15
Из предыстории радио
(к 125-летию со дня рождения А. С. Попова)
Член-корреспондент АН СССР
С. М. РЫТОВ
Как возникло изобретение, почему оно возникло именно в конце прошло века, каким образом сооружение, построенное изобретателями, выросло в столб цширное и великолегное здание,— все это становится по-настоящему понятным только если учесть, что пionеры радио могли строить на широком и солидном фундаменте, возведение которого было заверщено за несколько лет до самого изобретения.
Академик Л. И. Мандельштам
Радио — одна из основных современной цивилизации, определяющая ее облик. Не только в пределах Земли, но и в международных масштабах, в космических и даже в космологических проблемах радиоволны является теперь как средством обещения, так и средством познания.
Если сопоставить современное значение радио с его скромным началом, то может показаться, что весь путь развития радио — как идейный, так и практический — исчерпывает нашим веком. Но это ошибное представление. Как писал выдающаяся советский радиофизик и радиотехник академик Л. И. Мандельштам, «изобретение радио, равно как и его развитие, сделалось возможным только благодаря тому перевороту в представлениях об электронических явлениях, который связан с именами Фарадей, Максвелла и Герца. История развития этих представлений есть, по существу, предыстория радио».
В 1831 году Фарадей открыл явление электромагнитной индукции — возникновение электрического поля при всяком изменении магнитного поля. В 1833 году он открывает законы электролиза; в 1837 — обнаруживает влияние среды на емкость конденсатора; с 1845 года следует ряд дальнейших блестиших открытий, в том числе — открытие врашшения плоскости поляризации света в магнитном поле, открытие диамагнетизма и параметгнетизма. Во всей своей титанческой экспериментальной работе Фарадей опирался на идею о сильных линях, на представление о роли среды в электромагнитных явлениях, на концепцию близкодействия от точки к точке в противовес ньютоновским представлениям мгновенного дальнейства. Несмотря на распливчатость своих представлений о природе электромагнитизма, несмотря на непонятие и описание его концепций, Фарадей щел своим непропотенным путем, и этот путь его от одного открытия к другому. А ведь в числе стороны данных естествы были такие блестишие физики, как Ампер, Вебер, Кирхгоф, В. Томсон. Единственным, кто глубоко проникся идеями Фарадей и кто поставил перед собой задачу разъяснить и уточнить эти идеи,
16
был Джеймс Клерк Максвелл. В предисловии к написанному им позднее «Трактату по электричеству и магнетизму» он так и пишет: «Главным образом в надежде сделать его [Фарадей — С. Р.] иден основой математической теории, я и предприял написание этого трактата».
Но, предследуя эту цель, сам Максвелл сделал величайшее открытие, новое не только по содержанию, но и по методу: открытие пришло не из эксперимента, а из математического обобщения теории. Он предсказал явление, обратное тому, которое открыл Фарадей, — возникновение магнитного поля при всяком изменении электрического поля. Тем самым была создана нивенняя макросоппечка электродинамика, которая математически выражена уравнением Максвелла, в физике охватывает гигантский круг электромагнитных явлений, а исторически означает победу фарадевского близкодейства, рождения в физике понятия поля.
Чрезвычайно важным выводом, вытекашим из теории Максвелла, было следующее: должны существовать электромагнитные поперечные волны, скорость распространения которых конечна и определяется произведением электрической и магнитной постоянных
и были изменены ранее и значения величины оказалось равным 193 088 миль/c, то есть очень близким к значению скорости света 193 118 миль/c, полученному в оптическом опите Физю. Это позволило Максвеллу уверенно выдвигать свой знаменный тезис о том, что «свет есть не что иное, как электромагнитные колбания**). Первое упоминание об этом величайшем открытии содержится в
*) См. статью «Электрическое и магнитное поля» в разделе Школа в «Кванте». (Прим. ред.)
**) «…названные числа совпадают с точностью до 30 миль/c, и что особенно удивительное — это то, что она числа ошибочных более чем на 6000 миль/c… Впрочем, при опыкковании в 1864 году своего метура «Динамчская, теория электромагнитного поля»… Максвелл указывает скорости в км/c, приема об числа ни в какой мере не находится в таком хорошем согласии, как это казалось вначале. К счастью, Максвелл, видимо, осознал, что скорость света была изменена очень неочно, и поэтому не дал обескуражить себя существенно расхождение в числах», — так говорил по поводу первых определений скорости света из теории Максвелла англійский физик Дж. Джинс.
письме Максвелла Фарадю, датированном 19 октября 1861 года.
Следует заметить, что сам Максвелл скромно считал, что электромагнитная теория света предложена Фарадем. Он прямо пишет об этом в 1864 году, ссылясь на чисто умозрительные расчудения Фарадей в его статье 1846 года «Мысли о лучевых колбании». Скромность, конечно, украшает человека, но не может уничтожить разницу обещаний словами и прямым следствием теории, следствием, поддерживающего новые явления. Однако из таких предсказаний, пожалуй, самым важным был электромагнитные волны. Ни Фарадей, ни понacular — сам Максвелл не имели в виду той прямой связи между оптикой и электромагнитнымом, которая так ярко вывилась в качестве результата теории, создавшейся первоначально только для электромагнитных явлений. Недаром Генрих Герц сказал о теории Максвелла, о его уравнениях в своей докладе «О соответствии между светом и электричеством» (Гейдельберг, 1889 год):
«Нельзя изучать эту чудесную теория без того, чтобы порою не возникало ошибки, что математическая формула присуза самоостояльная жизнь и собственный разум, что они умнее нас, умнее даже открывшего их, что они дают даже больше, чем в них было первоначально ложено».
Герц немало сделал для усвоения математического облика теории, но главное его достжение — это задуманные и проведенные им опыты, «классические на веки вечные», как сказал о них известный русский физик О. Д. Хвольсон.
По случаю столетия со дня рождения Максвелла (то есть в 1931 году) Дж. Дж. Томсон, сам выданной экспериментатор, сказал об этих опытах: «Исследования Герца являются одним из наиболее замечательных во всей истории физики триумфом экспериментального уменья, изобретательности и осторожности в выводах». И далее: «Открытие электрических волн имело не только научный интерес, хотя единственное им оно было вложенено. Подобно открытию электромагнитной индукции Фарадей, оно имело глубокое
17
влияние на цивилизацию. Оно должно в руки рабочий метод, который позволяет приблизить друг к другу обитатель земного шара на расстояние слыщимости, в чем заложены социальные, воспитательные и политические возможности, значение которых мы только начинаяем понимать».
Именно эти волны породили радно. Ведь радно и есть не что иное, как использование электромагнитных волн для связи возникла у многих сразу же всед за опытами Герца. Интересно поэтому, что думал по данному поводу сам Герц.
В 1889 году к Герцу образили инженер Губер из Мюнхена с вопросом, нельзя ли открыть Герцем волны использовать для беспроводного телефонна. Полученное от Герца ответное письмо Губер в 1897 году (то есть через 3 года после смерти Герца) переслал в немецкий электротехнический журнал, где оно было направано без комментиров. Вот перевод этого письма.
«Милостивый государь! Я с удовлетворением ответаю на Ваше любезное письмо от 1 декабря. Силовые магнитные линии распространяются подобно лучам, так же как и силовые электрические линии, только тогда, когда их колебания достаточно быстры; в этом случае оба вида силовых линей неотделимы друг от друга, и лучи или волны, о которых идет речь в моих исследованиях, могут быть с одинаковым правом названны как магнитными, так и электрическими. Но колебания в трансформаторе или телефонне намного более медленны. Предположим, что у нас 1000 колебаний в секунду, что уже представляется довольно высоким числом колебаний; этом соответствовала бы в эфире волна длиной 300 км; фокусные расстояния применяемых зеркал должны быть имеет размеры того же порядка. Если бы Вы были в состоянии построить волнуные зеркала размером с материк, то Вы могли бы отлично поставить опыты, которые Вы имеете в виду. Но с общными зеркаlamми практические ничего сделать нельзя, и Вы не сможете обнаружить ни маленьго действия. Так, по крайней мере, я думаю.
С совершенным уважением, преданный Вам Г. Герц.»
Мы тоже не будем комментаровать это письмо. Далее генеральному человеку трудно заглянуть на десяти лет вперед и угадать пути решения технической задачи, в данном случае — радиотелефонии.
Предложения использовать электромагнитные волны для связи были, конечно, лишь пожеланиями. Над было показать, как это осуществить.
Именно это и сделал Алексадр Степанович Попов своим великим изобретением.
Что же именно сыграло основную роль в изобретении Попова? Ведь, казалось бы, все элементы его приборов уже были известны.
Было известно, что искровой разряд, будь то разрядлейденской банки, электрофорной машины, индукционной катушки или грозовой разряд, представляет собой затухающие электрические колебания. Тем самым, было известно, как создавать электрические колебания высокой частоты.
После опитов Герца стало известно, что такие колебания порождают в окружающей пространстве электромагнитные волны. Вопрос о повышении мощности разряда, конечно, не воспринался как нечто принципиальное, а представлялся чисто техническим.
Таким образом, центральной задачей было создание чувствительного приемника. Маленькая искорка в приемном вибраторе, который пользовался в своих опитах Герц, конечно, не могла служить практическим способом приемника.
За пять лет до изобретения Попова появился прибор, называемый когерером. Это трубка с двумя электродами, между которых находятся металлические опилки. Под действием высококачественного поля сопротивление опилок меняется от сотен тысяч до десятиков и даже единиц omов. Это происходит в результате «спекания» опилок (из-за микросоппических искр в точках их соприкосовения) при прихождения электромагнитной волны. Таким образом, когерер — это превосходное решение высококачественного сигнала замкнуты целым местной батареи. Беда только в том, что при каждом сравнивании это решение: надо встречнуть опилки, чтобы когерер снова стал высокоимным и мог дать скачок (резкий спад) сопротивления при следующем сигнале. Конечно, такое устройство не является приемником, своевременного готовым к приему сигнала.
Мы подошли теперь вплотную к тому, что нового создал А. С. Попов.
18
«Добившись удовлетворительно постоянства чувствительности при употреблении трубки с платиновыми листиками и железным порошком *), я поставил себе еще и другую задачу: добиться такой комбинации, чтобы связь между опилками, вызванная электрическим колбанием, разрушалась немедленно автоматически» [выделено мной — С. Р.], — так писал Попов в своей статье «Прибор для обнаружения электрических колбаний» в яварском выпуске «Журнала Русского физико-химического общества» в 1896 году. И с этой задачей он справился быстро. Можно сказать, что в своем приемнике Попов электромеханическим путем реализовал не только усиление, но и то, что теперь мы называем обратной связи.
Свой примник Попов называл «грозотметчиком», но в описанных в статье опытах примник фиксировал не только удары молнии, но и разряды электрофорной машины, и разряды в большом герцевском вибраторе, и даже быстрызмах заряженной эбонитовой палочки. Статья заканчивается той же фразой, которой А. С. Попов закончил свой
*) Попов потратил много усилий на создание хорошего когерера. [С. Р.]
Схема и описание прибора
(из статьи А. С. Попова «Прибор для обнаружения электрических колбаний»)
«Прилагаемая схема показывает расположение частей прибора. Трубка с опилками подвешена горизонтально между зажимами M и N на леккой часовой пружине, которая для большей эластичности согнута со стороны одного зажима зигзагом. Над трубкой расположен звонок, так чтобы при своем действия он мог давать легкие удары молоточком по средине трубки, защищенной от разбивания резиновым колбом. Удобнее всего трубку и звонок укреплять на общей вертикальной дошечке. Реле может быть помещено как угодно.
Дейстуует прибор следующим образом. Ток батареи в 4—5 волт постояно циркulierет от зажима P к платиновой пластинке A, далее через порошок, содержащийся в трубке,— к другой пластинке B и по обмотке электромагнитарелle обратно к батарее. Сила этого тока недостаточная для питания якорярелle, но, если трубка AB подвергнется действию электрического колбания, то сопротивление мгновенно уменьшится и ток увеличится настолько, что якорьрелле притается. В этот момент цель, ищая от батареи к звонку, перевана в точке C. замкнется, и звонок начинает действовать, но точас же сотрудничества трубки опять уменьшsat ее проводимость и реле разомкнет цель звонка. В моем приборе сопротивление опилок после сильного доклад на Физической секции Русского физико-химического общества 7 мая 1895 года:
«В заключение могу выразить надежду, что мой прибор при дальнейшем усовершенствовании его может быть применен к передаче сигналов на расстояния при помощи быстрых электрических колбаний, как только будет найден источник таких колбаний, обладающий достаточной энергейей».
На деле первоначальный прогресс шел по линии увеличения высоты приемных антенн. Этот прогресс протекал, как известно, очень быстро, ичем дальнейшее, тем быстрее. Уже в 1897 году П. Н. Рыбкин, сотрудник Попова, перекрыл передачей расстояние в 5 км.
XX век принес одно за другим многочисленные новые принципы изобретения и усовершенствования, поток которых продолжался и нарастает по сегодняшній день. Радиотелеграф и радиотелефон, радиовещание и телевидение, радиолокация и радионавигация, радиоастроономия и радиоспектроники, радиогеодезия и служба времени плоскостей новых физических явлений, открытие которых было стимулирован практическими нуждами радиотехники. Вот что такое радио в нашей дни.
Встряхивание бывают около 100 000 ом, а реле, имея сопротивление около 250 ом, пригивает якорь при токах от 5 до 10 миллиампер (предельы регуляровки), т. е. когда сопротивление всей цепи падает ниже 1000 ом.»