هاینریش هرتز ، آغازگر عصر ارتباط رادیویی

هاینریش هرتز

یک قرن از انتشار مقاله مهم هاینریش رودولف هرتز (۱۲۳۶ ش/۱۸۵۷ م – ۱۲۷۳ ش/۱۸۹۴ م)، فیزیک‌دان و محقق سرشناس شناس آلمانی تحت عنوان «امواج الکترومغناطیسی در فضا و انعکاس آن‌ها» می‌گذرد. این مقاله جزئیات آزمایش‌هایی را ارائه داد که هرتز بر مبنای آن‌ها نظریه الکترومغناطیس دانشمند اسکاتلندی، جیمز کلرک ماکسول (۱۳۱۴/۱۸۳۵ – ۱۳۵۸/۱۸۷۹) را به اثبات رساند. اصولی که هرتز با آزمایش‌های خود ارائه داد، زیربنای دانش الکترومغناطیس را پی‌ریزی کرد. به همین منظور، این اصول برای فیزیک نظری اهمیت زیادی دارند. از طرف دیگر اکتشافات و اختراعات وی آغازگر عصر الکترومغناطیس یا به عبارتی عصر امواج رادیویی به مفهوم امروزی آن قلمداد می‌شوند. به طوری که همه پیشرفت‌های فنی مربوط به آن تنها بر مبنای محکمی بنا شده است که او با نبوغ علمی و تجربی خود استوار ساخت.

در سال ۱۸۶۴ ماکسول اعلام کرد که انرژی می‌تواند در نیم‌رساناها و نیز خلاء، با سرعتی محدود، توسط میدان‌های متعامد الکتریکی و مغناطیسی منتقل شود. ماکسول به اهمیت مفهوم میدان که قبل از او از طرف فاراده پیشنهاد شده بود، به طور کامل پی برد و برای بیان نظریه خود دستگاهی از معادلات دیفرانسیل جزئی را ارائه داد که در آن میدان‌های الکتریکی و مغناطیسی موجود در نیم‌رساناها و در نزدیکی هادی‌ها فرمول‌بندی شده بودند. این معادلات تقریباً تمامی نتایج قبلی را در بر می‌گرفت و آن‌ها را در قالبی نو قرار می‌داد. ماکسول در نظریه خود ایده وجود جریان‌های جابه‌جایی (القایی) در نیم‌رساناها را نیز گنجانیده بود که با بیشتر نظریه‌های الکتریکی معاصرش مطابقت نمی‌کرد. از این گذشته، این معادلات وجود امواجی را با طول‌موج‌های کمتر یا بیشتر از طول‌موج نور پیش‌بینی می‌کرد که از همان قوانین نوری تبعیت می‌کنند و در انعکاس و شکست و غیره، رفتاری همانند نور از خود نشان می‌دهند. بدین ترتیب وی نظریه واحدی را با ترکیب الکتریسیته، مغناطیس و نور ارائه داد. این ادغام نورشناسی در نظریه الکترومغناطیس یکی از بزرگ‌ترین تحولاتی است که در شالوده اصلی موضوعی فیزیک، و در نتیجه در درک ما از ساختار واقعیت، بعد از بنیادگذاری فیزیک نظری به توسط نیوتون رخ داده است و بدون شک می‌توان آن را یکی از بزرگ‌ترین پیروزی‌هایی به شمار آورد که در تلاش برای وحدت بخشیدن به شالوده‌های فیزیک حاصل شده است. اگرچه ماکسول کوشید با توسل به مدل‌های مکانیکی، تغییری برای نظریه میدان خود بیابد، تلاش‌های وی در این زمینه و همین‌طور در اثبات تجربی نظریه خویش ناموفق ماند. آزمایش‌های هرتز گامی در جهت اثبات تجربی نظریه ماکس و تایید فراگیری آن بود.

هرتز، پس از پایان دوران دبیرستان در ۱۸۷۵، به مدت یک سال در یک موسسه ساختمانی در فرانکفورت به کار اشتغال داشت. در آوریل ۱۸۷۶ در رشته مهندسی موسسه فنی دِرسدِن نام‌نویسی کرد. ولی در سپتامبر همان سال برای خدمت نظام وظیفه آن‌جا را ترک گفت. وی در سال ۱۸۷۷ در رشته فیزیک دانشگاه مونیخ ثبت‌نام کرد و در سال ۱۸۷۸ به دانشگاه برلین منتقل شد و زیر نظر هرمان وان هولمهولتز و گوستاو کیرشهوف به تحصیلات خود ادامه داد.

در سال ۱۸۷۹، هلمهولتز که مشغول مطالعه نظریه الکترومغناطیسی ماکسول و مقایسه آن با یک نظریه مکانیکی بود. مسئله تایید تجربی نظریه ماکسول را به عنوان موضوع مسابقه علمی آکادمی علوم بروس در همان سال مطرح نمود و برای پرنده آن جایزه‌ای پیشنهاد کرد. این جایزه بعدها به «جایزه برلین» معروف شد. در متن اطلاعیه مسابقه که توسط وی تهیه شد، اثبات و یا رد تجربی وجود جریان‌های القایی دی الکتریکی در نیم‌رساناها و قطبی بودن آن‌ها که بر طبق نظریه ماکسول همان آثار الکترود الکترودینامیکی جریان‌های الکتریکی را دارا هستند و می‌توانند مانند آن‌ها با نیروهای القایی الکترودینامیکی تولید شوند، عنوان شده بود.

هلمهولتز گمان می‌برد که دانشجوی وی، هرتز احتمالا می‌تواند در این پروژه تجربی موفق شود. لذا وی را به شرکت در این مسابقه ترغیب نمود، اگر چه هرتز مدتی در این مورد به مطالعه پرداخت، به خاطر مشکلات عملی به آن ادامه نداد، چرا که او برای این کار به آشکارسازی نیاز داشت که در بسامدهای بالا قابل استفاده باشد، در حالی‌که گالوانومترها و دستگاه‌های دیگر اندازه‌گیری که در آن زمان در دسترس بود، در این بسامدها کاربردی نداشت. هرتز در سال ۱۸۸۰ در سن ۲۳ سالگی با ارائه تحقیقی در زمینه جریان‌های القایی بر روی سطح یک کره گردان هادی که در معرض یک میدان مغناطیسی قرار گرفته است، درجه دکترای خویش را دریافت کرد.

هرتز پس از فارغ‌التحصیلی، به مدت سه سال دستیار هلمهولتز در اختیار در دانشگاه برلین بود و سپس با سمت معلم فیزیک نظری به دانشگاه کیل رفت.

در کیل، هرتز آزمایشگاهی در اختیار نداشت و تمام وقت خود را صرف فیزیک نظری می‌کرد. در سال ۱۸۸۴ وی مقاله مهمی در مورد ارتباط معادلات ماکسول با نظریه‌های دیگر الکترومغناطیسی انتشار داد که با استقبال اساتید بزرگ روبه‌رو شد. هرتز در این مقاله برتری نظریه‌ها ماکسول را بر نظریه‌های دیگر اعلام داشت. مدت کوتاهی پس از انتشار این مقاله یعنی در مارس ۱۸۸۵، به عنوان استاد فیزیک به دانشگاه کارلسروهه رفت. در آن‌جا یک بخش مخصوص به خود در اختیار داشت که شامل یک آزمایشگاه، کارگاه فنی و تعدادی کارگر ماهر بود. وی در ۳۱ ژوئیه ۱۸۸۶ با الیزابت دُل، دختر یکی از اساتید همان دانشگاه ازدواج کرد. او آزمایش‌های مهم خود را از اواخر همان سال آغاز کرد و توجه کامل خود را به مطالعه جنبه‌های مختلف نظریه ماکسول معطوف ساخت.

هرتز، برای انجام این کار با وظیفه‌ای دوگانه روبه‌رو بود و می‌بایست قبل از ارائه روشی برای اندازه‌گیری موج الکترومغناطیسی، راهی برای تولید آن‌ها پیدا می‌کرد. نتیجه این تلاش اولین فرستنده رادیویی بود که در سال ۱۸۸۶ ساخته شد. بدین ترتیب او اولین کسی است که امواج الکترومغناطیسی را آگاهانه تولید کرد. ابزار و لوازمی که توسط هرتز طراحی و به وسیله همکارانش ساخته شده‌اند، در سادگی و کارایی بی‌نظیر و چشم‌گیرند.

اولین دستگاه فرستنده وی آنتنی به طول ۲ متر داشت که امواجی در بسامد ۵۰ مگاهرتز تولید می‌کرد. مدار تشدیدکننده این فرستنده را یک آنتن دو قطبی نیم‌موجی متعادل تشکیل می‌داد که در دو سر آن مقاومت‌های خازنی کروی با روکش رویی به قطر ۲۰ سانتی‌متر تعبیه شده بود. وجود این خازن‌ها عملاً طول آنتن را کمتر از آن می‌کرد که باید باشد. (۳ متر) در مرکز آنتن دو قطبی یک درز باریک برای ایجاد جرقه الکتریکی قرار دارد که به منزله یک کلید سریع عمل می‌کند. با باز شدن مدار اولیه خودالقاء انرژی پتانسیل با ولتاژ بالا در دو سر خروجی مدار ثانوی به وجود می‌آید که منجر به شارژ شدن خازن‌های آنتن دو قطبی می‌گردد. تخلیه الکتریکی انرژی پتانسیل از طریق درز مرکزی آنتن و وجود مدار تشدیدکننده، باعث ایجاد یک جریان متناوب در بازی‌های آنتن می‌شود که در نتیجه آن، انرژی از میدان الکتریکی به میدان مغناطیسی جابه‌جا می‌شود و شارژ الکتریکی از یک سر آنتن به سر دیگر آن و برعکس با یک حرکت نوسانی ساده انتقال می‌یابد. بخشی از انرژی موجود، با این نوسانات به صورت تابش در بسامد رادیویی در هوا منتشر می‌شود. گیرنده یا آشکارساز هرتز نیز از یک حلقه تشدیدکننده نیم‌موجی تشکیل می‌شود که دارای درزی قابل تنظیم برای تعیین شدت انرژی رادیویی تابیده شده از طرف فرستنده است. فرستنده و گیرنده با میدان‌های الکترومغناطیسی منتشره در فضا به هم مربوط می‌شوند.

هرتز بلافاصله توجه خود را به موضوع سرعت انتشار امواج الکترومغناطیسی در فضا که مقدار آن در نظریه ماکسول معادل با سرعت نور پیش‌بینی شده بود، معطوف ساخت. برای این منظور، او یک خط انتقال الکتریکی پنج متری با قطر ۳۰ سانتی‌متر ساخت. منبع تولیدکننده امواج این دستگاه، با اندک تغییری همان فرستنده اولیه او بود که این بار برای ایجاد تشدید، به جای صفحات کروی از ورقه‌های مربع شکل استفاده شده بود. تداخل امواج تابشی و انعکاسی، یک موج ایستا در طول خط انتقال ایجاد می‌کند. برای تعیین گره‌های این موج ایستا، آشکارسازی از یک حلقه بزرگ مسی که بر روی دسته‌ای چوبی نصب شده و در محلی از محیط آن درز کوچکی قرار داشت، به کار برد. با حرکت آشکارساز در میان سیم‌های خارجی خط انتقال، جرقه‌ای به طور ممتد در محل درز قابل رویت است، تا این‌که آشکارساز در یک گره قرار می‌گیرد که منجر به ناپدید شدن جرقه می‌شود. فاصله میان گره‌ها طول‌موج را به دست می‌دهد که با بسامد نوسانات که از روی ظرفیت و القایش تشدیدکننده آنتن قابل محاسبه است، سرعت انتشار امواج را تعیین می‌کند.

سپس هر دستگاه دیگری را ابداع کرد تا با تولید امواجی در ۴۵۰ مگاهرتز قدم بعدی را در تایید نظریه ماکسول بردارد. این موضوع عبارت بود از اثبات این‌که امواج الکترومغناطیسی رفتاری همانند نور دارند. بدیهی است که این اندیشه برای کسانی که با این نظریه آشنایی نداشتند کاملا بدیغ و غیرمنتظره می‌نمود. دستگاه تابش متمرکز هرتز از یک آنتن فرستنده نیم‌موجی ۷۰ سانتی‌متری، یک گیرنده – آشکارساز، یک آیینه سهمی – استوانه‌ای فلزی، یک قاب چوبی با سیم‌های موازی برای انجام آزمایش‌های قطبی امواج، یک جعبه چوبی هرمی شکل برای نگهداری مواد نیم‌رسانا به منظور آزمایش شکست امواج، و یک باتری تشکیل می‌شد. با قرار دادن آنتن فرستنده به طور عمودی در محور کانونی آینه سهمی هرتز نشان داد که امواج الکترومغناطیسی می‌توانند مانند نور در جهات مختلف هدایت شوند. همچنین، وی با اندازه‌گیری میزان انحراف موج ناشی از شکست آن در برخورد با هرم، چوبی ثابت نیم‌رسانایی مواد مورد آزمایش داخل هرم را برای اولین بار در بسامدهای میکروموجی اندازه‌گیری کرد. همه این آزمایش‌ها برای اثبات نظریه ماکسول تا سال ۱۸۹۸ کامل شد. شناخت عمومی نتایج هرتز از طرف جامعه علمی در اواسط همین سال با انتشار مقاله مهم او که در آغاز این نوشتار به آن اشاره رفت تحقق پذیرفت. هرتز نتایج آزمایش‌های خود را در مقاله دیگری خلاصه کرد که در فوریه ۱۸۸۹ تحت عنوان «دربارهٔ تابش الکتریکی» منتشر شد. در بخشی از این مقاله آمده است: «ما لفظ شعاع‌های نیروی الکتریکی را به پدیده‌هایی که مورد مطالعه قرار داده‌ایم اطلاق می‌نماییم. از این گذشته شاید بتوان آن‌ها را شعاع‌های نوری با طول‌موج خیلی بلند نام نهاد. به هر حال، به نظر من آزمایشگاه مورد بحث هرگونه شکی را نسبت به هویت نور، تابش حرارتی و حرکت امواج الکترومغناطیسی بر طرف می‌سازد. من معتقدم که از این به بعد ما اعتماد به نفس بیشتری در استفاده از مزایای عملی که این شناخت در مطالعه نور و الکتریسیته به ما می‌دهد، خواهیم داشت.

هرتز با ادامه کار خود تا سال ۱۸۹۰ جنبه‌های دیگر نظریه ماکسول را نیز مورد بررسی قرار داد. علاوه بر این، وی با بهره‌گیری از زمینه دانش نظریه خود، به ساده‌ترین شکل معادلات میدانی الکترومغناطیس ماکسول، به صورتی که ما امروز می‌شناسیم و به کار می‌بریم، دست یافت. در این هنگام هرتز سی‌وچند سال بیشتر نداشت و در اول ژانویه ۱۸۹۴ به خاطر مسمومیت خونی ناشی از عفونت فک در سن ۳۷ سالگی درگذشت.

هرتز در عمر کوتاه خویش با اثبات نظریه ماکسول فصل جدیدی را در فیزیک گشود. تلاش‌های خستگی‌ناپذیر او در شناخت ساختمان فیزیک نقش بسزایی دارد.

دیدگاه خود را با ما اشتراک بگذارید:

ایمیل شما نزد ما محفوظ است و از آن تنها برای پاسخگویی احتمالی استفاده می‌شود و در سایت درج نخواهد شد.
نوشتن نام و ایمیل ضروری است. اما لازم نیست که کادر نشانی وب‌سایت پر شود.
لطفا تنها در مورد همین نوشته اظهار نظر بفرمایید و اگر درخواست و فرمایش دیگری دارید، از طریق فرم تماس مطرح کنید.