Дата: 1888.
Методи: здебільшого кількісне дослідження, яке направляється теоретичних побудов; використання явища резонансу.
Прямота експерименту: спостереження завдяки резонансу в коливальному контурі; експеримент містить великий теоретичний пласт.
Штучність досліджуваних умов: експериментальні умови (спеціально виготовлений вібратор).
Досліджувані фундаментальні принципи: закони випромінювання, поширення електромагнітних хвиль і їх властивості.
Перші в історії досліди, які підтвердили припущення про існування і можливості генерації електромагнітних хвиль, були проведені Генріхом Рудольфом Герцем (1857-1894; портрет зліва). Треба сказати, що електромагнітна природа світла була остаточно встановлена набагато пізніше; в дослідах Герца створювалися хвилі метрового і дециметрового діапазону, в той час як для світла довжина хвилі становить приблизно полмікрометра.
Треба мати на увазі, що завдання про створення діючого генератора електромагнітних хвиль і дослідженні властивостей останніх була поставлена ще теоретиком Джеймсом Клерком Максвеллом (1831-1879; портрет праворуч), який приблизно в 1861-1864 рр. запропонував рівняння для електромагнітного поля. Після формулювання цих рівнянь був оголошений конкурс на експериментальне підтвердження існування електромагнітних хвиль, що слідував з рівнянь Максвелла. Цей конкурс і виграв Генріх Герц. Проте, слідуючи історичній послідовності подій, ми почнемо наше виклад з рівнянь Максвелла.
За часів молодості Максвелла у фізиці панували два погляди на електромагнітне поле: концепція дальнодействия (Ампер, Вебер) і концепція силових ліній (Фарадей). Згідно з останньою з них, силові лінії поля представляли собою подоби пружних шнурів, які не могли передавати взаємодія нескінченно швидко. Поєднавши такий погляд з гідродинамічними уявленнями, які в ті часи вже були розвинені достатньою мірою, Максвелл запропонував систему рівнянь, які могли мати ефіродінаміческую (пов'язану течіями в ефірі) інтерпретацію:
тут 
- напруженості електричного і магнітного полів, 
- вектори індукції (зсуву) електричного і магнітного полів, 
- щільність заряду і струму провідності, 
- швидкість світла. У вакуумі 
, А для електромагнітного поля в речовині до рівнянь Максвелла необхідно додати матеріальні рівняння, що виражають зміщення через напруженості і параметри середовища (температуру 
, тиск 
та ін.):
У досить хорошому наближенні для ізотропних нерухомих речовин без дисперсії ці рівняння можна звести до введення діелектричної 
і магнітної 
проницаемостей:
Цікаво, що саме слово «зсув» (англ. Bias) було введено Максвеллом і мало на увазі зміщення щодо ефіру. За більш детальною інформацією по рівняннях Максвелла читач може звернутися до богопосвяченого їм статті у Вікіпедії .
Важливо відзначити, що рівняння Максвелла з'явилися узагальненням накопичених до нього відомостей про електрику і магнетизм. Наприклад, перше рівняння є не що інше, як закон Гаусса , Записаний в диференціальної формі. Цей закон говорить, що потік вектора електричного зміщення через замкнуту поверхню дорівнює повному електричномузаряду, який лежить в обсязі, об'емлемом даної поверхнею, помноженому на 
. Друге рівняння Максвелла є формулювання закону електромагнітної індукції Фарадея в термінах вихрового електричного поля (див. розділ про відкриття закону Фарадея ). Третє рівняння Максвелла є твердженням відсутності магнітних зарядів (пор. З першим рівнянням, яке говорить, по суті, що лінії електричного зміщення 
починаються на позитивних і закінчуються на негативних зарядах).
Четверте ж рівняння є узагальненням закону Ампера : Якщо прибрати з нього останній доданок, що містить похідну електричного зміщення, то вийде якраз закон Ампера (див. Також статтю у Вікіпедії про цей закон ), Який стверджує, що лінії магнітного поля закручуються навколо ліній струму. Введення цього доданка по праву є заслугою самого Максвелла, і, швидше за все, вводячи його, він дотримувався наступної логіки. Електричні заряди, як передбачалося, нікуди не повинні зникати і не можуть з'являтися з нічого (т.зв. закон збереження заряду). Математично це означає, що на щільності заряду і струму накладено рівняння непереривання :
Переписавши це рівняння в інтегральному вигляді для обсягу 
і його поверхні 
, Ми розуміємо, що воно стверджує цілком очевидне: заряд в об'ємі змінився за одиницю часу рівно на стільки, скільки його витекло через поверхню цього обсягу,
Однак якщо взяти четверте рівняння Максвелла без останнього доданка і застосувати до нього оператор дивергенції, то з урахуванням 
ми отримаємо 
, Що не збігається з рівнянням безперервності в загальному випадку. У вигляді ж, запропонованому Максвеллом, з використанням першого його рівняння, рівняння безперервності в точності відтворюється.
Цікаво, що в певному сенсі слова можна сказати, що існування електромагнітних хвиль Максвелл «вивів» із закону збереження заряду. Дійсно, саме введене ним в закон Ампера доданок призводить до хвилевого рівняння. Якщо розглянути рівняння Максвелла у вакуумі ( 
), І подіяти ротором на четверте рівняння, то з урахуванням другого і третього ми отримуємо хвильове рівняння для магнітного поля:
рівняння 
виходить аналогічно, крім того, неважко показати, що хвилі електричного поля обов'язково супроводжує хвиля магнітного і навпаки. З хвильових рівнянь також випливає, що швидкість поширення електромагнітних хвиль у вакуумі дорівнює . Мабуть, найпростішим рішенням хвильового рівняння є плоска хвиля з хвильовим вектором 
і частотою 
:
де вектор 
повинен бути перпендикулярний хвильовому вектору.
Необхідно відзначити, що до часу проведення експериментів Герца існували непрямі докази існування електромагнітних хвиль, а саме непрямі докази електромагнітної природи світла. По-перше, швидкість світла у вакуумі виходила рівною тій, яка може бути обчислена з електродинаміки Максвелла. По-друге, швидкість світла в діелектриках була пропорційна кореню з діелектричної проникності, як це і передбачали рівняння Максвелла (хоча Максвелл справедливо зауважував, що для частот, характерних для світла, діелектрична проникність не зобов'язана дорівнювати своєму статичному значенням, яке легко виміряти). Проте, свідоцтв існування і можливості генерації несвітлових хвиль електромагнітної природи поки не було.
Розмірковуючи про можливість генерації хвиль, Герц створив теорію дипольного випромінювання, тобто випромінювання диполя , Полюса якого періодично міняються місцями. Класична теорія випромінювання до 1920-х років практично тільки і обмежувалася розрахунками Герца. Лінії електричного поля навколо диполя через кожні чверть періоду, отримані Герцем, зображені на малюнку справа.
Герц зрозумів, що в якості такого диполя могли виступати пластини періодично перезаряджати конденсатор. Однак було відомо, що коливання заряду на його обкладках можуть виникнути, якщо скласти з нього коливальний контур, тобто підключити паралельно йому котушку індуктивності. У такій системі виникали коливання електричного струму з частотою
а, з іншого боку, з розрахунків Герца випливало, що потужність дипольного випромінювання пропорційна четвертого ступеня частоти коливань диполя. Звідси випливало, що необхідно побудувати контур з великою власною частотою коливань, чого можна було досягти, зменшуючи його ємність і індуктивність. Однак в ті часи коливальні контури, що містять лейденську банку (конденсатор) і котушку володіли дуже малою добротністю (коливання швидко згасали) і частотою не більше мегагерци. Тут Герц прийшов до концепції відкритого коливального контуру - двох провідних кульок, з'єднаних провідником. Кульки виступали в якості конденсатора, провід - індуктивності, при цьому і ємність, і індуктивність були малими, отже, власна частота 
коливань - великий. Гранична ідеалізація відкритого коливального контуру - це лінійний шматок дроту або два шматочки дроту, між якими є повітряний проміжок (див. Рис. Справа). Такий контур, якщо порушити в ньому коливання, буде володіти вагається з частотою 
електричним дипольним моментом, тому, відповідно до теорії Герца, повинен випромінювати електромагнітні хвилі тієї ж частоти.
Результатом цих технічних і теоретичних міркувань з'явився вібратор Герца - два шматочки дроту, на кінцях яких були провідні кульки (див. Рис. Зліва). До цих двох шматках дроти підключалася вторинна обмотка трансформатора T, так що при замиканні ключа К на вібратор подавався імпульс високої напруги, який пробивав простір між кульками. Проскочила іскра (короткочасний імпульс струму) порушувала коливання в вібраторі, які супроводжувалися випромінюванням хвиль; частоти хвиль досягали 500МГц. Реєструвати такі хвилі вже можна було в межах лабораторії, оскільки їх дини були від декількох метрів до дециметрів (для порівняння: старі коливальні контури могли дати хвилі з довжиною не менше 300м). Реєстрував випромінюються хвилі Герц за допомогою резонатора Р - проводить кільця з кульками на кінцях, між якими було дуже маленьке відстань (аж до мікрометра). Що проходять через резонатор електромагнітні хвилі викликали в ньому коливання струму, при цьому якщо частота хвилі була близька до власної частоти резонатора, виникав резонанс, і зросле амплітудне напруга могло призводити до пробою іскрового проміжку в резонаторі. 
Саме по виникненню іскри між кульками резонатора Герц робив висновок про порушення електромагнітних хвиль.
Також Герц використовував вібратори трохи іншої конструкції: зовнішні кульки були замінені пластинами (див. Рис. Справа). Такий вібратор дозволяв створювати більш поляризоване випромінювання.
З використанням зроблених їм джерела і датчика електромагнітних хвиль Герц виявив спочатку сам факт їх випромінювання, а потім експериментально підтвердив припущення, що для хорошого прийому електромагнітних хвиль, випромінюваних вібратором, він і резонатор повинен бути співналаштуватися, щоб в останньому виник резонанс і проскочила іскра. 
Також з'ясувалося, що вібратор проявляє найкращі якості випромінювача, якщо відстань між зовнішніми його кульками дорівнює половині довжини хвилі випромінюваних хвиль. Саму цю довжину хвилі Герц виміряв, поставивши вібратор У навпроти металевого дзеркала З, який представляв собою цинковий лист (див. Рис. Зліва). Інтерференція падаючої і відбитої хвиль приводила до утворення стоячої хвилі: в деяких точках коливання електромагнітного поля були відсутні, а десь мали виражений характер. Відповідно, в інтерференційних максимумах в резонаторі спостерігалося іскроутворення, в мінімумах - немає. Вимірявши відстань між максимумами, Герц обчислив довжини хвиль, випромінюваних вібратором. Спочатку довжина цих хвиль становила близько 10 метрів. Але Герцу було цікаво вивчити явища, характерні для світла, такі як переломлення і поляризація. Для цього бажано було зробити довжину хвилі набагато менше розмірів лабораторії - і він домігся цього, зменшивши довжини хвиль до 30 сантиметрів. Знаючи довжину випромінюваних хвиль 
і обчисливши частоту коливань свого вібратора , Герц отримав швидкість електромагнітних хвиль:
Ця швидкість збіглася зі швидкістю світла у вакуумі, що стало сильним аргументом на користь електромагнітної природи світла.
У дослідах по відображенню хвиль Герц використовував два параболічних цинкових дзеркала, в фокуси яких містилися вібратор і резонатор, а також плоский лист цинку, від якого повинен був відбиватися паралельний пучок, створений параболічних дзеркалом (див. Рис. Справа). Тут іскри в резонаторі спостерігалися тоді, коли виконувався закон відображення: кут падіння 
дорівнював куту відбиття.
Поляризацію електромагнітних хвиль Герц вивчав з допомогою спеціальної решітки з паралельних мідних проводів-прутів (див. Рис. Зліва). З точки зору теорії, при проходженні через цю решітку хвиль з вектором електричного поля, паралельним прутів, в останніх порушувалися струми, і енергія хвилі йшла в джоулево тепло. Якщо ж електричне поле було поляризоване перпендикулярно прутів, цього не відбувалося, і хвиля безперешкодно проходила через решітку. Під час експерименту Герц помітив, що при приміщенні решітки між вібратором і резонатором паралельно їм в останньому переставали проскакувати іскри; якщо ж перпендикулярно їм, це практично не позначалося на інтенсивності іскроутворення. Якщо грати поміщали під кутом до вібратора, то вона «вирізала» з падаючої хвилі поляризацію з електричним полем, перпендикулярним її прутів, і за гратами існувала вже лінійно поляризована хвиля, що і зображено на малюнку.
Нарешті, переломлення хвиль досліджувався на асфальтовій призмі в формі рівнобедреного трикутника з бічними ребрами 1,2м, підставою 1,5м і вагою понад тонну (див. Рис. Справа).
Значення дослідів Герца для електродинаміки і фізики в цілому важко переоцінити. По-перше, був створений перший зразок генератора СВЧ-випромінювання і за допомогою нього продемонстрована принципова можливість генерації і прийому електромагнітних хвиль. Спостерігалася здатність цих хвиль проходити через непрозорі суцільні предмети (наприклад, асфальтову призму), що відкривало привабливі перспективи для бездротової передачі інформації і, можливо, енергії. По-друге, були всебічно досліджені властивості отриманих в експерименті хвиль і доведено, що спостерігаються всі властивості, характерні для світла. По-третє, експерименти були опосередковані розвиненою Герцем теорією дипольного електромагнітного випромінювання. Цей вид випромінювання дійсно є домінуючим для всіх процесів, в яких розмір випромінюючої області набагато менше довжини хвилі випромінювання, зокрема, для атомів і вільних нерелятівістскіх електронів. Важлива роль теорії в дослідах Герца має велике значення для підтвердження рівнянь Максвелла, на яких були засновані вишукування Герца. Необхідно відзначити, що за часів появи теорії Максвелла вкрай популярною була теорія Вебера з дальнодействием, яка з сучасної точки зору є неприйнятною. Навпаки, рівняння Максвелла є локальними, і поширення імпульсів в його теорії може відбуватися тільки з кінцевою швидкістю.
Також, хоча це і не було відразу ж усвідомлено, рівняння Максвелла послужили своєрідним мостом до теорії відносності А. Ейнштейна . Дійсно, ці рівняння мали особливим видом симетрії - Лоренц-інваріантність - тобто залишалися справедливими при переходах між інерційних системах відліку, переймався не перетворенням Галілея, а перетворенням Лоренца, характерним для спеціальної теорії відносності. Те, що теорія Максвелла має відношення до останньої, не дивно, адже вона описує поширення хвиль з самої що ні на є релятивістської швидкістю - швидкістю світла у вакуумі. Послідовно застосувавши до електродинаміки Максвелла постулат про незалежність фізичних законів від обраної системи відліку, Ейнштейн прийшов до висновку, що цей постулат тягне за собою перетворення Лоренца. Зокрема, в системах відліку, що рухаються один щодо одного, час тече з різною швидкістю, а поняття одночасності є відносним. Крім того, швидкість світла всупереч здоровому глузду не змінюється при переході до рухається системі відліку (див. розділ про експеримент Майкельсона-Морлі , Який підтвердив цей факт). Ці та інші релятивістські ефекти будуть детально описані в розділі «Спеціальна теорія відносності» .