Становление радиотехнической теории: от теории к практике. На примере технических следствий из открытия Г. Герца (стр. 3 из 9)

В письме швейцарскому физику профессору Эмилю Эдуарду Саразэну Герц пишет в 1889 г. уже из Бонна:

"Приборы, с которыми я работал, были сделаны не каким-то искусным механиком элегантным способом по хорошо вычерченным эскизам, а частично мной самим, отчасти же лаборантом физического кабинета университета Карлсруэ. Они были кое-как склеены из кусков дерева, прикручены проволокой, приляпаны сургучом, и переделывались помногу раз. Шаровые полюса, например, были взяты от другого прибора и после того, как я уехал из Карлсруэ, были снова на него возвращены; некоторые части, которые можно было легко транспортировать, я прихватил с собой сюда, но по большей части все осталось в Карлсруэ".

Лаборант из Карлсруэ в принципе мог бы, по мнению Герца, создать копию этого прибора, но "он, скорее всего, не будет знать, как ему это сделать. Поскольку не сможет создать те приборы точно такими, какими были тогда" [16].

Своими исследованиями Герц установил следующее: электромагнитные волны, подобно свету, могут распространяться в непроводящей среде (эфире); они так же, как и свет, распространяются с конечной скоростью; в свободном пространстве интенсивность электромагнитных колебаний убывает обратно пропорционально первой степени расстояния от вибратора (а не третьей, как это происходит вблизи него); при подходящей частоте электрических колебаний в цепи вибратор может излучать в пространство электромагнитные волны (путем "отшнуровывания" силовых линий); электромагнитные волны и свет имеют одну и ту же физическую природу. Этих основных теоретических положений оказалось вполне достаточно для сознательного изобретения практических технических устройств. "С 1886 г. по 1888 г. Герцу удалось с искровым промежутком в качестве элемента, создающего колебания, и с настроенными колебательными контурами создать свободные (независимые от проводника) электромагнитные волны и доказать распространение этих волн в пространстве. Заимствованные из оптики опыты по преломлению, дифракции и отражению электромагнитных волн придали электромагнитной теории Максвелла уже определенное эмпирическое значение" [17].

Герц так характеризует следствия своих экспериментов:

"В оптике аналогией нашему опыту является опыт Ллойда с зеркалами Френеля. В оптике и акустике эти опыты используются как доказательства волновой природы света и звука, поэтому описанные здесь явления следует рассматривать как доказательство волнового распространения индуктивного действия электромагнитных колебаний" [18].

Герц ставил свои опыты, чтобы доказать наличие связи между светом и электричеством. В письме Герману фон Гельмгольцу от 30 ноября 1888 г. из Карлсруэ он пишет, что ему посчастливилось доказать регулярное отражение излучения. Для этого Герц установил рядом два зеркала таким образом,

"чтобы не было влияния А на В, а напротив этих зеркал поставил металлическую стенку так, чтобы искры сразу же проявлялись в В, которые еще были распознаваемы, если стенка отстояла от зеркал на 10 м. Точно так же я смог получить отражение под углом в 45°, причем я использовал две соседние комнаты, как показано на чертеже (рис. 6). Деревянные двери ничуть не мешали появлению искр" [19].

В. Кайзер замечает по этому поводу: "Волны Герца были приняты не только физиками как доказательство теории Максвелла. С волнами Герца само ядро теории Максвелла, а именно токи смещения и их электродинамическое влияние, несомненно привлекло внимание электротехников, которые уже почти в течение двадцати лет фиксировали его на сильноточной электротехнике" [20]. Однако создаваемая им аппаратура была еще недостаточно совершенной для практического применения.

Совершенствование экспериментального оборудования

После публикации результатов Герца развернулись исследования по усовершенствованию экспериментального оборудования и разработки новых, более простых и надежных способов получения и регистрации электромагнитных волн. "Не только профессиональные физики, преподаватели и изучающие физику, но также электротехники, получившие научное образование, пытались познакомиться с основными положениями этой теории" [21]. Эти работы фактически еще не выходили за пределы экспериментальной деятельности в естественной науке, но вели к техническому использованию электродинамики. П.Н. Лебедев в своей работе 1895 г. "О двойном преломлении лучей электрической силы" писал: "После того как Герц дал нам методы экспериментально проверить следствия электромагнитной теории света [...], естественно появилась потребность делать его опыты в небольшом масштабе, более удобном для научных изысканий" [22]. Именно эта деятельность и сделала возможным появление первых радиопередающего и радиоприемного устройств, хотя она и не выходила за пределы детальной разработки и конкретизации теоретической схемы электродинамики.

Прежде всего требовалось устранить основные недостатки вибратора Герца, в том числе быстрое затухание колебаний и быстрое обгорание контактов. Первый был довольно быстро устранен благодаря введению трех искровых промежутков вместо одного. Для уменьшения обгорания контактов предлагали помещать центральные сферы, соединяемые с внешними сферами разрядом, в масляную жидкость. Это позволило увеличить длину искры, не полируя каждый раз шарики, а также легко изменять период колебаний путем сближения или удаления обкладок конденсатора, включенного в первичный контур, или самих шаров вибратора. Риги, например, использовал для увеличения разности потенциалов искрового промежутка вазелин (рис. 7) [23].

Еще одним недостатком вибратора Герца была малая величина получаемой искры, что затрудняло ее регистрацию. Поиски более надежного способа наблюдения искр производились сразу многими исследователями. В качестве регистратора ими использовалась газоразрядная трубка, электроскоп, термоэлемент и т. д. Однако наиболее перспективным оказался когерер - прибор для обнаружения электрических колебаний, действие его основывалось на изменении сопротивления "плохого контакта" под действием электрических колебаний в цепи, частью которой он являлся. "Когерер" (или "фриттер") был разработан французским физиком Эдуардом Бранли. Когерер состоял из стеклянной трубки, наполненной прессованными металлическими опилками (рис. 8) [24].

Бранли показал, что электрическое сопротивление когерера, обычно довольно высокое, становится нулевым, если вблизи появляется искра. Сам он не сразу заметил здесь связь с электромагнитными волнами, но многие другие исследователи сразу же использовали его идею для беспроволочной телеграфии [25]. Когерер со своей способностью внезапно изменять состояние изолятора на состояние проводника был "полностью неопределенным конструктивным элементом" радиоприемника, который "не давал никакой возможности дать ему теоретическое описание" [26].

При помощи когерера английский ученый и инженер Оливер Лодж продемонстрировал отражение, преломление и поляризацию электромагнитных волн. Как сообщает сам Герц:

"Профессор Оливер Лодж в Ливерпуле в те же годы, когда была сделана мной описанная работа, рассматривал теорию грозового разрядника и при этом провел ряд опытов по разряду весьма малых конденсаторов, которые привели его к наблюдению колебаний и волн в проводах. Поскольку он действовал полностью на основе максвелловских представлений и весьма усердно стремился доказать эти представления, несомненно, если бы я не опередил его, он также пришел бы к наблюдению волн в воздушной среде и таким образом получил бы доказательство распространения электрической силы во времени" [27].

Работа с когерером имела свои сложности. Для возвращения его в состояние изолятора опилки у него внутри требовалось встряхивать, для чего в цепь включался автоматический встряхиватель опилок. Поначалу встряхиватель включали в цепь самого когерера, а затем во вторичную цепь с более мощным источником энергии. Так возникло первое радиоприемное устройство. Его работа основывалась на том, что пришедшая электромагнитная волна делает металлические опилки или никелевый порошок проводником и таким образом активирует вспомогательный вторичный контур. "Оливер Лодж уже в начале 90-х гг. смог значительно усовершенствовать оборудование Герца. Однако это оборудование все еще не выходит за пределы лабораторного применения" [28]. Маркони конструктивно улучшил уже имеющееся оборудование, создал технологичную конструкцию. Для ее производства и продвижения на рынок он основал в 1897 г. компанию "Wireless Telegraphy and Signal", положившую начало трансферту этой новой техники ("телеграфа без проводов") в хозяйственную сферу.

Интересно сравнить описания опытов Попова и Маркони. В книге "Царство изобретений", впервые опубликованной в 1901 г., передача сигналов на расстояние, осуществленная Маркони, описывается следующим образом [29].

В 1898 г. для проведения опытов с телеграфией без проводов было выбрано предгорье на юго-восточном побережье Англии. (Первый опыт был проведен в 1896 г. на относительно небольшом расстоянии, примерно в 13 км через Бристольский канал. - В.Г.) Это место уже было и раньше связано с историей электричества: там на маяке испытывали свои первые машины переменного тока Б. Хопкинсон и Адамc. "Именно перед этим маяком была воздвигнута мачта высотой в 350 м, составленная из трех частей, передатчик и приемник электрических волн, которые являются носителями беспроволочной телеграфии" (рис. 9). Станция состояла из большой катушки индуктивности, когерера и аппарата для приема телеграмм (рис. 10) [30]. "Улучшенная конструкция позволила сделать так, чтобы приемный аппарат включался автоматически, как только передавались депеши, и чтобы тем самым станция всегда была готова к приему телеграфных сообщений. Принятая телеграмма вычерчивалась [...] в виде четких точек и тире с помощью специального карандаша на движущейся бумажной ленте; кроме того, можно было включать электрический звонок, по его сигналам телеграфист мог принимать депешу непосредственно на слух. Даже неопытные телеграфисты с помощью этого аппарата могли достичь скорости от четырнадцати до пятнадцати слов в минуту, а опытные - более двадцати". После того как успешно была осуществлена связь между английским и французским побережьями на расстоянии 50 км, аппарат решили дальше улучшать [31].