Радио трансформировало общество три раза, не говоря уже о зарождении области электроники. Возможно, ни одно изобретение современности не принесло так много, хотя изначально обещало так мало.
Когда в конце XIX века появилось радио, мало кто думал, что «беспроводная» связь, в которой нематериальные сигналы могут передаваться по воздуху на большие расстояния, будет конкурентоспособной в мире, где господствуют телеграф и телефон.
Физик Джеймс Клерк Максвелл, который сформулировал набор уравнений - «уравнения Максвелла» - попытался определить основные законы электричества и магнетизма. Его уравнения объясняли свет как одну из форм электромагнитного излучения и предсказывали, что должно быть много других форм, невидимых для человеческого глаза. В 1880-х годах немецкий физик Генрих Рудольф Герц подтвердил законы Максвелла, обнаружив радиоволны - в основном похожие на свет, но с длинами волн в миллион раз больше. «Маэстро Максвелл был прав», - сказал Герц, но пришел к выводу, что существование этих волн «бесполезно».
К счастью, другие ученые и инженеры изучали ни ради любопытства, а как инструмент для нового вида связи. Принцип радиопередачи прост. Электроны, движущиеся по проводу, создают магнитное поле. Поместите другой провод рядом с первым, и электроны начнут двигаться во втором. Сигнал распространяется между проводами, потому что магнитное поле, сформированное первым проводом - передатчиком, создает электрическое поле в пространстве, которое, в свою очередь, создает магнитное поле и т. д.
Знаменитый сербский инженер Никола Тесла последовал этому подходу и в 1893 году передал радиосигнал на короткое расстояние. Итальянский изобретатель Гульельмо Маркони случайно обнаружил, что заземленные антенны могут отправлять сигналы более чем на километр. Он непреднамеренно использовал Землю для распространения радиосигнала. С дальнейшими усовершенствованиями он нашел способ как кораблям «общаться» друг с другом, используя азбуку Морзе.
Мировые события быстро доказали ценность этой работы. В 1905 году японский флот почти уничтожил российский в битве при Цусиме, частично этот успех был из-за радиооборудования, которое японцы купили у Маркони.
В 1912 году, после того как суда, откликнувшиеся на сигнал бедствия Титаника, спасли 711 пассажиров. После этого власти потребовали, чтобы на каждом судне был оператор беспроводной связи, который слушал эфир круглосуточно.
Следующим большим шагом был поиск способа управлениями радиоволнами, чтобы они могли передавать больше, чем точки и тире.
Реджинальд Фессенден изобрел способ передачи голоса и музыки, изменяя интенсивность волн - так называемую амплитудную модуляцию - создав AM-радио.
Амплитудная модуляция накладывает изменяющуюся звуковую волну на радиоволну с фиксированной частотой: там, где аудиоволна достигает максимума, модулированная радиоволна имеет наивысшую интенсивность, а там, где звуковая волна имеет впадину, радиоволна имеет наименьшую интенсивность.
Фессенден в конечном итоге заработал деньги и славу благодаря своему изобретению. С другой стороны, американский радиоинженер Эдвин Говард Армстронг, которого многие радиолюбители считают величайшим из всех, сегодня почти забыт. Он заметил, что изменяя частоту волны вместо амплитуды, станции могут избежать помех, которые часто возникают при AM-передачах. Результатом стала частотная модуляция - FM-радио. Из-за патентных тяжб, эмоционально раздавленный Армстронг, совершил самоубийство в 1954.
Хотя коммерческий потенциал сегодня кажется очевидным, радиовещание было фактически было создано любителями.
Инженер Westinghouse Фрэнк Конрад вещал первые регулярные передачи AM в Соединенных Штатах из своего гаража в Восточном Питтсбурге. Его шоу транслировалось каждую среду и субботу – он рассказывал о спортивных результатах и делал небольшие обзоры, но основное время занимала музыка. Когда у Конрада закончились музыкальные записи, он заключил сделку с местным магазином, чтобы тот предоставил ему больше музыкальных произведений в обмен на рекламные акции в эфире. Считается, что это были первые радиообъявления.
Чтобы навести порядок в растущем числе вещателей, которые занимали радиочастоты, правительство создало Федеральную комиссию по радиосвязи. В 1920 году Конрад подал заявку и получил лицензию от Коммерческого департамента на радиостанцию KDKA.
Считается, что военное использование радиосвязи началось в Цусиме, но после Первой мировой войны это стало важным аспектом для армии. Правительства начали понимать огромный потенциал радио, не только для связи, но и как оружие: радиообнаружение, так появился радар.
Он появился в результате наблюдения за погодой. Шотландский инженер Роберт Уотсон-Уотт, работавший метеорологом, используя направленную антенну, обнаружил, что может сканировать небо и находить молнии. Затем он понял, что если он передает радиоимпульсы, а также слушает их, он может «ловить» отраженный сигнал от цели – например, приближающегося самолета. Измеряя, сколько времени понадобилось эхо-сигналу, чтобы вернуться к антенне, можно было не только знать направление движение цели, но и дальность до нее.
Уотсон-Уотт незамедлительно связался с британским министерством авиации в 1935 году. После первоначального скептицизма министерство приняло изобретение. Когда началась Вторая мировая война, уже работало 19 радиолокационных станций.
Многие утверждают, что благодаря радару Британия не пала во Вторую мировую войну.
Первые десятилетия XX века также ознаменовались появлением телевидения. Первая телевизионная система, разработанная в Великобритании в начале 1920-х годов Джоном Логи Байрдом, использовала электромеханическое устройство, похожее на пленочную камеру и проектор, для захвата и воспроизведения изображений. Он начал вещание ТВ, используя всего 30 строк развертки на видеокадр – этого было достаточно, чтобы передать примитивное изображение, по сравнению с современной разверсткой используемых в современных аналоговых телевизионных передачах.
Несколько тысяч лондонцев смотрели его телевизионные программы к концу 1930-х годов, однако скоро его прикрыли, когда началась Вторая мировая война - немецкие бомбардировщики могли использовать эту передачу в качестве сигнала для обнаружения цели.
Сегодня радио - это телевещание с цветовой кодировкой, состоящий из сотен кадров, в диапазоне частот от 6 килогерц до 300 гигагерц. Очень низкие частоты - от 3 до 30 Гц с длиной волны в десятки тысяч километров - используются для связи с подводными лодками, FM-радио - в диапазоне от 88 МГц до 108 МГц, а у таких пользователей, как полицейские, пожарные, авиадиспетчеры и абоненты сотовых телефонов, есть свои собственные частоты.
На верху радиочастотного спектра располагаются микроволны, используемые для передачи данных, радиолокации и, конечно, приготовления пищи. Вероятно, самым неожиданным применением законов Максвелла было создание микроволновой печи в 1945 году, когда
Перси Спенсер, инженер по радарам, заметил, что арахисовый батончик в его кармане растаял после работ возле активного радиооборудования. (Страшно подумать: микроволновая печь работает почти на той же частоте, что и соединение Wi-Fi.)