ПРЕДЫСТОРИЯ РАДИОТЕХНИКИ

Всему свое время

и время всякой вещи под небом.

Экклезиаст 3,1. (Х в. до н.э.)

7 мая в нашей стране отмечается День радио. В этот день в 1895 году преподаватель Минного офицерского класса Александр Степанович Попов первым в мире продемонстрировал прибор, пригодный для приема телеграфных сигналов, показав тем самым возможность беспроволочной телеграфии. Прошло немногим более 100 лет, и мы уже не представляем нашей жизни без радио, телевидения, сотовых телефонов, Интернета и прочих достижений радиоэлектроники.

Как человечество открыло то, что не было дано ему в непосредственных ощущениях?

Проследим историю развития представлений об электричестве и магнетизме. Еще в давние времена люди заметили, что некоторые тела притягиваются друг к другу. Камни с горы в провинции Магнезия (Греция) притягивали железо; натертый о шерсть янтарь притягивал обрывки ниток, легкие пушинки. Людей это не очень-то и удивляло. Мыслители того времени, придерживавшиеся натурфилософии, считали одушевленным все в мире: и человека, и бабочку, и травинку, и камни. Что же тут удивительного – если мужчина тянется к женщине, бабочка к цветку, то почему же железу не притягиваться к камню, а пылинке к янтарю. Позже появлялись и другие объяснения в соответствии с уровнем миропонимания людей.

Первое серьезное изучение явлений магнетизма принадлежит Вильяму Гильберту, лейб-медику английской королевы. В 1600 г. он опубликовал книгу “О магните, магнитных телах и большом магните – Земле. Новая физиология, доказанная множеством аргументов и опытов”. Трудно сказать, почему он, успешный врач, любимец двора, занялся исследованием магнетизма. Возможно, потому, что в XVI в. магнит уже широко использовался в кораблевождении (компас известен в Европе с XII века), да и в медицине (толченый магнит рекомендовался для приема внутрь при ряде заболеваний), и Гильберту было интересно собрать сведения о магните. Однако он не только обобщил известные до него факты, но и провел множество опытов с магнитными материалами, исследуя их свойства при ударе, нагреве и т. п.

Гильберт первым высказал мысль, что Земля представляет собой большой магнит. Он провел подтверждающий эксперимент, намагнитив большой железный шар и исследовав его действие на магнитную стрелку. И сделал вывод, что северный конец магнитной стрелки притягивается вовсе не к Полярной звезде, как считали тогда, а к магнитному полюсу Земли.

В этой книге Гильберт писал и об электрических явлениях. Кстати, именно он первым назвал притяжение янтаря электрическим. Гильберт открыл, что наэлектризовать можно не только янтарь, но и алмаз, горный хрусталь и ряд других минералов.

Исследуя электричество и магнетизм, Гильберт пришел к выводу, что притяжение магнита и притяжение янтаря хоть и схожи, но имеют разную природу. Мнение Гильберта было настолько весомым, что в течение последующих двух веков магнитные и электрические явления считались независимыми и исследовались раздельно. Причем больше усилий было приложено для изучения электричества, чем магнетизма, хотя в те годы от электричества не было никакого проку. Исследователей вело любопытство: а что будет, если…

Любопытство привело шестидесятилетнего бургомистра города Магдебурга Отто фон Герике к созданию “электрической машины”: шар из серы, приводимый во вращение, приобретал электрический заряд от трения о ладони. Свои опыты по электричеству он описал в книге, вышедшей в 1672 г.

Голландскому физику Мушенброку почему-то захотелось зарядить банку с водой от электрической машины Герике. В результате был открыт первый конденсатор – лейденская банка, а Мушенброк первым из людей испытал на себе физиологическое действие электрического разряда. Это было в 1745 году. О полученном ощущении он сообщил в письме к своему другу: – “Рука и все тело поражаются столь страшным образом, что и сказать не могу. Одним словом, я думал, что пришел конец”.

Известный американский ученый и общественный деятель Бенджамин Франклин отдал изучению электричества всего лишь 7 лет, с 1747 по 1753 годы, но оставил значимый след. Он первым ввел такие понятия, как положительное и отрицательное электричество, батарея, конденсатор, проводник, заряд, разряд, обмотка, которыми мы пользуемся до сих пор. Даже направление тока (от плюса к минусу источника питания) мы взяли от Франклина. А главное, он увидел сходство искры, полученной от электрической машины или лейденской банки, с грандиозным природным явлением – молнией, и в письме в Лондонское королевское общество в 1750 г. высказал мысль об электрической природе молнии. В том же году он предложил устройство громоотвода для предохранения зданий от удара молнии. Это было первым практическим применением учения об электрических явлениях.

Можно сказать, что XVII и XVIII века были годами изучения статического электричества. Высшим теоретическим достижением этого периода явился закон Кулона (1785 г.), описывающий взаимодействие электрических зарядов. По форме он совпадал с законом всемирного тяготения. Справедливости ради следует сказать, что закон, носящий имя Кулона, был открыт на десяток лет раньше английским физиком Кавендишем, что выяснилось, когда Максвелл разбирал рукописи Кавендиша. Кулон экспериментально исследовал и взаимодействие между магнитами. Введя понятие магнитных зарядов, он сформулировал закон их взаимодействия, аналогичный закону для электрических зарядов.

Получалась удивительная гармония мира: физические тела, электрические и магнитные заряды подчинялись одинаковым законам статического взаимодействия. В физике все стало ясно: все главные законы открыты! Но конец XVIII века уже готовил новые открытия в области электричества.

Возмутителем спокойствия стал Луиджи Гальвани, профессор анатомии в Болонье. Он занимался изучением нервной системы лягушек. И никакого открытия не было бы, если бы случайно одна из препарированных лягушек не оказалась вблизи электрической машины. Окружающие увидели, как при появлении электрической искры лапки мертвой лягушки, прикасавшиеся к скальпелю, дергались.

Это явление очень заинтересовало Гальвани. Он провел множество экспериментов, используя как электрические машины, так и естественный источник электричества – грозовые разряды. Исследуя влияние атмосферного электричества на сокращение мышц лягушки, он подвешивал препарированных лягушек за медные крючки, проходившие через спинной мозг, на железную решетку сада и обнаружил, что даже в ясную погоду происходило сокращение мышц задних лапок, когда они касалась железной ограды. Это было удивительно – источника электричества нет, а мышцы сокращаются. Гальвани нашел единственное, по его мнению, объяснение: мышцы сами вырабатывают электричество. Трактат Гальвани “Об электрических силах в мускуле” вышел в 1791 году. Новость о “животном электричестве” всколыхнула весь научный мир.

Но Гальвани ошибся в трактовке своих опытов. То, что не смог увидеть он, увидел Вольта. Цепь, замыкавшаяся через лягушку, состояла из разных металлов. Профессор Алессандро Вольта поставил опыт на себе: взял две монеты из разных металлов и положил их себе в рот – одну на язык, другую под язык. Соединив их проводником, он почувствовал характерный кисловатый вкус электричества. И сделал блестящий вывод: источником электричества служит контакт двух различных металлов, разделенных электропроводящей жидкостью животных тканей. От этого вывода до создания нового источника электричества оставался один шаг, и Вольта сделал его. Он взял медный и цинковый кружочки и переложил их смоченным в соленой воде сукном. Положив друг на друга несколько таких элементов, Вольта получил первый источник электрического тока. Его назвали “вольтовым столбом”. 20 марта 1800 года Вольта сообщил о своих исследованиях Лондонскому королевскому обществу.

Новый источник открыл потрясающие перспективы использования электричества. Было открыто химическое действие тока. В 1807 г. английский ученый Дэви путем электролиза расплавов едких щелочей открыл новые элементы: калий и натрий. Были обнаружены также тепловое и световое действия электрического тока. В 1803 г. русский физик В. В. Петров открыл электрическую дугу, использовав батарею из 4200 цинковых и медных кружков. Для ее размещения потребовалось несколько ящиков!

Появление источника электрического тока явилось толчком и для исследования связи электрических и магнитных явлений. Утверждение Гильберта о различной природе электричества и магнетизма стало подвергаться сомнению уже с середины XVIII века. Связь между этими явлениями пытался обнаружить петербургский академик Франц Эпинус, который в 1758 г. опубликовал трактат “О сходстве электрической силы с магнитной”. Французский ученый Д. Ф. Араго скрупулезно собирал факты, свидетельствовавшие о связи электричества и магнетизма, и в начале XIX в. описал эти факты в книге “Гром и молния”. Англичанин Дэви обнаружил, что электрическая дуга отклоняется под действием магнита. Научный мир находился в ожидании открытия этой связи, и многим физикам хотелось его совершить. А удалось эту связь обнаружить датскому физику Хансу Кристиану Эрстеду в 1820 г.

Пишут, что на лекции Эрстеда при демонстрации теплового действия тока рядом с проводником случайно оказалась магнитная стрелка, и один из студентов заметил, что она колышется, когда по проводнику пропускается ток. Казалось бы, помог случай, но Эрстед был готов к восприятию этого случая – он многие годы думал над этой проблемой. События, последовавшие после этого, стоят того, чтобы рассмотреть их по датам. Четырехстраничный “памфлет” Эрстеда о его открытии появился 21 июля 1820 года. Араго продемонстрировал опыты Эрстеда на заседании Французской академии 11 сентября этого года. Присутствовавший на заседании Андре Мари Ампер как будто дожидался этого момента. В течение последующих двух недель он провел множество опытов, буквально не выходя из лаборатории. Его доклады в академии следовали один за другим.

Пропуская электрический ток через параллельные проводники, Ампер установил, что токи одного направления притягиваются, а противоположного – отталкиваются. Он обнаружил, что проводник в форме витка при пропускании тока через него ведет себя как магнит. Если взять не один, а несколько витков, то сила притяжения этого искусственного магнита возрастает. Ампер первым сделал многовитковую катушку из провода – соленоид и обнаружил внутри и вне него магнитное поле. Он выяснил также, что сила притяжения электромагнита зависит от интенсивности движения электричества, и первым ввел понятие силы тока.

Ампер выдвинул гипотезу, которая не опровергнута до сих пор: магнитные свойства любого тела определяются замкнутыми электрическими токами внутри него. Если они расположены хаотически друг по отношению к другу, то магнитных свойств тело не обнаруживает. В магнитах элементарные токи в теле ориентированы строго определенным образом, так что их действия складываются. Магнетизм Земли Ампер объяснял существованием токов, обтекающих Землю с запада на восток.

Проведенная работа была подытожена Ампером в его мемуаре “Теория электродинамических явлений, выведенная исключительно из опыта” (1823 г.). Эта работа открыла новую страницу в знаниях об электричестве: учение о движущемся электричестве – электродинамику. Была установлена связь между электричеством и магнетизмом: движущееся электричество порождает магнитные явления.

Теперь появился новый вопрос: а не может ли магнит, в свою очередь, породить электричество? На этот вопрос пытались ответить “бессмертные” Ампер и Араго, но не смогли. А удалось найти ответ другому человеку – Майклу Фарадею.

Майкл Фарадей (22.09.1791 – 25.08.1867)

Фарадей родился в деревне недалеко от Лондона в семье кузнеца. Его образование ограничилось начальными навыками чтения, письма и арифметики. В 12 лет отец устроил его в книжный магазин. Мальчик сначала работал рассыльным, а потом подмастерьем переплетчика. Здесь у него сформировалась любовь к чтению, причем не развлекательной, а научной литературы, сначала популярной, а потом и профессиональной. Поэтому совершенно логичным стало его знакомство с известным ученым сэром Гэмфри Дэви. По рекомендации одного из покупателей Фарадей прослушал лекции Дэви. Они произвели на него такое впечатление, что попасть в научный мир стало целью его жизни. Благодаря фантастическому упорству и настойчивости он становится лаборантом у Дэви и вскоре приступает к самостоятельным научным исследованиям, сначала по химии, а после открытия Эрстеда – в области электричества. Готовя по просьбе редакции одного из журналов статью об электричестве, он проделал множество опытов, в том числе и тот, о задумке которого услышал от Дэви и Волластона, – вращение проводника с током под действием магнита. Опыт блестяще удался. После этого Фарадей становится первым человеком, сделавшим электрический двигатель, и врагом сэра Дэви. Дошло до того, что Дэви был единственным голосовавшим против избрания Фарадея в Королевское общество в 1824 году. Волластон же простил симпатичного ему молодого ученого.

Последующие несколько лет экспериментов с электричеством привели Фарадея к открытию электромагнитной индукции в 1831 году. В том же году Фарадей разработал схему первого в мире электрического генератора – преобразователя вращательного движения в электрический ток. Это изобретение дало человечеству электрический ток недостижимой для “вольтова столба” мощности. Известный русский ученый А. Г. Столетов писал: “Никогда со времен Галилея свет не видал стольких поразительных и разнообразных открытий, вышедших из одной головы, и едва ли скоро увидит другого Фарадея”.

Фарадей был не только блестящим экспериментатором. Он аккуратнейшим образом описывал все свои опыты и опубликовал свои записи в многотомном труде “Экспериментальные исследования по электричеству”. Умер Фарадей 25 августа 1867 г., сидя в кресле за столом и сжимая в руках переплетенный им самим лабораторный журнал, который заканчивался описанием опыта под номером 16041.

Ознакомившись с опытами Эрстеда, Фарадей записал в своем дневнике: “обратить магнетизм в электричество”, но решить эту задачу смог только после 10 лет упорного труда. Сначала Фарадей обнаружил скачки тока в обмотке с гальванометром при замыкании и размыкании ключа в расположенной рядом обмотке с источником тока (29 августа 1831 г.). А позже (17 октября 1831 г.) обнаружил появление тока в цепи, содержащей катушку, при введении в нее магнита.

Аналогичный опыт с магнитом и катушкой проводили и Ампер, и швейцарский физик Колладон, но они убедились, что ток в цепи равен нулю независимо от того, введен в катушку магнит или нет. А посмотреть, что происходит при движении магнита, они не догадались.

Таким образом, Фарадей первым обнаружил, что движущийся магнит вызывает появление в катушке электрического тока. Это явление было названо электромагнитной индукцией. Электромагнитная индукция проявляется и в связанных катушках: при изменении тока в одной из них появляется ток в другой.

Возникновение в проводнике электродвижущей силы (ЭДС) индукции, если относительно него перемещается магнит или другой проводник с током, Фарадей объяснял существованием вокруг магнита в окружающем пространстве особого состояния. Это состояние характеризуется силовыми линиями. Если проводник неподвижен относительно силовых линий, то ток в нем не появляется. При пересечении проводником силовых линий в нем возникает ЭДС индукции, причем ее величина пропорциональна количеству силовых линий, пересекаемых проводником за единицу времени. Силовыми линиями физики пользовались и до Фарадея и наблюдали их воочию. Но воспринимали их как условные линии приложения сил. Фарадей же верил в реальное их существование. Введением магнитных и электрических силовых линий Фарадей фактически создал концептуальную модель магнитного и электрического полей. Для создания математической модели ему не хватало математической подготовки. Зато она была у Максвелла.

Джеймс Клерк Максвелл (13.06.1831 – 5.11.1879)

Джеймс Клерк Максвелл родился в семье богатого шотландского лендлорда Джона Клерка Максвелла. Детство Джеймса было безоблачным. Он рос активным любознательным мальчиком. Однако школа ему не понравилась, учиться было неинтересно, и учился он плохо, особенно по математике. Все перевернула геометрия, и вскоре он стал лучшим учеником школы. Первую научную работу он выполнил, когда ему еще не было пятнадцати лет: предложил способ построения овала с помощью двух иголок и нити. Интерес Максвелла к математике и физике огромен. Он учится в Эдинбургском университете, оттуда отправляется в Кембридж, в Тринити-колледж, где некогда учился Ньютон и где уровень преподавания математики был выше, чем в любом другом университете Англии. Круг интересов Максвелла широк: в 1857 г. он провел исследование устойчивости колец Сатурна, в 1859 вывел закон распределения скорости молекул газа (известное сейчас как распределение Максвелла). Но после ознакомления с работой Фарадея “Экспериментальные исследования по электричеству” главное внимание сосредоточил на разработке теории поля. Он разделял идеи Фарадея и дал зарок – не читать ни одного математического труда по электричеству, пока не воплотит эти идеи в формулы. Полжизни потратил Максвелл на решение задачи, но результат стоил того. Вышедший в 1873 г. двухтомный “Трактат об электричестве и магнетизме”, содержащий теорию электромагнитного поля, обессмертил имя Максвелла. Этот труд был тяжел для восприятия даже математикам. Максвелл начал работать над книгой “Электричество в элементарном изложении”, но завершить работу ему не удалось. У него был обнаружен рак, и 5 ноября 1879 года он скончался, не прожив и пятидесяти лет.

Не будет большой ошибкой сказать, что на Фарадее закончился классический научный подход – от опыта к закону, наиболее четко сформулированный Ампером во введении к “Теории электродинамических явлений”: “Начать с наблюдения фактов, изменять, по возможности, сопутствующие им условия, сопровождая эту первоначальную работу точными измерениями, чтобы вывести общие законы, основанные всецело на опыте, и в свою очередь вывести из этих законов, независимо от каких-либо предположений о природе сил, вызывающих эти явления, математическое выражение этих сил, т. е. вывести представляющую их формулу”. С Максвелла начинается новый подход: от гипотезы к теории с последующей проверкой ее опытом.

Максвелл родился в год открытия Фарадеем явления электромагнитной индукции. Конечно, это случайное совпадение, но совпадение символическое. Максвелл стал продолжателем идей Фарадея. Фарадей сформулировал понятия отдельно об электрическом и магнитном полях. По Фарадею, вокруг электрического заряда, безразлично, неподвижного или подвижного, существует электрическое поле, проявляющееся электрическими силовыми линиями. Вокруг движущегося электрического заряда (электрического тока) формируется магнитное поле, проявляющееся магнитными силовыми линиями.

Максвелл, внимательно изучив “Экспериментальные исследования по электричеству”, стал сторонником фарадеевской концепции поля и пришел к выводу, что метод Фарадея “может быть выражен в обычной математической форме”. И ему удалось не только облечь электрическое и магнитное поля в математическое одеяние, но и объединить эти два поля в единое электромагнитное поле.

Что делает Максвелл? Для описания силовых линий он использует понятия напряженности: напряженность электрического поля Е и напряженность магнитного поля Н. Приведем уравнения, полученные Максвеллом в результате многолетнего труда и преобразованные к современному виду Генрихом Герцем и Оливером Хевисайдом, даже не для того, чтобы попытаться их понять, а чтобы восхититься их компактностью и изяществом.

Уравнение для магнитного поля

rot H = (4p/c) j

можно пояснить так: электрический ток создает вихревое магнитное поле, интенсивность которого Н пропорциональна плотности тока j. Символ rot, происходящий от слова rotor (в переводе – вихрь), обозначает некоторый математический оператор.

Похожий смысл имеет и второе уравнение – для электрического поля:

rot E = - (1/c) B ¢.

Оно описывает явление электромагнитной индукции. Магнитное поле, индукция которого равна В, создает вихревое электрическое поле, интенсивность которого Е пропорциональна скорости изменения вектора магнитной индукции (В ' – производная вектора магнитной индукции, а физический смысл производной – скорость).

Связав эти уравнения, можно было бы получить единое поле, в котором магнитное и электрическое поля порождали и поддерживали бы друг друга. Однако возникала трудность в порождении магнитного поля электрическим. Для возникновения магнитного поля необходим электрический ток. Если по проводнику течет переменный ток, то вокруг проводника возникает переменное магнитное поле, описываемое первым уравнением. Магнитное поле создаст, в соответствии со вторым уравнением, переменное электрическое поле. Это поле воздействует на электрические заряды. Если среда проводящая, то заряды будут двигаться, а движение зарядов – это электрический ток, и, следовательно, в окрестности этой проводящей среды появится магнитное поле. Но воздух – среда непроводящая, и электрический ток в ней невозможен. А если нет электрического тока, нет и магнитного поля. Чтобы обойти эту трудность, Максвелл выдвинул гипотезу, согласно которой и в непроводящей среде течет ток. Под действием электрического поля электрические заряды в диэлектрике смещаются относительно своего равновесного положения, а это есть электрический ток, пусть и кратковременный. Максвелл назвал его током смещения. Ток смещения тем больше, чем больше скорость изменения электрического поля. И Максвелл дополнил первое уравнение слагаемым, связанным с током смещения:

rot H = (4p/c)(j + D' ),

где D' – производная вектора электрической индукции.

В переменном электрическом поле ток смещения присутствует всегда и он создает переменное магнитное поле. Таким образом, за счет переменного тока смещения обеспечивается существование электромагнитного поля. Вакуум Максвелл считал диэлектриком, поэтому электромагнитная волна могла распространяться и в вакууме. Для постоянного поля ток смещения равен нулю (D' = 0), и поэтому постоянные поля, магнитное и электрическое, могут существовать только по отдельности.

Научный мир отнесся к новой теории как к математическому построению, ничего общего с практикой не имеющему. Большинство ученых того времени, в том числе и Ампер, были сторонниками дальнодействия – мгновенной передачи сил взаимодействия, а новая теория противоречила их убеждениям. В дополнение к этому не было ни одного опыта, на который бы эта теория опиралась, – никто пока еще электромагнитной волны не наблюдал.

И только в 1887 году, спустя 14 лет после опубликования Максвеллом “Трактата об электричестве и магнетизме”, существование электромагнитного поля было экспериментально доказано. Это сделал немецкий физик Генрих Герц.

Генрих Рудольф Герц (22.02.1857 – 1.01.1894)

Герц родился в семье гамбургского адвоката. В школе учился легко и увлеченно. У него не было нелюбимых дисциплин. Он прекрасно справлялся и с математикой, и с литературой, а кроме того, у него были золотые руки. Говорят, что когда Герц стал известным ученым, его наставник по токарному делу с сожалением заметил: “Жаль. Из него мог бы получиться отличный токарь”. После окончания гимназии поступил в Высшее техническое училище в Дрездене, собираясь стать инженером, но вскоре перешел в Мюнхенский университет, а затем в Берлинский. Там ему крупно повезло – его руководителем стал Герман Гельмгольц, едва ли не самый видный немецкий физик девятнадцатого столетия. Природные задатки Герца со временем развились в незаурядные способности. В Герце сочетался тончайший и остроумный экспериментатор с глубоко мыслящим теоретиком. Мы знаем Герца как первооткрывателя электромагнитных волн, но он первым открыл и фотоэффект.

Колоссальные перегрузки, особенно во время экспериментов с электромагнитными волнами, не прошли для Герца бесследно. Еще с рождения он был болезненным ребенком, и теперь его здоровье стало быстро ухудшаться. Сначала отказали глаза, потом друг за другом начались болезни других органов. И на пороге нового, 1894 года Герц умер от общего заражения крови в возрасте всего лишь 37 лет.

Сейчас можно только удивляться тому, какой простой была установка, позволившая Герцу открыть электромагнитные волны. Начиналось вроде бы с уже известной и признанной всеми электромагнитной индукции. 5 декабря 1886 года он пишет Гельмгольцу: “Мне удалось совершенно определенно установить индукционное действие одной незамкнутой прямолинейной цепи на другую незамкнутую прямолинейную цепь”.

Рис. 1

В экспериментальной установке для излучения электромагнитных волн (рис. 1) использовалось устройство, содержащее два проводящих электрический ток стержня, расположенных по одной линии. Ближние концы, заканчивавшиеся маленькими шариками, образовывали искровой промежуток. На дальних концах располагались большие шары – накопители электричества. Эту конструкцию в дальнейшем стали называть вибратором Герца. На вибратор подавались высоковольтные импульсы с катушки Румкорфа.

Мы не знаем, как представлял Герц процессы, происходящие в вибраторе, но на уровне теперешних школьных знаний по физике можем пояснить их так (см. рис. 2). При подаче на вибратор высокого напряжения происходит накопление электрического заряда разного знака на больших шарах. Когда разность потенциалов в искровом промежутке достигает напряжения пробоя, возникает электрическая искра и искровой промежуток становится проводящим. По проводнику потечет ток от одного шара к другому. Возникшее вокруг проводника магнитное поле противодействует увеличению тока, поэтому ток не может измениться скачком, а будет постепенно нарастать, начиная с нуля. В момент достижения током максимального значения шары будут полностью разряжены, их потенциал будет равен нулю. К этому времени искра пропадет, но проводимость искрового промежутка из-за ионизации воздуха сохранится, и ток будет продолжать течь в том же направлении. Он не может стать равным нулю, так как этому противодействует магнитное поле, и будет медленно уменьшаться. Этим током заряжаются шары, причем полярность заряда противоположна исходной. Заряд продолжается до тех пор, пока ток не станет равным нулю. Так как потери в проводнике малы, то разность потенциалов между шарами оказывается достаточной для пробоя искрового промежутка. Наступает пробой, и процесс повторяется.

Рис. 2

Так формируется переменное магнитное поле, которое и является первоисточником электромагнитного поля. Колебательный процесс заканчивается тогда, когда разность потенциалов между шарами становится недостаточной для пробоя искрового промежутка. Кстати, продолжительность электрической искры была измерена В. Феддерсеном (1832 – 1919 гг.). Она оказалась равной 25 мкс, причем имеет разрывы и переполюсовку разрядов, что согласуется с нашими рассуждениями.

Устройство обнаружения излучения, использованное Герцем, представляло собой виток провода прямоугольной формы с небольшим расстоянием (искровым промежутком) между концами провода. Герц назвал его резонатором. Когда в вибраторе происходил разряд, возникала слабенькая искра в резонаторе. Заметить ее Герц мог только в затемненной комнате.

Можно предположить, что Герц, приступая к эксперименту, совсем не хотел доказать существование электромагнитных волн. Ведь он был учеником Гельмгольца и очень его ценил, а Гельмгольц придерживался позиции дальнодействия и не принимал учения Максвелла. Но, проводя экспериментальные исследования, Герц находил все больше подтверждений того, что излучение вибратора обладает волновыми свойствами. Сначала он обнаружил стоячие волны, перемещаясь с резонатором по лаборатории. Искра в резонаторе то пропадала, то возникала вновь. Это объяснялось узлами и пучностями стоячей волны. Затем он обнаружил преломление волн, изготовив для этого опыта гигантскую призму из асфальта. Вдобавок оказалось, что скорость распространения новых волн равна скорости света, как и предсказал Максвелл. О результатах своих опытов Герц доложил Берлинской академии наук в 1888 г.

Итак, существование электромагнитного поля экспериментально доказано. Но что оно из себя представляет, каково его строение, мы не знаем до сих пор и, наверное, никогда не узнаем. Оно не разлагается ни на что более простое, как, например, элементарные частицы. Остается только признать, что ничего более первичного, чем электромагнитное поле, мы не знаем. А теория поля Максвелла – это всего-навсего математическая модель поля, которая до сих пор не вошла в противоречие с опытом.

Трудно было найти физика, равнодушного к новому открытию. Многие повторяли опыты Герца, пытались усовершенствовать аппаратуру, особенно устройство обнаружения электромагнитного поля. Ведь заметить искру в приемном резонаторе было не так легко. Первым добился успеха молодой французский физик Эдуард Бранли в 1890 г.

Рис. 3

Он использовал стеклянную трубочку с насыпанными в нее металлическими опилками. Эти опилки обладали интересным свойством: их проводимость резко возрастала при облучении электромагнитными волнами. Получился очень простой обнаружитель электромагнитного поля, Бранли назвал его радиокондуктором. Он представлял собой цепь постоянного тока с включенными последовательно трубкой Бранли А и гальванометром G (рис. 3). При появлении электромагнитного поля, образовывавшегося при разряде лейденской банки, стрелка гальванометра отклонялась. Была только одна неприятность – проводимость трубки Бранли оставалась высокой и при снятии электромагнитного поля. Чтобы восстановить работоспособность схемы, нужно было встряхнуть трубку.

Приспособление для встряхивания трубки Бранли было предложено английским физиком Оливером Лоджем в 1894 г. Он использовал часовой механизм, обеспечивающий постоянное постукивание молоточком по трубке. Лодж назвал трубку Бранли когерером (в переводе – сцеплятелем), и это название в дальнейшем закрепилось за трубкой Бранли.

Не остался равнодушным к работе по обнаружению электромагнитного поля и преподаватель Минного офицерского класса в Кронштадте А. С. Попов.

Александр Степанович Попов (16.03.1859 – 31.12.1905)

А. С. Попов родился в поселке Турьинские рудники Верхнетурского уезда Пермской губернии в семье священника. Отец, естественно, отправил его учиться в духовное училище. Среднее образование получил в Пермской духовной семинарии. Александр был примерным учеником, но больше интересовался не богословием, а физикой. Поэтому после окончания общеобразовательных классов духовной семинарии в 1877 г. поступил на физико-математический факультет Петербургского университета. Во время учебы испытывал материальные трудности и подрабатывал репетитором, корректором, переводчиком. Серьезно интересовался электротехникой. Был “объяснителем” (экскурсоводом) на электротехнической выставке в Петербурге. В 1881 г. стал работать в обществе “Электротехник”. Но ни дополнительная работа, ни состояние здоровья (постоянное недоедание и полученный из-за отсутствия теплой одежды жестокий ревматизм) не помешали ему окончить университет одним из лучших. Совет Петербургского университета присудил Попову А. С. ученую степень кандидата и рекомендовал остаться в университете “для подготовки к профессорскому званию”.

Но он не остался в университете, а принял поступившее вскоре предложение работать в Минном офицерском классе в Кронштадте. Помимо преподавания ему предложили возглавить физическую лабораторию Эта лаборатория благодаря стараниям А. С. Попова стала лучшей электротехнической лабораторией в России. В ней А. С. Попов в течение 1895 г. провел множество опытов, завершившихся созданием первого прибора для обнаружения и регистрирования электрических колебаний – приемника электромагнитных волн. Это изобретение принесло А. С. Попову мировую известность. На Всемирной электротехнической выставке в Париже в 1900 г. ему были присуждены почетный диплом и большая золотая медаль.

В сентябре 1901 г. А. С. Попов был назначен ординарным профессором физики Электротехнического института, а в 1905 г. избран его директором. В конце 1905 г. состоялся серьезный разговор в министерстве внутренних дел по поводу резкого повышения политической активности студентов. После этого разговора А. С. Попов заболел и 31 декабря (по старому стилю) скончался от кровоизлияния в мозг.

А. С. Попов ревностно следил за обновлением физической лаборатории Минного класса и поэтому сразу же после сообщений об опытах Герца в 1888 г. он их повторил. Осенью 1894 г. А. С. Попов познакомился со статьей Лоджа в английском журнале “Электрик” и занялся усовершенствованием приведенной там схемы. Вместе со своим помощником Рыбкиным он перепробовал сотни порошков, прежде чем нашел лучший. А главное, он изменил принцип встряхивания когерера: когерер встряхивался автоматически после приема электромагнитного излучения. Это обеспечило возможность достоверного приема и регистрации последовательности сигналов различной длительности. О своей работе А. С. Попов доложил 7 мая 1895 г. на заседании Русского физико-химического общества. Доклад назывался “Об отношении металлических порошков к электрическим колебаниям”. Материалы этого доклада были опубликованы в журнале общества в январе 1896 г. в статье “Прибор для обнаружения и регистрирования электрических колебаний”.

Рис. 4

Приемник Попова (рис. 4) содержал две цепи постоянного тока. Первая, слаботочная, образована батареей PQ, когерером АВ и реле. При появлении электромагнитного поля сопротивление когерера уменьшалось и по первой цепи протекал ток, достаточный для притяжения якоря реле. Притягиваясь, якорь через контакт С замыкал вторую, сильноточную, цепь. В этой цепи электрический ток протекал от плюсового вывода Q батареи через замкнутый контакт С, пружинный контакт D, электромагнит звонка к минусовому выводу Р батареи. Электромагнит притягивал якорь, и молоточек якоря ударял о звонок, “информируя” о приеме электромагнитной волны. При этом пружинный контакт D размыкался и вторая цепь обесточивалась. При обратном ходе молоточек звонка ударял по когереру, сопротивление когерера увеличивалось, ток уменьшался до величины, недостаточной для притяжения якоря реле, и вся схема возвращалась в исходное состояние. Если электромагнитная волна еще существовала, то процесс повторялся и звонок звонил до тех пор, пока не исчезало электромагнитное поле, то есть в течение всей длительности сигнала.

Над проблемой приема электромагнитных волн в те годы работали во всех развитых странах: в Англии – Г. Джексон, в Германии – А. Слаби и К. Ф. Браун, в США – Ли де Форест, Г. Шумейкер, Н. Тесла, в Италии – Г. Маркони. Наиболее удачливым оказался Г. Маркони.

Гульельмо Маркони (15.04.1874 – 20.07.1937)

Г. Маркони родился в Болонье в семье крупного землевладельца. Мать была дочерью фабриканта знаменитого шотландского виски. Он не учился ни в одном учебном заведении, получил домашнее образование. Несмотря на богатство родителей, избалованным не был, наоборот, был сосредоточен, скромен и любознателен. С детства интересовался физикой. Самостоятельно сделал вольтовы столбы, повторил опыты Фарадея и выучил код Морзе. Отец не мешал увлечению сына. Только однажды, когда количество разбитых тарелок из дорогих сервизов оказалось, по его мнению, слишком большим (Гульельмо использовал их в качестве изоляторов), он запретил сыну заниматься опытами. Но ничего из этого не вышло. Как раз в это время (1893 г.) Г. Маркони увлекся опытами с волнами Герца. Оборудование стоило дорого, а так как старик отказал сыну в “финансировании”, то Гульельмо, чтобы купить проволоку, стал продавать свою одежду. Отец сменил гнев на милость, возможно, поверив в проекты сына. Как шла эта работа, каких результатов добился Г. Маркони за эти годы, неизвестно - никаких документов нет, но в 1896 г. он подал заявку на патент беспроволочного телеграфа. С этого момента Маркони развил бурную деятельность и стал фактически локомотивом беспроволочного телеграфа. Благодаря ему быстро устанавливается беспроводная связь между Англией и Америкой.

Заслуги Маркони были отмечены Нобелевской премией по физике, которую он получил вместе с К.Ф.Брауном в 1909 году за вклад в создание беспроволочного телеграфа. Гульельмо Маркони умер 20 июля 1937 года в Риме, окруженный почетом и вниманием, увенчанный лаврами академий и университетов.

Рис. 5

В 1896 г. в мировой прессе появилась информация об изобретении Г. Маркони “способа сигнализации на расстоянии”. Действие этой аппаратуры было продемонстрировано в Англии в конце 1896 г. И приемник, и передатчик находились в закрытых деревянных ящиках. Дальность, на которой приемник реагировал на излучение передатчика, достигала половины мили. Но только 4 июня 1897 года принципы “телеграфирования без проводов” были доложены на лекции в Королевском институте в Англии и рассекречена схема устройства. Как оказалось, схема приемника Маркони (рис. 5) практически повторяла схему Попова. Она также содержала когерер и устройство встряхивания его во время прихода электромагнитной волны. Высказывались мнения, что Маркони украл идею у Попова, но сам А. С. Попов так не считал. Маркони мог прийти к такой схеме самостоятельно, так как прототипом для обоих была схема Лоджа и путь усовершенствования схемы был однозначным. К тому же Маркони доказал свой профессионализм, получив в последующие годы еще целый ряд патентов на свои схемы. К концу 1901 года он довел дальность беспроводной связи до 3500 км, обеспечив трансатлантическую связь между Старым и Новым Светом.

Однако притязания Маркони на первенство в изобретении приемника заставили А. С. Попова выступить в печати в защиту своего приоритета. В английском журнале “The Electrician” в 1897 г. было опубликовано письмо А. С. Попова “An application of the coherer”, в котором он прямо указал, что “устройство приемника Маркони является воспроизведением моего прибора для регистрации гроз”.

Было бы несправедливым не вспомнить о Николо Тесла, когда мы говорим об истории радио. В 1891 г. Н. Тесла (Сант-Луис, штат Миссури, США) в ходе публичной лекции описал принципы передачи радиосигнала на большие расстояния. В 1893 г. он запатентовал радиопередатчик, а в 1895 – приемник. Используя антенну в виде мачты, Н.Тесла в 1895 г. передал радиосигнал на расстояние 30 миль. Приоритет Тесла перед Маркони был признан в судебном порядке в 1943 г. Но Тесла сосредоточил свои усилия на беспроводной передаче энергии, и его изобретения в области беспроводной связи не имели практического выхода. Поэтому он не был конкурентом Попову и Маркони в организации радиосвязи в начале прошлого столетия.

В конце ХХ века в дни столетия изобретения радио в прессе обострился спор: кто же является изобретателем радио – А. С. Попов или Г. Маркони. Не останавливаясь на правомерности использования слов “изобретатель радио” (без Максвелла, Герца, Бранли и Лоджа не было бы этого изобретения), с полной уверенностью следует сказать, что первым создателем приемника телеграфных сигналов является А.С.Попов, что подтверждается соответствующими публикациями. Г.Маркони запатентовал способ сигнализации на расстоянии, и его аппаратура содержала приемник, как у Попова, передатчик, как у Герца, а также использовавшиеся в телеграфии ключ и печатающее устройство. Маркони получил патент в Англии и Италии. Германия, Франция, США и Россия отказали ему в выдаче патента, ссылаясь на приоритет Попова. А приоритет определяется по первой публикации, и неважно, статья это или патент. Почему Попов не подавал заявки на изобретение приемника электромагнитных волн? Скорее всего, просто не придавал значения патентованию, что было характерно для многих ученых того времени. Патент дает коммерческую выгоду изобретателю, а материалами статьи могут пользоваться все бесплатно.

Для А. С. Попова создание приемника электромагнитных волн было одним из занятий преподавателя-исследователя, а для Г. Маркони – делом всей его жизни. Попов следил за всеми новинками в области электротехники и смежных с ней областях – в мировой печати в 1895 г. появилась информация о рентгеновском излучении, и он занялся изготовлением рентгеновской установки и в следующем году уже читал публичную лекцию о новом виде излучения. А Маркони все силы бросил на внедрение своего изобретения. Для этого он уже 20 июля 1897 г. зарегистрировал в Англии компанию “Wireless Telegraph and Signal Company Limited”, через некоторое время – дочернюю компанию в США, которая затем преобразовалась в RCA – “Radio Corporation of America”, и фактически монополизировал производство связных станций для флота. О том, что он был способен использовать любые средства для достижения своей выгоды, говорит следующий факт. Фирма Маркони “Wireless Telegraph and Signal Company Limited” предписала всем, пользующимся ее судовой радиоаппаратурой, отзываться только на те сигналы бедствия, которые переданы по системе Маркони. И такое бесчеловечное распоряжение действовало вплоть до 1906 г.

А. С. Попов не имел таких материальных средств, как Маркони, и успешно конкурировать с Маркони не мог, но в меру своих сил и возможностей продолжал заниматься беспроволочной телеграфией. По его инициативе в 1897 г. начались опыты по связи между военными судами в Балтийском море. Весной 1897 г. А. С. Попов руководил опытами сам, а летом – его помощник П. Н. Рыбкин по тщательно разработанной Поповым программе. Была достигнута дальность связи между кораблями до 5 км. Опыты на флоте продолжались и в 1898 – 1899 годах. Во время этих опытов в 1899 г. П. Н. Рыбкин и заведующий Кронштадтским крепостным телеграфом Д. С. Троицкий обнаружили возможность принимать телеграфные сообщения на слух, используя телефонную трубку, без встряхивания когерера. Исследуя обнаруженное явление, А. С. Попов усовершенствовал свой приемник для слухового приема, а точнее, создал новый, детекторный приемник и запатентовал его как “телефонный приемник депеш”. Этот приемник был запатентован в Великобритании, Франции, США и других странах. Использование приема на слух намного увеличило дальность связи.

Но морское ведомство России не торопилось поддерживать Попова. Правда, в середине 1897 г. ему было выделено 300 руб. для проведения опытов. В январе 1899 г. А.С.Попов в докладной записке главному инспектору Минного дела контр-адмиралу К. Д. Остелецкому обосновывает необходимость и возможность производства “приборов для телеграфирования без проводников” и обучения телеграфистов в России. А Маркони в это время уже наладил производство связных станций. Во Франции морские станции связи по схеме Попова стала изготавливать фирма Дюкрете, составившая некоторую конкуренцию Маркони.

Толчком для активизации действий морских властей послужила построенная в 1900 г. под руководством Попова и успешно работавшая линия беспроволочной связи между броненосцем “Генерал-адмирал Апраксин”, севшим на мель у острова Гогланд, и г. Котка в Финляндии (45 км.) В этом же году была создана радиомастерская в Кронштадте, занимавшаяся ремонтом и изготовлением морских связных станций. Руководителем радиомастерской был назначен А. С. Попов.

Не нашли, что искали? Воспользуйтесь поиском: