Полная версия

Главная arrow Техника arrow ВВЕДЕНИЕ В РАДИОЭЛЕКТРОНИКУ

  • Увеличить шрифт
  • Уменьшить шрифт


<<   СОДЕРЖАНИЕ ПОСМОТРЕТЬ ОРИГИНАЛ   >>

Изобретение радио

Открытие радио связано с именами многих ученых и инженеров. В 90-х годах XIX в. термин «радио» как средство связи еще не применялся. Использовались другие, в частности «беспроволочная телеграфия», «сигнализация без проводов» и т. п. Термин «радио», следует рассматривать как сокращенный аналог исходных терминов. В Большой Советской Энциклопедии приводятся следующие значения понятия радио:

  • 1. способ беспроволочной передачи сообщений;
  • 2. область науки и техники, связанная с изучением физических явлений, лежащих в основе этого способа, и его практическим использованием.

С этим определением можно согласиться. Однако следует сделать следующее дополнение. Понятием радио охватывается не только область науки, связанную с изучением физических явлений (радиофизика), но и область технической науки (радиотехника), изучающей структуру и функции соответствующих устройств.

Радиофизика является одновременно областью физики. Эта наука окончательно оформилась в самостоятельную область знаний в 30-х годах XX века. Первоначально она включала теорию колебаний и волн, физическую электронику и электродинамику. Однако круг рассматриваемых вопросов постоянно расширяется. Радиофизика не ограничивается решением только фундаментальных проблем, но активно способствует развитию радиотехники. Поэтому четкой границы между радиофизикой и радиотехникой не существует. Недаром к созданию первого квантового генератора, а затем и лазеров, были причастны и радиофизики, и радиоинженеры, и специалисты по электронике.

На настоящем этапе развития радиосистсм очень часто электромагнитные волны передаются по специальным кабельным линиям и волноводам. С начала 70-х годов XX века в качестве носителя информации используется когерентный свет, распространяющийся по стеклянному волокну. Поэтому теперь будет правильным понимать под термином «радио» передачу информации на расстояние с помощью электромагнитных волн относительно высоких частот. Хотя слово «относительно» имеет весьма расплывчатый смысл.

Со средины XX века в радиоаппаратуре начинают использовать полупроводниковые микросхемы, которые выполняют сразу несколько функций. Создание таких микросхем требует объединения усилий, как радиоинженеров, так и специалистов в области электроники. Поэтому, пожалуй, теперь более уместно использовать вместо термина радиотехника термин «радиоэлектроника».

В 70-х годах XX века в радиосвязи начинают использовать цифровые технологии. Характер передаваемой информации резко расширяется. Он уже не ограничивается только передачей речи и изображения. Аппаратура современной системы радиосвязи становится похожей на специализированную ЭВМ, а сама эта система - на распределенную компьютерную сеть. Поэтому к настоящему моменту практически невозможно установить границу между радиотехникой и информатикой. Можно, пожалуй, сказать, что радиотехника занимается созданием специализированных вычислительных машин и сетей. Далее вы узнаете, что первоначально и ЭВМ задумывались, и разрабатывались, в частотности, как средства обслуживания радиотехнических комплексов, а в их создании принимали участие радиоинженеры.

Отправной точкой появления радио можно считать 1845 год, когда М. Фарадей[1] ввёл понятие электромагнитного поля. По мнению Альберта Эйнштейна, идея поля была самым важным научным открытием со времён И. Ньютона. До этого пространство считалось наполненным телами и зарядами, через которые передавалось воздействие. А поле - это пустота, которая, тем не менее, может обеспечивать взаимодействие на расстоянии.

В 1873 г. Дж. Максвелл[2] опубликовал работу под названием «Трактат об электричестве и магнетизме», в которой изложил, созданную им теорию электромагнитного поля. Все основные закономерности этого явления теперь принято записывать в виде четырех уравнений, которые называют уравнениями Максвелла[3]. Главный вывод теории - предсказание свободного распространения электромагнитного поля в пространстве со скоростью света. В 1886-1887 годах Г. Герц[4] провел эксперименты, которые подтвердили теорию Максвелла. Схема экспериментального оборудования Г. Герца показана на рис. 1.17.

Схема эксперимента Г. Герца

Рис. 1.17. Схема эксперимента Г. Герца

Регистратором приёмника были глаза Г. Герца. Искра в зазоре приёмной антенны была слабой. Поэтому эксперименты приходилось вести в полной темноте. Г. Герц наблюдал отражение, преломление, дифракцию и интерференцию электромагнитных волн (см. раздел 5). Он установил, что скорость распространения электромагнитных волн равна скорости света. Важно также, что он придал уравнениям Максвелла симметричный вид, тем самым в более явной форме записал связь электрического и магнитного полей. Для своих экспериментов он создал искровой источник электромагнитных волн (вибратор Герца) и приёмник (резонатор Герца). Однако, обнаружив прямолинейность распространения электромагнитных волн, Г. Герц сделал вывод об их полной практической бесполезности для целей связи.

Первые шаги к практическому использованию электромагнитных волн для целей передачи информации были, пожалуй, сделаны П. С. Мунком[5]. В статье, опубликованной в 1835 году, он сообщил о своих опытах с порошками из сульфида ртути, измельчённого олова, угля и других материалов, помещенных в стеклянную трубку, снабжённую проволочными электродами. Он разряжал через порошок (или затвердевшую массу) лейденскую банку (конденсатор). После разряда при достаточно высоком напряжении электрическое сопротивление порошка резко уменьшалось и сохраняло затем низкое значение. При встряхивании трубки происходило резкое повышение сопротивления. Подобные результаты были получены и другими исследователями. Так в 1866 г. в Великобритании было запатентовано устройство защиты телеграфной аппаратуры, которое содержало два медных электрода, разделённых тонким слоем угольного порошка в смеси с порошком изолирующего материала.

В 1890 г.Э. Бранли[6] обнаружил, что железный порошок изменяет сопротивлений под действием электромагнитного поля электрической икры («трубка Бранли»), Для того чтобы привести трубку Бранли в исходное высокоомное состояние её надо было встряхивать. Э. Бранли назвал, изобретённый прибор «радиокондуктором» (радиореле). Э. Бранли радиосвязь не интересовала. Его целью было осуществление управления на расстоянии. Именно он в 1905 г. ввел термин телемеханика. В начале XX века Э. Бранли построил несколько радиоуправляемых моделей судов.

В 1894 г. О. Лодж[7] усовершенствовал трубку Бранли. Для встряхивания порошка он использовал молоточек, который приводился в действие часовым механизмом. Именно О. Лодж ввел термин «когерер»[8] для обозначения прибора, обнаруживающего на расстоянии источник электромагнитных колебаний.

Используя когерер в качестве регистратора, 14 августа 1894 г. О. Лодж на лекции в Музее естественной истории Оксфордского университета продемонстрировал опыты по беспроводной телеграфии. Однако он не стал продолжать эти работы, и как впоследствии говорил, ему не хватило понимания, насколько экстраординарное значение будут иметь работы по радиосвязи.

Наиболее значимый шаг к практическому использованию радиосвязи сделал А. С. Попов[9]. Начиная с 1889 г. он активно проводит опыты с электромагнитными волнами. На рис. 1.18 показан макет одного из приёмников А. С. Попова.

Приёмник А. С. Попова

Рис. 1.18. Приёмник А. С. Попова

В 1894 г. А. С. Попов уже располагал достаточно мощным и надежным искровым передатчиком, построенным по образу вибратора Герца. Однако приёмная часть его не удовлетворяла. Он усовершенствовал схему О. Лоджа. В его радиоприёмнике молоточек, встряхивавший когерер, работал не от часового механизма, а от принятого радиоимпульса. Кроме того, устройство было экранировано для исключения действия внешних переменных полей.

Принятые меры позволили сразу же увеличить дальность действия приёмника. Так как приёмник был защищен от действия посторонних полей экраном, то А. С. Попову удалось обнаружить, что дальность действия значительно увеличивается при присоединении к схеме достаточно длинного провода. Так появилась привычная теперь для нас радиоантенна.

Современники А. С. Попова признавали, что его конструкция представляла собой прибор, пригодный для практического использования в беспроводной телеграфии.

Свой прибор А. С. Попов продемонстрировал 7 мая 1895 г. (25.04 по ст. стилю), используя в качестве источника электромагнитного излучения вибратор Герца. В своей статье в 1896 г. А. С. Попов писал: «В соединении с вертикальной проволокой длиной 2,5 метра прибор отвечал на открытом воздухе колебаниям, произведенным большим герцевым вибратором (квадратные листы 40 сантиметров в стороне) с искрой в масле, на расстоянии 30 сажен (64м)... При дальнейшем усовершенствовании его может быть применен к передаче сигналов на расстояния при помощи быстрых электрических колебаний»[10].

В 1899 г. А. С. Попов разработал более чувствительный приёмник, основанный на так называемом телефонном детектировании. В нем звонок был заменен наушниками. А. С. Попов 14 июля 1899 г. подал заявку на выдачу ему патента на телефонный приёмник. Патент Великобритании № 2797 был выдан ему в 12 февраля 1900 года, российский - № 6066 30 ноября 1901 года. Такие телефонные приёмники использовались с 1901 г. на линии связи с островом Гогланд[11].

Коснемся приоритетной стороны дела, споры вокруг которой не затихают. В этом отношении судьба изобретений А. С. Попова мало чем отличается от других.

Технический аспект оценки каких-либо устройств в изобретательстве имеет существенное значение, ибо устройство только в том случае становится средством техники, когда оно пригодно для выполнения определенной функции. Эта функция к тому же должна быть общественно значимой. По этой причине, в частности, не всякое впервые созданное устройство, предназначенное для проведения физических опытов, является изобретением.

Работы Г. Герца, Э. Бранли, О. Лоджа, о которых шла речь выше, и предшествующие работам А.С. Попова, не содержали законченного комплекса технических средств, необходимых для радиосвязи. Это также относится и к работам, которые проводил Н. Тесла[12]. Кроме того, следует учитывать, что Н.Тесла преследовал цель передачи без проводов не столько сигналов и сообщений, сколько энергии. Что касается Г. Герца, то он в своих опытах установил прямолинейность распространения радиоволн и на основании этого сделал вывод о их полной практической бесполезности.

Приёмник, пригодный для телеграфии, был создан впервые А. С. Поповым. Для этого ему потребовалось, как известно, провести серию опытов по исследованию материала порошка и формы когерера, включить дополнительный контур релейного усиления, добавить звуковой регистратор приёма сигналов (электрический звонок), цепь автоматического восстановления чувствительности когерера для приёма каждого последующего сигнала, вертикальную проволочную антенну для повышения чувствительности приёмника. Многие из этих элементов в отдельности были известны ранее. Но лишь все они в совокупности, объединенные А. С. Поповым в одном устройстве единственно возможным способом, привели к изобретению приёмника, а, следовательно, и радио.

Иногда в качестве контрдовода приводят то факт, что 7 мая 1895 г. А. С. Попов продемонстрировал грозоотметчик, а передачу радиотелеграфного сообщения только 24 марта 1896 года. Однако идея использования его приёмника для метеорологических целей была изложена еще в апреле 1895 г. на объединенном собрании метеорологической комиссии Географического общества и сотрудников Главной физической обсерватории. Для этой же цели в мае 1895 г. А. С. Попов изготовил другой прибор, записывающий на движущуюся бумажную ленту сигналы, вызванные электромагнитным излучением гроз. Прибор впоследствии был назван «грозоотметчиком» и использовался в 1895-1896 гг. для изучения характера атмосферных помех. Сам термин грозоотметчик появился у А. С. Попова в 1897 году. Если бы он преследовал цель изобрести грозоотметчик, то вполне мог применить для такого назначения созданный им и продемонстрированный в действии на заседании РФХО еще в 1893 г. <<радиометр» - прибор, регистрирующий электромагнитные волны.

Даже если допустить, что оппоненты правы и А. С. Попов продемонстрировал грозоотметчик, то надо иметь в виду, что искровой разряд грозового облака отличается от искрового излучателя Герца только мощностью и непредсказуемостью времени появления излучения. Сомнительно также, что члены РФХО терпеливо ждали появления грозового разряда 7 мая 1895 года.

Приходится сожалеть о том, что А. С. Попов не запатентовал свое изобретение. Он впоследствии признавал, что не проявил должной настойчивости в продвижении своего изобретения.

Казалось бы, что больше других оснований претендовать на право изобретателя радио у Г. Маркони[13]. Как и у А. С. Попова, система Маркони вначале работала лишь на небольшие расстояния, тем не менее, он тут же загорелся желанием найти ей самое широкое применение. Он обратился в итальянское почтовое министерство, но получил отказ. В начале 1896 г. Маркони отправился в Великобританию, где в июне 1896 г. подал заявку на «усовершенствование передачи импульсов и сигналов, а также аппаратуры». В июле 1897 г. он получил британский патент № 12,039[14] и основал коммерческую компанию. Правда, во Франции и Германии, а позже и в России, ему в патенте отказали, ссылаясь на работы А. С. Попова.

В общих чертах приемник Г. Маркони воспроизводил приёмник А. С. Попова, а его передатчик - вибратор Герца с усовершенствованиями А. Риги[15]. Принципиально новым было то, что приёмник был изначально подключен к телеграфному аппарату, а передатчик соединен с ключом С. Морзе, что и сделало возможным радиотелеграфную связь. Г. Маркой и также усовершенствовал когерер (см. рис. 1.19), что повысило чувствительность приёмника.

Трубка Э. Бранли (я), когерер А. С. Попова (6) и вакуумирований когерер Г. Марком и (в)

Рис. 1.19. Трубка Э. Бранли (я), когерер А. С. Попова (6) и вакуумирований когерер Г. Марком и (в);

на рисунке: 1 - стеклянная трубка; 2 - изоляционные пробки; 3 - область, заполненная: железными опилками (а), железным порошком (б), никелевыми опилками с добавкой 4% серебряных (в); 4 - металлические электроды: стержневые (а), ленточные из фольги (б), серебряные цилиндрические с платиновыми проводниками (в)

Наконец, Г. Маркони соединил и передатчик, и приёмник с землей. Все это вместе значительно увеличило дальность связи. Это обстоятельство признавал и А. С. Попов.

Общепризнанным считается то, что Г. Маркони не открыл, что совершенно новое, но он собрал воедино множество предыдущих открытий и технических решений, использовал их для достижения свой цели - повсеместного распространения радиосвязи[16]. Шумиха, поднятая Г. Маркони вокруг еще достаточно несовершенного аппарата, дошла до России. А. С. Попов изложил свой взгляд на деятельность Г. Маркони следующим образом: «Заслуга открытия явлении, послуживших Маркони, принадлежит Герцу и Бранли, затем идет целый ряд предложений, начатых Минчиным, Лоджем и многими после них, в том числе и мною, а Маркони первый имел смелость стать на практическую почву и достиг в своих опытах больших расстояний усовершенствованием действующих приборов»[17].

Г. Маркони (слева) руководит подъемом антенны с помощью воздушного змея (1900 г)

Рис. 1.20. Г. Маркони (слева) руководит подъемом антенны с помощью воздушного змея (1900 г)

Следует признать, что действия Г. Маркони на поприще коммерциализации своих идей были вполне успешны. В результате он действительно стал «отцом радио» - но не как изобретения (здесь, по меньшей мере, в самом начале, он отставал от А. С. Попова), а как бизнеса. Следуя его законам, он запатентовал принцип и аппаратуру радиосвязи, провел шумную рекламную компанию, и, даже, попытался ввести монополию на предоставление услуг радиосвязи, запретив своим операторам устанавливать связь с радиостанциями других производителей, хотя технически она была вполне возможна. После того как береговые станции «Маркони» отказались передавать сообщения брата германского кайзера президенту США и кайзеру Германии, кайзер Вильгельм потребовал созыва первой международной конференции по радиосвязи. Она собралась в Берлине в 1903 г. и выработала предложения по общим правилам радиосвязи.

В 1906 г. на второй берлинской конференции правила были окончательно приняты. В соответствии с ними все береговые станции должны были связываться с кораблями вне зависимости от производителя оборудования. Чтобы облегчить связь, были приняты правила по использованию кода (азбуке Морзе), длинам волн и условным сигналам - в частности, сигналом призыва о помощи был объявлен знаменитый сигнал «SOS» (три точки, три тирс, три точки •••---•••).

Радиостанция в Брент Рок (Brant Rock) штат Массачусетс

Рис. 1.21. Радиостанция в Брент Рок (Brant Rock) штат Массачусетс;

с этой радиостанции 24 декабря 1906 г. была проведена первая в мире радиопередача музыки и речи

Однако следует признать, что широким распространением радиосвязи мир обязан в первую очередь Г. Маркони. За это достижение ему в 1909 г. была присвоена Нобелевская премия (совместно с К. Ф. Брауном). К сожалению А. С. Попова уже не было в живых и по установленным правилам ему нельзя было присудить Нобелевскую премию.

Вопрос приоритета остается спорным до сих пор. В США приоритет отдается Н. Тесла, запатентовавшему в 1893 г. радиопередатчик, а в 1895 г. приёмник. Права на патенты правительство США вскоре после выдачи передало фирме Г. Маркони. Только в 1943 г приоритет Н. Тесла перед Г. Маркони был восстановлен в судебном порядке. Во Франции изобретателем беспроволочной телеграфии долгое время считался создатель когерера Э. Бранли. В Великобритании - изобретателя когерера с прерывателем О. Лодж, который в 1894 г. первым продемонстрировал радиосвязь на расстояние 40 м.

  • [1] Майкл Фарадей (англ. Michael Faraday, 1791 1867)- английский физик-эксперимснтатор и химик. Член Лондонского королевского общества (1824) ипочётный член Петербургской академии наук ( 1830).
  • [2] Джеймс Клерк Максвелл (англ. James Clerk Maxwell', 1831-1879) - британский физик, математик и механик. Член Лондонского королевского общества.
  • [3] Современная форма уравнений Максвелла появилась около 1884 г. после работО. Хевисайда, Г. Герца и Дж. Гиббса.
  • [4] 5 Г енрих Рудольф Г ерц (нем. Heinrich Rudolf Hertz', 1857-1894) - немецкий физик. В 1 886-87 гг. впервые наблюдал и дал описание внешнего фотоэффекта.
  • [5] ' П. С. Мунк ав Россншсльд (швед. P. S. Mimck af Rosenschold, 1804-1860) -шведский физик.
  • [6] Эдуард Бранли (фр. Edouard Eugene Desire Branly; 1844-1940) - французскийизобретатель, физик и инженер. Член Французской академии наук (1911).
  • [7] 5 Оливер Джозеф Лодж (англ. Oliver Joseph Lodge; 1851-1940) - британскийфизик и изобретатель. Он изобрёл динамический громкоговоритель и электрическую свечу зажигания.
  • [8] О. Лодж образовал термин «когерер» от латинского слова «cohaerere» (сцепляться).
  • [9] Александр Степанович Попов (1859-1906) - русский физик и электротехник,профессор, изобретатель. С 1901 г. - профессор физики Санкт-Петербургскогоимператорского электротехнического института Александра 111 (ныне ЛЭТИ).
  • [10] Попов А. С. Прибор для обнаружения и регистрации электрических колебаний.ЖРФХО, Вып. 1.4. физ. Отд. 1, С-Петербург, 1896,с.с. 1-14.
  • [11] остров в Финском заливе, в 180 км к западу от Санкт-Петербурга
  • [12] Никола Тесла (серб. Никола Тесла, ант. Nikola Test, 1856-1943) - австро-венгерский изобретатель в области электротехники и радиотехники. С 1891 г. -гражданин США. Широко известен благодаря своему вкладу в создание устройств, работающих на переменном токе.
  • [13] Гульельмо Маркони (итал. Guglielmo Marchese Marconi; 1874-1937)- итальянский радиотехник и предприниматель, лауреат Нобелевской премии по физике (1909). С 1975 ежегодно за выдающийся вклад в технологии связи вручаетсяПремия Маркони.
  • [14] «Improvements in transmitting electrical impulses and signals, and in apparatustherefore». Date of Application, 2nd June 1896. Complete Specification Left, 2nd Mar.1897; Accepted, 2nd July 1897.
  • [15] Аугусто Риги (итал. Augusto Righi; 1850-1920) - итальянский физик, автор более чем 250 научных публикаций, член ряда академий наук, в частности иностранный член Лондонского королевского общества (1907), член-корреспондентПетербургской Академии наук (1896). Для широкой публики известен как одиниз главных учителей Г Маркони.
  • [16] G. Marconi, «Wireless Telegraphic Communication: Nobel Lecture, 11 December1909» Nobel Lectures. Physics 1901-1921. Amsterdam: Elsevier PublishingCompany, 1967.
  • [17] Попов А.С. Письмо в редакцию газеты "Новое время" в связи с работамиГ.Маркони, направленное в ответ на обвинения его в недостаточно активнойпропаганде своего изобретения. - Новое время, № 7686, 1897, 22 июля (3авг.н.с.), с. 3. Цитируется по «Изобретение радио А. С. Поповым. Сб. документов и материалов./Под рсд. А.И.Берга. - М-Л.: АН СССР, 1945».
 
<<   СОДЕРЖАНИЕ ПОСМОТРЕТЬ ОРИГИНАЛ   >>