היינריך הרץ – מהנדס הרדיו הראשון בעולם

היינריך רודולף הרץ 1857-1894 נחשב לאדם הראשון שהוכיח התפשטות של גלי רדיו באוויר. בהמשך לפרסום תיאורית האלקטרומגנטיות על ידי ג’יימס קלרק מכסוול, הרץ בנה לראשונה מכשור לשידור וקליטה של פולסים אלקטרומגנטיים והוכיח את התפשטותם במהירות האור. לכבודו נקראת יחידת המידה של התדירות (מספר התנודות בשנייה).

היינריך הרץ 1857-1894

קורות חייו של הרץ
היינריך רודולף הרץ נולד בשנת 1857 בהמבורג, גרמניה לאביו גוסטב פרדיננד הרץ (במקור דוד גוסטב הרץ) שהיה עורך דין וציר בפרלמנט ולאמו אנה אליזבט פפרקורן. הוריו היו ממוצא יהודי אך התנצרו בשנת 1834. היינריך הרץ הצעיר שלמד בהמבורג גילה בילדותו ענין רב במדעים ובשפות. בבגרותו סיים לימודים גבוהים באוניברסיטאות של דרזדן, מינכן וברלין. מדריכיו לתואר השני והשלישי היו גוסטב קירכהוף והרמן הלמהולץ. לאחר שסיים את לימודי הדוקטורט בשנת 1880 קיבל משרות אקדמיות בכירות באוניברסיטאות של קיל וקרלסרוהה (שם גם מונה לפרופסור). בשנת 1886 נישא לאליזבט דול ונולדו להם שתי בנות – יוהנה ומתילדה. בשנת 1888 מונה לראש המכון לפיסיקה באוניברסיטת בון ושם פירסם את ספרו החשוב The Principles of Mechanics Presented in a New Form, McMillan London (1889). Die Prinzipien der Mechanic in Neuen Zusamenhage, Dargestelit Leipzig (1894).
ונזכיר כאן את שני ספריו האחרים: Die Constitution der Materie, eine Voriesung Guber die Grundiagen der Physik (1884). Electric Waves Researches on the Propagation of Electric Action with Finite Velocity Through Space (1893). הרץ נפטר ממחלה בשנת 1894 ונקבר בהמבורג. הרץ גילה ענין רב בתורת החומרים (מטלורגיה) ובתרמודינמיקה של נוזלים ומוצקים. הוא עסק גם באופטיקה של אור נראה (טבעות ניוטון) ובקרני רנטגן, אך עיקר הישגו המדעי היה בתחום גלי הרדיו. מעניין לציין כי השלטון הנאצי ראה בו אדם בעל מורשת יהודית (למרות שהיה נוצרי לכל ענין) וסילק את דיוקנו שהיה תלוי בבית עיריית המבורג.

ניסויי הרדיו של הרץ
לאחר פרסום המשוואות התיאורטיות של ג’ימס קלרק מכסוול בשנת 1865  J, K, Maxwell, A Dynamical theory of the Electromagnetic Field, Philosophical Transactions of the Royal Society of London הציע הלמהולץ להרץ להוכיח את התיאוריה בפועל. הלמהולץ קיווה שהרץ תלמידו המובהק יזכה בפרס ברלין לאלקטרומגנטיות אך תקווה זו לא מומשה והפרס מעולם לא הוענק. הרץ ביצע את הניסויים הראשונים באוניברסיטת קרלסרוהה בשנת 1886. מערך הניסוי הבסיסי כלל גנרטור ניצוצות שהפיק פולסים קצרים של זרם חילופין, שהיה מחובר לדיפול חשמלי באורך 2 מטר. בקצות הדיפול חוברו כדורי אבץ בקוטר 30 סנטימטר ששימשו כקבלים. מערך הניסוי מתואר באיורים 1-2 והמימוש הפיזי של הדיפול והקבלים מתואר באיור 3. הדיפול החשמלי שידר גלי רדיו בתדר 100MHz והם נקלטו על ידי לולאה עם מרווח אוויר קטן.
הדיפול החשמלי המונח באופן אופקי מעל הקרקע מכונה עד היום בשם דיפול הרציאני והוא נחקר אנליטית לפרטי הפרטים לאורך עשרות שנים. הגלים שהרץ יצר ומדד מכונים גם גלי הרץ Hertz Waves והם משקפים באופן נאמן את התיאור התיאורטי של מכסוול. הגל החשמלי הוא נגזרת בזמן של הגל המגנטי והגל המגנטי הוא נגזרת בזמן של הגל החשמלי. שניהם מתקדמים באופן משולב במהירות האור כאשר הם מאונכים זה לזה. מעניין לציין כי ניקולה טסלה שפעל אחרי הרץ, הציע לייצר ולהוביל חשמל בעזרת גלים עם אופן התפשטות שונה מגלי הרץ. הוא קרא להם Non Hertzian Waves ותאר אותם כגלים אורכיים Longitudinal Waves שאינם דועכים כמו גלי הרץ ולכן הם יעילים להעברת הספק חשמלי למרחקים ארוכים.
מערך הניסויים המתקדם יותר שבנה הרץ בשנים – (איור 4) כלל הצבת הדיפולים מעל רפלקטור פרבולי בגודל כ-2 מטר. אנטנה זו פעלה כעדשה וריכזה את הקרינה באלומה צרה יותר (או כפי שאנו מכנים כיום היתה בעלת שבח גבוה). כתוצאה מכך טווח הפעולה בין המשדר והמקלט היה גדול יותר ואיפשר ניסויים במרחקים גדולים יותר במסדרונות אוניברסיטת קרלסרוהה. באנטנה הפרבולית בוצעו ניסויים בתדר אופייני של 450MHz בטווחים של 10 עד 20 מטר. הרץ הוכיח את קיומם הנפרד של שדה חשמלי ושל שדה מגנטי וכן מדד את מהירות ההתפשטות שלהם. הוא ערך גם ניסויים בקיטוב של גלי רדיו. בתקופתו לא הכירו עדיין בחשיבות הטכנולוגית הרבה של גלי רדיו, אך חוקרים ומהנדסים המשיכו לבנות מכשירי רדיו וכבר בשנת 1896, שנתיים בלבד לאחר מותו של הרץ, הצליח ג’וליילמו מרקוני לשדר אות טלגרף אלחוטי מאמריקה לאירופה.

טבלה 2. תחומי תדרי הרדיו לפי ITU

הספקטרום האלקטרומגנטי
מכסוול חישב והרץ הדגים כי הגלים האלקטרומגנטיים מורכבים מצירוף של שדה חשמלי ושדה מגנטי הפועלים במשולב כזוג גלים הרמוניים מתקדמים במרחב (סינוס וקוסינוס). ניתן גם לתאר את הקרינה על ידי שטף חלקיקים הנקראים פוטונים. הגלים האלקטרומגנטיים (או הפוטונים) מתקדמים במהירות האור . מספר התנודות שהגלים מבצעים בשנייה אחת היא התדירות f ולכן אפשר לומר כי זמן מחזור אחד של הגלים הוא T כאשר
(1) f = 1/T
המרחק שהגל או הפוטון עובר במהלך מחזור אחד נקרא אורך הגל ועל פי קינמטיקה אלמנטרית קיים הקשר
(2) f = c
הספקטרום האלקטרומגנטי הכל כך מגוון (גלי רדיו, אינפרה אדום, אור נראה, אולטרה סגול, קרינת רנטגן וקרינת גמא) נבדל באופן עקרוני על ידי אורך הגל או על ידי התדירות כפי שאפשר להתרשם מטבלה 1.  יש להזכיר כאן את חוק פלנק הקושר בין תדירות הקרינה לבין האנרגיה שנושא הפוטון הבודד:
(3) E = h f
היכן ש-h הוא קבוע פלנק
h = 6.63 x 10^-31 Joule second
ניתן אפוא גם להמיר את סקלת התדירות או אורך הגל לסקלת האנרגיה של הפוטון הבודד המבוטאת בדרך כלל ביחידות EV = Electron Volt. נזכיר גם כי אם התנע של הפוטון הוא p ניתן לרשום את אורך הגל של דה-ברולי לפי
(4) d = h / p
לאנשי התקשורת יש ענין מיוחד בגלי הרדיו המשתרעים מתדירות 0 ועד תדירות של מאות GHz ומשמשים את מערכות הקשר האלחוטיות, הטלפון הנייד, המכ”מים, הניווט ומערכות רבות נוספות. לתחומי התדר של גלי הרדיו ניתנו שמות שונים כגון על ידי ארגון התקשורת העולמי ITU ארגון מהנדסי האלקטרוניקה IEEE והאיחוד האירופאי / נאט”ו כמודגם בטבלאות 2-4

טבלה 3. תחומי תדרי מכ”ם לפי IEEE

טבלה 4. תחומי תדרים לפי EU/NATO

סיכום
היינריך הרץ למד, לימד וחקר בלא פחות מ-6 אוניברסיטאות חשובות בגרמניה (דרזדן, מינכן, ברלין, קיל, קרלסרוהה ובון) במיטב המסורת האקדמית המעודדת גיוון במוסדות ההשכלה של הסטודנט והחוקר. הרץ עסק במגוון נושאים שונים – מכניקה, מטלורגיה תרמודינמיקה, אופטיקה, גלי רדיו וקרינת רנטגן. גם בכך הוא מסמן בהבלטה את ההיקף הרחב של תחומי הידע של אנשי הרנסנס המדעי במאה ה-19 (נקל להשוות אותו לאיש רב תחומי אחר שפעל לפניו – תומאס יאנג 1773-1829 או למהנדס המזהיר שפעל אחריו – ניקולה טסלה 1856-1943). הרץ כיהן בקרלסרוהה ובבון כפרופסור לפיסיקה, אך למעשה היה מהנדס גאוני שהצליח לבנות במו ידיו ציוד בלתי רגיל ולהוכיח בניסויים את תורת האלקטרומגנטיות מבית מדרשם של קולון, גאוס, ביו, סבר, אמפר, ארסטד, פאראדיי ומכסוול. נמצאנו למדים כי מדע מדויק ניתן להיעשות או על ידי תורה מתמטית המסוגלת לנבא מציאות, או על ידי ניסוי אמפירי. בשתי הגישות ניתן להגיע לפסגת היצירה המדעית.
מילות מפתח:
Hertz Radio Wave Experiments
Hertzian Dipole
Hertz Waves
Electromagnetic Spectrum
Radio Wave Bands