ОСНОВНОЕ МЕНЮ

НАЧАЛЬНАЯ ШКОЛА

РУССКИЙ ЯЗЫК

ЛИТЕРАТУРА

АНГЛИЙСКИЙ ЯЗЫК

ИСТОРИЯ

БИОЛОГИЯ

ГЕОГРАФИЯ

МАТЕМАТИКА

ИНФОРМАТИКА

Физика и изобретение радио

Предсказание и экспериментальное обнаружение электромагнитных волн

Революционные открытия, сделанные М. Фарадеем в области электромагнетизма, находили все большее применение. Однако многие из физических вопросов открытых явлений оставались еще нерешенными. Вот почему молодой английский физик Джеймс Клерк Максвелл (1831–1879) начал новую «атаку на электричество». Кстати, заметьте такую интересную случайность: Максвелл родился в тот год, когда Фарадей открыл явление электромагнитной индукции.

Это был гениальный ученый, человек большой души и стойкости. То, что он сделал для развития физической науки, ставит его на один уровень с Ньютоном и Галилеем. О его жизненной и творческой биографии речь пойдет дальше, а сейчас подчеркнем то, что Максвелл, усвоив научные труды Фарадея, создал теорию электромагнитного поля.

Сам ученый объяснял: «Теория, которую я предлагаю, может быть названа теорией электромагнитного поля, потому что она имеет дело с пространством, окружающим электрические и магнитные тела». Суть теории заключается в том, что переменное магнитное поле создает электрическое поле, которое, в свою очередь, создает поле магнитное и т. д.

Максвелл также пришел к выводу, что должны существовать электромагнитные волны, и свет – это тоже разновидность электромагнитних волн.

Работа Максвелла «Трактат об электричестве и магнетизме», которая была напечатана в 1871 г., стала вершиной его научного творчества.


i 181

Схема опыта Г. Герца



Но любая теория переживает настоящий триумф, когда она получает подтверждение на практике, в экспериментах. Этот триумф состоялся благодаря экспериментальным исследованиям немецкого физика Генриха Герца (1857–1894). Это он в 1888 г. открыл электромагнитные волны, предвестником их существования являлся Максвелл.

Источником, который в опытах Герца излучал электромагнитные волны, был проводник, подключенный к высоковольтной катушке (вибратор). Проводник был разрезан пополам; при электрических колебаниях в этом месте проходил электрический разряд (искра). Приёмником колебаний (резонатором), которые при этом возникали и распространялись вокруг, был такой же провод.

В своих экспериментах Герц не только открыл электромагнитные волны, но и исследовал их важнейшие свойства. К сожалению, выдающийся ученый рано умер: ему исполнилось лишь 37 лет…

От физики к радиотехнике

Опыты Герца привлекли внимание ученых всего мира. В физических кабинетах многих стран начали проводить различные эксперименты по воспроизведению этих опытов. Поскольку приёмник Герца был недостаточно чувствительным, ученые пытались создать более совершенный приемник электромагнитных волн. Среди первых ученых, которые начали изучать опыты Герца, были англичанин Оливер Лодж и россиянин Александр Степанович Попов.

Лодж при воспроизведении опытов Герца предложил в качестве индикатора (приемника) использовать прибор, описанный в 1891 г. французским физиком Бранли. Этот прибор представлял собой стеклянную трубку с металлическими опилками, которые под действием электромагнитных волн резко уменьшали свое электрическое сопротивление. Эту трубку Лодж назвал «когерером» (от латинского слова cohere – сцеплять, связывать).

Введя когерер в схему своей установки (1894), Лодж немного увеличил дальность приема электромагнитных волн, но не выходил за пределы лаборатории. Еще одной проблемой установки было то, что для восстановления чувствительности когерера (опилки под действием электромагнитных волн будто бы слипались и уже не могли служить индикатором) его необходимо было встряхивать, это было осуществлено Лоджем с помощью часового механизма.

А. С. Попов, воспроизводя опыты Герца, на одной из публичных лекций в 1889 г., отметил возможность применения электромагнитных волн для передачи сигналов на расстояние. Он понимал, что решение этой задачи невозможно без существенного усовершенствования принимающей схемы. Изучив работы Бранли и Лоджа, Попов взялся за разработку еще более чувствительного когерера.


i 182

Когерер



Попов искал автоматический метод, позволяющий восстанавливать чувствительность когерера после каждого принятого сигнала. Вследствие многочисленных экспериментов он разработал метод периодического встряхивания когерера с помощью молоточка звонка и применил электромагнитное реле для включения цепи этого звонка.

Схема, разработанная А. С. Поповым, имела большую чувствительность, и уже в 1804 г. он смог с ее помощью принимать сигналы на расстоянии нескольких метров. Во время этих опытов А. С. Попов обратил внимание на то, что дальность действия приемника заметно увеличивается при присоединении к когереру вертикального провода. Это была приемная антенна, благодаря использованию которой А. С. Попов внес существенные улучшения в условия работы приемника.

Работы А. С. Попова в этом направлении привели его к созданию прибора для обнаружения электромагнитных волн, по сути это был первый радиоприемник.

Этот прибор был устроен следующим образом: чувствительная трубка с металлическими опилками (когерер) размещалась в горизонтальном положении на часовой пружине между зажимами, к выводу трубки присоединялся кусок проволоки, представляющий собой приемную антенну. Электрический ток от батареи замыкался через чувствительную трубку и электромагнитное реле; вследствие большого сопротивления опилок трубки (до 100 000 Ом) ток в цепи батареи был недостаточен для притяжения якоря электромагнитного реле.

Как только на трубку действовала электромагнитная волна, опилки слипались, сопротивление трубки значительно уменьшалось, ток в цепи возрастал, и якорь реле притягивался. При этом начинал звонить звонок. Молоточек звонка при возвращении в исходное положение ударял по трубке, и она снова становилась чувствительной к электромагнитным волнам.

Седьмого мая 1895 г. А. С. Попов демонстрировал работу радиоприемника во время своего доклада на заседании Физического отделения Русского физико-химического общества.

Статья А. С. Попова с описанием конструкции приемника была опубликована в журнале Русского физико-химического общества в январе 1896 г.

Заметьте, что первая радиограмма, которую передал и принял Попов, состояла из двух слов: «Генрих Герц». Этим А. С. Попов продемонстрировал значимость трудов этого ученого для разработки нового направления науки.

Убедившись, что приемник реагирует на грозовые разряды, Попов создал второй прибор – «грозоотметчик», оборудованный специальным пишущим аппаратом, который регистрировал сигналы на ленте. В 1895–1896 гг. «грозоотметчики» Попова уже получили практическое применение. Один «грозоотметчик» был установлен Поповым в Нижнем Новгороде на электростанции для предупреждения о приближении грозы, второй, наряду с другими метеорологическими приборами, – в Петербургском лесном институте.

Непрерывно работая над совершенствованием своего прибора, Попов в сентябре 1895 г. присоединил к схеме аппарат Морзе и ввел запись на ленту. Так был создан приемник с записью сигналов азбукой Морзе.


i 183

Схема приемника А. Попова



В марте 1896 г. на заседании Русского физико-химического общества в Физическом кабинете Петербургского университета А. С. Попов демонстрировал первую в мире радиотелеграфную передачу на расстояние 250 м, а в 1897 г. им была осуществлена радиосвязь между несколькими кораблями Балтийского флота на расстоянии до пяти километров.

А. С. Попов и его сотрудники продолжали работать над совершенствованием радиоприемника, и в 1899 г. они установили возможность приема радиосигналов на слух с помощью телефона, включенного последовательно с когерером, – это сразу увеличило дальность радиосвязи.

В 1897 г. А. С. Попов обнаружил, что на радиосвязь между двумя кораблями влияет третье судно, проходя между этими кораблями и пересекая направление связи, и это натолкнуло ученого на мысль о том, что явление отражения радиоволн может быть использовано для обнаружения морских судов. Именно оно и лежит в основе современной радиолокации.

Преимущества беспроводной радиосвязи были наглядно продемонстрированы в конце 1899 г. в связи с аварией броненосца «Генерал-адмирал Апраксин», севшего на камни у острова Гогланд. Необходимо было в короткие сроки наладить связь с кораблем, удаленным на 43 км от ближайшего прибрежного пункта Котка, где была телеграфная станция. Несмотря на большие трудности, А. С. Попов вместе со своим помощником П. Н. Рыбкиным установил станции на Гогланде и Котке и обеспечил между ними надежную радиосвязь. Таким образом, А. С. Попов осуществил радиосвязь на относительно большом расстоянии и при этом не только в целях эксперимента, но и для практических потребностей.

Следует остановиться и на роли, которую сыграл в изобретении радио итальянский изобретатель и предприниматель Гульельмо Маркони (1874–1937). В июне 1897 г. он получил в Англии патент на способ передачи электрических импульсов и сигналов и аппарат для этого. Однако в течение длительного времени в прессе не появлялось описания этого устройства. А когда была опубликована схема устройства Маркони, предназначенная для приема, стало совершенно очевидным, что она идентична схеме приемника Попова.

Принятые сигналы можно было также записывать на ленту с помощью аппарата Морзе, присоединенного к схеме. В качестве передатчика Маркони использовал вибратор Герца, усовершенствованный итальянским профессором Риги. Этот вибратор позволял получать волны сравнительно малой длины (около 1,2 м). К передатчику и приемнику присоединялись антенны и заземление, что способствовало радиосвязи на значительных расстояниях. С помощью описанной схемы летом 1897 г. Маркони осуществил радиосвязь на расстоянии девяти миль.

Попов или Маркони?..

Патент был выдан Г. Маркони согласно английскому законодательству, которое не требовало установления научного новшества. В других странах – Франции, Германии, США, России – Г. Маркони было отказано в патентовании со ссылкой на приоритет (первенство) А. С. Попова. Первое публичное сообщение о приборах Г. Маркони было сделано главным инженером службы английских правительственных телеграфов В. Г. Присом 4 июня 1897 г. О более ранних опытах у Г. Маркони нет ни документов, ни публикаций, раскрывающих конструкцию приборов. Однако следует отметить, что, хотя, скорее всего, Маркони нельзя считать изобретателем радио, его заслуги в увеличении дальности передачи сигналов, освоении промышленного производства радиоаппаратуры, а также последующем ее совершенствовании бесспорны.

А. С. Попов, оценивая приёмник Маркони, писал в петербургской газете «Новое время»: «В июне 1897 г. Прис опубликовал новые результаты опытов Маркони и подробности приборов. При этом оказалось, что приёмник Маркони по своим составляющим частям одинаков с моим прибором, построенным в 1895 г.». Вместе с тем в ряде своих выступлений Попов отмечал, что чувствительность прибора Маркони немного больше и что есть отличие в опытах Маркони и его исследованиях, которое заключается в том, что Маркони использовал явление резонанса.


i 184

Приемник Г. Маркони



По словам известного физика и историка физики Л. И. Мандельштама, «…настоящим изобретателем можно считать того, кто дал идее конкретное осуществление….после чьих работ не остается сомнения в том, что поставленная практическая цель достигнута…». Это в полной мере относится к работе А. С. Попова, потому что именно он впервые дал техническое решение, вполне пригодное для радиосвязи. С появлением прибора А. С. Попова заканчивается период научного и технического поиска и начинается процесс совершенствования первого действующего беспроводного устройства связи, а также разработка принципиально новых устройств, то есть процесс развития радиотехники.

А. С. Попов не получил патента, но по российскому законодательству он может считаться изобретателем, поскольку раскрыл сущность своего устройства для широкого круга лиц с достаточными для воспроизведения подробностями. Согласно положениям изобретательского права, известные ранее элементы, входящие в устройство Попова, нельзя трактовать как прототипы (предшественники), поскольку новый эффект в его изобретении создается совокупным применением этих элементов. Именно совокупность элементов позволила создать первое действующее радиоустройство.

Всякая наука, которая последовательно развивается, только потому и растет, что она нужна человеческому обществу.

С. И. Вавилов

Как видно из ряда материалов о деятельности Г. Маркони, он настойчиво стремился добиться, прежде всего, увеличения дальности связи. В 1899 г. он совершил радиосвязь между Англией и Францией (на расстоянии более 30 миль). В январе 1901 г. он установил беспроводной контакт между некоторыми пунктами на побережье Англии, находящимися друг от друга на расстоянии 186 миль. В конце того же года, находясь в Сент-Джоне на острове Ньюфаундленд, Маркони принял сигнал, переданный через Атлантический океан из Корнуолла (Великобритания). Сигнал преодолел расстояние в 2100 миль!

В 1902 г. Маркони передал первый беспроводной сигнал через Атлантику с запада на восток. Позже, в 1905 г., он получил патент на направленную передачу сигналов.

Конечно, условия работы Маркони и Попова были совершенно разными. Маркони поддерживали крупные английские промышленники, он имел в своем распоряжении огромный капитал, большое количество сотрудников и все условия для работы, тогда как А. С. Попов был ограничен в средствах для проведения экспериментов и только в 1902 г. организовал в Кронштадте небольшую мастерскую с очень незначительным по масштабам производством радиостанций. Отсталая промышленность дореволюционной России не могла развернуть большое производство радиоаппаратуры, поэтому и находилась изначально в большой зависимости от иностранного капитала.

Многие исследователи жизни и научной деятельности А. С. Попова считают, что если бы ученый не умер (а это произошло в 1906 г.), он получил бы Нобелевскую премию 1909 г. вместе с Г. Маркони и Ф. Брауном.

Отдавая должное теоретическим исследованиям Майкла Фарадея, Генриха Герца и других предшественников Маркони, Ганс Хильдебрандт из Шведской Королевской академии во время награждения Нобелевской премией отметил, что «главное (кроме необузданной энергии, с которой Маркони шел к им самим поставленной цели) было достигнуто, когда Маркони благодаря природным способностям смог воплотить всю систему в виде компактной, пригодной для практического использования конструкции».

Во время Первой мировой войны Маркони выполнял ряд военных миссий и в итоге стал командующим итальянского военно-морского флота. Руководил он и программой по телеграфии для обеспечения итальянских вооруженных сил. В 1919 г. его назначили полномочным представителем Италии на Парижской мирной конференции. От имени Италии Маркони подписал договоры с Австрией и Болгарией.

Превратив свою паровую яхту «Элеттру» в домашнюю лабораторию и рабочий кабинет, Маркони в 1921 г. принялся интенсивно исследовать коротковолновую телеграфию. К 1927 г. компания Маркони развернула международную сеть коммерческой коротковолновой телеграфной связи. В 1931 г. Маркони исследовал передачу микроволн и в следующем году установил первую радиотелефонную микроволновую связь. В 1934 г. он продемонстрировал возможность применения микроволновой телеграфии для нужд навигации в открытом море.




Первое десятилетие после изобретения радио характеризуется интенсивными исследованиями, направленными на совершенствование генераторов и приемников электромагнитных волн. Без этих усовершенствований развитие беспроводной телеграфии было невозможным. Искровые передатчики страдали существенными недостатками, которые усугублялись отсутствием устройств для настройки приборов. Что касается приемников, то когерер не мог обеспечить устойчивость и надежность приема.

Вследствие многочисленных исследований, проведенных в конце XIX – начале XX в. учеными и изобретателями разных стран, были созданы более совершенные конструкции радиопередающих и радиоприемных устройств.

…Истинной темой исследования для человечества является человек.

Дж. К. Максвелл

После открытия возможности приема радиосигналов на слух, по телефону, начинают разрабатываться приборы для выделения звуковых колебаний из высокочастотных. Такими приборами были детекторы – устройства, пропускающие ток в одном направлении. Уже в начале XX в. применяют кристаллические детекторы. Между прочим, Попов в 1900 г. заменил когерер детектором, состоящим из пары «уголь – сталь». Но кристаллический детектор – прибор малочувствительный, он может применяться только при передаче мощных сигналов на небольшое расстояние.

Дальнейшие успехи в области радиотехники были неразрывно связаны с развитием электроники и электровакуумных приборов. Полный переворот в развитии радиотехники состоялся в связи с изобретением электронной лампы, получившей широкое распространение в радиопередающих и радиоприемных устройствах.

Согласитесь, что нашу современную жизнь сейчас невозможно даже представить без радио, телевидения, спутниковой связи, мобильных телефонов!.. Все это возникло благодаря физическим исследованиям выдающихся ученых и техническим разработкам, основанным на результатах этих исследований.

И в конце – исторический анекдот из жизни физиков.

Вспоминает академик В. И. Векслер:

«Во время Первой мировой войны Сергей Иванович Вавилов был в армии, и по долгу службы ему пришлось принимать имущество полевой радиостанции тогдашнего примитивного типа. В описи, выполненной очень аккуратно каким-то писарем и содержавшей перечень оборудования, за номером таким-то каллиграфическим почерком значилась следующая формулировка: «непонятное в баночке». Естественно, что это возбудило у Сергея Ивановича любопытство, и он установил, что такое «оригинальное определение» писарь дал когереру, хорошо известному всем физикам.

Это определение – «непонятное в баночке» – стало очень популярным среди физиков и, по существу, превратилось в имя нарицательное».

 

Поиск

ФИЗИКА

ХИМИЯ

Поделиться

Яндекс.Метрика

Рейтинг@Mail.ru