитных волн Генрихом Герцем

[pic]

Школа № 7

Доклад

на тему : Экспериментальное обнаружение электромагнитных волн Генрихом

Герцем.

Выполнил :

ученик 11 "А" класса

Костин Д. М.

Проверила : Гуренкова Т. В.

Рузаевка (Мордовия) 2002

[pic]

Герц Генрих (1857—1894)—немецкий физик, впервые экспериментально доказавший

в 1886 г. существование электромагнитных волн. Исследуя электромагнитные

волны, Герц установил тождественность основных свойств электромагнитных и

световых волн. Работы Герца послужили экспериментальным доказательством

справедливости теории электромагнитного поля и, в частности,

электромагнитной теории света. Уравнения Максвелла в современной форме были

записаны Герцем. В 1886 г. Герц впервые наблюдал фотоэффект. Максвелл не

проверил правильности своих теорий электромагнетизма и света опытным путем.

Его учением восторгались как великолепным произведением математического

искусства, часто восхищались им также лишь как блистательной игрой формул и

остроумным курьезом. Большинство физиков сомневались в том, что эта теория

отражает истинное положение вещей. О ее всеобщем признании при жизни

Максвелла не могло быть и речи, особенно в Англии. В Германии, по словам

Планка, теория Максвелла «вряд ли принималась во внимание». Ее основные

положения слишком противоречили привычным воззрениям и не были подкреплены

опытными результатами. Подобно системе мира Коперника до астрономических

наблюдений Галилея и геометрическо-кинематических уточнений, сделанных в

ней Келлером, благодаря двум его первым законам, теория Максвелла также

вначале воспринималась лишь как новая и смелая гипотеза, которая казалась

вполне вероятной и в пользу которой говорило многое. Но обладали ли в

действительности электрические волны свойствами, которые предсказывал

Максвелл, – этого никто не мог сказать с достоверностью. Заслуга

доказательства действительного существования электрических волн,

предсказанных Максвеллом математическим путем, принадлежит Генриху Герцу.

Его классические опыты, проведенные в Карлсруэ в 1886...1888 годах,

доказали, что максвелловская теория электромагнетизма является отображением

действительности. Этим он способствовал ее победе. Немаловажно при этом,

что эксперименты Герца производились простыми средствами – их можно было

повторить и проверить в любом физическом институте. Скептики могли

убедиться собственноручно. Но Герц достиг большего, чем простое

доказательство правильности учения Максвелла. Он освободил эту теорию,

которая в первоначальном виде была еще неясной и трудной для понимания, от

всего второстепенного, что поначалу служило для облегчения представлений и

расчетов, и придал ей законченный математический облик. Борн справедливо

говорил о «новом обосновании» Герцем максвелловской теории

электромагнитного поля. Кроме успешного подтверждения и теоретического

завершения максвелловской теории, Герц создал ценные труды и в других

областях физики. Выводы из них имели большое значение для будущего этой

науки. В речи, посвященной памяти Герца, Планк назвал гениального, слишком

рано умершего исследователя «одним из вождей нашей науки, гордостью и

надеждой нации»; его жизненный путь соответствовал «простоте и прямоте его

поведения». Генрих Герц происходил из среды состоятельного немецкого

бюргерства. Он был старшим сыном гамбургского адвоката, который позднее

стал сенатором и руководил управлением юстиции ганзейского города. Он

родился в Гамбурге 22 февраля 1857 года. Таким образом, Герц был почти

ровесником Планка; однако он умер на полстолетия раньше Планка, и нам

сегодня кажется, что он принадлежал к старшему поколению физиков. Вначале

Генрих Герц посещал частную школу. Наряду с умственными способностями очень

рано стали очевидны его сноровка и склонность к практическим занятиям

техникой. В свободное время он по собственному желанию брал уроки у

столяра, изучил на профессиональном уровне также токарное дело. Будучи уже

начинающим ученым и живя в Берлине, он неоднократно справлялся в письмах о

своем токарном станке, полученном от родителей. Мальчик оказался необычайно

смышленым в добровольном изучении ремесел. Его мать вспоминала, что мастер,

у которого Генрих изучал токарное дело, в ответ на ее сообщение о том, что

его бывший ученик теперь стал профессором, воскликнул, совершенно

расстроенный: «Ах, как жаль, какой бы это был токарь!» В городской школе

Герц считался одним из лучших в классе. Его блестящая одаренность

соединялась с ярко выраженным чувством долга. Все учебные предметы

привлекали его одинаково сильно. Математикой и естественными науками

занимался он так же охотно и успешно, как древними и новыми языками. Эпос

Гомера, диалоги Платона, стихи Данте на языке подлинника сопровождали его

всю жизнь. Наряду с итальянским, французским и английским Герц занимался и

такими языками, которые не относились к числу обязательных предметов. Его

успехи в арабском были столь удивительны, что учитель настоятельно

рекомендовал отцу, чтобы тот непременно направил Генриха изучать

ориенталистику: ученик с такими выдающимися способностями к арабским языкам

ему еще не встречался. У него был также талант рисовальщика, и он развивал

его в специальной школе. Лишь к одному предмету он был совершенно

неспособен: к музыке. Все старания учителей развить у него слух остались

безрезультатными. Он не мог участвовать даже в школьном хоре, так как

сбивал всех своим гудением. В этом Герц отличается от других знаменитых

представителей точного естествознания, среди которых немало одаренных и

страстных музыкантов. Для примера можно сослаться на Гельмгольца,

Больцмана, Нернста, Оствальда, Планка, Эйнштейна, Борна, Фридриха и

Гейзенберга. Как и многие физики и химики, Генрих Герц еще школьником

ставил простые естественнонаучные опыты. Особенно охотно он

экспериментировал в области механики и оптики. Столь характерная для его

более поздней деятельности связь умственной и физической работы проявилась

очень рано. В 18 лет, в 1875 году, Герц сдал экзамены на аттестат зрелости

в школе Иоганнеумса, в которой он заканчивал обучение. По математике он

получил оценку «очень хорошо», по естествознанию – «хорошо». Благоприятные

оценки по другим предметам, поставленные преподавателями, самодур-директор,

незадолго перед этим принявший руководство учебным заведением,

собственноручно понизил на один балл, о чем свидетельствуют сохранившиеся

экзаменационные протоколы. «Ганс пришел домой такой подавленный и

несчастный, что мы должны были утешать его, вместо того чтобы радоваться

его успеху», – писала его мать. Общая характеристика отмечала у абитуриента

острую логику, надежную память и «легкость (если не сказать красоту)

изложения»; к недостаткам отнесена монотонность его речи. Эта оценка

осталась справедливой и в дальнейшем. По желанию отца и следуя собственной

склонности Генрих Герц хотел стать инженером-строителем или архитектором.

Как считал Гельмгольц, скромность, бывшая всегда характерной чертой натуры

Герца, заставила его поначалу усомниться в собственной способности к

теоретическому естествознанию; занимаясь своими любимыми работами по

механике, он был более уверен, что добьется успеха. Для подготовки к

избранной профессии Герц занимался один год практической работой в

конструкторском бюро во Франкфурте-на-Майне. Весной 1876 года он

отправляется в Дрезден, чтобы начать занятия инженерной наукой в Высшей

технической школе. Он пробыл там лишь один семестр. Как видно из его писем,

Герц не получил особенной пользы от большинства «довольно-таки скучных»

лекций. Осенью 1876 года он, как студент инженерного ведомства, был призван

для несения годичной военной службы при железнодорожном корпусе в Берлине.

Вначале его очень угнетала жизнь в прусской казарме. Муштра отталкивала

его. Однако благодаря своей способности осваиваться, он вскоре нашел в этом

свои хорошие стороны. «И все же служба дает нечто прочно-положительное, –

говорится в одном из писем родителям в ноябре 1876 года, – леность

изгоняется из человека основательно; теперь очевидно, что не бывает худа

без добра». После окончания службы Герц отправляется в Мюнхен, чтобы

продолжить занятия инженерной наукой в Высшей технической школе. При этом

он слушал в университете лекции по математике и физике у Филиппа фон Жолли,

прославленного физика того времени, который был также учителем Планка. В

нем росло и крепло убеждение, что только научная работа и академическое

поприще могут дать ему истинное удовлетворение. С согласия отца Герц меняет

свои планы. Он прекращает обучение в Высшей технической школе и полностью

посвящает себя занятиям физикой и математикой в университете. Характерно,

что он при его осторожной манере судить и его уважении ко всякой

основательной деятельности не считал свои прежние планы заблуждением; он

лишь хотел заменить их лучшими. «Я весьма охотно стал бы инженером, – писал

он родителям, – но столь же охотно переплетчиком или токарем, словом, всем,

что относится к разряду приличного. Но все же есть разница между «охотно» и

«охотно»». Жолли отослал любознательного студента к фундаментальным трудам

по математике. Он прежде всего назвал ему произведения Лагранжа, Лапласа и

других классиков точных наук и посоветовал основательно изучать их. Он

рекомендовал ему уделить внимание истории естествознания, так как это

способствует пониманию актуальных проблем исследования природы. Как

показывают его письма к родителям, Генрих последовал совету учителя с

привычной для него добросовестностью. За короткое время он прорабатывает

объемистые труды по истории науки. Особенно настойчиво занимался он

математикой и историей ее проблем. Для его позднейшей теоретической

деятельности это было ценной подготовкой. Герц углубляется также в старые

научные журналы, например знаменитый лейпцигский «Acta Eruditorum», первый

научный журнал Германии, основанный в 1682 году и просуществовавший

столетие. К числу сотрудников этого журнала принадлежал Лейбниц. Под

влиянием этой литературы Герц высказал мысль: «Мне действительно становится

иногда жаль, что я не жил в то время, когда было так много нового.

Собственно, и сейчас достаточно неизвестного, но я не думаю, что сейчас

можно легко найти что-либо такое, что могло бы преобразовать всю систему

воззрений, как в то время, когда телескоп и микроскоп были еще новинками».

Это мнение Герца, как заметил Лауэ по поводу этой выдержки из письма, было

основательным образом опровергнуто им самим. Для того чтобы слушать лекции

всемирно известных специалистов по математике и экспериментальной физике,

Гельмгольца и Кирхгофа, и закончить образование под их руководством, Герц в

октябре 1878 года становится студентом Берлинского университета, то есть

именно в тот момент, когда юный Планк вновь покидает Берлин и возвращается

в Мюнхен. В одном из писем родителям Герц образно описывает кипучую жизнь,

с которой он столкнулся в столичном университете империи: «Профессора

читают лекции в слишком маленьких аудиториях (предполагаю, что больших

нет), так что весьма часто все бывает занято, все до последнего места и

многие еще стоят; в десять через вестибюль университета приходится

проталкиваться как у железнодорожной кассы на троицу». Гельмгольц, «первый

естествоиспытатель Германии», как позднее называл его Герц, к тому времени

уже семь лет трудился в Берлине, успешно открывая не только новые законы

природы, но и таланты в естествознании. Верным глазом ученого он распознал

блестящие способности молодого гамбуржца и всячески содействовал их

развитию, не навязывая ему своего образа мысли. Для дальнейшего пути

Генриха Герца как физика это имело большое значение, и он сохранил

благодарность своему учителю на всю жизнь. «Уже во время элементарных

практических работ, проведенных им, я видел, что имею дело с учеником

необычайной одаренности», – сообщал Гельмгольц. Когда в конце летнего

семестра перед Гельмгольцем встала задача предложить тему конкурсной работы

по физике для студентов философского факультета, он выбрал вопрос по

электродинамике и был рад, что Герц заинтересовался работой. Поставленная

Гельмгольцем задача касалась специальной проблемы движущегося

электрического заряда. В этой области в то время – прежде всего в Германии

– господствовали еще механистические воззрения Вильгельма Вебера. Вебер

возвращал электрические явления назад, к силам дальнодействия,

распространяющимся с бесконечной скоростью в невесомом электрическом

флюиде. Он приписывал подвижному электричеству особый вид инерции, какая

свойственна твердым телам. Предложенный Гельмгольцем эксперимент должен был

выяснить, обладает ли на самом деле электрический заряд, движущийся по

проводникам, как ток, подобной инерцией. Таким образом, конкурсный вопрос

опосредованно служил усилиям экспериментальной проверки теории

электричества Фарадея – Максвелла, в правильность которой Гельмгольц

склонен был верить. Рабочее место Герца было в новом, как он писал,

«прекрасно оборудованном» Физическом институте на Рейхстагуфер, который был

построен по планам Гельмгольца. В его распоряжении были все приборы,

необходимые для проведения исследовательской работы. Руководитель института

лично опекал его, давал советы. «Гельмгольц приходит каждый день на

несколько минут, смотрит работу и очень любезен», – говорится в письме

родителям от 17 ноября 1878 года. Но научные интересы студента не

ограничивались занятиями в области его специальности. Герц слушал также

лекции по гуманитарным предметам, в первую очередь по истории, например

лекции придворного историографа Гогенцоллернов Генриха Трейчке, блестящего

оратора, который оказал, однако, роковое влияние на берлинских студентов и

«национально» настроенную немецкую буржуазию, способствуя распространению

антисемитских взглядов. Пресловутый лозунг «евреи – наше несчастье»,

который позднее служил для «оправдания» фашистских преступлений в Аушвитце,

Майданеке и других местах ужаса, был впервые выдвинут Трейчке. С конкурсным

факультетским заданием Герц справился успешно, хотя и с негативным

результатом как он и предчувствовал. Инертная масса в той форме, в какой ее

следовало ожидать в соответствии с электромеханикой Вебера, не

обнаруживалась. Этот результат противоречил старой, еще господствовавшей

электродинамике. В своем исследовании Герц не ограничился экспериментом,

предложенным Гельмгольцем, а вышел за его рамки. Гельмгольц считал, что эти

опыты убедительно продемонстрировали Герцу «неслыханную подвижность

электричества» и помогли найти путь, который вскоре привел его к большим

открытиям. Решением конкурсной задачи Берлинского университета Герц сделал

первый шаг к своей мировой славе физика. Памятная медаль, которой были

отмечены его достижения, «очень большая и красивая золотая медаль»,

врученная ему ректором, философом Эдуардом Целлером, в конце летнего

семестра 1879 года в актовом зале университета, была его первой научной

наградой. Более широкая по содержанию работа – вновь по инициативе

Гельмгольца – была вынесена на конкурс Берлинской Академией наук. Следовало

установить, влияют ли изоляторы каким-либо образом на электродинамические

процессы, как того требовала максвелловская теория в противовес старым

воззрениям. Гельмгольц предложил это задание, ожидая, что Герц справится с

ним успешно. Однако приблизительный расчет убедил Герца в том, что

применяемые тогда лабораторные средства недостаточны для возбуждения

быстрых электрических колебаний, которые были необходимы для

экспериментального разрешения этого вопроса. Он не мог решиться начать

разработку. Через семь лет он вернулся к этому предмету в Карлсруэ. Осенью

1879 года увенчанный премией студент приступил к разработке своей

докторской диссертации «Индукция во вращающихся шарах». Через три месяца он

закончил опыты и письменно изложил их результаты. Только 14 дней лежал

манускрипт на письменных столах экспертов. Гельмгольц оценил работу на

«очень хорошо». «Она показывает, – писал он, – что автор умеет проводить

трудные математическо-физические исследования с большой уверенностью и

находчивостью. Результаты интересны и новы». Кирхгоф как второй эксперт

добавил: «Я присоединяюсь к положительной оценке работы и ходатайствую о

допуске кандидата к экзамену». О ходе докторского экзамена, проходившего 5

февраля 1880 года, Герц сообщил на следующий день родителям: «Некоторую

неловкость испытал я, однако, когда шел вчера в университет и увидел, что в

сенатском зале горят все огни. Экзамен длился от шести до восьми. Стоило

мне начать, и я сразу увидел, что не должен провалиться». Далее он пишет:

«Как только у меня появлялась неуверенность, экзаменаторы торопились

поднять мое мужество детски легкими вопросами и перейти в другую область. В

философии я мог бы блеснуть, если бы профессор Целлер не спрашивал слишком

уж легко». Протокол экзамена в актах Гумбольдтовского университета

подтверждает и дополняет слова Герца. «Господин Гельмгольц, – говорится

там, – начал экзамен с основного предмета. Он спросил о фактах,

обнаруженных посредством наблюдений, благодаря которым пришли к признанию

волновой теории света. Кандидат ответил на все без исключения поставленные

вопросы с большой уверенностью и ясностью. Профессор Целлер спрашивал о

досократовской, платоновской и аристотелевской философии и был удовлетворен

ответами кандидата». На все вопросы, поставленные Кирхгофом, который

продолжил экзамен по основному предмету, Герц также ответил «полностью

правильно и уверенно». Математик Куммер закончил экзамен вопросами из

области механики и ее применения и из теории кривых плоскостей. И здесь

кандидат показал себя «хорошо ориентированным почти во всем в этих

предметах». Общей оценкой экзамена была – «хорошо» («magna cum laude»).

Оценка «хорошо» была тогда редкой в Берлинском университете и Герц остался

ею весьма доволен. «Считанные доктора здешнего университета имеют мою

оценку, и, особенно у Гельмгольца и Кирхгофа, это удается немногим», –

гордо сообщает он родителям. Еще раньше, вскоре после своего прибытия в

Берлин, он писал: «К здешним докторам относятся с трепетным уважением, и

они кажутся, мне во всяком случае, иными, чем где-либо в других местах». 15

марта 1880 года Герц получает диплом доктора, написанный по-латыни. Вскоре

после этого Гельмгольц предлагает высокоодаренному молодому физику

освободившееся место ассистента в своем институте. Два с половиной года

Герц был ассистентом в институте на Рейхстагуфер. Наряду со своими

служебными обязанностями по руководству практикантами он находил время

делать собственные эксперименты и публиковать их результаты. В его работах

обсуждались вопросы термодинамики, теории упругости, твердости тел,

испарения. «Равновесие плывущей льдины, на которой стоит человек», тоже

относилось к проблемам, которыми он занимался. Как следует из писем к

родителям, начиная с лета 1882 года, Герц занялся световыми явлениями в

разреженных газах. При этом он заметил, что исследования в этой еще «очень

неясной» области, по его мнению, приобретут большое теоретическое значение.

Это было верным предвидением. Исследование катодных лучей, о котором здесь

шла речь, привело в дальнейшем к открытию рентгеновских лучей и к снятию

таинственного покрова со структуры материи – событиям, до которых не

пришлось дожить самому Герцу. Молодого физика направлял и оказывал на него

влияние при этих исследованиях частный берлинский ученый Евгений

Гольдштейн. Он был на семь лет старше Герца и тоже принадлежал к числу

учеников Гельмгольца. Эти примечательные световые явления в гейслеровских

трубках, известные с конца 50-х годов и описанные Плюккером, Гитторфом и

Круксом, Гольдштейн назвал катодными лучами. Как раз в то время, когда Герц

был ассистентом Гельмгольца, Гольдштейн написал несколько капитальных работ

об электрических разрядах в разреженных газах. В 1886 году, вскоре после

отъезда Герца из Берлина, он увенчал свою исследовательскую деятельность

открытием «каналовых» лучей, которые сыграли важную роль в

экспериментальных исследованиях следующих лет. Герц находил, что

экспериментирование с катодными трубками в высшей степени увлекательно и в

эстетическом плане. В письмах к родителям он снова и снова описывал эти

«чудесные» явления и изумительную игру красок, которая вызывала его

восхищение. Искусство стеклодува, которым Генрих Герц, как и большинство

физиков и химиков его поколения, мастерски владел, весьма пригодилось ему

при этих опытах. Кстати, молодой Вильгельм Оствальд, судя по воспоминаниям

его учителя, также был превосходным стеклодувом. Подобно всем крупным

экспериментаторам, Генрих Герц был необычайно находчив и неисчерпаем на

выдумки в том, что касается приспособлений для опытов. «За день можно

придумать опытов и работ больше, чем сделать за год», – читаем мы в письме

от 2 декабря 1882 года. Он изобрел и сам построил несколько научных

измерительных приборов, например гигрометр и электродинамометр, который он

использовал для своих экспериментов с газосветными разрядами. Герц не

боялся однообразной механической работы, которая была неизбежной, например,

Страницы: 1, 2, 3