Эта статья - первая из намеченных к публикации статей, всего около десятка, об истории зарождения радио, начиная с первых опытов 19-го века, до эпохи полупроводников. Упор в основном будет сделан на технику связи, передающие радиостанции и радиоприемники. Наверняка, статьи окажутся полезными учащимся, студентам, и просто интересующимся историей радио любителям.
Радио и радиовещательные технологии
День 12 декабря 1901 года был особенным. В этот день радиостанция Маркони на юго-западной оконечности Англии передала через Атлантический океан на приемную станцию в Ньюфаундленде, на расстояние 3600 километров, букву S азбуки Морзе, три точки.
Телеграфисты уже имели опыт передачи по проводам электрического тока. Тот факт, что этот же ток может оказывать и дистанционное воздействие в виде электромагнитных волн, долгое время оставался скрытым от науки. Не в последнюю очередь это было связано с тем, что у человека нет органов чувств, реагирующих на невидимое излучение в этом диапазоне электромагнитного спектра.
Генрих Герц и ряд других ученых создали первые приборы для генерации и обнаружения этого невидимого излучения. Когда за дело взялся итальянец Маркони, все самые важные элементы для развития беспроводной телеграфии уже были готовы, просто никто до него не догадался соединить их вместе правильным образом. Это сделал практик Маркони, которого не особо волновала теория.
Секрет невидимых лучей
В первой половине 19-го века рынок начало завоевывать новое средство связи: электрическая телеграфия. Широко заметным символом новой технологии стали телеграфные провода. Позднее провода ушли под землю и на дно океана в виде менее заметных кабелей. Но главным оставалось то, что между участниками коммуникации всегда должно было быть установлено электрическое соединение. Американский изобретатель Томас Алва Эдисон дал следующее объяснение природе телеграфии: "Если у вас есть такса длиной от Эдинбурга до Лондона - потяните ее за хвост в Эдинбурге, и она будет лаять в Лондоне".
Тот, кто получал возможность пользоваться телеграфом, получал значительное преимущество перед своими конкурентами. Известна история газетного репортера, которому первому удалось телеграфировать в свою газету сенсационное сообщение. Чтобы как можно дольше удержать своих коллег от передачи сообщения и сохранить свое преимущество, после отправки телеграммы он начал передавать по телеграфу несколько глав Евангелия.
Во второй половине 19-го века начал свое триумфальное шествие телефон - вновь со свитой в виде воздушных линий и кабелей. Постепенно, однако, было осознано, что электрический ток способен оказывать определенное действие, которое делает проводное соединение излишним. Один юморист расширил поясненный Эдисоном принцип телеграфии: "Телеграфия с таксой - это хорошо. Но как насчет беспроводной телеграфии? Это то же самое - только без таксы".
Электромагнитные волны не существуют!
Предыстория электромагнитных волн уходит корнями в Испанию 18-го века. В то время научные умы всего мира были заняты попытками в той или иной степени понять и объяснить природу электрического тока. До идеи о том, что существуют радиоволны, представляющие собой изменяющиеся магнитные и электрические поля, было еще далеко. А идея о том, что посредством электричества можно добиться дистанционного воздействия без проводов или даже передать поля через безвоздушное пространство, казалась просто абсурдной.
Поэтому неудивительно, что 16 декабря 1795 года, когда врач и естествоиспытатель дон Франсиско Сальва Кампильо (1751-1828) представил Академии наук в Барселоне свою необычную теорию, ученые сеньоры только недоверчиво покачали головами. Сальва, пионер телеграфии в Испании, утверждал, что земля и воздух заряжены положительным и отрицательным электричеством. Эти два противоположных заряда, по словам Сальвы, взаимодействуют друг с другом, в результате чего происходят землетрясения.
Хотя дон Франциско не вошел в анналы исследователей землетрясений с этим заблуждением, его предложение использовать земное электричество для телеграфии без проводов сделало его ранним пророком радиосвязи. Но туманные намеки Сальвы не сильно приблизили мир науки к познанию электромагнитных волн. Трудность не в последнюю очередь заключалась в неспособности человека к их восприятию, он не имеет датчиков для этого типа невидимого излучения.
Человек способен улавливать звуковые волны в ограниченном диапазоне частот, он способен обнаруживать свет в узком диапазоне длин волн и реагировать на тепловое излучение, но совершенно не реагирует на огромное множество природных или полученных искусственным путем лучей и волн; почти все подобные волны были обнаружены по чистой случайности. Инфракрасное излучение или тепловое излучение было впервые замечено в 1800 году английским астрономом Уильямом Гершелем.
Ультрафиолетовые или "темные химические" лучи были открыты независимо друг от друга немецким физиком Иоганном Вильгельмом Риттером и английским естествоиспытателем Уильямом Хайдом Волластоном в 1801 году.
И в последующие годы нередко наблюдались странные явления, которые можно было объяснить только существованием электромагнитных волн. Например, английский техник и физик Дэвид Эдвард Хьюз, изобретатель телеграфа с печатной машинкой (1855) и угольного микрофона (1878), в конце семидесятых годов 19-го века обнаружил, что производимый электрической искрой эффект можно уловить примитивным приемником на основе угольного микрофона. В итоге Хьюз изобрел антенну, заземление, и детектор с симметричной нелинейной вольт-амперной характеристикой, работавший со смещением рабочей точки, и добился дальности передачи в 400 м.
Когда Хьюз продемонстрировал открытое им явление ведущим английским физикам того времени, эксперты пришли к разрушительному выводу, что электромагнитные волны существовать не могут, а наблюдаемые эффекты вызываются известной электромагнитной индукцией. Хьюз был настолько обескуражен экспертным заключением, что отказался от дальнейшей работы.
Работы Фарадея
Первым ученым, заподозрившим о наличии связи между электричеством и магнетизмом, и доказавшим ее экспериментально, был британский физик и химик Майкл Фарадей (1791-1867). Фарадей был одним из 10 детей кузнеца, и родился 22 сентября в бедном пригороде Лондона. Его отец был членом секты сандеманианцев, которые подражали ранним христианам, обходясь без священников и предпочитая проповедовать самим, когда их одолевал "дух". Сначала Фарадей был разносчиком газет, а затем подмастерьем переплетчика. Судя по воспоминаниям, переплетал книги он очень тщательно, но довольно медленно, потому что по ходу работы прочитывал все переплетаемые книги.
Благодаря своему стремлению к чтению он настолько расширил свои скудные элементарные познания, что в итоге был принят на работу ассистентом к известному английскому химику Гемфри Дэви, и вскоре превзошел мастера. В 1823 году Фарадею удалось сжижить газы под давлением; в 1825 году он открыл бензол; в 1832 году вывел количественные закономерности электролиза, которые позже стали известны как "законы Фарадея". Завистливый Дэви отреагировал на успехи своего помощника своеобразно и начал его преследовать; но, несмотря на все усилия и свой авторитет, не смог предотвратить прием Фарадея в Лондонское Королевское общество - национальную Академию Наук Великобритании.
Как и почти все ученые своего времени, Фарадей был очарован открытием Эрстедом явления отклонения магнитной иглы под действием электрического тока. Эрстед воспользовался электрическим током для создания магнитного поля, Фарадей захотел обратить этот принцип. "Превратить магнетизм в электричество!" - написал он в своей записной книжке в 1822 году и начал шаг за шагом реализовывать идею.
Открытие факта, что железные опилки на листе бумаги под воздействием магнита складываются в узор из линий, натолкнуло Фарадея на гениальную идею о том, что вблизи магнита существуют невидимые магнитные силовые линии. "При подобном взгляде на магнит, - утверждал ученый, - среда или пространство вокруг него так же важны, как и сам магнит, потому что они являются частью истинной и полной магнитной системы".
Фарадей не ограничился признанием магнитных силовых линий, а рассматривал все пространство как заполненное силовыми линиями самых разнообразных видов - электрическими, гравитационными и тепловыми. Совокупность силовых линий Фарадей назвал силовым полем. Его концепция электрического и магнитного полей стала одной из самых плодотворных и далеко идущих физических концепций в последующие десятилетия.
В 1831 году Фарадей открыл явление электромагнитной индукции и построил первый электрический генератор постоянного тока (униполярный генератор) - возможно, самое значительное изобретение в истории электротехники.
Фарадея осыпали почестями, но его теория силовых линий, опубликованная в 1844 году, поначалу не воспринималась всерьез. И лишь Максвелл вновь вернулся к идеям Фарадея и создал грандиозную математическую теорию магнетизма и электричества.
Фарадей, нервный и слабый с детства, пережил в 1839 году нервный срыв, и после этого сильно изменился, его все чаще и чаще стала подводить память. Он пытался восстановить свои силы, путешествуя за границей в сопровождении своей жены Сары Бернар; особенно его привлекала Швейцария. В 1845 году он писал: "Я настолько поглощен открытиями, что у меня едва хватает времени на еду".
Прогрессирующее ухудшение памяти и кальцификация сосудов в конце концов заставили его покинуть должность в Королевском институте. "Возможно", - предположил фантаст Айзек Азимов, - "Фарадей тоже, как Дэви и Шееле, пример химика, пострадавшего от хронического отравления". Фарадей умер в дворце Хэмптон-Корт под Лондоном 25 августа 1867 года.
Теория электромагнитных волн: Максвелл
Гений шотландского математика и физика Джеймса Клерка Максвелла (1831-1879) перевел мыслительные процессы своего коллеги Фарадея на язык математики. Хотя Фарадей догадывался об этих связях, он не обладал необходимыми математическими познаниями, поскольку (по его собственному утверждению) его единственной математической деятельностью было вращение рукоятки вычислительной машины.
Максвелл, возможно, величайший физик-теоретик 19-го века, родился в Эдинбурге 13 июня 1831 года. Его отец в юном возрасте удалился на покой в свое поместье Гленлэр на юге Шотландии, и Джеймс рос там единственным ребенком. Мать Джеймса умерла, когда ему было 9 лет. Ребенок зарылся в книги, рисовал и писал стихи, и очень рано у него проявился математический талант. Едва достигнув 15 лет, он написал работу о построении овальных кривых, которая была напечатана в отчетах Эдинбургского королевского общества - шотландской национальной Академии Наук и словесности. Многие члены общества посчитали неудачной шуткой, что автором работы указан мальчик-подросток.
В 16 лет Максвелл уже был принят студентом в университет, где изучал математику, химию и физику. Его биографы считают примечательным, что он читал "Критику чистого разума" Канта в оригинале, на немецком языке. После ряда научных исследований в Кембридже, Максвелл был назначен в 1856 году профессором в Абердине. Он работал над количественной теорией цвета, создав «Треугольник Максвелла», в котором 3 основных цвета располагались по углам равнобедренного треугольника, и кинетической теорией газов, которая привела к появлению "распределения Максвелла" скоростей отдельных молекул газа.
Наконец, в 1871 году, после долгих колебаний, он отправился в Кембридж в качестве профессора, где через 2 года завершил свою главную работу: двухтомный "Трактат об электричестве и магнетизме". В ней он доказал, что магнетизм и электричество не могут существовать в отрыве друг от друга. Уравнения Максвелла стали основными уравнениями электродинамики и показали взаимосвязь между электрическим и магнитным полями.
Из уравнений вытекало, что электромагнитное переменное поле распространяется со скоростью света. Из этого Максвелл сделал свой знаменитый вывод: "Эта скорость настолько близка к скорости света, что у нас есть веские основания для заключения, что сам свет (включая лучистое тепло и другие излучения, если таковые имеются) является электромагнитным возмущением в виде волн, распространяемых электромагнитным полем в соответствии с законами электромагнетизма".
Связь между электрическими и световыми явлениями предвидел российский ученый М.В. Ломоносов (1711-1765). По Ломоносову, электрические и оптические явления происходят в одной и той же среде и имеют в определенной степени одинаковую природу. Свет, по Ломоносову, представляет собой колебательные движения частиц эфира, а электричество – вращательное.
Как это обычно бывает в академической среде при появлении революционных теорий, концепция электромагнетизма Максвелла подверглась сильному сомнению. В то время ни у кого не возникало мысли, что его 4 уравнения (и уравнение для силы Лоренца - силы, с которой электромагнитное поле, согласно классической (неквантовой) электродинамике, действует на точечную заряженную частицу), могут быть использованы для вывода всех известных утверждений об электрических и магнитных полях.
Первое уравнение Максвелла, являющееся обобщением закона электромагнитной индукции Фарадея, например, гласило, что изменяющееся во времени электрическое поле вызывает появление вихревого магнитного поля.
Второе уравнение было обратным: изменяющееся во времени магнитное поле порождает электрическое поле. На практике следствия теории Максвелла звучат так: "Если к источнику переменного напряжения подключить дипольную антенну , то вокруг линий электрического поля образуются силовые линии магнитного поля, которые нарастают и уменьшаются во времени синхронно с переменным напряжением, и в свою очередь порождают вокруг себя силовые линии электрического поля и так далее; таким образом, электромагнитное переменное поле распространяется в пространстве".
Максвелл не дожил до того, чтобы увидеть следствие своих предсказаний о широком спектре электромагнитных волн, он умер от рака в Кембридже 5 ноября 1879 года.
Первая беспроводная передача сообщений: Лумис
Пока ученые в Европе ломали голову над теорией электричества, американский стоматолог занялся практикой беспроводной передачи сообщений. Дантиста звали Малон Лумис (1826-1886), он родился 21 июля в Оппенгейме, штат Нью-Йорк. Лумис посещал окружную школу в Спрингвейле, штат Вирджиния, затем работал там учителем, откуда отправился в Кливленд, штат Огайо, США, чтобы изучать стоматологию.
После учебы он явился прекрасным примером североамериканской мобильности: в 1851 году он прошел стоматологическую стажировку в Эрлвилле, штат Нью-Йорк, затем открыл стоматологическую практику в Кембриджпорте, штат Массачусетс; в 1852 году переехал в Вест-Спрингфилд, также в штате Массачусетс, а затем открыл практику в Филадельфии. Наконец, в 1860 году он приезжает на отдых в Вашингтон, округ Колумбия.
Лумис заинтересовался электричеством еще в начале 1850-х годов, но свой первый шедевр был им создан в области стоматологической техники. 2 мая 1854 года Лумис запатентовал процесс для изготовления искусственных протезов из каолина. Его мозг, как утверждали его соотечественники, был переполнен идеями, некоторые из которых были осуществимы, а некоторые совершенно нереальны. Его первая идея в области электричества предполагала связь между электричеством и ботаникой. Он вкапывал в землю металлические пластины, подключал их к электрическим батареям и надеялся таким образом стимулировать ускоренный рост растений.
В эксперименте растения не отреагировали на электричество, Лумис потерял интерес к нему, и переключил свое внимание с земли на небо. Он исследовал возможность отведения статического электричества из верхних слоев атмосферы посредством металлических проводников, поднимаемых в воздух воздушными змеями. Полученная электрическая энергия должна была оказаться значительно дешевле добываемой из обычных батарей. При проведении экспериментов Лумис обнаружил, что проводник одного воздушного змея оказывает влияние на ток, протекающий к земле от второго воздушного змея. В 1864 году он зафиксировал обнаруженный им эффект воздействия на расстоянии на чертеже своей системы беспроводной связи.
Телеграфный змей стоматолога
В воображении Лумиса "аура электричества", казалось, окутывала весь земной шар - он назвал ее "статическим морем", морем статического электричества. Лумис даже нарисовал картинки, чтобы наглядно показать, как он себе это море представляет. Лумис был твердо убежден, что "электрические колебания или волны будут распространяться вокруг Земли", как "на поверхности воды неподвижного озера от точки возмущения одно концентрическое кольцо волны следует за другим".
В октябре 1866 года Лумису удалось передать сообщения на расстояние 22 километра между горой Коктон и горой Бирс-Дир. Сообщения представляли собой простые сигналы, которые можно сравнить с отклонениями стрелочного указателя в первые дни телеграфии. Революционным в этом событии было то, что соединительный провод между передающей и приемной станциями отсутствовал.
Лумис описал свое изобретение так: "С двух горных вершин в горах Голубой хребет в штате Вирджиния, на высоте около 600 метров над уровнем моря, мы запустили двух воздушных змеев, по одному с каждой вершины. К нижней стороне каждого воздушного змея была прикреплена небольшая сетка из тонкой медной проволоки размером примерно 40 на 40 сантиметров; она была соединена с проводом длиной 180 метров. Одну петлю провода мы прочно закрепили во влажной почве, а другой конец подключили к одной клемме гальванометра. Оборудование и приборы были абсолютно одинаковыми на обеих горах; часы были настроены одинаково, и было сделано так, что в совершенно определенное время на одной станции конец провода от воздушного змея подключался ко второй клемме гальванометра, в то время как на другой станции провод уже был подключен к гальванометру. Три раза контакт замыкался на полминуты, и это приводило в движение указатель другого гальванометра с таким отклонением, как если бы он был подключен к обычной батарее".
После этих первых опытов Лумис продолжал экспериментировать. В 1868 году он продемонстрировал свой метод беспроводной телеграфии группе ученых и членов Конгресса. По имеющимся данным, он установил две стальные антенные мачты и наладил сигнальную связь между двумя кораблями, стоящими на якоре на расстоянии более 3 км друг от друга в Чесапикском заливе Атлантического океана. 30 июля 1872 года Лумис получил патент США № 129 971 на "усовершенствования в телеграфии", вошедший в историю изобретений как "первый патент на беспроводную телеграфию, выданный в Соединенных Штатах".
Хотя Конгресс и выделил изобретателю-стоматологу 50 000 долларов на дальнейшую разработку своего изобретения, за закрытыми дверями его идею назвали абсурдной. Да и по факту, ничего особенного из этого изобретения не вышло. Американская биография аттестует изобретателя как обычно: "Лумис опередил свое время". Около 1877 года Лумис принял должность минералога в компании Great Magnetic Iron Ore Co. of Mount Athos около Линчбурга в штате Вирджиния, где проработал несколько лет. В последние годы жизни он вернулся к своей первоначальной профессии и практиковал как стоматолог в Чикаго и Паркерсбурге, Западная Вирджиния. Лумис, "первооткрыватель и изобретатель радио", умер 13 октября 1886 года в Терра Альта, Западная Вирджиния, предположительно, от разрыва сердца.
Интерлюдия: Когда летят искры
В первые дни радио, электромагнитные волны невозможно было создать без искрообразования. Искра, согласно словарному определению - это небольшое, схожее с молнией, появление огненного разряда. Впервые такое явление наблюдал немецкий ученый-универсал Готфрид Вильгельм Лейбниц около 1671 года в фрикционной электризационной машине в виде серного шара с осью вращения. Машину Лейбниц получил от бургомистра Магдебурга Отто фон Герике, построившего ее в 1663 году для доказательства существования космических сил. Потерев шар ладонями, можно было генерировать электрические искры.
Противоположно заряженные электрические заряды стремятся уравновесить друг друга. Если два носителя заряда разделены воздушным зазором, то прохождение электрических зарядов через воздух приводит к электрическим колебаниям вследствие ударной ионизации. В более широком масштабе подобное можно наблюдать в каждую грозу.
Потребовалось почти два столетия, чтобы наука обнаружила странное свойство этого искрового разряда. Француз Феликс Савар (1791-1841), немец Герман Гельмгольц (1821-1894) и американец Джозеф Генри (1797-1878) были уверены, что быстрый процесс искрового разряда не представляет собой однократный переход носителей заряда. Скорее, они были убеждены, что имеет место множество частичных разрядов переменного направления.
Генри, именем которого названа единица измерения электрической индуктивности, писал в 1842 году: "Явление требует прохождения основного разряда в одном направлении, а затем нескольких повторов, каждый в обратном направлении к предыдущему, и каждый из которых слабее предыдущего, пока не восстановится равновесие".
Источник электромагнитного излучения: индукционная катушка
Для того чтобы добиться искрового разряда, разность потенциалов между двумя противоположно заряженными металлическими шариками, разделенными воздушным зазором, должна достичь определенного значения. Это означает, что напряжение должно быть достаточно высоким для создания искрового промежутка.
Майкл Фарадей записал в своем дневнике в 1822 году: "Превратил магнетизм в электричество". Благодаря Фарадею был открыт принцип электромагнитной индукции, который позволивший генерировать электрические напряжения и токи путем перемещения проводника в магнитном поле. Это движение может быть чисто механическим, как, например, в динамо-машине. Принцип индукции также задействован, когда через катушку с железным сердечником (называемую первичной) пропускается постоянный ток, прерываемый десятки раз в секунду механическим прерывателем.
Первичная катушка окружена вторичной катушкой, с гораздо большим числом витков изолированного провода. Обе катушки представляют собой своеобразный трансформатор. Напряжение батареи прерывается прерывателем и подается на первичную обмотку. Это вызывает изменение магнитного поля во времени, что приводит к появлению на вторичной обмотке индуцированного высокого напряжения. Это высокое напряжение, приложенное к регулируемому искровому промежутку, вызывает его пробой.
Первая такая индукционная катушка была создана немецким изобретателем Генрихом Даниэлем Румкорфом (1803-1877) в Париже около 1851 года. Чтобы преобразовать низковольтное напряжение в высоковольтное, ему пришлось заняться проблемой изоляции высоковольтной обмотки, что успешно удалось. Примером катушки Румкорфа являются катушки зажигания автомобильных бензиновых двигателей.
За это достижение французский император Наполеон III наградил Румкорфа премией Вольта в размере 50 000 франков. В 19-м веке катушка Румкорфа использовался в качестве источника высокого напряжения для получения катодных лучей и электромагнитных колебаний. Эта же катушка оказалась подходящим прибором для изучения искрового разряда.
Искровой разряд: Теория и ее доказательство
Математическую теорию в обоснование идеи Генри о колебательном характере искрового разряда предоставил британский физик Уильям Томсон (1824-1907). Томсон, он же (с 1892 года) 1-й барон Кельвин из Ларгса, был сыном математика и ребенком-вундеркиндом, поскольку в возрасте 8 лет с энтузиазмом и пониманием слушал лекции своего отца. В 1853 году он вывел формулу для расчета периода колебаний, возникающих в электрических колебательных контурах.
Экспериментальное подтверждение формулы Томсона частоты колебаний колебательного контура было получено в 1859 году немецким физиком и частным исследователем Берендом Вильгельмом Федерсеном (1832-1918). Феддерсен отражал изображение искровых разрядов на фотопластинку с помощью очень быстро вращающегося вогнутого зеркала. "Поскольку зеркало отбрасывало изображение во всевозможные места фотопластинки, на ней возникала полоса света, которая при разворачивании вовсе не оказалась сплошной, а состояла из чередующихся светлых и темных полос: искра, таким образом, колеблется взад-вперед, и с той же частотой меняется ее интенсивность свечения".
Несмотря на авторитеты Фарадея и Максвелла, сам факт распространения в пространстве электромагнитных колебаний в процессе искрообразования все еще казался большинству ученых чистой спекуляцией.
На европейском континенте утвердилась теория дальнодействия, общепризнанная благодаря авторитетам Кулона, Ампера и Вебера. Согласно теории Вебера, игнорирующей роль среды в электрических взаимодействиях, заряды, находящиеся в покое или в движении, взаимодействуют на расстоянии и без задержки во времени.
Надо отметить, что противником теории дальнодействия был М.В. Ломоносов, не признававший никаких дальнодействующих сил и объяснявший взаимодействие электрических зарядов как взаимодействие, передающееся через среду, которой у него был эфир.
Теория дальнодействия не нуждалась в электромагнитных полях, которые распространяются в пространстве с конечной скоростью, а именно со скоростью света. Электромагнитные колебания оставались спекулятивной конструкцией до тех пор, пока не было найдено подходящее устройство для обнаружения невидимого излучения. Вскоре такой детектор был разработан, но об этом в следующей статье.
Статьи из цикла "История радио"
519. История радио-01. Секрет невидимых лучей
521. История радио-02. Первооткрыватель электромагнитных колебаний: Генрих Герц
522. История радио-03. Эпоха когерера: Бранли, Лодж, Риги, Тесла, Попов, Шнайдер