Текст книги "У истоков изобретения радио"

А.В. Блохин
У истоков изобретения радио

Предисловие

В 2015 году исполнилось 120 лет со дня возникновения самого быстрого и в большинстве случаев не знающего расстояний средства обще-

н ия между людьми – радио. Начав с выполнения этой весьма важной, но все же ограниченной функции в человеческом обществе и значительно развив ее впоследствии, радиотехника в наше время превратилась в широчайшую техническую отрасль – радиоэлектронику, глубоко проникающую во многие другие области практической деятельности человека и ставшую средством познания мира.

Наиболее близко к изобретению радио были работы знаменитого во всем мире немецкого физика-экспериментатора Генриха Герца, открывшего в 1886 году «волны Герца». Так называли тогда радиоволны. В пособии также излагаются основные идеи, приборы и имена исследователей, способствующих появлению радиосвязи. Радио возникло из практической электротехники, или научных исследований по электромагнетизму, поэтому подробно рассматриваются результаты исследований физиков и электриков XVIII и XIX веков, являющиеся так или иначе предшественниками изобретения радио, определяющие научные и технические возможности появления и осуществления великого изобретения.

Предназначается студентам радиотехнических специальностей как учебное пособие к дисциплинам «Введение в специальность», «История и методология науки и техники», выпускникам радиотехнического факультета для «освежения» памяти о нашем знаменитом земляке А. С. Попове – изобретателе радио.

Пособие может быть полезным при профориентационной работе среди школьников и абитуриентов.

Автор крайне благодарен А. В. Аминеву за помощь в подборке материала и подготовке его к публикации и О. А. Гусеву за редактирование учебного пособия.

Введение

С незапамятных времен человечество в своей практической коллективной деятельности стремилось использовать различные средства связи

( способы передачи информации) между отдельными людьми или их группами. Первоначально эти средства основывались на применении таких физических явлений, как свет и звук, превращаемых в условные знаки, воспринимаемые нашими органами чувств – зрением и слухом. По мере развития техники к числу подобных физических посредников прибавилось электричество. Применение его для связи происходило вначале путем использования распространения электрического тока по металлическим проводам или через проводящую почву, далее – на основе электростатической или электромагнитной индукции, позже – по способу трансформации электрической энергии в световую (электросветовая сигнализация) и, наконец, при помощи электромагнитных колебаний. «Быстрота, с которой распространяются свет, электричество, гальванизм и магнетизм, представлялись всегда как средства, чтобы передавать известия, которые бы требовалось сообщить с возможной поспешностью», – сказал в начале XIX столетия русский ученый П. Л. Шиллинг. Но что касается реализации указанной идеи, то это оказалось не столь уж легким делом, как могло показаться вначале. Даже для создания первых электромагнитных проводных телеграфов потребовалось несколько десятков лет от первоначальных попыток подобного рода, не говоря уже о беспроводных электрических способах связи [1].

Решающим шагом, на долгие годы определившим весь дальнейший прогресс проводной электротелеграфии, а затем и радиотелеграфии, была разработка в 1828 г. упомянутым выше П. Л. Шиллингом первого телеграфного кода, впоследствии, в 1858 г., превращенного в так называемый «кабельный код», и появление в 1844 г. кода Морзе, позже, в 1854 г., положенного в основу кода Европейского телеграфного союза. Наличие кодов было большим достижением человеческой мысли, исключавшим при создании радиосвязи необходимость поисков рациональных способов использования посылок электрической энергии для передачи информации по одному каналу.

Но не только в этом заключалось воздействие проводной связи на радиосвязь.

Развитие проводной телеграфии повлияло на оформление техники связи без проводов и в другом отношении. Широкое использование в проводной телеграфии задолго до появления радио таких устройств, как реле, мультипликаторы, а также применение записи сигналов на ленту направляли мысль изобретателя на использование всего этого в схемах для приема и воспроизведения, передаваемых без проводов электрических посылок и тем самым существенно облегчали создание индикаторных элементов будущих радиоприемников.

Проводная электросвязь, возникшая намного раньше радиосвязи, не могла удовлетворить многим потребностям людей в способах их быстрого общения между собой. Ее основные ограничения: необходимость сооружения дорогостоящих линий (наземных, подземных или подводных) и невозможность применения в движении – остаются неизменными и поныне. В связи с этим еще до изобретения радио делались попытки найти электрические способы связи на расстоянии без металлических проводов. Явление проводимости почвы и воды с этой целью пытались использовать: в 1838 г. К. Штейнгейль (1801– 1870 гг.), в 1842 г. С. Морзе (1791–1872 гг.), в 1880 г. Д. Троубридж (1843–1923 гг.) и, наконец, в 1886–1887 гг. В. Прис (1834–1913 гг.). Принципы электростатической и электромагнитной индукции в своих опытах по связи применяли в 1879– 1880 гг. Д. Юз (1831–1900 гг.), в 1885 г. Т. Эдисон (1847–1931 гг.) и в 90-х годах тот же В. Прис. Но малая дальность действия приборов, основанных на этих способах, весьма ограничила круг их практического использования (позднее ведущий кабель в морской навигации, схемы подслушивания и ближней связи в армии) [2]. Электросветовая сигнализация прежде всего и больше других получила распространение на флоте. Уже в 1877 г. на Черном море будущим адмиралом С. О. Макаровым проводились опыты по осуществлению относительно дальней связи с помощью лучей прожектора, направляемых в небо. Таким способом удавалось иметь связь между Одессой и Очаковым на расстоянии 50 миль. В 1881 г. на Парижской электротехнической выставке в числе флотских экспонатов был «сигнальный фонарь со свечой Яблочкова». В 1884 г. лейтенант Е. П. Тверитинов разработал и осуществил систему «дальней» сигнализации с помощью гирлянды из 40 электрических ламп накаливания, поднимаемой воздушным шаром на высоту 20–80 м. Видимость такого сигнального устройства достигала 30–35 км. Но все эти способы сигнализации и связи были ограничены сравнительно небольшими дальностями действия, и надежность их в сильной степени зависела от метеорологических условий.

К концу XIX столетия потребность в связи без проводов, не зависимой от погоды, на больших расстояниях стала совершенно очевидной: в ней в первую очередь нуждались мореплаватели и военные флоты. И если в рассматриваемое время достаточно совершенные электрические методы связи в виде телеграфа и телефона могли удовлетворять потребности в быстрой и надежной связи на суше, то ничего подобного для морских условий тогда не существовало. Кроме того, еще были живы в памяти величайшие трудности и огромные затраты, связанные с прокладкой и эксплуатацией первых трансатлантических кабелей (1857–1866 гг.). Для крупных капиталистических стран была необходима также постоянная, надежная и быстродействующая связь с колониями и другими отдаленными от метрополий географическими пунктами, важными в политическом или военном отношении.

Как правило, первые шаги во вновь зарождающихся областях техники обычно связаны с предыдущими научными и техническими достижениями, относящимися иной раз к различным разделам человеческих знаний и практики, в каждой технической области всегда можно найти определенную физическую основу.

Такой основой для возможности появления радиотехники послужило электромагнитное поле.

Учение об этом поле, до того как оно нашло себе техническое применение, разрабатывалось многими выдающимися учеными на протяжении почти полустолетия. Еще в 1831 г. М. Фарадей (1791–1867 гг.) в своих «Экспериментальных исследованиях по электричеству» заложил начала наших представлений о воздействии электрических токов, приводящих «находящуюся в непосредственной близости от них материю в некоторое особое состояние, которое до того было безразличным». Дж. Максвелл (1831–1879 гг.) в 1864 г. пришел к мысли о единстве природы световых и электрических колебаний и математически обосновал свои выводы в знаменитом «Трактате об электричестве и магнетизме», опубликованном в 1873 г. Генрих Герц (1857–1894 гг.) в 1886 г. подтвердил классическими опытами правильность подобных взглядов.

После всего этого правомерно было ожидать появления идей, направленных к практическому использованию открытых явлений. Так оно и оказалось.

Видный русский физик О. Д. Хвольсон в работе «Опыты Герца и их значение», напечатанной в журнале «Электричество» в 1890 г., писал: «Опыты Герца пока кабинетные; но что из них разовьется дальше, и не представляют ли они зародыш новых отделов электротехники, этого решить в настоящее время невозможно».

А редакция журнала к такому высказыванию ученого добавила: «Например, телеграфия без проводов наподобие оптической».

Английский ученый Вильям Крукс (1832–1919 гг.) в 1892 г., говоря о работах Лоджа в Англии и Герца в Германии, отмечал: «Здесь раскрывается поразительная возможность телеграфирования без проводов, телеграфных столбов, кабелей и всяких других дорогостоящих современных приспособлений».

Известный исследователь Никола Тесла (1856–1943 гг.) в докладе, прочитанном в 1893 г. в Национальной ассоциации электрического света в Сен-Луи, следующим образом выразился по поводу возможности радиотелеграфирования: «Я хочу сказать о передаче осмысленных сигналов, а может быть, даже и энергии, на любое расстояние совсем без помощи проводов. С каждым днем я все более убеждаюсь в практической осуществимости этого процесса, хотя я прекрасно знаю, что большинство ученых не верит в то, что подобные практические результаты могут быть быстро достигнуты; тем не менее, все считают, что работы последних лет могут стимулировать опыты в этом направлении. Мое убеждение установилось так прочно, что я рассматриваю этот проект передачи сигналов или энергии уже не просто как теоретическую возможность, а как серьезную задачу, которая ставится перед инженером-электриком и должна быть решена со дня на день» [3].

От этих идей, витавших тогда в воздухе, предстояло в самое ближайшее время перейти к конкретному решению назревшей задачи.

Решение задачи создания радиосвязи надо было начинать с поиска необходимых для этого технических средств.

На первых порах в качестве исходных элементов для создания передающей и приемной частей радиолинии могли быть использованы хорошо известные уже до этого осциллятор (генератор колебаний) и резонатор Герца. Для начала работ в области радиосвязи первый из них был более или менее приемлем: в нем имелась возможность путем изменения длины искрового промежутка управлять мощностью колебаний, изменять частоту их с помощью вариаций размеров вибраторов и осуществлять возбуждение и прекращение колебаний, применяя манипулятор, включенный в первичную обмотку катушки Румкорфа. Второй же прибор был приспособлен только для проведения лабораторных опытов. Он позволял судить о воздействии электромагнитного поля только путем наблюдения миниатюрной искры, проскакивающей в воздушном промежутке проволочного витка [4].

Таким образом, для решения задачи создания радиосвязи основное внимание изобретателей должно было направиться в первую очередь на разработку приемного устройства, на повышение его чувствительности для увеличения дальности передачи сигналов и на обеспечение неискаженного их воспроизведения, а также устойчивого функционирования всей схемы в целом.

Как же могли решаться в то время эти задачи?

Прежде всего, необходимо было обратиться к отысканию иного, во много раз более чувствительного реагента на электромагнитное поле, чем в резонаторе Герца.

В литературе, вышедшей до 1895 г., таких реагентов было описано несколько. Но часть работ, опубликованных достаточно давно (в 1835–1885 гг.), вероятно, не привлекла внимания тех, кто экспериментировал с волнами Герца. А некоторые другие методы, хотя и были описаны позже, но оказались в свое время трудно реализуемыми. Поэтому исторически получилось так, что большинство исследователей волн Герца в своих опытах обратились к использованию проводимости металлических порошков, меняющейся под действием электромагнитных волн.

Указанное явление было подробно описано в 1890 г. и 1894 г. Э. Бранли (1846– 1940 гг.). Популяризации этого метода особенно способствовало появление в печати доклада О. Лоджа (1851–1940 гг.) «Творение Герца», прочитанного в Британском королевском обществе 1 июня 1894 г. Таким образом, можно считать, что к концу 1894 г. в руках всех думавших над возможностью осуществления радиосвязи необходимый для этого чувствительный реагент был. Лодж назвал его когерером. Но в том виде, в каком этот прибор был им применен, регулярный прием радиосигналов оказывался невозможным. Надо было разработать включение когерера в схему так, чтобы он мог воспроизводить поступавшие в него сигналы без искажения и пропусков.

Когерер в наиболее простом оформлении, как известно, представлял собой стеклянную трубку с двумя противоположно размещенными электродами, между которыми находились металлические опилки. При воздействии на такой прибор высокочастотного электромагнитного поля или быстропеременного электрического тока проводимость прибора резко возрастала, но при устранении поля описываемое устройство в свое первоначальное состояние не возвращалось. Для того чтобы вернуть трубку с опилками в исходный режим, ее необходимо было встряхнуть. Зная это, Лодж использовал разные способы: постукивание, вибрации электрического звонка, помещенного на одной доске с трубкой, указывал на возможность применения для той же цели часового механизма и т. д. Но все эти воздействия были случайными, никак не согласованными с поступавшими на когерер сигналами от передатчика. Именно поэтому приемник Лоджа и не был пригоден для радиосвязи.

Поскольку генератор Герца, питаемый от катушки Румкорфа, работал прерывистыми колебаниями, то естественным выходом из создавшегося положения могло служить встряхивание когерера после каждой серии таких колебаний. По этому единственно правильному пути и должны были пойти все те, кто в то время искал способы создания системы радиосвязи. Но для того, чтобы прийти к этому неизбежному решению, от исследователя требовались большая научная прозорливость и инженерное мышление. Введение в схему приемника синхронного встряхивателя в то время оказалось решающим звеном в цепи всех мероприятий, относящихся к изобретению связи без проводов.

Другой важной частью задачи практического воплощения идеи радиосвязи являлась разработка устройств, наилучшим образом излучающих электромагнитную энергию в окружающее пространство и извлекающих ее оттуда. Отыскание наиболее совершенных конструкций таких посредников между электромагнитным полем и аппаратурой было важно для увеличения дальности действия связи без проводов в такой же мере, как и повышение чувствительности приемника.

Идеи использования открытых (разомкнутых) колебательных систем (проводов) для улучшения условий излучения и приема электромагнитных волн высказывались некоторыми исследователями еще до изобретения радиосвязи. Принципиально эти мысли могли оказать существенное влияние на выбор способов увеличения дальности действия средств связи в период их зарождения и дальнейшего совершенствования.

В частности, О. Лодж и Д. Говард в статье, опубликованной в 1889 г., писали, «что для дальних передач линейный осциллятор является наилучшим, – и поясняли: – грозовое облако и земля, соединенные громоотводом или линией пробоя, образуют линейный осциллятор; отсюда следует, что эффект излучения и индуцированные электрические колебания могут быть замечены на весьма значительном расстоянии от места вспышки молнии. Возбуждая этот осциллятор очень большой индукционной катушкой, мы констатировали исключительно сильные электрические колебания во всех частях здания, причем электрические искры можно было получить от любой водопроводной трубы или какого-нибудь другого длинного изолированного или неизолированного проводника, а также от больших газовых подвесок и водопроводных кранов в здании путем простого прикосновения к ним перочинным ножом или каким-либо другим острием.

Вблизи источника электрических возмущений везде легко можно было извлекать искры из проводников суставом пальца».

Здесь, как мы видим, кратко, но четко изложена вся принципиальная суть того метода излучения и приема радиоволн, который в дальнейшем на практике действительно стал неотъемлемой частью радиосвязи и явился ее отличительной чертой, сохранившейся поныне.

Другой исследователь, уже упоминавшийся нами, Никола Тесла, в докладе, сделанном в 1893 г. в Сен-Луи, в свою очередь, совершенно определенно изложил идею использования на передающем и приемном концах радиолинии заземленных линейных вибраторов с верхней разветвленной частью, правда, дав описанному способу передачи электромагнитной энергии не совсем верное по современным понятиям объяснение [5, 6].

Все сказанное свидетельствует о том, что ко времени изобретения радио идея использования линейных проводов в приемном или передающем устройствах или в том и другом одновременно уже была не нова и должна была в предложениях на систему радиосвязи найти свое практическое применение.

Технические элементы, являющиеся компонентами раннего радио, полностью заимствованы от использовавшихся в практической электротехнике или научных исследований по электромагнетизму. При этом их изобретение нельзя рассматривать в каком-либо системном порядке, так как они появлялись в разное время, в разных странах и на разных континентах. Наиболее удобным является хронологическая последовательность их появления. Далее именно в таком порядке рассматриваются результаты исследований, определяющие технические возможности изобретения радио.

ГЛАВА 1
Технические возможности: устройства и приборы предшественников радио, Имена и даты

1.1. Питер ван Мушенбрук. Лейденская банка

П. Мушенбрук

(1692–1761 гг.)

Мушенбрук родился в Лейдене (Голландия) в 1692 г. в семье Яна Йостена ван Мушенбрука, который основал в Голландии производство специализированных научных приборов. Учился в университете г. Лейдена, где получил степень доктора медицины. В 1717 г. переехал в Лондон, познакомился с Ньютоном и учился у него. В 1740 г. занял кафедру философии в альма-матер – университете г. Лейдена, где оставался до конца своей жизни, несмотря на приглашения, поступавшие из Дании, Англии, Пруссии, Испании и России. По наследству владел фирмой, поставляющей научные приборы в разные страны мира, в том числе и в Санкт-Петербург, где заказчиками были академия наук и частные лица.

Мушенбрук известен, прежде всего, своими работами по электричеству. Он обратил внимание на различный характер электризации стекла и янтаря, что способствовало открытию в 1733 году Шарлем Дюфе «смоляного» и «стекольного» (положительного и отрицательного) электричества.

К числу наиболее известных изобретений Мушенбрука принадлежит «лейденская банка» – первый конденсатор (1746 г.), который имеет форму банки с широким горлом, или же просто стеклянного цилиндра. Банка обклеена листовым оловом с наружи и внутри примерно до 2/3 высоты и прикрыта деревянной крышкой, сквозь нее проходит проволока с цепочкой, часть которой лежала на дне банки, также оклеенном оловом внутри и снаружи. Банка может не иметь внешней обкладки. В таком случае при заряде ее надо обхватывать ладонями рук.

Такова и была банка в первоначальном виде, когда впервые удар от разряда банки испытал лейденский гражданин Кунеус. Для получения усиленного действия от банок Мушенбрук устроил первую батарею из 3 банок. Гралат, Ватсон, Бевис и др. постепенно улучшили устройство лейденских банок и батарей. Действие лейденских банок то же самое, что и у электрического конденсатора.

Лейденская банка

Питер ван Мушенбрук отрицал электрическую природу молнии, пересмотрев свои взгляды лишь после знаменитых опытов Франклина. Независимо от Мушенбрука и несколько ранее принцип конденсатора был открыт померанским католическим дьяконом Эвальдом фон Клейстом, поэтому иногда лейденскую банку называют банкою Клейста. Это первый накопитель, запасающий энергию электростатического заряда или поля.