Duński fizyk i chemik Hans Christian Oersted w drugiej dekadzie XIX wieku prowadził badania nad ogniwami elektrycznymi Volty i przewodnictwem prądu elektrycznego. Wiosną 1820 roku podczas przygotowań do jednego z wykładów o elektryczności, który miał wygłosić na Uniwersytecie w Kopenhadze, Oersted dokonał zaskakującego odkrycia: chcąc zademonstrować studentom nagrzewanie przewodnika po podłączeniu do źródła napięcia zauważył, że przepływający prąd elektryczny powoduje odchylenie igły znajdującego się nieopodal kompasu. Przeprowadzone przez niego w kolejnych miesiącach badania wykazały, że to właśnie ruch ładunków elektrycznych odpowiedzialny jest za powstanie pola magnetycznego. I to nie tylko w przewodnikach, przez które płynie prąd, ale również w magnesach stałych. Dalsze obserwacje wskazały, że pole magnetyczne zależy od kierunku przepływu prądu oraz od jego natężenia. Dzięki temu odkryciu powstał później elektromagnes, który zasilany baterią Volty wykorzystano do skonstruowania telegrafu elektrycznego czy słuchawki w aparacie telefonicznym. Najważniejszym jednak następstwem odkrycia Oersteda było skonstruowanie przez Michaela Faradaya generatora prądu elektrycznego, co poskutkowało stworzeniem możliwości produkcji energii elektrycznej o dużej mocy, daleko wykraczającej poza ogniwa Volty. Powracając jednak do obserwacji i badań Oersteda, uczony odkrył jedno z największych zjawisk przyrody: elektromagnetyzm. Osiągnięcie Oersteda w połączeniu z teorią Faradaya, który w 1831 roku wykazał, że zmienne pole magnetyczne indukuje prąd elektryczny, stało się zalążkiem teorii opracowanej przez kolejnego uczonego, Jamesa Clerka Maxwella. Maxwell opisał w postaci układu równań matematycznych wszystkie zjawiska elektryczne i magnetyczne oraz ich wzajemne zależności. Równania Maxwella pokazały, że pole elektryczne i magnetyczne rozchodzą się w próżni z prędkością światła w postaci fali. Jednak człowiekiem, który przeniósł fale radiowe z obszaru matematycznej teorii do realnego świata był Heinrich Hertz. Był on wybitnie zdolnym uczniem sławnego niemieckiego uczonego Hermanna von Helmholtza. Mistrz przyszłego odkrywcy fal radiowych był z wykształcenia lekarzem i wniósł znaczący wkład do fizjologii, zwłaszcza w obszarze badań związanych z wytwarzaniem ciepła przez procesy zachodząc w żywych organizmach, a także w związku z badaniami nad impulsami nerwowymi. Jednak największą sławę zyskał jako fizyk. Sformułował fundamentalną zasadę zachowania energii, a także zajmował się mechaniką, akustyką, termodynamiką, światłem, elektrycznością i magnetyzmem. W 1879 roku Helmohltz zaproponował, żeby Hertz zajął się badaniem teorii Maxwella w ramach swego doktoratu. Hertz jednak odmówił uznając, że zagadnienie jest zbyt trudne dla niego i przedstawił pracę doktorską na temat indukcji elektromagnetycznej, którą w 1880 roku z wyróżnieniem obronił na Uniwersytecie w Berlinie. W kwietniu 1886 roku Hertz prowadził prace badawcze nad indukcją elektromagnetyczną. Podczas jednego z doświadczeń oceniającego działanie cewek indukcyjnych zauważył przeskok iskry w znajdującej się w pobliżu butelce lejdejskiej. Pomiędzy cewką a butelką nie było połączenia elektrycznego, zatem energię potrzebną do przeskoku iskry musiały wywołać fale elektromagnetyczne. To niespodziewane odkrycie sprowokowało Heinricha Hertza do rozpoczęcia systematycznych badań nad zjawiskiem elektromagnetyzmu. Podczas prac badawczych zbudował urządzenie złożone z wysokonapięciowego generatora impulsów oraz iskrownika, w którym pod wpływem wysokiego napięcia powstawały wyładowania elektryczne będące źródłem fal elektromagnetycznych. O tym, że wyładowania elektryczne są źródłem fal radiowych możemy przekonać się osobiście, uruchamiając odbiornik radiowy w zakresie fal długich podczas burzy – uderzeniu pioruna towarzyszy wyraźnie słyszalny trzask w odbiorniku. Zjawisko generowania fal radiowych uczony opanował do perfekcji. Teraz musiał wymyślić sposób na wygenerowanie fali o ustalonej długości. W tym celu zbudował dipolowy rezonator złożony z dwóch dwunastometrowych przewodów elektrycznych z przerwą iskrową między nimi – w tej właśnie przerwie powstawały generujące fale wyładowania elektryczne. Przerwa miała długość 7,5 mm, a wolne końce przewodów anteny Hertz połączył z metalowymi kulami o średnicy 30 cm. Ta aparatura okazała się skutecznym nadajnikiem wysyłającym fale radiowe o częstotliwości 50 MHz. Wytworzone fale radiowe Hertz obserwował za pomocą odbiornika złożonego z kolistej anteny z sygnalizatorem w postaci mikrometrycznej przerwy iskrowej. Przeskok iskry oznaczał, że do anteny dotarła fala radiowa, a regulowana mikrometrem odległość, na jaką iskra była w stanie przeskoczyć, wskazywała na energię tej fali.
W drugiej połowie lat 80. XIX wieku Hertz przeprowadził mnóstwo badań, ustalając właściwości wytwarzanych przez siebie fal. Wyniki tych badań wysyłał do Helmholtza, który publikował je w pracach Akademii Berlińskiej. Uczony zbudował też kierunkowe źródło fal elektromagnetycznych. Otoczył swój generator parabolicznym metalowym zwierciadłem. Zbudował również działający na podobnej zasadzie kierunkowy odbiornik fal radiowych. Były to ważne narzędzia, bo mając taką ukierunkowaną wiązkę fal radiowych i kierunkowy odbiornik mógł prowadzić bardziej złożone badania. W trakcie tych badań udowodnił, że fale elektromagnetyczne odbijają się od metalowych przedmiotów. Ulegają również załamaniu tak jak światło. Wykazał, że fale te są spolaryzowane (drgania pola elektrycznego przebiegają tylko w jednej płaszczyźnie), a także wyznaczył eksperymentalnie długość wytwarzanych fal. Nakładając na siebie falę wysłaną przez aparaturę i falę odbitą od płaskiego arkusza blachy, Hertz wytworzył tak zwaną falę stojącą i zbadał jej właściwości. Nie zdawał sobie jednak sprawy z potencjału tkwiącego w jego odkryciach – pytany, do czego można zastosować odkryte fale radiowe, odpowiadał: „Sądzę, że do niczego!”.
Dziś wiemy, jaki potencjał tkwi w zjawiskach elektromagnetycznych. Odkryte przez Hertza fale znalazły zastosowanie w komunikacji między ludźmi, głównie w łączności. Bez odkrycia Hertza nie mielibyśmy radiofonii, telewizji, telefonii komórkowej, komunikacji Wi-Fi i Bluetooth. O wielkości jego odkryć niech świadczy fakt przyjęcia przez naukę jednostki częstotliwości – nazwanej na cześć uczonego „Hertzem”. To hołd oddany człowiekowi, który zrewolucjonizował łączność między ludźmi.
MACIEJ SKORASZEWSKI, Biuro PTPiREE
