Освоение радиоэфира

Между тем в зарубежной литературе распространено мнение, будто радио изобрел итальянский инженер Гульельмо Маркони (1874–1937)[457]. Это мнение можно встретить и на страницах нашей печати[458].

Изобретение радио

Глава 5. Радио

В 1995 г. мировая научная общественность отметила 100-летие радио,[455] создателем которого считается русский ученый Александр Степанович Попов[456].

Кто же прав?

Прежде всего, следует отметить, что появление радио было подготов-лено усилиями многих ученых XIX в.

Особое значение в этом отношении имело открытие электрического поля и электромагнитной индукции. Исходя из этого, М. Фарадей (1791–1867) высказал гипотезу о существовании электромагнитных волн[459], а Джеймс Максвелл (1831–1879), экспериментально доказал, что постоянный электрический ток создает постоянное электрическое поле, а переменный ток – переменное[460] и теоретически обосновал гипотезу М. Фарадея о существовании электромагнитных волн или же электромагнитного излучения[461].

Согласно его теории, электромагнитные волны – это «распространяю-щееся во все стороны возмущение электромагнитного поля», происходящее под влиянием переменного тока[462]: «переменное магнитное поле создает переменное электрическое поле, которое в свою очередь создает переменное магнитное поле и т. д.». В результате этого возникает «цепочка переменных полей», которая и «представляет собою электромагнитную волну»[463].

Для экспериментальной проверки этой теории немецкий физик Генрих Герц (1857–1894) создал устройство, состоявшее из двух элементов: вибратора и резонатора. Вибратор, игравший роль «возмутителя» электрического поля, состоял из двух проводников, расположенных друг против друга почти встык таким образом, что между ними оставался лишь небольшой зазор. На ближних концах проводников находились небольшие шарики, на дальних – большие металлические шары или же распо-ложенные перпендикулярно к проводникам металлические пластины. К вибратору был подключен трансформатор, в качестве которого исполь-зовалась индукционная «катушка Румкорфа»[464].

Трансформатор – это аппарат, позволяющий преобразовывать пере-менный ток одного напряжения в переменный ток другого напряжения[465]. Созданная в 1851 г. «катушка» немецкого физика Генриха Даниэля Румкорфа (1803–1877)[466] – это «повышающий трансформатор с большим коэффициентом трансформации и прерывателем в первичной цепи, позво-ляющий, питая первичную обмотку постоянным током низкого напря-жения, получать во вторичной обмотке очень высокое напряжение»[467].

Когда замыкалась электрическая цепь, напряжение в ней начинало расти и в зазоре между проводниками возникал разряд. А поскольку электрический разряд имел прерывистый характер, то вокруг вибратора возникало переменное электрическое поле. Задача, которую поставил перед собою Г. Герц, заключалась в том, чтобы установить, как колебания этого поля распространяются в пространстве и действительно ли они имеют волновой характер.

Чтобы уловить эти изменения Г. Герц установил рядом с вибратором резонатор – небольшую металлическую петлю с просветом. Как только вибратор начинал искрить, искрение возникало и в резонаторе: и в том случае, если резонатор был связан электрической цепью с вибратором, и в том случае, если он никак не был связан с ним.

Перемещая резонатор в пространстве в разные стороны, Г. Герц уста-новил, что а) изменения магнитного поля распространяются от вибратора по всем направлениям, б) если в одном и том же режиме использовать несколько вибраторов, резонатор начинает искрить сильнее, в) если между вибратором и резонатором поставить металлическую преграду, исходящие от вибратора электромагнитные импульсы будут отражаться от нее. На основании этого и некоторых других наблюдений был сделан вывод, что от вибратора исходят электромагнитные импульсы, имеющие волновой харак-тер, и что скорость их распространения равна скорости света[468].

Получив такой результат, Г. Герц начал отодвигать резонатор от вибратора. Когда резонатор переставал действовать, исследователь пред-принимал меры, чтобы усилить действие вибратора или повысить чув-ствительность резонатора.

В результате, если до этого влияние магнитного поля устанавливалось опытами на расстоянии нескольких сантиметров от проводника, Г. Герцу удалось добиться, чтобы его резонатор мог работать на удалении в несколько метров от вибратора[469].

И хотя максимальное расстояние, на котором ему удалось зафик-сировать распространение электромагнитных волн не превышало 20 м[470], уже в конце 80-х – начале 90-х гг. XIX в. была высказана мысль о возможности использования электромагнитных волн для передачи информации на расстояние[471].

В связи с этим начались эксперименты, цель которых заключалась в том, чтобы увеличить дальность регистрации электромагнитных волн.

Исходя из давно установленного факта, что воздействие магнита находится в обратной пропорциональной зависимости от размера находя-щегося в магнитном поле предмета, французский медик Эдуард Бранли (1846–1940), занимавшийся электротерапией, решил использовать для обнаружения электромагнитных волн металлические опилки[472].

При этом он опирался на опыты, уже проведенные к тому времени итальянским ученым Ф. Кальцески-Онести[473].

Сконструированный Э. Бранли в 1890 г. резонатор представлял собою стеклянную трубку, в которую были впаяны два металлических стержня, внешние концы, которых были соединены между собой, а внутренние – разъединены. Воспринимая электромагнитные волны с внешней стороны, оба стержня накапливали электрические заряды до тех пор, пока внутри трубки не возникал электрический разряд. Для обнаружения его использовались находившиеся между двумя стержнями металлические опилки, которые при прохождении через них электрического заряда начинали искрить[474].

Однако «трубка Бранли» имела два важных недостатка.

Хотя с помощью железных опилок изобретатель смог улавливать более слабые электромагнитные волны, чем резонатор Г. Герца, однако добиться сколько-нибудь значительного увеличения расстояния ему не удалось.

Другой недостаток заключался в том, что после возникновения электрического разряда опилки намагничивались, между двумя электро-дами устанавливалась постоянная связь, и прибор переставал искрить, т. е. выходил из строя как индикатор электромагнитного излучения. Чтобы он продолжал действовать в таком качестве, его необходимо было периодически встряхивать.

В начале 90-х гг. подобными опытами занимались и другие исследователи, из которых наибольших успехов добился английский физик Оливер Джозеф Лодж (1851–1940), усовершенствовавший в 1894 г. «трубку Бранли» и назвавший ее когерером [475].

Во-первых, О. Лодж подключил к когереру звонок, в результате чего о приеме электромагнитной волны можно было судить не только по искрению опилок, но по звуковому сигналу[476].

Во-вторых, О. Лодж создал устройство, которое через определенный интервал времени, регулируемый часовым механизмом, приводило в движение молоточек, периодически ударявший по когереру и встряхивав-ший его. Но поскольку действие часового механизма не зависело от про-хождения тока, это хотя и давало возможность восстанавливать работу ко-герера, но не позволяло сделать процесс улавливания электромагнитных волн непрерывным или постоянным[477].

Впервые эту проблему решил русский ученый А. С. Попов.

Александр Степанович Попов (1859–1905) родился 4/16 марта 1859 г. на Урале в семье священника в Верхотурском уезде Пермской губернии[478].

Закончив Екатеринбургское духовное училище и Пермскую духовную семинарию, он в 1877 г. сдал экзамены за курс гимназии и поступил на физико-математический факультет Петербургского университета. Здесь его внимание привлекла совершенно новая отрасль – электротехника. Закончив в 1883 г. университет, он защитил диссертацию на тему «О принципах магнито- и динамоэлектрических машин» и стал преподавателем первого в России электротехнического учебного заведения – Кронштадтского минного офицерского класса[479].

25 апреля/7 мая 1895 г. на заседании Русского Физико-химического общества А. С. Попов сделал доклад и продемонстрировал устройство, по-хожее на устройство О. Лоджа, но имеющее одно очень важное допол-нение[480]. А. С. Попов не просто подключил к когереру звонок, но и «при-вязал» его к общей электрической цепи таким образом, что, приходя в действие во время намагничивания опилок, молоточек звонка встряхивал когерер. Это позволило сделать процесс улавливания электромагнитных волн непрерывным или постоянным. В результате открылась возможность практического использования электромагнитных волн для передачи информации на расстояние[481].

Летом того же 1895 г. А. С. Попов использовал для приема электромаг-нитных волн специальное устройство – антенну[482].

«Антенна – …часть радиоустановки, излучающая (передающая) или извлекающая энергию из поля радиоволн (приемная…)… В приемной антенне под действием радиоволн возникает электрический ток, подводи-мый к радиоприемнику»[483].

Итак, антенна – это проводник, который излучает или воспринимает электромагнитные волны.

Вопрос о том, кто изобрел антенну, является открытым.

Если исходить из приведенного определения, то вибратор Г. Герца представлял собой передающую антенну, а резонатор – принимающую. Но и Г. Герц в этом отношении не был первым. Еще в 1700 г. английский исследователь Уолл высказал догадку об электрическом характере грозы [484], а в 1750 г. американский физик Б. Франклин создал для улавливания грозовых разрядов молниеотвод[485], по существу представлявший принимающую антенну.

Первыми, кто осознанно поставили вопрос об использовании антенны как специального устройства для трансляции и приема электромагнитных волн, были Э. Бранли (1891)[486] и Н. Тесла (1893)[487].

Таким образом, используя антенну, А. С. Попов шел по пути, намеченному его предшественниками.

Летом 1895 г. он дополнил свое устройство приемным механизмом телеграфного аппарата С. Морзе, позволившим фиксировать момент прохождения электрического разряда через когерер (а значит, момент замыкания электрической цепи) на телеграфной ленте в виде «штрихов»[488].

Так был сделан первый шаг на пути радиотелеграфирования.

Для того чтобы сделать второй шаг, необходимо было включить в передающее устройство телеграфный ключ, с помощью которого можно было бы управлять излучаемыми в пространство электромагнитными вол-нами. Одним из первых такую идею высказал О. Лодж[489]. Однако найти техническое решение этой проблемы ему не удалось.

Первую радиотелеграмму сумел передать А.С. Попов. По одним дан-ным, это произошло 12/24 марта 1896 г.[490], по другим – в 1897 г.[491]

Так завершилось создание радиотелеграфа.

Г. Маркони узнал об открытии электромагнитных волн в 1894 г., когда еще был студентом. Оно настолько увлекло его, что, получив консультацию итальянского ученого А. Риги, он, воспользовавшись вибратором Г. Герца и «трубкой Бранли», начал конструировать собственный аппарат, с помощью которого смог передать на расстояние сигнал, позволивший ему, как и А. С. Попову, включить электрический звонок[492].

«Удивительно, – пишет М. П. Бронштейн, – до чего были похожи эти первые опыты Маркони на те опыты, которые одновременно с ним делал профессор Попов. Попов не знал ничего о Маркони, Маркони ничего не знал о Попове, но оба они – русский профессор, и итальянский студент – в одно и то же время одним и тем же способом решали одну и ту же задачу. Попов заставил электромагнитные волны звонить, – то же самое сделал и Маркони. У Попова молоточек звонка встряхивал стеклянную трубку с опилками – и той же работой был занят молоточек звонка в приборе Маркони. Попов соединил свой приемник с вертикальным проводом – антенной, и Маркони тоже додумался до антенны. Все, что в лаборатории Кронштадтского Минного класса изобрел профессор Попов – все это независимо от Попова в далекой Италии, в деревне Понтеккио, в усадьбе Вилла Граффона, изобрел и молодой итальянский студент»[493].

Однако, что представлял собою аппарат Г. Маркони первоначально, мы не знаем. Отсутствуют документальные данные и о том, когда он начал свои опыты, и каковы были их результаты. Все, что нам известно на этот счет, исходит из уст самого изобретателя, его помощника и слуги. Причем их свидетельства на этот счет были сделаны по прошествии многих лет после описываемых событий[494].

Но даже, согласно этим свидетельствам, к своим опытам Г. Маркони приступил лишь весной 1895 г.[495]. К лету того же года, по свидетельству изобретателя, он дополнил свой аппарат антенной и смог передать сигнал на расстояние в 1,5 мили[496].

Между тем подобный аппарат А. С. Попова существовал уже к весне 1895 г., когда он публично поделился первыми результатами его испытания. Позднее профессор А. Риги сообщил, что его ученику в 1895 г. были известны опыты А.С. Попова.

Признал данный факт и сам Г. Маркони, который лишь 2 июня 1896 г. в Англии подал заявку на изобретение под названием «Улучшения в передаче электрических импульсов и сигналов, а также в устройстве для этого предназначенном», 2 марта 1897 г. он внес в нее уточнения и 2 июля 1897 г. получил английский патент[497]. Уже одно название заявки Г. Маркони говорит о том, что его изобретение заключалось не в создании, а в усовершенствовании радиопередающего и радиоприемного устройств[498]. Что же касается первой радиотелеграммы, то ее Г. Маркони сумел передать не ранее 1901 г.[499]

Поэтому предпринимавшиеся и предпринимающиеся попытки объявить его изобретателем радио не имеют под собою оснований[500].

Неслучайно поэтому 100-летие радио мировая научная общест-венность отмечала в 1995 г. и чествовала в качестве его создателя не Г. Маркони, а А. С. Попова.

После того как появилось радио, началось освоение эфира.

В 1896 г. Г. Маркони передал радиосигнал на расстояние более 3 км[501]. В 1897 г. А. С. Попову удалось увеличить этот показатель до 5 км[502], а Г. Маркони до 27 км[503]. В 1899 г. А.С. Попов осуществил радиосвязь на расстоянии 28 км, в 1900 г. – 47 км.[504]

Если А.С. Попов использовал для своих опытов поддержку государства, то Г. Маркони – частного капитала. Уже в 1897 г. возникла английская фирма «Маркони и К»[505].

Сумев привлечь к своему делу большие средства, Г. Маркони 27 марта 1899 г. осуществил радиопередачу через Ла-Манш (около 50 км)[506], а в 1900 г. увеличил дальность передачи до 250 км[507].

Одна из причин успеха Г. Маркони была связана с использованием им антенных устройств. Достаточно сказать, что Ла-Манш он штурмовал с помощью целой группы антенн высотой почти в 50 м[508].

Но дело заключалось не только в их количестве и высоте.

Г. Маркони обратил внимание на изобретения немецкого физика, будущего лауреата Нобелевской премии Фердинанда Брауна и сразу же взял их на вооружение[509].

Если до этого антенна непосредственно включалась в электрическую цепь, Ф. Браун поставил между антенной и генератором электромагнитных волн трансформатор, позволивший увеличивать напряжение. Именно он включил в цепь еще одно важное устройство – конденсатор, который с тех пор стал обязательным элементом всех радиопередающих устройств [510].

Кроме того, Ф. Браун предложил использовать «направленный пере-датчик» и «направленный приемник», чтобы период колебаний передаю-щего устройства совпадал с периодом колебаний приемного устройства: когда передающая станция и приемное устройство настроены на одну частоту, резонанс колебания передающей станции способен вызывать в приемном устройстве максимальный эффект[511].

Наконец, Ф. Браун едва ли не впервые вместо когерера использовал кристаллический детектор (предшественник транзистора)[512].

Таким образом, пока А. С. Попов еще делал первые опыты, радиотехника быстрыми шагами шла дальше.

В 1903 г. состоялась Первая международная конференция по «беспро-водной телеграфии». На этой конференции было принято решение называть этот вид электросвязи «радиотелеграфом»[513]. В том же году Международный союз электросвязи принял первый «Регламент радиосвязи (РР)»[514].

Для понимания того, как происходило освоение радиоэфира, необхо-димо учитывать, что существует довольно большой спектр радиоволн, характеризующихся такими понятиями, как длина и частота. Что такое частота, уже говорилось ранее. Длина волны – это «расстояние, на которое распространяется энергия за время одного колебания»[515] или «расстояние между ближайшими друг к другу точками, колеблющимися в одинаковых фазах»[516]. Из этого вытекает, что длина волны находится в обратной пропорциональной зависимости от частоты. Иначе говоря, чем ниже частота, тем длиннее волна. И наоборот: чем выше частота, тем короче волна (табл. 1).

Таблица 1

Спектр радиочастот

Частота	Наименование	Длина волны	Наименование
3–30 кГц	Очень низкая	10–100 км	Очень длинные
30–300 кГц	Низкая	1–10 км	Длинные
300–3000 кГц	Средняя	100–1000 м	Средние
3–30 МГц	Высокая	10–100 м	Короткие
30–300 МГц	Очень высокая	1–10 м	Очень короткие
300–3000 МГц	Ультравысокая	10–100 см	Ультракороткие
3000–30000 МГц	Сверхвысокая	1–10 см	Сверхкороткие
Более 30000 МГц	Крайне высокая	Менее 1 см	Крайне короткие

Источник. Косиков К. М. Развитие знаний в области распространения и применения радиоволн // Очерки истории радиотехники. С. 303.

Освоение радиоэфира происходило следующим образом: «…Если Герц проводил свои опыты на метровых волнах, то первая транс-атлантическая связь была установлена (Маркони, 1901) на волне 366 м. В 1902 г. для устойчивой радиотелеграфной связи использовалась длина волны 1100 м, в первой коммерческой линии связи Ирландия–Нью-Фаунленд, открывшейся в 1907 г., длина волны равнялась 3560 м. К концу Первой мировой войны длина волновой разности возросла до 20–25 км»[517].

Первоначально считалось, что дальность распространения радиоволн находится в прямой зависимости от их длины. В связи с этим, как конста-тируют авторы «Очерков истории радиотехники», получило «применение более длинных волн и тем самым более высоких и сложных антенн, а также более мощных передатчиков»[518]. По этой же причине в «первые 20 лет развития радио ученые и инженеры полагали, что радиоволны с частотой выше 200 кГц непригодны для радиовещания, и до 1922 г. их было разрешено использовать для любителей связи»[519].

Между тем к концу Первой мировой войны почти весь спектр сверхдлинных, длинных и даже средних волн оказался заполненным, что стало создавать взаимные помехи[520].

И тут обнаружилось, что радиолюбители, работавшие на коротких волнах, могут связываться между собою, несмотря на сотни и тысячи кило-етров, которые их разделяли. Особый резонанс получил сеанс радиосвязи шотландских и американских радиолюбителей в 1921 г.[521]

Изучение этих фактов привело к выводу, что характер распростране-ния волн вдоль поверхности Земли и волн, направленных в пространство, различен. Если первые очень быстро затухают, то вторые, отражаясь от верхних слоев атмосферы, а затем от земной поверхности (причем неодно-ратно), могут распространяться на более значительные расстояния[522].

В 1922 г. советский физик М. В. Шулейкин создал теорию дисперсии коротких волн в однородной ионизированной среде[523]. Дисперсия волн – от лат. dispersio, рассеивание – зависимость показателя преломления, т. е. скорости распространения волн в веществе, от длины волны (частоты)[524].

Изучение этого явления открыло возможность для использования коротких и ультракоротких волн, которое началось в середине 20-х гг.[525]

Но чем больше становилась дальность радиопередач, тем сильнее ощущалось такое явление, как затухание радиоволн по мере удаления их от передающего устройства.

В связи с этим усилия ученых были направлены на решение двух проблем: а) создание более сильных генераторов тока; б) совершенство-вание передающих и приемных устройств.

«Переход к использованию незатухающих колебаний произошел в радиотехнике постепенно и занял около десятилетия (1905–1915). За это время было разработано несколько методов генерирования незатухающих колебаний с помощью уже известных в технике устройств: электрической дуги, электрических машин повышенной частоты и посредством нового прибора – электронной лампы»[526].

Особую известность получил дуговой генератор датского инженера, изобретателя магнитофона Вальдемара Паульсена (1869–1942), созданный в 1902 г.[527]. Одновременно начали использоваться машинные генераторы переменного тока. В этом отношении больших успехов добился русский ученый В. П. Вологдин[528]. Подобные генераторы имели мощность в сотни киловатт и весили десятки тонн.

Долгое время важным препятствием на пути развития радиосвязи была малая чувствительность радиоприемников. Эту проблему удалось решить с помощью радиоламп.

С незапамятных времен человеку был известен факт превращения электричества в свет (грозовые молнии, северное сияние), но долгое время он не понимал природы этих явлений. Впервые на связь электричества и света было обращено внимание в конце XVII в. Производя опыты, О. Герике обнаружил, что наэлектризованный им шар из серы в темноте начинает светиться[529]. В 1698 г. англичанин Уолл сумел получить электрическую искру[530] и в 1708 г. поведал об этом в печати[531].

В XVIII в., особенно после того, как был создан конденсатор и изобретен дисковый генератор статического электричества, получение искры стало обычным явлением. С ее помощью удалось зажечь нефть, порох, спирт, фосфор[532].

Экспериментируя с электричеством, живший в XVIII в. американский изобретатель Э. Киннерски (р. 1712) заметил, что под влиянием электричества проводник может не только нагреваться, но и раскаляться[533], а в начале XIX в. А. Вольта обратил внимание, что при сильном токе тонкая медная проволока не только раскаляется, но и перегорает[534].

На основе этих и других наблюдений была создана первая электрическая лампа накаливания и началось ее совершенствование. В 1838 г. бельгиец Аброус-Марселин Жобар (Jean-Baptiste-Ambroise-Marcellin Jobard) (1792–1861) предложил использовать для нити накаливания уголь. Это позволило значительно удешевить лампу, но она очень быстро перегорала[535].

В 1878 г. продлением срока службы этих электрических ламп занялся

Т. А. Эдисон. В связи с этим он обратил внимание, что во время их работы стекло изнутри начинает чернеть за исключением той его части, которая находится возле нити накаливания, соединенной с положительным элек-тродом. Сделав из этого вывод, что почернение происходит в результате выделения мельчайших частиц угля, из которого была изготовлена нить накаливания, Т. А. Эдисон ввел внутрь еще один электрод. При этом он за-метил, что если этот электрод соединить «с положительным концом нити» накаливания, то возникал электрический ток, если «электрод был соединен с отрицательным концом, то никакого тока не было». Так в 1883 г. было открыто явление, которое получило название «эффекта Эдисона»[536].

Этот эффект сразу же привлек к себе внимание других ученых. Одним из них был английский физик Джон Амброуз Флеминг (1849–1945), который с 1882 по 1895 гг. работал консультантом в фирме Т.А. Эдисона, а с 1899 г. в фирме Г. Маркони. Уже в 1883 г. он выступил с докладом на тему «Явление молекулярной радиации в светящихся лампах»[537].

Изменяя форму нити накаливания и вводимого электрода, а также их расположение внутри лампы и соотношение между собой, Д. А. Флеминг обнаружил, что таким образом можно регулировать то, что он называл «молекулярной радиацией» (на самом деле выделение электронов) и оказывать влияние на протекание тока в электродах, с которыми была связана нить накаливания.

В результате Д. А. Флемингу удалось использовать «лампу Эдисона» и для приема радиоволн вместо когерера, и для выпрямления переменного тока, и для преобразования высокочастотных электрических колебаний в низкочастотные, т. е. в качестве демодулятора или же детектора. 16 ноября 1904 г. Д. А. Флеминг подал заявку на свое изобретение, получившее название диода, т. е. двухэлектродной лампы, и в следующем году получил патент[538].

Продолжая эти опыты, американский физик Ли де Форест (1873–1961) обернул лампу фольгой и обнаружил, что приемник стал чувствительнее к радиоволнам. Тогда он решил поместить «фольгу» внутрь лампы и с этой целью ввел в нее еще один электрод, который изготовил в виде сеточки и установил над диодом. Чувствительность радиоприемника стала еще боль-ше. Так был создан новый вид электронной лампы, получивший название триода. Заявка на него была подана в 1906 г., патент получен в 1907 г.[539].

Триод открыл новые возможности не только для приема, но и для генерирования радиоволн. Правда, хотя он и был способен генерировать колебания электромагнитных волн, он не мог устранить их затухающего характера. В связи было предложено усовершенствовать его таким образом, чтобы электрический сигнал с выхода усилительной лампы возвращался обратно на вход, увеличивая тем самым до определенного предела ее мощность. Это явление получило название регенерации, а усовершенствованный триод – регенератора[540].

В литературе можно встретить разные мнения относительно авторства этого изобретения, но, по всей видимости, правы те, кто считает, что регенеративную схему триода в 1912–1913 гг. независимо друг от друга предложили сразу же несколько человек (Эдвин Говард Армстронг, Ирвинг Лэнгмюр, Александр Мейснер, Ли де Форест и др.)[541].

В 1913 г. сотрудник немецкой фирмы Телефункен Александр Мейснер (Meissner) создал первый ламповый радиопередатчик[542], открывший начало новой эпохи – эпохи электроники.

Значение электронной лампы заключалось не только в том, что она позволила улучшить прием радиосигналов, не только в том, что она представляла собою более дешевый генератор электромагнитных волн, но и в том, что позволила генерировать и принимать короткие и ультракороткие волны.

С середины 20-х гг. начался переход от сверхдлинных, длинных и средних волн к коротким и ультракоротким волнам.