Hermann von Helmholtz

  Hermann Ludwig Ferdinand von Helmholtz (* 31. August 1821 in Potsdam; † 8. September 1894 in Charlottenburg) war ein deutscher Physiologe und Physiker. Als Universalgelehrter war er einer der vielseitigsten Naturwissenschaftler seiner Zeit und wurde auch Reichskanzler der Physik genannt.

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Leben

    Hermann von Helmholtz war der Sohn von August Ferdinand Julius Helmholtz und Caroline Penne (1797-1854). Er studierte Medizin am Medicinisch-chirurgischen Friedrich-Wilhelm-Institut in Berlin. Da das Studium an diesem Institut die Verpflichtung zu einem anschließenden achtjährigen Militärdienst einschloss, diente Helmholtz ab 1843 als Militärarzt in Potsdam. 1848 wurde er auf Empfehlung Alexander von Humboldts vorzeitig aus dem Militärdienst entlassen und unterrichtete zunächst Anatomie an der Berliner Kunstakademie. 1849 erhielt er einen Ruf als Professor der Physiologie und Pathologie nach Königsberg. 1855 übernahm er den Lehrstuhl für Anatomie und Physiologie in Bonn, 1858 den Lehrstuhl für Physiologie in Heidelberg. 1870 wurde Helmholtz zum Mitglied der Preußischen Akademie der Wissenschaften ernannt.

1871 ging er als Professor für Physik an die Universität Berlin. 1888 wurde Helmholtz der erste Präsident der neu gegründeten Physikalisch-Technischen Reichsanstalt in Charlottenburg. Zu Beginn seiner wissenschaftlichen Arbeit gelangte Helmholtz durch Untersuchungen über Gärung, Fäulnis und die Wärmeproduktion der Lebewesen (die er hauptsächlich auf Muskelarbeit zurückführte) zur Formulierung des Gesetzes von der Erhaltung der Energie. In seinem Buch Über die Erhaltung der Kraft (1847) formulierte er den Energieerhaltungssatz detaillierter als Julius Robert von Mayer es 1842 getan hatte, und trug so wesentlich zur Anerkennung dieses zunächst sehr umstrittenen Prinzips bei. Durch Anwendung des Energieerhaltungssatzes auf Lebewesen widersprach Helmholtz den Vitalisten, die eine Vitalkraft als Grundkraft des Lebens annahmen. Später präzisierte Helmholtz den Energiesatz für chemische Vorgänge und führte 1881 den Begriff der freien Energie zur Unterscheidung von gebundener Energie ein.

Bereits 1842 wies Helmholtz den Ursprung der Nervenfasern aus Ganglienzellen nach. 1852 gelang ihm die Messung der Fortpflanzungsgeschwindigkeit von Nervenerregungen. Anknüpfend an diese physiologischen Forschungen beschäftigte er sich mit der Physiologie des Hörens und Sehens. Er entwickelte eine mathematische Theorie zur Erklärung der Klangfarbe durch Obertöne, die Resonanztheorie des Hörens und darauf basierend Die Lehre von den Tonempfindungen als physiologische Grundlage für die Theorie der Musik (1863). Helmholtz verhalf der von Thomas Young aufgestellten Dreifarbentheorie des Sehens zum Durchbruch, erfand 1850 das Ophthalmoskop (Augenspiegel) zur Untersuchung des Augenhintergrundes, 1851 das Ophthalmometer zur Bestimmung der Krümmungsradien der Augenhornhaut sowie 1857 das Telestereoskop.

Mit der Aufstellung der Wirbelsätze (1858 und 1868) über das Verhalten und die Bewegung von Wirbeln in reibungsfreien Flüssigkeiten lieferte Helmholtz wichtige Grundlagen der Hydrodynamik. In Untersuchungen zur Elektrodynamik suchte Helmholtz einen Kompromiss zwischen den Theorien von Franz Ernst Neumann und James Clerk Maxwell. Mathematisch ausgearbeitete Untersuchungen über Naturphänomene wie Wirbelstürme, Gewitter oder Gletscher machten Helmholtz zum Begründer der wissenschaftlichen Meteorologie.

In erkenntnistheoretischen Diskussionen setzte sich Helmholtz mit Problemen des Zählens und Messens sowie der Allgemeingültigkeit des Prinzips der kleinsten Wirkung auseinander. Auf der Grundlage seiner optischen und akustischen Untersuchungen modifizierte er den klassischen Wahrnehmungsbegriff, lehnte im Gegensatz zu Kant die Existenz fester Anschauungsformen ab, und hielt es daher für möglich, nichteuklidische Geometrien anschaulich zu machen.

Im letzten Band seines 1856-67 erschienen Werks Handbuch der Physiologischen Optik stellte er dar, welche Rolle der unbewusste Schluss für die Wahrnehmung spielt.

Aus zwei Ehen (26. August 1849 Olga von Velten (1827-1859) und 16. Mai 1861 Anna von Mohl (1834-1899)) gingen fünf Kinder (drei Söhne und zwei Töchter) hervor.

Helmholtz-Spule

  Die Helmholtz-Spule ist eine häufig verwendete, einfache Geometrie zur Erzeugung eines allseitig zugänglichen homogenen Magnetfeldes. Die Anordnung besteht aus zwei sich koaxial im Abstand gleich dem ihres Radius gegenüberstehenden Spulen mit gleicher Windungszahl.

Wenn die Einzelspulen gleichsinnig stromdurchflossen werden (+), erhält man einen großen Bereich mit konstanter Feldstärke. Werden die Spulen gegensinnig durchflossen (–), erhält man im Inneren einen konstanten Feldgradienten.

Helmholtz-Resonator

Ein zur Klanganalyse verwendeter akustischer Resonator (schwingungsfähiges System, das bei Anregung mit der Eigenfrequenz zu schwingen beginnt) besteht aus einer luftgefüllten Hohlkugel mit Öffnung. Der Helmholtz-Resonator wird heute vielseitig angewendet, z. B. bei der Resonanzaufladung in Porsche-Motoren zur Leistungssteigerung und Verbrauchsreduzierung.

Helmholtz-Differentialgleichung

Als Helmholtz-Gleichung wird die allgemeine partielle Differentialgleichung

bezeichnet. Δ ist dabei der Laplace-Operator.

Die für das Vektorpotential gültige Helmholz PDGL lautet:

Sie erscheint in der Physik und theoretischen Elektrotechnik, wenn man z.B. bei der Lösung der Wellengleichung die Trennung der Variablen vornimmt und dabei eine harmonische Zeitabhängigkeit annimmt.

Helmholtz - Überlagerungsprinzip

Sind in einem Netzwerk nur lineare Widerstände und unabhängige Quellen (Stromquellen und/oder Spannungsquellen) vorhanden, so gilt folgende Beziehung:

"Die Wirkung (= Strom oder Spannung) an einer beliebigen Stelle des Netzwerkes, die von allen Quellen hervorgerufen wird, ist gleich der Summe der Wirkungen jeder einzelnen Quelle, wenn zugleich die restlichen Quellen durch ihre idealen Innenwiderstände ersetzt werden." Ideale Spannungsquellen sind daher kurzzuschließen, ideale Stromquellen sind durch einen Leerlauf zu ersetzen.

Das Überlagerungsprinzip nach Helmholtz gilt nur für Ströme und Spannungen, nicht für Leistungen!

Siehe auch

• Helmholtz-Institut für Biomedizinische Technik – Helmholtz-Zentrum für Infektionsforschung – Helmholtz-Zentrum für Umweltforschung
• Helmholtz-Gemeinschaft – Helmholtz-Medaille
• Die vier Phasen des kreativen Prozesses
• Sätze von Helmholtz

Werke

• Über die Akademische Freiheit der deutschen Universitäten, Rede beim Antritt des Rectorats an der Friedrich-Wilhelms-Universität zu Berlin am 15. October 1877 gehalten, Nachdr. der Ausg. Berlin, Hirschwald, 1878, Hrsg.: Universitätsbibliothek der Humboldt-Universität zu Berlin 2005

• Schriften zur Erkenntnistheorie, kommentiert von Moritz Schlick und Paul Hertz, hrsg. von Ecke Bonk, Wien ; New York : Springer 1998, ISBN 3-211-82770-6

• Über die Erhaltung der Kraft (1847)/ Über Wirbelbewegungen (1858), hrsg. von A. Wangerin, 2. Aufl., Reprint der Ausg. Leipzig, Engelmann, Thun ; Frankfurt am Main : Deutsch 1996, ISBN 3-8171-3001-5

• Abhandlungen zur Philosophie und Geometrie, Hrsg. u. eingel. von Sabine S. Gehlhaar, Cuxhaven : Junghans 1987, ISBN 3-926848-00-6

• Die Lehre von den Tonempfindungen als physiologische Grundlage für die Theorie der Musik, Unveränd. Nachdr. d. Ausg. Braunschweig 1863, Frankfurt/Main : Minerva-Verlag 1981, ISBN 3-8102-0715-2

• Beschreibung eines Augenspiegels zur Untersuchung der Netzhaut im lebenden Auge, Unveränd. Nachdr. d. Ausg. Leipzig, J. A. Barth, 1910, Leipzig 1968

• Das Denken in der Naturwissenschaft, Unveränd. reprograf. Nachdr. Darmstadt : Wissenschaftliche Buchges. 1968

• Die Tatsachen in der Wahrnehmung/ Zählen und Messen erkenntnistheoretisch betrachtet, Unveränd., fotomechan. Nachdr. Darmstadt : Wissenschaftl. Buchgesellsch. 1959