Từ thời tiền sử của đài phát thanh

15

Từ thời tiền sử của đài phát thanh
(nhân kỷ niệm 125 năm ngày sinh của A. S. Popov)

Thành viên tương ứng của Viện Hàn lâm Khoa học Liên Xô
S. M. RYTOV

Phát minh này nảy sinh như thế nào, tại sao nó lại nảy sinh chính xác vào cuối thế kỷ này, cấu trúc do các nhà phát minh xây dựng đã phát triển thành một tòa nhà cột và tráng lệ như thế nào - tất cả những điều này chỉ trở nên thực sự dễ hiểu nếu chúng ta cho rằng những người tiên phong về vô tuyến có thể xây dựng trên một nền tảng rộng và vững chắc, việc xây dựng đã được hoàn thành vài năm trước khi phát minh ra chính nó.

Viện sĩ L. I. Mandelstam

Đài phát thanh là một trong những yếu tố chính của nền văn minh hiện đại, quyết định diện mạo của nó. Không chỉ trong phạm vi Trái đất mà còn ở phạm vi quốc tế, trong các vấn đề vũ trụ và thậm chí cả vũ trụ học, sóng vô tuyến giờ đây vừa là phương tiện hứa hẹn, vừa là phương tiện tri thức.

Nếu chúng ta so sánh tầm quan trọng hiện đại của đài phát thanh với sự khởi đầu khiêm tốn của nó, có vẻ như toàn bộ con đường phát triển của đài phát thanh - cả về mặt tư tưởng và thực tiễn - đều kết thúc ở thế kỷ của chúng ta. Nhưng đây là một quan niệm sai lầm. Là nhà vật lý vô tuyến và kỹ sư vô tuyến xuất sắc của Liên Xô, Viện sĩ L.I. Mandelstam viết, “việc phát minh ra radio cũng như sự phát triển của nó chỉ có thể thực hiện được nhờ vào cuộc cách mạng về ý tưởng về các hiện tượng điện tử gắn liền với tên tuổi của Faraday, Maxwell và Hertz. Lịch sử phát triển của những ý tưởng này về bản chất là tiền sử của radio.”

Năm 1831, Faraday phát hiện ra hiện tượng cảm ứng điện từ - sự xuất hiện của một điện trường với bất kỳ sự thay đổi nào trong từ trường. Năm 1833, ông phát hiện ra định luật điện phân; năm 1837 - phát hiện ảnh hưởng của môi trường đến điện dung của tụ điện; Kể từ năm 1845, một số khám phá rực rỡ khác đã diễn ra sau đó, bao gồm việc phát hiện ra sự quay của mặt phẳng phân cực ánh sáng trong từ trường, phát hiện ra tính nghịch từ và tính thuận từ. Trong tất cả các công trình thí nghiệm vĩ đại của mình, Faraday đã dựa vào ý tưởng về các đường mạnh, vào ý tưởng về vai trò của môi trường trong các hiện tượng điện từ, vào khái niệm tác dụng tầm ngắn từ điểm này sang điểm khác, trái ngược với các ý tưởng của Newton về tác dụng tầm xa tức thời. Bất chấp sự mơ hồ trong ý tưởng của ông về bản chất của điện từ, bất chấp sự hiểu biết và mô tả về các khái niệm của nó, Faraday vẫn đi theo con đường của riêng mình, và con đường này đã đưa ông đi từ khám phá này đến khám phá khác. Nhưng trong số các dữ liệu tự nhiên có những nhà vật lý xuất sắc như Ampère, Weber, Kirchhoff và W. Thomson. Người duy nhất thấm nhuần sâu sắc những ý tưởng của Faraday và là người đặt ra cho mình bài toán để làm rõ và làm rõ những ý tưởng này,

16

là James Clerk Maxwell. Trong lời nói đầu của “Chuyên luận về Điện và Từ” sau này ông viết: “Chủ yếu với hy vọng biến nó [Faraday - S.R.] thành cơ sở của lý thuyết toán học, tôi đã đảm nhận việc viết chuyên luận này”.

Tuy nhiên, khi theo đuổi mục tiêu này, chính Maxwell đã có một khám phá vĩ đại nhất, mới không chỉ về nội dung mà còn về phương pháp: khám phá này không đến từ thực nghiệm mà đến từ sự khái quát hóa toán học của lý thuyết. Ông dự đoán hiện tượng ngược lại với hiện tượng do Faraday phát hiện - sự xuất hiện của từ trường khi có bất kỳ sự thay đổi nào trong điện trường. Do đó, một tổng hợp vĩ mô mới của điện động lực học đã được tạo ra, được biểu thị bằng toán học bằng phương trình Maxwell, trong vật lý, nó bao trùm một vòng tròn khổng lồ của các hiện tượng điện từ, và về mặt lịch sử có nghĩa là chiến thắng của tương tác tầm ngắn Faraday, sự ra đời của khái niệm trường trong vật lý.

Một kết luận cực kỳ quan trọng nảy sinh từ lý thuyết của Maxwell là: phải có sóng điện từ ngang, tốc độ truyền của sóng này là hữu hạn và được xác định bởi tích của các hằng số điện và từ.

$$c = \frac{1}{\sqrt{\varepsilon_0 \mu_0}}$$

$\varepsilon_0$ và $\mu_0$ đã được thay đổi trước đó và các giá trị của $\frac{1}{\sqrt{\varepsilon_0 \mu_0}}$ hóa ra bằng 193.088 dặm/s, tức là rất gần với giá trị của tốc độ ánh sáng 193.118 dặm/s, thu được trong thí nghiệm quang học Fizue. Điều này cho phép Maxwell tự tin đưa ra luận điểm nổi tiếng của mình rằng “ánh sáng không gì khác hơn là những dao động điện từ**).

*) Xem bài “Điện trường và từ trường” mục Trường học tại «Kvant». (Ghi chú của biên tập viên)
**) “…những con số được đặt tên trùng với độ chính xác lên tới 30 dặm/s, và điều đặc biệt đáng ngạc nhiên là những con số này có sai số lớn hơn 6000 dặm/s… Tuy nhiên, khi ông xuất bản “Lý thuyết động lực học của trường điện từ” vào năm 1864… Maxwell biểu thị tốc độ tính bằng km/s, nhưng những con số đó không hề ăn khớp với nhau như lúc đầu. May mắn thay, Maxwell rõ ràng đã nhận ra rằng tốc độ ánh sáng đã thay đổi rất không chính xác, và do đó ông không cho phép mình nản lòng trước sự khác biệt đáng kể về các con số,” nhà vật lý người Anh J. Jeans nói về những định nghĩa đầu tiên về tốc độ ánh sáng từ lý thuyết của Maxwell.

Bức thư của Maxwell gửi Faraday, ngày 19 tháng 10 năm 1861.

Cần lưu ý rằng bản thân Maxwell đã khiêm tốn tin rằng lý thuyết điện từ của ánh sáng là do Faraday đề xuất. Ông viết trực tiếp về điều này vào năm 1864, đề cập đến những suy đoán thuần túy mang tính suy đoán của Faraday trong bài báo năm 1846 của ông “Suy nghĩ về dao động tia”. Tất nhiên, sự khiêm tốn tô điểm cho một con người, nhưng không thể phá hủy sự khác biệt giữa những lời hứa trong lời nói và hệ quả trực tiếp của lý thuyết, một hệ quả hỗ trợ cho các hiện tượng mới. Tuy nhiên, trong số những dự đoán này, có lẽ quan trọng nhất là sóng điện từ. Cả Faraday và thậm chí cả bản thân Maxwell đều không nghĩ đến mối liên hệ trực tiếp giữa quang học và điện từ, mối liên hệ rõ ràng này xuất hiện là kết quả của một lý thuyết được tạo ra ban đầu chỉ dành cho các hiện tượng điện từ. Không có gì ngạc nhiên khi Heinrich Hertz đã nói về lý thuyết của Maxwell, về các phương trình của ông trong báo cáo “Về sự tương ứng giữa ánh sáng và điện” (Heidelberg, 1889):

“Không thể nghiên cứu lý thuyết tuyệt vời này mà không đôi khi mắc sai lầm rằng công thức toán học của giải thưởng là một cuộc sống độc lập và tâm trí của chính nó, rằng họ thông minh hơn chúng ta, thông minh hơn cả người đã phát hiện ra chúng, rằng họ thậm chí còn cho đi nhiều hơn những gì ban đầu được đưa vào chúng.”

Hertz đã nỗ lực rất nhiều để nắm vững dạng toán học của lý thuyết, nhưng thành tựu chính của ông là những thí nghiệm mà ông nghĩ ra và thực hiện, “kinh điển cho đến muôn đời”, như nhà vật lý nổi tiếng người Nga O. D. Khvolson đã nói về chúng.

Nhân dịp kỷ niệm 100 năm ngày sinh của Maxwell (tức là vào năm 1931), J. J. Thomson, bản thân ông là một nhà thực nghiệm tài năng, đã nói về những thí nghiệm này: “Nghiên cứu của Hertz là một trong những thắng lợi đáng chú ý nhất trong toàn bộ lịch sử vật lý về kỹ năng thực nghiệm, sự khéo léo và thận trọng trong kết luận”. Và xa hơn nữa: “Việc phát hiện ra sóng điện không chỉ được giới khoa học quan tâm, mặc dù nó là yếu tố duy nhất góp phần vào việc đó. Giống như phát hiện của Faraday về cảm ứng điện từ, nó có ý nghĩa sâu sắc.”

17

ảnh hưởng đến nền văn minh. Nó phải cung cấp một phương pháp làm việc cho phép chúng ta đưa cư dân trên thế giới đến gần nhau hơn trong khoảng cách có thể nghe thấy, chứa đựng các cơ hội xã hội, giáo dục và chính trị, tầm quan trọng mà chúng ta chỉ mới bắt đầu hiểu được.”

Chính những con sóng này đã sinh ra niềm vui. Suy cho cùng, niềm vui không gì khác hơn là việc sử dụng sóng điện từ để liên lạc, điều này đã nảy sinh trong nhiều người ngay sau thí nghiệm của Hertz. Do đó, điều thú vị là bản thân Hertz nghĩ gì về vấn đề này.

Năm 1889, kỹ sư Huber từ Munich đến gặp Hertz với câu hỏi liệu khám phá về sóng của Hertz có thể được sử dụng cho điện thoại không dây hay không. Năm 1897 (tức là 3 năm sau cái chết của Hertz), Huber đã chuyển tiếp lá thư phản hồi nhận được từ Hertz tới một tạp chí kỹ thuật điện của Đức, nơi nó được gửi đi mà không bình luận gì. Đây là bản dịch của bức thư này.

“Thưa ông! Tôi hài lòng trả lời lá thư đề ngày 1 tháng 12 của ông. Các đường sức từ lan truyền như tia sáng, giống như đường sức điện, chỉ khi dao động của chúng đủ nhanh; trong trường hợp này, cả hai loại đường sức đều không thể tách rời nhau, và các tia hoặc sóng được thảo luận trong nghiên cứu của tôi có thể được gọi một cách công bằng như nhau là cả từ tính và điện. Nhưng các dao động trong máy biến áp hoặc điện thoại không chậm hơn nhiều. Hãy giả sử rằng chúng ta có 1000 dao động trên mỗi thứ hai, dường như đã có số dao động khá cao; điều này sẽ tương ứng với một sóng dài 300 km trong ether; tiêu cự của các gương được sử dụng phải có cùng thứ tự kích thước. Nếu bạn có thể chế tạo các gương sóng có kích thước bằng một lục địa, thì bạn có thể thực hiện hoàn hảo các thí nghiệm mà bạn nghĩ đến.

Với sự tôn trọng hoàn toàn, G. Hertz tận tâm của bạn.”

Chúng tôi cũng sẽ không bình luận về bức thư này. Hơn nữa, một người bình thường khó có thể nhìn về phía trước mười năm và đoán được con đường lời giải kỹ thuật bài toán, trong trường hợp này - điện thoại vô tuyến.

Tất nhiên, những đề xuất sử dụng sóng điện từ để liên lạc chỉ là mong muốn. Nó là cần thiết để chỉ ra làm thế nào để làm điều này.

Đây chính xác là những gì Aleksandr Stepanovich Popov đã làm với phát minh vĩ đại của mình.

Chính xác thì điều gì đã đóng vai trò chính trong phát minh của Popov? Rốt cuộc, có vẻ như tất cả các thành phần trong nhạc cụ của anh ấy đều đã được biết đến.

Người ta biết rằng sự phóng tia lửa điện, có thể là từ bình Leyden, máy điện di, cuộn dây cảm ứng hoặc phóng điện sét, đều biểu thị các dao động điện tắt dần. Vì vậy, người ta đã biết cách tạo ra dao động điện tần số cao.

Sau thí nghiệm của Hertz, người ta biết rằng những dao động như vậy tạo ra sóng điện từ trong không gian xung quanh. Tất nhiên, vấn đề tăng công suất phóng điện không được coi là điều gì đó cơ bản mà được trình bày thuần túy mang tính kỹ thuật.

Vì vậy, nhiệm vụ trọng tâm là tạo ra một máy thu nhạy cảm. Tất nhiên, một tia lửa nhỏ trong máy rung thu mà Hertz sử dụng trong các thí nghiệm của mình không thể dùng làm phương pháp thu thực tế.

Năm năm trước phát minh của Popov, một thiết bị gọi là máy kết hợp đã xuất hiện. Đây là một ống có hai điện cực, giữa đó có các tấm kim loại. Dưới ảnh hưởng của trường chất lượng cao, điện trở của mùn cưa thay đổi từ hàng trăm nghìn đến hàng chục, thậm chí đơn vị ohm. Điều này xảy ra do quá trình “thiêu kết” mùn cưa (do các tia lửa điện cực nhỏ tại các điểm tiếp xúc của chúng) khi có sóng điện từ xuất hiện. Do đó, bộ kết hợp là tín hiệu chất lượng cao lời giải tuyệt vời được đóng bởi toàn bộ pin cục bộ. Rắc rối duy nhất là với mỗi lần so sánh, nó là lời giải: cần phải gặp mùn cưa để bộ kết hợp lại có tác động mạnh và có thể tạo ra một bước nhảy (giảm mạnh) về lực cản ở tín hiệu tiếp theo. Tất nhiên, một thiết bị như vậy không phải là một thiết bị thu sẵn sàng nhận tín hiệu kịp thời.

Bây giờ chúng ta đã tiến gần đến những gì A. S. Popov đã tạo ra mới.

18

“Đã đạt được độ nhạy ổn định thỏa đáng khi sử dụng ống có lá bạch kim và bột sắt *), tôi đặt cho mình một bài toán khác: để đạt được sự kết hợp sao cho kết nối giữa mùn cưa do rung điện gây ra sẽ tự động bị phá hủy ngay lập tức” [tôi nhấn mạnh thêm - S.R.], - Popov viết trong bài báo “Một thiết bị phát hiện rung động điện” trên tạp chí Hiệp hội Vật lý Hóa học Nga số tháng 1 năm 1896. Và ông đã hoàn thành nhiệm vụ này một cách nhanh chóng. Chúng ta có thể nói rằng trong bộ thu của anh ấy, Popov đã thực hiện cơ điện không chỉ khả năng khuếch đại mà còn cả những gì mà ngày nay chúng ta gọi là phản hồi.

Popov gọi máy thu của mình là “máy dò sét”, nhưng trong các thí nghiệm được mô tả trong bài báo, máy thu không chỉ ghi lại các tia sét mà còn ghi lại sự phóng điện của máy điện di, và sự phóng điện trong một máy rung Hertzian lớn, và thậm chí cả chuyển động nhanh của một thanh ebonite tích điện. Bài báo kết thúc bằng cụm từ tương tự mà A.S. Popov đã kết thúc

*) Popov đã dành rất nhiều công sức để tạo ra một bộ kết hợp tốt. [VỚI. R.]

Sơ đồ và mô tả của thiết bị

(từ bài viết của A. S. Popov “Thiết bị phát hiện rung động điện”)

“Sơ đồ đính kèm thể hiện vị trí các bộ phận của thiết bị. Ống mùn cưa được treo nằm ngang giữa hai kẹp M và N trên một lò xo đồng hồ nhẹ được uốn hình zíc zắc ở một bên của một kẹp để có độ đàn hồi cao hơn. Phía trên ống có một chiếc chuông để khi hoạt động có thể dùng búa đập nhẹ vào giữa ống, được bảo vệ khỏi bị vỡ bởi bình cao su. Thuận tiện nhất là gắn ống nghe và chuông trên một tấm thẳng đứng chung. Rơle có thể đặt theo ý muốn.

Thiết bị hoạt động như sau. Dòng điện 4-5 volt của pin liên tục chạy từ cực P đến tấm bạch kim A, sau đó qua bột chứa trong ống sang tấm B khác và qua cuộn dây điện từ quay trở lại pin. Cường độ dòng điện này không đủ để cung cấp năng lượng cho phần ứng nhưng nếu ống AB chịu dao động điện thì điện trở sẽ giảm ngay lập tức và dòng điện sẽ tăng lên đến mức phần ứng sẽ đóng lại. Lúc này, mục tiêu đang tìm kiếm từ pin đến chuông được chuyển đến điểm C. Nó đóng lại và chuông bắt đầu hoạt động, nhưng ngay lập tức sự phối hợp của thiết bị cầm tay lại làm giảm độ dẫn điện của nó và rơle sẽ mở mục tiêu của chuông. Trong thiết bị của tôi, sức cản của mùn cưa sau một báo cáo mạnh mẽ tại Bộ phận Vật lý của Hiệp hội Hóa lý Nga vào ngày 7 tháng 5 năm 1895:

“Tóm lại, tôi có thể bày tỏ hy vọng rằng thiết bị của tôi, với những cải tiến hơn nữa, có thể được áp dụng để truyền tín hiệu qua khoảng cách bằng cách sử dụng các dao động điện nhanh, ngay khi tìm thấy nguồn dao động như vậy có đủ năng lượng.”

Trên thực tế, tiến trình ban đầu là tăng chiều cao của ăng-ten thu sóng. Quá trình này, như chúng ta biết, diễn ra rất nhanh và càng đi xa thì càng nhanh. Ngay từ năm 1897, P.N. Rybkin, nhân viên của Popov, đã đi được quãng đường 5 km bằng hộp số.

Thế kỷ 20 lần lượt mang đến vô số nguyên tắc phát minh và cải tiến mới, dòng chảy của chúng vẫn tiếp tục và phát triển cho đến ngày nay. Điện báo vô tuyến và điện thoại vô tuyến, phát thanh và truyền hình, định vị vô tuyến và dẫn đường vô tuyến, thiên văn vô tuyến và quang phổ vô tuyến, trắc địa vô tuyến và dịch vụ thời gian của các mặt phẳng của hiện tượng vật lý mới, việc phát hiện ra chúng được kích thích bởi nhu cầu thực tế của kỹ thuật vô tuyến. Đài phát thanh ngày nay là vậy.

Rung lắc xảy ra ở khoảng 100.000 ohms và rơle, có điện trở khoảng 250 ohms, làm cong phần ứng ở dòng điện từ 5 đến 10 milliamp (giới hạn quy định), tức là khi điện trở của toàn bộ mạch giảm xuống dưới 1000 ohms.”