Текст книги "У истоков изобретения радио"

1.2. Бенджамин Франклин. Молниеотвод

Б. Франклин родился в Бостоне в 1706 г. Американский государственный деятель и ученый. Университетского образования не имел, но много времени отдавал самообразованию. Самостоятельно изучил французский, итальянский языки и латынь. Заинтересовался явлениями электричества в 1746 г., когда в филадельфийскую библиотеку прислали «Электрическую трубку», дававшую при трении ее большой заряд.

Для проверки гипотезы об электрической природе молнии Франклин в 1752 г. провел свой знаменитый эксперимент с воздушным змеем, благодаря которому стал известен как ученый.

Б. Франклин

(1706–1790 гг.)

Эксперимент состоял в следующем. К воздушному змею был приспособлен шнурок, в который вплетена медная проволока. Это была антенна.

Шнурок наматывался особым воротом, изолированным от земли. Ось ворота была соединена с кондуктором, откуда искры через воздушный промежуток могли перескакивать в металлический шар, соединенный с землей. Франклин и его коллеги наблюдали искру в воздушном промежутке между антенной и заземлением. Таким образом, была доказана электрическая природа молнии. Этот опыт произвел сенсацию и стимулировал развитие электрических исследований. Идея о молниеотводе появилась у Франклина вместе с гипотезой об электрическом происхождении молний еще в 1748 г. В работе «Взгляды и предположения касательно свойств и действий электрической субстанции …» (1749 г.) он описал возможную конструкцию молниеотвода: «… не могут ли сведения об этой силе заостренных предметов принести пользу человечеству в деле спасения домов, храмов, кораблей и т. п. от удара молний, побудив нас устанавливать на самых высоких местах этих зданий вертикальные железные прутки, заостренные как иглы, а от их основания опускать вниз проволоку снаружи здания до земли, или по борту корабля до земли? Не отведут ли острия электрический огонь из тучи тихо, и тем самым, не спасут ли они нас от самого внезапного и ужасного зла?». Экспериментальным прототипом изобретения молниеотвода для Франклина являлся католический собор в Филадельфии, построенный в готическом стиле и имеющий металлическое покрытие верхнего остроконечного шпиля и металлический каркас, уходящий до земли.

Б. Франклин – автор общей теории электрических явлений и связанной с ней новой терминологией (понятия положительного и отрицательного электричества, проводника, батареи и т. п.). Франклин объяснил действие лейденской банки и роль диэлектриков.

1.3. Георг Вильгельм Рихман. Исследования атмосферного электричества

Г. В. Рихман – русский физик 1711 г. рождения, с 1741 г. являлся профессором Санкт-Петербургской академии. Рихман совместно с М. В. Ломоносовым активно занимался изучением атмосферного электричества. Кстати, Ломоносов в тандеме ученых сначала играл не первую роль, так как кабинетом физики заведовал Рихман, оборудовавший все по последнему слову техники того времени. В его распоряжении было целое собрание электрических машин (похожих на сегодняшнюю школьную электростатическую машину), многие выполнены первооткрывателем лейденской банки Мушенбруком. Рихман изобрел электрометр – прибор, позволяющий измерить силу электрического заряда.

Г. Рихман

(1711–1753 гг.)

К проведению экспериментов с атмосферным электричеством ученых подтолкнула публикация научного труда Б. Франклина. Ломоносов и Рихман решают повторить опыты Франклина и углубить их. Рихману, кроме того, не терпелось приспособить свой электрометр к измерению электрической силы молнии. 6 сентября 1753 г. во время сильной грозы Рихман поспешил к своему прибору. Прибор представлял собой следующее. Выведенный на крышу железный прут с проволокой (антенна), вместо разрядника Рихман включил конденсатор (лейденская банка), а параллельно конденсатору – электрометр. Заземлением служил железный лист, на котором стоял стол с прибором. Когда Рихман находился вблизи своего электрометра, в лоб ему ударил голубоватый огненный шар.

По свидетельству Ломоносова, ученый пострадал от шаровой молнии, проникшей в здание с улицы.

Гибель Рихмана

М. В. Ломоносов

(1711–1765 гг.)

Ломоносов, проводивший в это время у себя дома тот же опыт на таком же аппаратуре, был в момент удара молнии отвлечен от опыта домашними делами, поэтому не пострадал.

Трагедия в связи со смертью Рихмана подтолкнула к поиску защиты от молний и разработке мер безопасности при работе с электричеством. Особенностью же прибора Рихмана являлось то, что в качестве индикатора, в отличие от опыта Франклина, являлся первый в мире электроизмерительный прибор экспериментального наблюдения – электрометр, который в отличие от уже использовавшегося электроскопа, был «снабжен деревянным квадрантом с градусной шкалой для измерения степени электричества».

На основе проведенных опытов в конце 1753 г.

в виде доклада в академии Ломоносовым была представлена теория атмосферного электричества, которая в полной мере соответствует современным взглядам.

1.4. Луиджи Гальвани. Теория «животного электричества»

Л. Гальвани

(1737–1798 гг.)

Л. Гальвани – итальянский врач, физиолог и физик, один из основателей электрофизиологии и учения об электричестве. Родился в Болонье. Окончил

Болонский университет, в котором и работал.

В 1791 г. в «Трактате о силах электричества при мышечном движении» было описано сделанное

Гальвани знаменитое открытие. Сами явления, открытые Гальвани, долгое время в учебниках и научных статьях назывались «гальванизмом». Этот термин до сих пор сохраняется в названиях некоторых аппаратов и процессов.

Сущность открытия состояла в явлении сокращения мышц препарированной лягушки (т. е. отрезанной лапки лягушки) под действием электрического тока. В качестве источника электричества

Гальвани использовал атмосферное электричество, или электрофорную машину. Схема Гальвани состояла из антенны – длинного провода, выведенного на крышу здания, мышцы препарированной лягушки и заземления – провода, соединяющего мышцу с водой в колодце. При грозовых разрядах мышца лягушки начинала сокращаться. Это была схема приемника электромагнитных колебаний с биологическим индикатором-детектором. Вскоре Гальвани обнаружил, что мышцы лягушки сокращаются и в отсутствии внешнего источника тока, при простом наложении на них двух разных металлов, соединенных проводником. Гальвани объяснил это явление существованием «животного электричества», благодаря которому мышцы заряжаются подобно лейденской банке. К проверке этого явления приступил известный физик А. Вольта, имевший все существующие в то время электротехнические средства.

Опыт Л. Гальвани. Гравюра 1791 г.

Основы гальванотехники были заложены Гальвани более 200 лет назад. Он исследовал преобразование химической энергии в электрическую (аккумуляторы, батареи). Обратное преобразование описанных Гальвани процессов – это электролиз, т. е. превращение электрической энергии в химическую, или форсирование химических реакций электрическим током. Воздействие электрического тока на электролиты вызывает химическую реакцию, которая приводит к тому, что один из электродов покрывается тонким слоем металла. В память о Луиджи Гальвани этот процесс называют «гальванизацией».

1.5. Алессандро Вольта. Вольтов столб

Итальянский физик Алессандро Джузеппе Антонио Анастасио Джероламо Умберто Вольта родился в 1745 г. в городке Комо близ Милана. Учился в школе в Комо, где проявил интерес к естественным наукам. Работы Вольта посвящены электричеству, химии и физиологии. Вольта изобрел ряд электрических приборов (электрофор, электрометр, конденсатор, электроскоп и др.).

В 1792–1794 гг. Вольта заинтересовался «животным электричеством», открытым Л. Гальвани. Провел ряд опытов, повторяя эксперименты Гальвании, показал, что наблюдаемые явления связаны с наличием замкнутой цепи, состоящей из двух разнородных металлов и жидкости. Проведя опыты с разными парами электродов, Вольта установил, что физиологическое раздражение нервов тем сильнее, чем дальше отстоят друг от друга два металла в следующем ряду: цинк, олово, свинец, железо, латунь и т. д. до серебра, ртути, графита. Этот знаменитый ряд напряжений (активностей), открытый

А. Вольта

(1745–1827 гг.)

Вольтов столб

Вольта, и составил ядро эффекта. Мышца лягушки была лишь пассивным, хотя и очень чувствительным электрометром, а активными звеньями цепи являлись металлы.

Продолжая опыты, в 1800 г. Вольта изобрел первый в истории источник постоянного напряжения и тока – вольтов столб, по непонятной причине чаще называемый гальваническим элементом, состоящий из 20 пар кружочков из двух разных металлов, разделенных смоченными соленой водой или раствором щелочи прослойками из ткани или бумаги.

Вольтов столб возвестил о наступлении новой эпохи – эпохи электричества. Изобретение вольтова столба доставило Вольта всемирную славу и оказало огромное влияние на развитие науки об электричестве. Именем Вольта названа единица напряжения – вольт.

Открытия Гальвани и Вольта побудили русского ученого электротехника Василия Владимировича Петрова (1761–1834 гг.) провести серию самостоятельных оригинальных опытов. В 1802 г.

выдающимся успехом стало открытие В. В. Петровым явления электрической дуги и доказательство возможности ее практического применения для освещения, плавки, сварки металлов и восстановления их из руд. Для этого он использовал большую гальваническую батарею, состоящую из 2100 медно-цинковых элементов с напряжением 1700 В, а чуть позже соорудил батарею из 4200 медных и цинковых кружочков с прокладками из картона, пропитанными электролитом, с напряжением 3400 В. Общая длина этой батареи составляла 12,2 м. В 1803 г. Петров издал свой труд под названием «Известия о гальвани-вольтовых опытах». Это была первая публикация на русском языке по гальванизму. В. В. Петров – первый русский электротехник. К сожалению, работы Петрова остались неизвестными на западе, так как он писал на русском языке, а западные публикации выходили на английском языке либо на латыни.

Предполагаемый портрет В. В. Петрова

1.6. Ханс Кристиан Эрстед. Связь электрических и магнитных явлений

Х. К. Эрстед родился в 1777 г. в городке Рудкебинге (Дания). Его отец был бедным аптекарем. Образование Эрстед получил в частном порядке. С 12 лет помогал отцу в аптеке, заинтересовался естественными науками. В 1795 г. поступил в Копенгагенский университет и окончил его, получив звание фармацевта высшей ступени. Преподавал в университете физику и химию – фундаментальные науки для естествоиспытателя. В 1801 г. защитил докторскую диссертацию и отправился на стажировку во Францию, Германию, Голландию.

Х. Эрстед

(1777–1851 гг.)

В 1819 г. в Копенгагенском университете состоялась лекция Эрстеда с демонстрацией опыта: магнитная стрелка компаса отклонялась под воздействием проводника с током. Это первое наглядное подтверждение существования прямой связи между электричеством и магнетизмом: магнитные силовые линии окружают проводник с током или электрический ток является вихрем магнитного поля. Именем Эрстеда названа единица измерения напряженности магнитного поля – эрстед.

1.7. Майкл Фарадей. Электромагнитная индукция

М. Фарадей

(1791–1867 гг.)

М. Фарадей родился в 1791 г. в поселке Ньюингтон близ Лондона в бедной семье кузнеца. Не сумел получить систематическое образование, но рано проявил любознательность и страсть к самообразованию. При содействии знаменитого физика Гемфри

Деви Фарадей был принят лаборантом Королевского института, а потом ассистентом. С 1815 г. он приступил к экспериментальной работе. С 1820 г. Фарадея увлекла проблема исследования связей между электричеством и магнетизмом. Он ставил задачу «превратить магнетизм в электричество».

Но только в 1831 г. Фарадей нашел, наконец, решение проблемы, открыв электромагнитную индукцию. С этого момента трудности на пути внедрения электрической энергии стали чисто техническими, так как инженеры и физики занялись конструированием все более совершенных электрических устройств. Так, генератор переменного тока Ипполита Пикси появился еще при жизни Фарадея (1832 г.). Таким образом Фарадей открыл третий вид проявления электрической энергии – индукционное электричество (после статического и гальванического электричества). Показав с помощью экспериментов, что только переменный магнитный поток создает электрический ток и, наоборот, изменяющийся электрический ток создает магнитное поле, Фарадей предсказал явление электромагнитных волн, распространяющихся подобно волнам в воде от брошенного камня.

1.8. Павел Львович Шиллинг. Первый электромагнитный телеграф

П. Шиллинг

(1786–1837 гг.)

П. Л. Шиллинг 1786 г. рождения – русский дипломат, изобретатель-электротехник. После окончания кадетского корпуса был принят на службу в коллегию иностранных дел, Член-корреспондент Петербургской академии наук.

Участник войны 1812 г.

В 1832 г. установил в Петербурге при помощи механика И. А. Швейкина первый в истории электромагнитный телеграф. Прибор, созданный Шиллингом, имел стрелочную индикацию передаваемых по электрическим проводам сигналов, которые легко расшифровывались в буквы оператором приемного телеграфного аппарата.

Хорошее знание языков и систем шифрования позволили Шиллингу создать для телеграфных целей специальный шестизначный код. Этот код и определял количество стрелочных индикаторов в его телеграфной системе.

Телеграфный аппарат Шиллинга

Позже Шиллинг создал и однострелочный двухпроводной телеграф с двоичной системой кодирования сигналов.

Успешные испытания аппарата способствовали в 1836 г. постройке подземной телеграфной линии между крайними помещениями Главного Адмиралтейства. В 1837 г. Шиллинг на основании «высочайшего повеления» получил предписание построить линию электрического телеграфа между Санкт-Петербургом и Кронштадтом. Однако внезапная смерть помешала осуществлению этого проекта.

В 1839 г. были построены телеграфные линии: Зимний дворец – здание Главного штаба, Петербург – Царское село, Петербург – Москва (1852 г.).

1.9. Борис Семенович Якоби. Телеграфный аппарат, печатающий буквы

Б. С. Якоби – немецкий и русский физик-изобретатель. Родился в состоятельной семье. Его отец был личным банкиром короля Пруссии Фридриха Вильгельма III. Учился сначала в Берлинском, а затем в Геттингенском университетах.

Б. С. Якоби

(1801–1874 гг.)

В 1834 г. в Кенигсберге увлечения Якоби физикой приводят к серьезному изобретению – первому в мире электродвигателю с непосредственным вращением рабочего вала. Двигатель постоянного тока мощностью 15 Вт с частотой вращения вала 80–120 оборотов в минуту.

Наиболее значительные успехи достигнуты в области телеграфии. Якоби сконструировал телеграфный аппарат синхронного действия с непосредственной индикацией в приемнике передаваемых

букв и цифр и первый в мире буквопечатающий аппарат (1850 г.). После смерти Шиллинга руководил строительством телеграфных линий в Санкт-Петербурге и до Царского села и оборудованием их телеграфными аппаратами. Якоби предложил и построил около десяти конструкций телеграфных аппаратов.

Много сделал ученый и для отечественного электротехнического оборудования. Он построил ряд электротехнических приборов: вольтметр, проволочный эталон сопротивления, несколько конструкций гальванометров, регулятор сопротивления.

Важное значение для России имели труды Якоби, касающиеся организации электротехнического образования. В начале 1840-х годов он составил и прочитал первые курсы прикладной электротехники, подготовил программу теоретических и практических занятий.

1.10. Джозеф Генри. Электромагнитное реле

Д. Генри

(1797–1878 гг.)

Д. Генри родился в 1797 г. в городке Олбани (штат Нью-Йорк) в бедной семье. Обучался в академии Олбани. Любопытство к земному магнетизму привело его к экспериментам с магнетизмом в целом. Он первым применил новую технологию создания электромагнита с использованием обмоток с изолированным проводом, намотанного на железный сердечник. Сумел создать «силовые» электромагниты с подъемной силой до 325 кг при собственном весе магнита 10 кг.

В 1835 г. Генри изобрел электромагнитное реле в таком виде, как мы используем этот элемент сейчас. К числу изобретений Генри относится и изобретение электромагнитного телеграфа, работавшего на территории Принстонского колледжа и передававшего сигналы на расстояние в одну милю. Этим изобретением он опередил Морзе на 6 лет.

Создавая магниты, Генри открыл новое явление – самоиндукцию. Независимо от Фарадея обнаружил взаимоиндукцию, но Фарадей раньше опубликовал свои результаты.

Работы Генри по электромагнитным реле были основой для электрического телеграфа, изобретенного Морзе и Уинстоном независимо от самого Генри.

В 1840 г. Генри показал, что разряд конденсатора имеет колебательный характер, что позволяет получить колебания с высокими частотами.

Генри одним из первых отказался от «физиологического» детектора Гальвани и применил свой приемник электромагнитных колебаний. Его детектор представлял собой катушку с расположенными внутри ее иглами. Прием фиксировался по магнитному действию поля катушки на иглы. В 1842 г. Генри сообщил, что сигналы от электрофорной машины с излучающим проводом-антенной принимались им в здании на расстоянии 10 м через два межэтажных перекрытия. При подключении к приемнику антенны в виде провода и заземления им был получен прием излучений от отдаленных грозовых разрядов.

1.11. Сэмюель Финли Бриз Морзе. Электромагнитный пишущий аппарат и код Морзе

С. Морзе – американский изобретатель и художник. Родился в 1791 г. в городе Чарлзтон штата Массачусетс в богатой американской семье. Отец его был известным географом и священником. В Йельском колледже, где он учился, его привлекли лекции по электричеству.

С. Морзе

(1791–1872 гг.)

В 1837 г. он построил свой телеграф и развил предложенную им систему передачи букв и цифр точками и тире, известную во всем мире как код Морзе.

С помощью кода Морзе осуществлялось кодирование и декодирование информации при передаче ее по проводной линии. Газеты, железные дороги и банки быстро нашли применение его телеграфу. Телеграфные линии моментально оплели весь мир.

1.12. Генрих Даниэль Румкорф. Катушка Румкорфа

Г. Румкорф

(1803–1877 гг.)

Г. Д. Румкорф родился в Ганновере в 1803 г. В 1840 г.

основал механическую мастерскую и магазин, которые заслужили добрую репутацию за высокое качество его электрических приборов.

Румкорф приобрел широкую известность устройством индукционного аппарата, нынче повсюду употребляемого под названием катушки Румкорфа – устройства для получения импульсов высокого напряжения. Запатентовал это устройство в 1851 г.

Во всех устройствах раннего радио в опытах Герца, Эдисона, Лоджа, Хьюза, Попова, Маркони и других исследователей в качестве источника электромагнитных колебаний использовалась катушка Румкорфа с прерывателем в первичной цепи.

Катушка Румкорфа

1.13. Махлон Лумис. Первая в истории радиопередача

М. Лумис

(1826–1886 гг.)

М. Лумис родился в 1826 г. в г. Оппенхеме близ

Нью-Йорка в семье профессора Н. Лумиса. Интерес к электрическим явлениям появился у М. Лумиса в 1860 г., когда ему исполнилось 34 года. Предметом его исследований были сначала электрические разряды в верхних слоях атмосферы. Эксперименты с длинными проводами, поднятыми с помощью воздушных змеев на большую высоту, натолкнули его на мысль о возможности создания беспроволочного телеграфа, так как, по его наблюдениям, провод, поднятый вверх, вызывает изменение тока в другом проводе, также поднятом вверх и находящимся на некотором расстоянии от первого.

В 1868 г., когда Попову было 9 лет, а Маркони еще не родился, Лумис демонстрировал группе американских конгрессменов и ученых работу беспроводной линии на расстоянии 22 км. Воздушные змеи поднимали провода на высоту 190 м. На приемной стороне в провод был включен гальванометр. Когда на передающей стороне провод соединялся с землей, ток в приемном проводе резко менялся, вызывая отклонение стрелки гальванометра. Причиной работы системы Лумис объяснил распространением радиоволн вдоль поверхности Земли, что поразительно. Ведь только через 19 лет были проведены опыты Герца, доказавшие реальность существования радиоволн. В 1872 г. Лумис получил патент на систему беспроволочного телеграфа. Однако его идеи и технические новинки не были поддержаны, хотя он обращался за поддержкой в Сенат США. Через 23 года состоялась демонстрация другого устройства – радио, изобретенного преподавателем физики А. С. Поповым. Однако достижения Лумиса трудно переоценить.