Fysikk og Historie: Hertz og hertz

[Griffel]

Et kjent landemerke i Hamburg er det elegante Heinrich-Hertz-Turm, dette er et radiotårn som er oppkalt etter en fysiker som ble født i Hamburg og som het Heinrich Rudolf Hertz. Navnet er ikke bare knyttet til dette tårnet SI enheten for frekvens heter hertz (Hz) etter samme mann.

Heinrich Rudolf Hertz ble født i 1857. Faren var advokat, og ble senere politiker og leder av justisdepartementet.  Heinrich tok skoler og universitet på rekordtid. Han studerte først til ingeniør men trivdes bedre med teorier enn med praksis og gikk over til å studere fysikk.

26 år gammel var han lektor ved universitetet i Kiel. I Kiel hadde de ikke noe laboratorium, dermed konsentrerte han seg om teoretisk fysikk. Maxwell hadde presentert noen teorier om elektromagnetiske bølger og lys, men vakuumet mellom Solen og jorden gjorde det litt vanskelig å forklare bølger. så teorien beskrev et stoff «ether» som bølgene kunne forplantet seg i. Noen andre vitenskapsmenn klarte å bevise at etheren ikke fantes og dermed ble teorien om elektromagnetiske bølger forkastet av de fleste. Et unntak var Hertz, han reviderte teorien og viste at det ikke var behov for å forklare bølgeteorien ved hjelp av ether. Men enda brukes uttrykk som «sendes ut i   etheren» om radio.

I 1885 27 år gammel ble han professor i fysikk ved Karlsruhe universitet og her fikk han muligheter til eksperimentering. Han satte opp et apparat som lagde gnister. Gnistene laget høyfrekvente elektromagnetiskebølger og de bølgene som oppsto kunne mottas med et apparat et stykke unna.
Dermed hadde Hertz laget de første apparatene som kunne sende og motta radiobølger.
Å bruke gnist til å generere radiobølger var vanlig på de første trådløse telegrafi apparatene derfor   ble «Gnisten» brukt som navn på radiotelegrafisten lenge etter at teknologien gjorde gnistsendere gammeldagse.

Disse mystiske bølgene ble kalt Hertzian bølger, nå kaller vi det radiobølger. Hertz studerte og beskrev egenskapene nøye, og oppdaget egenskaper som refleksjon i ledende materialer, fokusering i parabolspeil, at bølgene går gjennom isolerende materialer, at bølgelengden er større en lysets bølgelengde, polarisering, interferens etc. Han oppdaget også fotoelektrisitet at ultrafiolette stråler kan skape strøm i metalloverflate. Ulempen var bare at han ikke forsto at noe dette kunne brukes til noe.

Han demonstrerte fenomenene for studentene, forklarte at her finnes det fenomener vi hverken kan se, høre eller føle men de finnes. Når studentene spurte hva nå, hva kan de brukes til, var svaret: «antagelig ingen ting».

Men noe så jo litt annerledes på dette og fant etter hvert ut at dette var jo fint til radio, TV, radar, fjernstyring, trådløst Internet, mobiltelefon, bluetooth o.l.

Først ute var Marconi og Tesla.
Tesla demonstrerte i 1893 at Hertzian bølger kunne brukes til fjernstyring.

Marconi var tenåring da han leste om Hertz eksperimenter og fikk idet om at dette kunne brukes til trådløs signalisering, og startet med forsøk hjemme i 1894. 10år senere fikk ha Nobelprisen i fysikk for oppfinnelsen av trådløs telegrafi.

Hertz ville sikkert gjort flere store oppdagelser men han døde i 1894 bare 36 år gammel. Like før sin død leverte han et annet banebrytende teoretisk arbeid. Dette gikk på kontaktmekanikk altså hvordan faste stoffer oppfører seg når de presses mot hverandre.


Litt Fysikk: hertz er SI enheten for frekvens. Med basisenheter blir det 1/sekund. En hertz betyr rett og slett en (1) per sekund. Vanligvis menes en syklus, men hertz brukes om alt som skjer periodisk, ikke bare elektromagnetiskebølger. I datamaskiner for eksempel styres takten av et krystall med en bestemt svingetid  som gjerne beskrives med Ghz (gigahertz) som er 1.000.000.000 per sekund.

De elektromagnetiske radiobølgene som Hertz oppdaget blir gjerne uttrykt i hertz (Hz), og skalaen på radioen var merket med kHz (1000Hz) MHz(1,000.000Hz) og Ghz(1.000.000.000). Lys er også elektromagnetiske bølger med høyere frekvenser enn dette. Det kan også beskrives med bølgelengde. Tar en hastigheten til bølgen og deler på frekvens får en bølgelengden. Hastighet til lys i vakuum er ca. 300 000 km/s.

Hastigheten til lyd i luft er ca 340 m/s. Lyd er svingninger i lufttrykket. Inne i øret bak trommehinne og annen mekanikk har vi det såkalte sneglehuset med små flimmerhår med ulik lengde og resonansfrekvens. Det håret som som ligger nærmest i frekvens til den lyden som kommer inn i øret svinger sterkest, og en tilkoblet nerve sender signal til hjernen. Hver tone tilsvarer en frekvens som kan angis i Hertz, og et godt menneskeøre kan høre fra 10Hz til 20.000Hz. De som svinger raskest slites mest slik at en taper de høyeste tonene med alder, og dersom en blir utsatt for støy kan enkelte flimmerhår brekke og en blir da døv i dette frekvensområdet. (Dette kan for eksempel tilfeldigvis skje i et  frekvensområde som faller sammen med partnerens toneleie).

På lysnettet kommer det vekselstrøm det vil si at strømmen skifter retning, i Norge 50 ganger i sekundet, altså 50Hz. I biler med vekselstrømmotor styres rotasjonshastigheten av frekvensen. Har motoren et polpar (to polet motor) gjør den 1 omdreining/sek per Hz. En motor med 2 polpar (4polet) gjør den ½ omdreining/sek per Hz. (Dette gjelder altså for Think og Reva AC og noen til)

Noen eksempler:
Hvilepuls ca.: 1 Hz
Fossilbil på tomgang: 10Hz vanligvis kalt 600 rpm
Fossilbil maks turtall: 100Hz (6000 rpm)
Elnettet i Norge: 50Hz
Elnettet i USA: 60Hz
Kammertonen: 440Hz (Dagen standard, det har variert litt gjennom historien)
Rask PC i 1976: 1 Mhz (M = mega 10⁶)
vanlig PC i 2007: 2 Ghz (G = giga 10⁹)
FM radioen i bilen: 88 MHz to 108 Mhz
Mobiltelefon: 0.8 to 2.3 Ghz
Synlig lys: 428 THz to 750 Thz (T =terra 10¹²)
Jorden om sin egen akse:  11.57 µHz (  µ = micro 10^-6)
Jorden en runde rundt sola:  31.71 nHz (n =nano 10^-9)
En gang i livet ca.: 400 pHz (p = pico 10^-12)