Жанр: Энциклопедия
Сто великих изобретений
...авленное движение, то есть в проводнике
возникнет переменный электрический ток, имеющий тот же период колебания и
ту же частоту, что и породившее его электрическое поле. Таким образом, можно
дать объяснение явлению электромагнитной индукции, открытой Фарадеєм.
Понятно, что наш пример несколько идеален. В реальных условиях электромагнитное поле, излучаемое колеблющимся заряженным шаром, будет очень слабым, и напряженность его на большом расстоянии практически равна нулю. Ток,
наводимый во вторичном проводнике, будет настолько мал, что его не зарегистрируют никакие приборы. По этой причине при жизни Максвелла его теория не
получила экспериментального подтверждения. Многие ученые разделяли его взгляды и искали способ, который помог бы обнаружить электромагнитные волны.
Опыты в этом направлении стали исходной точкой для развития радиотехники.
Только в 1886 году немецкий физик Герц провел эксперимент, подтверждавший теорию Максвелла. Для возбуждения электромагнитных волн Герц применил прибор, названный им вибратором, а для обнаружения -другой прибор резонатор.
Вибратор Герца состоял из двух стержней одинаковой длины, которые присоединялись к зажимам вторичной обмотки индукционной катушки. На обращенных друг к другу концах стержней укреплялись небольшие металлические шары.
При прохождении индукционного тока через вторичную обмотку катушки между шарами проскакивала искра, и в окружающее пространство излучались
электромагнитные волны. Резонатор
Герца состоял из согнутой в кольцо
проволоки, на обоих концах которой
тоже укреплялись металлические шарики. Под действием переменного магнитного поля электромагнитной волны в
резонаторе наводился переменный элек- Рис. 65-1. Вибратор и резонатор Герца
276 100 ВЕЛИКИХ ИЗОБРЕТЕНИЙ
Стеклянная трубка Металлическая пробка,/ ^\
к- -^ \ .
Рис. 65-2. Когерер Бранли
трический ток, в результаїе
чего между шариками происходил разряд. Таким образом,
при разряде в вибраторе наблюдалось проскакивание искры между шариками резонатора. Объяснить это явление
можно было только исходя
из теории Максвелла, так что благодаря опыту Герца со всей очевидностью было
доказано существование электромагнитных волн.
Герц был первым человеком, который сознательно управлял электромагнитными волнами, но он никогда не ставил перед собой задачи создать устройство,
позволявшее наладить беспроволочную радиосвязь. Однако эксперименты Герца, описание которых появилось в 1888 году, заинтересовали физиков всего мира.
Многие ученые стали искать пути усовершенствования излучателя и приемника
электромагнитных волн. Резонатор Герца был прибором очень малой чувствительности и поэтому мог улавливать испускаемые вибратором электромагнитные
волны лишь в пределах комнаты. Сначала Герцу удалось осуществить передачу
на расстояние 5, а потом - 18 м.
В 1891 году французский физик Эдуард Бранли открыл, что металлические
опилки, помещенные в стеклянную трубочку, при пропускании через них электрического тока не всегда обнаруживают одинаковое сопротивление. При возникновении вблизи трубочки электромагнитных волн, например, от искры, полученной посредством катушки Румкорфа, сопротивление опилок быстро падало
и восстанавливалось лишь после их легкого встряхивания. Бранли указал, что
это их свойство можно использовать для обнаружения электромагнитных волн.
В 1894 году английский физик Лодж впервые использовал трубку Бранли,
которую он назвал "когерером" (от латинского coheare - сцепляться, связываться) для того, чтобы регистрировать прохождение электромагнитных волн. Это
позволило увеличить дальность приема до нескольких десятков метров. Для восстановления чувствительности когерера после прохождения электромагнитных
волн Додж установил непрерывно действующий часовой механизм, который постоянно встряхивал его. Фактически Лоджу оставалось сделать только шаг, чтобы
создать радиоприемник, но он этого шага не сделал.
Впервые мысль о возможности применения электромагнитных волн для нужд
связи была изложена русским инженером Поповым. Он указал, что передаваемым сигналам можно придать определенную длительность (например, одни сигналы сделать более длинными, другие - более короткими) и с помощью азбуки
Морзе передавать без проводов депеши. Впрочем, устройство это имело смысл
только в том случае, если бы удалось добиться устойчивой радиопередачи на
большое расстояние. Изучив трубки Бранли и Лоджа, Попов принялся за разработку еще более чувствительного когерера. В конце концов ему удалось создать
очень чувствительный когерер с платиновыми электродами, заполненный железными опилками.
Константин РЫЖОВ 277
Следующей проблемой
явилось усовершенствование
процесса встряхивания опилок после их слипания, вызванного прохождением электромагнитной волны. Часовой механизм, применявшийся Лоджем для восстановления чувствительности
Рис. 65-3. Когерер Попова (АВ и CD
из тонкой листовой платины)
когерера, не обеспечивал надежного действия схемы: такое встряхивание было
беспорядочным и могло привести к пропуску сигналов. Попов искал автоматический метод, который бы позволил восстанавливать чувствительность когерера
только после того, как сигнал принят. Проделав много опытов, Попов изобрел
способ периодического встряхивания когерера с помощью молоточка электрического звонка и применил электрическое реле для включения цепи этого звонка. Схема, разработанная Поповым, обладала большой чувствительностью, и уже
в 1894 году ему удалось с ее помощью принимать сигналы на расстоянии нескольких десятков метров. Во время этих опытов Попов обратил внимание на то,
что дальность действия приемника заметно увеличивается, если присоединить к
когереру вертикальный провод. Так была изобретена приемная антенна, использовав которую Попов внес существенные улучшения в условия работы приемника. К 1895 году он создал прибор, который представлял собой первый в истории радиоприемник.
Этот радиоприемник был устроен
следующим образом. Чувствительная
трубка с металлическими опилками (когерер) укреплялась в горизонтальном
положении; к одному выводу трубки
присоединялся отрезок проволоки, представлявший собой приемную антенну,
а к другому концу - заземленный провод. Электрическая цепь батареи замыкалась через когерер и электромагнитное реле: вследствие большого сопротивления опилок в трубке (до 100 000
Ом) ток в цепи батареи был недостаточен для притяжения якоря реле. Но как
только трубка подвергалась действию
электромагнитных волн, опилки слипались, и сопротивление трубки значительно уменьшалось. Ток в цепи возрастал, и якорь реле притягивался. При
Рис. 65-4 Схема радиоприемного устройства Попова 1890г.
1 - зажимы,
между которыми укреплялся когерер,
2, 3 - звонковое реле; 4 - электромагнитное реле; 5 - контакт, замыкавший цепь батарея - звонковое
реле; б - батарея, 7 - антенна
этом происходило замыкание второй
278
100 ВЕЛИКИХ ИЗОБРЕТЕНИЙ
цепи, и ток направлялся через обмотки звонкового реле, в результате чего звонок
приходил в действие. Молоточек ударял по звонку, при этом цепь размыкалась.
Молоточек возвращался в исходное положение под действием пружины и ударял
по трубке, встряхивая опилки. Таким образом, трубка вновь делалась чувствительна к электромагнитным волнам.
7 мая 1895 года Попов демонстрировал работу своего радиоприемника во
время доклада на заседании Русского физико-химического общества. Источником электромагнитных колебаний в его опытах служил передающий вибратор
Герца, только в передатчике Попова искровой разрядник включался между антенной и землей. В январе 1896 года в журнале этого общества была опубликована статья Попова с описанием его приемника.
Затем Попов присоединил к своей схеме телеграфный аппарат Морзе и ввел
запись на ленту. В результате получился первый в мире радиотелеграф - передатчик и приемник с записью сигналов по азбуке Морзе.
Рассмотрим внимательно его устройство. Между батареей и первичной обмоткой катушки Румкорфа был включен телеграфный ключ Морзе. При замыкании этого ключа постоянный ток батареи шел через витки обмотки. Прерыватель
(он изображен сбоку катушки) с большой частотой замыкал и размыкал цепь, в
результате чего (смотри главу "Трансформатор") постоянный ток преобразовывался в переменный. Благодаря электромагнитной индукции во вторичной обмотке катушки Румкорфа наводился переменный ток высокого напряжения. Эта
обмотка замыкалась на разрядник. Таким образом, каждое замыкание телеграфного ключа порождало потоки искр в разряднике. Короткими или более продолжительными замыканиями производились короткие и долгие потоки искр, которые соответствовали точкам и тире азбуки Морзе. Один полюс разрядника был
заземлен, а другой соединен с антенной, которая излучала порожденные разрядником электромагнитные волны в окружающее пространство.
Некоторая часть этих волн попадала в антенну приемника и индуцировала в
ней слабый переменный ток. Причем длительность каждого принимаемого импульса тока точно соответствовала продолжительности сигнала разрядника. Устройство приемника было почти таким же, что в предыдущей модели: когерер
соединялся с батареей и электромагнитом, реле которого при помощи местной
батареи приводило в действие пишущий аппарат Морзе, включенный в цепь вместо звонка. Пока когерер не
подвергался действию электромагнитных волн, его сопротивление было настолько
велико, что ток в цепи когерера не протекал. Когда же на
когерер оказывали действие
электромагнитные волны, его
сопротивление сильно умень
Рис. 65-5. Радиопередатчик и радиоприемник Попова
Константин РЫЖОВ
шалось, и сила тока в цепи возрастала настолько, что электромагнит притягивал
свой якорь, включая цепь телеграфного аппарата. Это притяжение не прекращалось, пока электромагнитные волны действовали на когерер. Одновременно с
замыканием цепи приходил в действие молоточек, который ударял по когереру.
Сопротивление последнего увеличивалось. Однако если волны продолжали действовать, то сопротивление тотчас опять уменьшалось и состояние малого сопротивления продолжалось несмотря на сотрясения. Все это время телеграфный аппарат чертил линию на ленте. И только когда воздействие электромагнитных
волн прекращалось, проявлялось действие сотрясения, и сопротивление увеличивалось до прежней величины - аппарат выключался до появляения новой
волны. Таким образом на телеграфной ленте вычерчивались точки и тире, соответствующие сигналам пересылаемой депеши. 24 марта 1896 года Попов демонстрировал свою аппаратуру на заседании Российского физико-химического общества и произвел передачу сигналов на расстояние 250 м. Первая в мире радиограмма состояла из двух слов "Генрих Герц".
Одновременно с Поповым свою радиотелеграфную установку создал молодой
итальянец Гульельмо Маркони. С детства он горячо интересовался электричеством, а потом увлекся идеей беспроволочного телеграфа. В 1896 году он собрал
передатчик и приемник, очень похожие по своему устройству на те, которые
изобрел Попов. В том же году Маркони привез свое изобретение в Англию. Мать
его была англичанка, и благодаря ее связям он был хорошо принят на Британских островах. В 1896 году Маркони получил английский патент на свой радиотелеграф (это был первый патент, взятый на телеграфирование без проводов; таким
образом, с формальной точки зрения, Маркони вполне справедливо считается
изобретателем радио, так как первым сумел запатентовать свое изобретение). В
июне 1897 года было организовано акционерное общество для применения изобретения Маркони. В свои 23 года он проявил удивительную изобретательность и
предприимчивость. С первых же шагов его предприятие получило солидную
финансовую основу. При любой возможности Маркони старался демонстрировать, какие выгоды давало новое средство беспроводной связи. Так, в июне 1898
года должны были состояться традиционные парусные гонки в районе Дублина.
Эти гонки всегда привлекали к себе всеобщее внимание. Маркони отправился в
Дублин и договорился с одной из крупных ирландских газет, что будет передавать ей по радио с парохода, находившегося в районе гонок, все сведения, которые могут интересовать публику для помещения их в экстренных выпусках газеты. Опыт удался полностью. В течение нескольких часов Маркони вел передачу,
которая принималась редакцией. Полученные таким образом сведения опережали всякие другие, и газета значительно увеличила тираж. Для Маркони это тоже
был большой успех: в короткий срок акционерный капитал его общества удвоился, достигнув 200 тысяч фунтов стерлингов. Это дало ему возможность быстро
совершенствовать свой радиотелеграф. Через несколько лет он уже значительно
опережал в своих разработках Попова.
Одним из главных элементов первых радиоприемников был когерер. Естественно поэтому, что основные усилия изобретателей, стремившихся усилить
100 ВЕЛИКИХ ИЗОБРЕТЕНИЙ
Рис. 65-6. Приемник Маркони с джиггером
чувствительность приемных аппаратов,
были направлены именно на его совершенствование. Маркони первый обратил
внимание на важное свойство когерера, а
именно - на зависимость его действия
от величины приложенного к нему напряжения высокочастотных колебаний
Чтобы возможно полнее собрать энергию
магнитного поля, создаваемого наведенным в антенне ничтожно малым током,
необходимо было его усилить. Маркони
нашел простой и остроумный способ решения этой проблемы. В 1898 году он
включил в свой радиоприемник джиггер
(что значит "сортировщик") - высокочастотный трансформатор, первичная обмотка которого включалась в одну цепь с
антенной, а вторичная - подводилась к
когереру. В том же году Маркони взял патент на эту схему.
Принципиальная (несколько упрощенная) схема приемника Маркони приведена на рисунке. Проводники а и Ь обозначают здесь цепь антенны, в которую
была включена первичная обмотка джиггера с. В результате трансформации напряжение слабого антенного тока во вторичной цепи значительно возрастало. С
джиггера d сигнал попадал на когерер j, к которому была подключена батарея Ь'
и реле К, включавшее телеграфный аппарат (на рисунке он не обозначен), как
это было в прежних схемах. Это простое нововведение позволило в несколько
раз повысить чувствительность первых радиоприемных станций. Дальность передачи сразу повысилась с 30 до 85 миль. В том же году Маркони осуществил
передачу через Ла-Манш.
Другой чрезвычайно важный шаг в направлении увеличения чувствительности приемника был сделан в 1899 году ближайшим помощником Попова Рыбкиным. В одном из опытов, проводимых им, оказалось, что из-за дальности расстояния приборы не действовали. Не будучи уверен в их полной исправности
Рыбкин попробовал включить в цепь когерера вместо реле и телеграфного аппарата обыкновенную телефонную трубку и узнал, что каждый разряд на станции
вызывает слабый треск в телефоне, так что можно было легко принять на слух
любую депешу. Самым поразительным здесь было то, что когерер при таком
включении не требовал встряхивания. Явление это, в то время не совсем понятное, было объяснено только несколькими годами позже. Дело в том, что если
обычно когерер работал как переменное сопротивление, которое в результате спекания металлических зерен менялось почти от бесконечности до сравнительно
небольшой величины, то в данной схеме он действовал на совершенно иной
основе и представлял собой не что иное, как детектор в современном понимании
этого слова, то есть устройство, пропускавшее ток только в одном направлении,
Константин РЫЖОВ 281
имевшее одностороннюю проводимость и превращавшее (выпрямлявшее) переменный ток в пульсирующий постоянный. Выпрямленные детектором ничтожные антенные токи были совершенно недостаточны для приведения в действие
телеграфного реле, но зато оказывались в состоянии действовать на весьма чувствительный прибор - мембрану телефонной трубки, порождая слабые звуковые волны точно так же, как это было в обыкновенном телефоне. Приложив
телефон к уху, можно было слышать длинные и короткие потрескивания, соответствующие точкам и тире азбуки Морзе.
Приемное устройство с переходом на телефон сильно упростилось. Не стало
механизма, записывающего телеграфные знаки, уменьшилась батарея, отпала
необходимость в постоянном встряхивании металлического порошка. Если в
прежнем приемнике, работавшем на записывающий аппарат, помехи от грозовых разрядов приводили часто к ложным срабатываниям реле и искажали записи,
то прием на слух при известном навыке телеграфиста давал больше возможности
для выделения правильно чередующихся телеграфных знаков на фоне хаотического треска помех. Но самым существенным преимуществом нового приемника
была его более значительная чувствительность
Следующий шаг в совершенствовании радиоприемников был связан с повышением их избирательности, так как первые же попытки перейти от опытов к
практическому использованию электромагнитных волн для передачи сигналов
на расстояние со всей остротой показали, что дальнейшее развитие этого нового
вида связи и его широкое применение окажется возможным лишь в том случае,
если будут найдены эффективные способы, позволяющие одновременно работать в эфире нескольким передающим станциям.
Для случая с проводной связью эта задача решалась тогда очень просто. Достаточно было каждый
из приемных аппаратов, расположенных в какомлибо пункте, соединить своими индивидуальными проводами с соответствующей передающей установкой. Но как следовало поступить в случае беспроволочной передачи? Опыты работы первых станций Попова и Маркони сразу же вскрыли все несовершенство в этом отношении применявшейся тогда аппаратуры. Прием сигналов в зоне действия
двух одновременно работающих станций оказывался из-за взаимных помех совершенно невозможным. Выход был найден в передаче радиотелеграфных сигналов волнами различной длины с использованием для их выделения в приемном устройстве явления резонанса.
Телефоны
/ Чтобы разобраться в сути этого способа, рассмотрим подробнее свойства индуктивной катушки и конденсатора. Представим себе катушку с большим количеством витков, по которой проходит пе
Рис. 65- 7. Схема телефонного приемника Попова
282 100 ВЕЛИКИХ ИЗОБРЕТЕНИЙ
ременный ток. Изменяющийся электрический ток, как уже говорилось прежде,
порождает в окружающем пространстве изменяющееся магнитное поле, которое
в свою очередь создает изменяющееся электрическое поле. Это электрическое
поле индуцирует в витках катушки электрический ток, направленный навстречу
основному - происходит явление, называемое самоиндукцией. Внешне этот
эффект проявляется, в частности, в том, что при замыкании цепи ток в любой
катушке достигает своего максимального значения не сразу, а с некоторым опозданием по сравнению, например, с обычным прямолинейным проводником. При
размыкании сети изменяющееся электрическое поле индуцирует в катушке ток,
совпадающей по направлению с основным, в связи с чем ток в катушке сохраняется еще некоторое время после отключения питания. Это свойство катушки задерживать и как бы сохранять в себе некоторое время ток без всякого внешнего
воздействия характеризуется особой величиной, называемой индуктивностью.
Каждая катушка имеет свою индуктивность, величина которой зависит от размеров проводника и его формы, но не зависит от протекающего тока.
Что касается конденсатора, то он обычно представляет собой две пластинки,
расположенные очень близко друг напротив друга, но разделенные диэлектриком, то есть веществом, не пропускающим электрический ток. Пластинки конденсатора называются его обкладками. Если подключить обкладки конденсатора
к полюсам источника постоянного тока (например, к электрической батарее), то
на них будет накапливаться электрический заряд, который сохранится и после
того, как батарея будет отключена. Способность конденсатора накапливать заряд
определяется его электроемкостью. Каждый конденсатор имеет свою электроемкость, причем величина ее зависит от площади пластин, от расстояния между
ними и от свойств диэлектрика, их разделяющего. Если обкладки конденсатора
соединить кусочком проволоки, то произойдет его быстрая разрядка - электроны с той пластины, где они находились в избытке, перетекут на другую, где их
не хватало, после чего заряд каждой из обкладок будет равен нулю.
Ну а если конденсатор разряжать не сам на себя, а через индукционную катушку? В этом случае наблюдается очень интересное явление. Представим себе
заряженный конденсатор, к обкладкам которого присоединили катушку. Очевидно, конденсатор начнет разряжаться, и в цепи появится электрический ток, однако сила его не достигнет сразу максимального значения, а будет увеличиваться
постепенно вследствие явления самоиндукции в катушке. В тот момент, когда
конденсатор полностью разрядится, сила тока в катушке достигнет максимальной
величины. Что же получится? Несмотря на то что обе пластины конденсатора уже
будут иметь нулевой заряд, протекание тока через катушку продолжится, поскольку вследствие той же самоиндукции ток в катушке не может прекратиться
мгновенно. Катушка словно превратится на несколько мгновений в источник
тока и будет заряжать конденсатор точно так же, как это делала электрическая
батарея. Только теперь заряды пластин меняются местами - та, которая, до этого была отрицательно заряженной, становится положительной, и наоборот В
результате, когда ток в катушке будет равен нулю, конденсатор окажется снова
заряженным. Он, впрочем, в то же мгновение опять начнет разряжаться через
Константин РЫЖОВ 283
катушку, и весь процесс повторится в обратном направлении. Если бы не было
неизбежных потерь электроэнергии, такая перезарядка могла бы происходить
сколь угодно долго.
Описанное явление называют электрическими колебаниями, а систему конденсатор - катушка, в которой происходят эти колебания, - колебательным
контуром. В зависимости от того, сколько раз за одну секунду конденсатор успеет перезарядиться, говорят о той или иной частоте колебаний. Частота колебаний
напрямую связана со свойствами колебательного контура, прежде всего, индуктивностью катушки и емкостью конденсатора. Замечено, что чем меньше эти
величины, тем больше частота колебаний в контуре, то есть конденсатор успевает
большее число раз перезарядиться за одну секунду.
Как и любые колебания (например, колебания маятника), колебания в системе конденсатор - катушка, если их не поддерживать извне, со временем прекратятся, так как первоначальная энергия будет расходоваться на нагрев проводов и электромагнитное излучение. Это означает, что с каждым колебанием
максимальная величина тока в катушке и максимальное напряжение на обкладках конденсатора будут все меньше и меньше. Однако точно так же, как колебание маятника в механических часах, электрические колебания можно поддерживать, если, к примеру, подключить конденсатор к внешнему источнику переменного тока. Но переменный ток, как мы помним, тоже изменяет свою величину с определенной частотой, или, говоря другими словами, имеет собственную частоту колебаний. Любой колебательный контур не безразличен к
тому, какую частоту колебания имеет питающий его ток. Если, к примеру, этот
ток имеет слишком большую или слишком маленькую частоту колебания по
сравнению с частотой колебания самого контура, то сила тока и его напряжение
в колебательном контуре никогда не будут большими (поскольку это внешнее
воздействие будет больше мешать его собственным колебаниям, чем помогать
им). Однако в тех случаях, когда частота колебаний внешнего тока близка к собственной частоте колебаний контура, сила тока и напряжение контурного тока
начинают возрастать и достигают своего максимума при полном совпадении этих
частот. В этом случае говорят, что колебательный контур находится в резонансе.
Особенно ярко проявляется резонанс в контурах с небольшим сопротивлением.
В этом случае напряжение на конденсаторе и катушке может во много раз превосходить внешнее напряжение питающего тока. Происходит своего рода всплеск
или бросок напряжения.
Явление электрического резонанса и было использовано для осуществления
избирательной радиосвязи. Map кони одним из первых стал настраивать колебательные контуры передающей и принимающей станций на одну и ту же частоту
Для этого он, в частности, использовал свой джиггер, включая параллельно его
вторичной обмотке конденсатор и получая таким образом колебательный контур
Схема передатчиков также была изменена включением в цепь антенны индуктивных катушек и конденсаторов, так что каждая передающая станция могла
передавать сигналы с определенной частотой колебания волны. Поскольку теперь
несколько радиостанций передавали сообщения каждая со своей частотой, то из
100 ВЕЛИКИХ ИЗОБРЕТЕНИЙ
Рис. 65-8. Схема настраивающегося колебательного контура приемника Маркони: J1
и J1 - обмотки джиггера;
h - конденсатор; А-антенна; Е - заземление. (Из
остальных элементов радиоприемника показан только
когерер, поскольку подключение их такое же, как и на
предыдущих схемах)
лучаемые ими волны возбуждали в приемной антенне переменные токи различных частот. Но приемник выбирал только те сигналы, частота которых
совпадала с собственной частотой колебания его колебательного контура, ведь только в этом случае
наблюдалось явление резонанса. Джиггер в этой
схеме работал как фильтр и усиливал не любой
антенный ток (как это было прежде), а выделял
среди них ток той частоты, на которую был настроен данный приемник. С этого времени резонансные контуры стали неотъемлемой частью как приемных, так и передающих устройств.
В начале XX века уже несколько десятков ученых во многих странах с увлечением занимались
беспроволочным телеграфом. Однако наибольшие
успехи по-прежнему были связаны с именем Маркони, который, несомненно, был одним из самых
выдающихся радиотехников этого времени. После
ряда опытов передачи на большие расстояния Маркони сделал поразительное открытие - оказалось,
что выпуклость земного шара нисколько не мешает движению электромагнитных волн. Это подтолкн
...Закладка в соц.сетях
