Синтетична природа радіо

Размещено на http://www.allbest.ru/

СИНТЕТИЧНА ПРИРОДА РАДІО

Радіо прийнято називати галузь науки і культури, пов'язану з передаванням на відстань без дротів інформації за допомогою радіохвиль. Своєю чергою, радіозв'язком є передавання та приймання повідомлень за допомогою електромагнітних хвиль [121]. Питання першості у відкритті радіозв'язку в різних країнах трактують неоднаково. Біля витоків радіо стояли Нікола Тесла, Гульєльмо Марконі, Олександр Попов та ін. Однак очевидним є той факт, що винайдення радіозв'язку наприкінці ХІХ ст. та впровадження його в життя було здійснено завдяки дослідженням та експериментам переважно європейських фізиків.

Пріоритет у винайденні радіо в історії науки й техніки пов'язаний з національним престижем певної держави. Приміром, «Большая советская энциклопедия» винахідником радіо називає Олександра Попова, італійська «Nuova Епсісіоребіа Sonzgno» - Гульєльмо Марконі, однак французька «Larousse universel» ставить Марконі на друге місце після винахідника когерера та бездротової телеграфії Едуарда Бранлі, тоді як англійська енциклопедія «Encyclopaedia Britannica» наперед виводить винахідника Олівера Джозефа Лоджа, який 1894 року першим продемонстрував радіопередачу та радіоприйом на відстань 40 м.

У США винахідником радіо вважається вчений сербського походження Нікола Тесла, що запатентував 1893-го радіопередавач, а 1895-го - приймач. До того ж, його пріоритет перед Марконі було визнано в судовому порядку 1943 року. Це пов'язано з тим, що конструкція пристроїв Тесли дозволяла модулювати акустичним сигналом коливальний контур передавача, здійснювати радіопередачу сигналу на відстань і _тт. приймати його приймачем, який перетворював сигнал в акустичний звук. Таку саму конструкцію мають усі сучасні радіопристрої, в основі яких лежить коливальний контур, тоді як конструкції Марконі й Попова були примітивними та дозволяли здійснювати тільки сигнальну функцію, використовуючи, зокрема, азбуку Морзе.

В Індії радіопередачу в міліметровому діапазоні в листопаді 1894 року демонстрував сер Джагдиш Чандра Боше (Бос, Бошу, Бозе).

Першим же винахідником способів передачі та прийому електромагнітних хвиль (які тривалий час називалися «хвилями Герца - Hertzian Waves»), є сам їх першовідкривач, німецький учений Генріх Герц. Невипадково видання «Lexikonder Deutschen Buchgemeinschaft» батьком радіо називає саме Герца. Незаперечним залишається твердження про те, що саме німецький фізик Герц 1887 року своїми дослідами заклав основи бездротового електрозв'язку.

Однак історія радіо починається раніше - з досліджень найвидатнішого експериментатора XIX ст. Майкла Фарадея, який дослідним шляхом намагався довести спорідненість світла з електрикою та магнетизмом і в 1851-1855 роках запропонував концепцію електромагнітного (ЕМ) поля.

Джеймс Клерк Максвелл

Ідеї Фарадея спонукали професора Лондонського королівського коледжу шотландця Джеймса Клерка Максвелла до створення у 18601865 роках математично оформленої ЕМ-теорії світла, про яку він уперше доповів на засіданні Королівського товариства в рік смерті М. Фарадея. Знамениті рівняння Максвелла показують, що світло ідентичне до ЕМ-хвиль, які є процесом перенесення в просторі енергії пов'язаних між собою змінних електричного й магнітного полів.

Численні опоненти Максвелла критично ставилися до основних положень теорії - до ідеї про спільність властивостей світлових і ЕМхвиль і до припущення про існування струмів зміщення. Переконливе підтвердження сталося через 20 років після доповіді Максвелла.

Генріх Герц

Передбачені Максвеллом сферичні ЕМ-хвилі були отримані й експериментально досліджені в німецькому місті Карлсруе молодим професором фізики Генріхом Герцом, який дослідами з іскрою від електричного розряду довів, що ЕМ -хвилі мають властивості світлових хвиль. У серії дослідів з параболічною антеною, виконаних 1888 року, Герц перетворив хвилі зі сферичною хвильовою поверхнею на хвилі з плоским фронтом і, експериментуючи таким чином уже з ЕМ-променем, встановив, що він підлягає законам геометричної оптики.

Учений переконався також у здатності ЕМ-хвиль інтерферувати, що дало змогу вимірювати їх довжину.

Герман фон Гельмгольц

Досліди Герца були значною мірою виконані під впливом професора Германа фон Гельмгольца. Він сприяв визнанню теорії Максвелла науковцями. Саме в лабораторії Гельмгольца й на його пропозицію в 1873-1874 роках учень Столетова, майбутній професор Київського університету М. Шіллер розпочав досліди з діелектриками, які дали перше пряме експериментальне підтвердження теорії Максвелла. За ініціативи Гельмгольца, Берлінська академія наук 1879 року оголосила конкурс з преміею за експериментальне підтвердження принципово нової теорії. Дослідник звернув увагу свого талановитого учня Г. Герца на це завдання, однак з розрахунків Герца випливало, що він не мае змоги виготовити апаратуру з достатньо високою для успішних дослідів частотою коливань джерела ЕМ-хвиль. Лише через 7 років у Карлсруе йому випала така щаслива нагода, і він розпочав свої досліди на частоті 40 МГц.

Генріх Румкорф

Джерелом ЕМ-випромінювання в дослідах Герца був іскровий електричний розряд від високовольтної вторинної обмотки індукційної котушки, розробленої німецьким техніком Генріхом Румкорфом з вібратором. Ця котушка аналогічна до котушок запалювання в автомобільних двигунах. В електричному колі низьковольтної первинної обмотки котушки був повітряний розрядник, крізь який здійснювався електричний розряд від конденсаторного пристрою типу лейденської банки.

З дослідів Вільгельма Феддерсена, виконаних 1858 року в німецькому місті Кіль, було відомо, що при іскровому розряді лейденської банки відбуваються періодичні коливання електричного струму. Герц використав те, що розряд конденсатора первинної обмотки зумовлював у колі вторинної обмотки між металевими кульками розрядника виникнення іскри, яка, як з'ясувалося, е джерелом ЕМ-хвиль. Приймачем цих хвиль був виток провідника з повітряним проміжком; поява іскри в ньому свідчила про функціонування всієї апаратури - випромінювача та приймача [137].

У результаті вдосконалення апаратури частота хвиль була збільшена із 40 МГц на початку дослідів до 450 МГц.

Досліди Герца були сприйняті як диво та викликали великий інтерес у всьому науковому фізичному світі. Однак Герц був передусім дослідником, можливо, саме тому не цікавився прикладними питаннями та на перших порах не сподівався на практичне використання свого відкриття.

Низька чутливість і недосконалість приймача, у якому іскру доводилося спостерігати крізь мікроскоп, давали змогу проводити досліди лише в лабораторному приміщенні й обмежували технічне використання апаратури Герца. Тому перед дослідниками насамперед постала проблема збільшення чутливості приймача. Для практичного використання електромагнітних хвиль у радіозв'язку треба було знайти чутливий до них елемент радіоприймача.

Спочатку це був так званий когерер. Історія його розвитку така. 1838 року шведський фізик Петер Розеншьольд помітив, що вільно з'єднані між собою дрібні залізні ошурки після опромінення від іскри переходили в стан підвищеної електропровідності, а після механічного струшування поверталися в попередній стан низької електропровідності. Таку різку зміну електропровідності залізного порошку можна було багаторазово повторювати.

Значно пізніше, 1884 року, про вплив блискавки на поведінку залізних ошурок повідомив італійський учитель П. Кальцеккі-Онесті, саме він і сконструював макетний зразок майбутнього когерера, як його назвав 1894 року Олівер Лодж.

Французький фізик Едуард Бранлі, фахівець з електрофізики та скрупульозний експериментатор, зумів 1890-го перевести залізні ошурки в стан високої електропровідності дією на них іскри крізь непрозору перепону (стіну із сусідньої кімнати). Пристрій з такими порошками Бранлі назвав «електропровідником», дещо пізніше його стали називати «фритером» та остаточно за ним закріпилася назва «когерер» - скляна трубка з ошурками всередині між двома електродами. Г. Марконі після кількох сотень спроб розробив свій оптимальний варіант когерера [61].

Едуард Бранлі

Пошуки чутливого приймача проводилися не лише в напрямку використання когерера.

Наприклад, у Великій Британії професор музики Д. Х'юз помітив, що іскра викликає електричний струм у телефонному приймачі. Він продемонстрував відкрите ним явище президенту Королівського товариства Вільяму Споттісвуду та відомому фізику Джорджу Габріелю Стоксу, передаючи та приймаючи при цьому сигнали від іскри на відстанях від 55 до 460 м. На це Стокс зауважив, що всі ці результати можуть бути пояснені ЕМ-явищами, і він не приймає припущення про існування електричних хвиль. Х'юз був настільки пригнічений цією критикою, що відмовився описати в пресі свої результати доти, поки не знайде незаперечного підтвердження. Він фактично припинив свої дослідження.

Джордж Г абріель Стокс

1892 року інший англійський фізик Вільям Крукс, знаючи результати робіт численних дослідників, які вивчали властивості хвиль Герца, надрукував у науковому журналі прогноз: ЕМ-хвилі дають дивну можливість створити бездротовий телеграф, бо для цих хвиль такі середовища, як мури чи лондонський туман є прозорими.

Значний вплив на сучасників здійснили дослідження й опубліковані 1894 року лекції ліверпульського професора фізики Олівера Джозефа Лоджа, який для початку відтворив досліди Герца, продемонструвавши їх публічно. Він увів до приймача (для підвищення його чутливості) когерер, умонтувавши його в коло послідовно з електричною батареєю й електричним дзвоником, який сигналізував про прийом. Лодж 1890 року використав також резонансний контур, чим забезпечувалася налаштованість приймача на бажану частоту.

Олівер Джозеф Лодж

Хоча Лодж своєчасно не захопився проблемами зв'язку, проте під його впливом британський морський офіцер Генрі Джексон упродовж 1895-1896 років виконував таємні досліди з налагодження радіотелеграфного зв'язку між військовими кораблями. Пізніше стало відомо, що випромінювач і приймач Джексона були схожими на апаратуру Марконі [17].

Зміст лекцій Лоджа був відомий італійському професору Аугусто Ріґі, який також експериментував з хвилями Герца та зацікавив ними свого студента Г. Марконі та О. Попова. Не дивно, що в апаратурному плані установки цих піонерів радіозв'язку були дещо подібними між собою, бо свої дослідження вони мусили, як то заведено в експериментаторів, починати з відтворення дослідів Герца.

Ріґі був одним із перших, хто почав досліджувати ЕМ-хвилі відразу після публікацій Г. Герца. Він зумів отримати короткі хвилі довжиною 2,6 см, а для їх прийому частково зняв станіолеве покриття дзеркала та крізь утворену таким чином щілину спостерігав за допомогою лупи появу іскор. У Болоньї лекції Ріґі відвідував юний Г. Марконі, що стало поштовхом для його дослідів з радіозв'язку. Марконі поставив собі за мету передавати за допомогою ЕМ-хвиль інформацію на далекі відстані та досяг у цьому грандіозного успіху [137].

Когерер у розрізі

Отже, винахідники різних країн майже одночасно наблизилися до встановлення бездротового електрозв'язку через повітря. Видатних успіхів щодо винаходу й упровадження радіозв'язку в Росії досяг Олександр Попов. У військово-морському училищі в Кронш - тадті, де він працював, Попов мав можливість користуватися багатою бібліотекою, у якій ознайомився з публікаціями Г. Герца і О. Лоджа. Вони стимулювали його до продуктивної й оригінальної праці з прийому ЕМ-хвиль.

1895 року Попов спочатку відтворив досліди Герца. Згодом розробив приймач з когерером та антеною. Цей перший приймач Попова реагував на розряд блискавки, і тому його назвали грозовідвідником і встановили на одній з метеорологічних станцій. Про зміст і наслідки своєї роботи Попов доповів 7 травня 1895 року на засіданні фізичного відділення Російського фізико-хімічного товариства (РФХТ) у Санкт-Петербурзі, на якому здійснив сигналу, а при зворотному ході било струшувало когерер. У такий спосіб забезпечувалася готовність кола до приймання наступного сигналу. Передавач було виготовлено на базі вібратора Герца з індукційною котушкою й іскровим розрядником у посудині з маслом та антеною у вигляді двох бляшаних квадратних листів зі стороною 40 см. Робота апаратури та відтворюваність результатів були неодноразово перевірені й підтверджені Поповим навесні 1895 року.

Представлений приймач з антеною у вигляді вертикальної дротини завдовжки 2,5 м приймав сигнали на відстані 64 м від генератора Герца, про що сповіщав електричний дзвоник. При надходженні сигналу до приймача активно спрацьовував електричний дзвоник, з'єднавшись з електричним реле в колі когерера: било дзвоника ударяло по його чашці, таким чином повідомлялося про надходження 50-літній ювілей доповіді О. Попова як історичну подію великої ваги урочисто відзначали 7 травня 1945 року в Москві за участі дочки Попова й партійно-державної, військової та наукової еліти СРСР. На цьому зібранні професора Попова проголосили винахідником радіо та запропонували святкувати в СРСР 7 травня як День радіо.

Зміст свого винаходу Попов детально виклав у статті для січневого номера видання «Журнал русского физико-химического общества» (ЖРФХО, 1896), а також у журналах «Электричество» (1896, № 1314) і «Метеорологический вестник» (1896, № 3).

Попов поставив завдання збільшити відстань ефективної радіопередачі. Упродовж року він підвищив потужність передавача й на його виході встановив, як це він практикував і раніше, вертикальну антену. Попов здійснив також сотні дослідів для поліпшення когерера і встановив апарат Морзе для фіксації прийнятих сигналів на паперовій стрічці. Удосконалену систему для телеграфу без дротів Попов продемонстрував на засіданні Фізичної секції Російського фізикохімічного товариства 12 березня 1896 року. Цього разу він здійснив передачу та прийом на відстані 250 м першої у світі радіограми. Радіограму зчитав з телеграфної стрічки голова засідання професор Ф. Петрушевський і написав крейдою на дошці слова «Неіпгісй Hertz» (Генріх Герц).

На жаль, про зміст публічних виступів О. Попова не залишилося задокументованих подробиць. Деякі дослідники намагалися пояснити це тим, що винахідник працював у військовому відомстві, і на його виступи накладали певні режимні обмеження. Однак Попов публікував свої результати у відкритій пресі, інформація про них з'являлася в різних зарубіжних журналах, він захищав свій пріоритет і публікацією статті в грудневому числі журналу «The Electrician». Перше друковане повідомлення про винахід Попова з'явилося 7 травня 1895 року в газеті «Кронштадтский вестник» через 5 днів після його першого виступу. Суть свого винаходу Попов виклав у статті «Прибор для обнаружения и регистрирования электрических колебаний», опублікованій у журналі ЖРФХО (1896, т. 28, с. 14). У цій статті список використаної винахідником літератури відкривається посиланням на публікації О. Лоджа. Статтю Попов завершив запевненням, що його прилад можна використати для передачі сигналів на відстані за допомогою швидких електричних коливань, як тільки буде знайдене джерело таких коливань з достатньою енергією. Водночас Попов захопився експериментальним дослідженням рентгенівських променів, до яких була прикута увага фізиків світу [122].

О. Попов був коректним науковцем і до патентування своїх винаходів ставився досить критично. Цією можливістю не нехтував винахідник і підприємець Г. Марконі, який 2 липня 1896 року подав заявку на англійський патент «На вдосконалення в передачі імпульсів і сигналів та в апаратурі для цього» і, пізніше уточнивши цю заявку, отримав 2 липня 1897-го (йому виповнилося 24 роки) патент №12039.

Проте в деяких країнах (зокрема в Росії) Марконі відмовили у видачі патентів з посиланнями на досліди Попова. За хронологією подій пріоритет у винайденні радіо мав би належати Попову. Однак часто таке право на винахід регулює законодавство про патентування.

Попов не зміг подолати бюрократичні бар'єри та не досяг, за винятком епізодичних випадків (відома історія про зняття з каменів біля острова Готланд у Фінській затоці російського броненосця взимку 1900 року та врятування з крижини у відкритому морі 50 рибалок), широкого та перспективного впровадження результатів своєї роботи для практичного використання хоча б у флоті Російської імперії, яка не особливо сприяла вітчизняним талантам. Морський міністр відмовився профінансувати дослідження Попова з резолюцією: «На такую химеру отпускать денег не разрешаю». Марконі також отримав від свого італійського міністра відкоша, однак він знайшов вихід: виїхав до Британії й там поставив справу на комерційну основу. Попов, очевидно, не бачив для себе аналогічної альтернативи.

Апаратуру Попова стали використовувати 1897 року на Балтійському флоті (для цього Попов зі своїм асистентом П. Рибкіним виготовив 15 радіостанцій) і 1898-го - на Чорноморському флоті, де була зафіксована дальність зв'язку між кораблями під час шторму понад 50 км.

1897 року Попов уперше дослідив відбивання ЕМ-хвилі від кораблів та інших предметів і заклав цими дослідами фізичні основи радіолокації [122].

Перші досягнення російських ентузіастів не мали достатньої підтримки та поширення, тому російський флот вирушив на Російсько-японську війну 1905 року з корабельними радіостанціями, закупленими в іноземних виробників, зокрема у фірми Марконі.

Лідером радіотехнології на три десятиліття залишився Марконі, чию роль ще на початку його успішної діяльності виокремив Попов у такий спосіб: «Заслуга відкриття явищ, які стали в нагоді Г. Марконі, належить Г. Герцу та Е. Бранлі, за цим іде ціла низка використань, розпочатих О. Мінчиним, О. Лоджем і багатьма після них, а Г. Марконі першим мав сміливість стати на практичний ґрунт і досяг у своїх дослідах великих відстаней завдяки вдосконаленню діючих приладів».

Нікола Тесла у США зареєстрував понад 700 патентів. З 1893 року він успішно розробляв у Філадельфії проблему передачі енергії ЕМхвилями, описав і продемонстрував бездротовий зв'язок. При цьому винахідник особливого значення надавав антені та встановленню резонансу в передавачі та приймачі за допомогою реактивних опорів, що було зареєстровано в його патенті № 645576 1897 року. Коли Марконі почав 1900 року продавати свою радіоапаратуру, то Тесла заявив, що з ним судитиметься за неправомірне використання італійцем чужої праці. Справді, Верховний суд США анулював (1943) основний американський патент Марконі №763772, виданий 1904 року на тій підставі, що Тесла був попередником Марконі і саме Теслу можна вважати батьком бездротового зв'язку та радіо.

Попов і Марконі особисто познайомилися в липні 1902 -го, коли Марконі прибув на наданому в його розпорядження італійським королем крейсері «Carlo Alberto» до Кронштадта. Марконі та його радіорубку спершу вшанував своїм візитом російський імператор Микола II, а через кілька днів у Марконі побував і Попов. Він оглянув апаратуру, що забезпечувала зв'язок на відстані 1600 морських миль, розмовляв з італійським колегою, який після високого візиту імператора став кавалером російського ордена святої Анни.

«Зоряний час» радіоапаратури Марконі настав у квітні 1912-го, коли в Атлантиці сталася трагедія з теплоходом «Титанік». Першою сигнали про нещастя прийняла станція «Товариство Марконі» у НьюЙорку. Нагадаємо, що працював на ній оператором Д. Сарнов, який безперервно протягом трьох діб одержував радіограми з місця рятувальних робіт. Щоб не перешкоджати цьому радіообміну, президент США Тафт розпорядився припинити роботу всіх інших радіостанцій на американському узбережжі. Газети світу (передусім американські) отримували саме з марконівської радіостанції найсвіжіші новини про трагедію. радіозв'язок марконі приймач хвиля

У результаті аварії «Титаніка» в Льодовитому океані 14 квітня 1912 року загинули 1500 пасажирів. Проте 705 людських життів було врятовано кораблями, які прибули на місце катастрофи, отримавши радіограми за системою Марконі. Саме відтоді на всіх пасажирських (а згодом і торгових) суднах було запроваджено службу радіопорятунку «SOS». При цьому Гульєльмо Марконі одержав від преси черговий титул - морського рятівника.

Гульєльмо Марконі (1902)

Успішний італієць за своє життя отримав багато гучних титулів і нагород. Але найпочеснішою, безумовно, була Нобелівська премія, якою його нагородили разом з фізиком Ф. Брауном 1909 року «за роботи зі створення бездротового телеграфу».

Размещено на Allbest.ru