125 ЛЕТ ТОМУ НАЗАД
Ежегодно в нашей стране 7 мая отмечается День радио. Конкретная дата выбрана не случайно: 25 апреля (7 мая по новому стилю) 1895 г. русский ученый-физик Александр Степанович Попов впервые в мире публично продемонстрировал устойчиво действующую систему беспроводной передачи и приема на расстояние информации в виде последовательности коротких и длинных посылок электромагнитных волн, соответствующих знакам телеграфного кода (точкам и тире).
Изобретенный им беспроволочный телеграф положил начало радиосвязи. Эпитет «Колумб радиотехники» по отношению к Попову как к первооткрывателю радио использовал выдающийся русский ученый-электротехник академик В.Ф. Миткевич 7 мая 1935 г. в своей речи на торжественном заседании в честь 40-летия изобретения радио.
В 1890-х гг. термин «радио» как обозначение средства связи еще не применялся. Широкое распространение он получил позже в связи с появлением генераторов незатухающих колебаний и с первыми опытами по радиотелефонии. Таким образом, «говоря об изобретении,
следует иметь в виду лишь один смысл понятия радио — как практически пригодный способ передачи сообщений с помощью излученных электромагнитных волн и соответствующее устройство».
Событие, вошедшее в историю как дата рождения радио, произошло на заседании Физического отделения Русского физико-химического общества (РФХО) в Петербургском университете. В ходе доклада на достаточно узкую, на первый взгляд, тему — «Об отношении металлических порошков к электрическим колебаниям» — А.С. Попов продемонстрировал работу своего прибора. В качестве передатчика электромагнитных колебаний он использовал модифицированный излучатель (вибратор) Герца, а в основу приемника положил усовершенствованный индикатор электромагнитного излучения Бранли-Лоджа. В конце доклада ученый выразил надежду, что его «прибор может быть применен к передаче сигналов на расстояние при помощи быстрых электромагнитных колебаний, как только будет найден источник таких колебаний, обладающий достаточной энергией».
В те годы приоритет определялся либо фактом получения патента на изобретение, либо публичным оповещением о новшестве. Еще до появления в 1896 г. первых сведений об опытах итальянца Г. Маркони информация об устройстве Попова несколько раз публиковалась на страницах газет и научных изданий.
Первое публичное оповещение о событии, имевшем место в Санкт-Петебурге 25 апреля (7 мая) 1895 г., произошло 30 апреля (12 мая) 1895 г. Газета «Кронштадтский вестник» опубликовала информацию о заседании Физического отделения РФХО. Сообщалось, что преподаватель Минного офицерского класса А.С. Попов продемонстрировал в действии «особый переносной прибор, отвечающий на электрические колебания обыкновенным электрическим звонком и чувствительный к герцовским волнам на открытом воздухе на расстояниях до 30 сажен», а также о том, что «поводом ко всем этим опытам служит теоретическая возможность сигнализации на расстоянии без проводников, наподобие оптического телеграфа, но при помощи электрических лучей». В августе 1895 г. в «Журнале РФХО», имевшем международную рассылку в университеты и крупные библиотеки мира, был опубликован протокол заседания Физического отделения РФХО от 25 апреля (7 мая) 1895 г. Протокольная запись содержала краткое, но точное описание устройства Попова. Более подробное описание со схемой приемника было приведено в статье А.С. Попова «Прибор для обнаружения и регистрирования электрических колебаний», сданной в печать в декабре 1895 г. и опубликованной в первом номере «Журнала РФХО» за 1896 г.
ПРЕДШЕСТВЕННИКИ
Изобретение радио, как и множество других великих событий в технике, это не плод озарения талантливого изобретателя-одиночки, а результат труда большого числа ученых и изобретателей, заложивших основы электротехники и электромагнетизма. Они подготовили теоретические основы инженерных решений при создании радиосвязи в конце XIX в. и для ее дальнейшего развития в XX в.
Фундаментальные физические исследования английского ученого Майкла Фарадея (1791−1867) привели к открытию явления электромагнитной индукции (1831). Изучая взаимосвязь электрических и магнитных явлений, Фарадей приблизился к мысли о существовании электромагнитного поля (1845). Динамическую теорию электромагнитного поля разработал другой выдающийся английский ученый — Джеймс Кларк Максвелл (1831−1879). В 1864 г. вышла его статья «Динамическая теория электромагнитного поля». В фундаментальном труде «Трактат об электричестве» (1873) Максвелл теоретически обосновал существование электромагнитных волн. По его мнению, световые и электромагнитные явления имеют единую природу. Современники восприняли теорию Максвелла как математическую абстракцию, не имеющую практического воплощения. Однако немецкий физик Генрих Рудольф Герц (1857−1894) своими опытами в 1886—1887 гг. практически доказал существование электромагнитных волн и подтвердил правильность теории Максвелла. Герц считал, что его лабораторные приборы не смогут найти практическое применение для беспроводной телеграфии. Ученого интересовала физическая сущность электромагнитных волн, которые после опубликования результатов опытов иначе, как «волны Герца», никто не называл.
В своих опытах Герц в качестве излучателя использовал два медных стержня с металлическими пластинами или шарами на концах с искровым промежутком между ними — так называемый вибратор. К медным стержням были прикреплены концы вторичной обмотки катушки Румкорфа — преобразователя постоянного тока низкого напряжения в переменный ток высокого напряжения. При импульсах переменного тока между шарами проскакивали искры и в окружающее пространство излучались электромагнитные волны. Приемником электромагнитных волн (так называемым резонатором) служил незамкнутый круг или прямоугольник из проволоки длиной около 2 м с разрядным промежутком. Разрядные промежутки вибратора и резонатора обычно регулировались с помощью микрометрического винта.
Технические средства, предложенные Герцем, в изначальном виде не были пригодны для практического применения в качестве передатчика и приемника электромагнитных волн. Для превращения вибратора Герца в передатчик не хватало модулятора, но его функции в простейшем случае мог выполнять ключ питания. Приемник Герца (резонатор) представлял собой простейший индикатор наличия электромагнитного сигнала. Основой для изобретения Поповым схемы приемника посылок электромагнитных волн системы беспроводного телеграфирования стали исследования французского физика Эдуарда Бранли (1844−1940) и английского ученого Оливера Джозефа Лоджа (1851−1940) по созданию чувствительного к воздействию этих волн устройства.
В 1890 г. Бранли обратил внимание на то, что металлические опилки под воздействием электрического разряда меняют электрическое сопротивление. Изобретатель назвал свое устройство радиокондуктором. В окончательном виде устройство Бранли представляло собой небольшую стеклянную трубочку с двумя электродами, между которыми были насыпаны металлические опилки. Электроды радиокондуктора включались в цепь электрической батареи и гальванометра. Электромагнитный сигнал, подаваемый на трубку, вызывал слипание опилок, вследствие чего электрическое сопротивление резко уменьшалось и стрелка гальванометра отклонялась. Это позволяло однократно зарегистрировать воздействие электромагнитной волны. Для восстановления чувствительности к следующему воздействию требовалось вручную встряхивать стеклянную трубочку, что было неудобно.
Лодж решил эту проблему в 1894 г. С помощью заводного пружинного кулачкового механизма ему удалось обеспечить автоматическое встряхивание трубки с опилками с определенной периодичностью. Лодж дал другое название радиокондуктору Бранли — когерер (англ. coherer — сцепляющий, связывающий), отражавшее физический смысл явления.
Историки науки и техники считают, что английский ученый был в нескольких шагах от создания схемы, которая могла быть использована для организации беспроводной связи. Однако, как написал впоследствии Лодж, тогда у него не сложилось достаточное понимание важности данного вопроса, в то время как другие, и в их числе русский физик Попов, продолжили работу в этом направлении.
ФОРМУЛА ИЗОБРЕТЕНИЯ А.С. ПОПОВА
Сущность устройства, продемонстрированного Поповым 125 лет назад, попробовали выразить отечественные специалисты, досконально изучавшие аргументы противников приоритета русского ученого. Формула изобретения в общепринятом изложении выглядит так: Попов предложил «устройство сигнализации без проводов, содержащее передатчик излучаемых электромагнитных сигналов, в качестве которого использован модифицированный генератор Герца, и приемник сигналов, включающий усовершенствованный когерер Бранли-Лоджа, вертикальную проволочную антенну, схему автоматического восстановления чувствительности когерера с приходом каждого очередного импульсного сигнала и схему релейного усиления сигналов. Это устройство отличалось высокой и постоянной чувствительностью; надежностью работы; конструкцией, устраняющей паразитные воздействия внутренней искры; возможностью подключения к телеграфным аппаратам общего пользования и различным управляющим устройствам, используемым в военном деле, а также в других областях практики».
Достаточно быстро приемник Попова нашел практическое применение в области изучения атмосферного электричества. Ученый и его помощник Рыбкин в апреле 1895 г. случайно обнаружили воздействие пертурбаций атмосферного электричества на приемник, и по рекомендации метеоролога профессора Д.А. Лачинова устройство было доработано до грозоотметчика (к началу августа). На этом факте основано иногда встречающееся неверное утверждение, что А.С. Попов изобрел не радио, а грозоотметчик. В Центральном музее связи имени А.С. Попова хранятся оба устройства: когерерный приемник, продемонстрированный 25 апреля (7 мая) 1895 г. (рис. 1), и грозоотметчик (рис. 2), сконструированный летом 1895 г. как модификация когерерного приемника. Этот прибор, записывающий атмосферные электрические разряды на движущейся бумажной ленте, был стационарным, в отличие от первого приемника. Один электрод когерера соединялся проводом с громоотводом, другой — с металлическим заземленным предметом. Грозоотметчик (тогда он назывался «разрядоотметчик») 30 июля 1895 г. был установлен на метеорологической станции Лесного института в Петербурге. «Антенна, которая в лабораторных опытах Попова <…> была в несколько сантиметров длиною, затем обратилась в провод франклиновского громоотвода в схеме грозоотметчика <…> и развивалась далее в руках Попова, последовательно усовершенствовавшего свои судовые станции до судовой воздушной сети в 120 ф [утов] длиной».
Конструктивный макет (см. рис. 1 и 2), продемонстрированный 25 апреля (7 мая) 1895 г., подтвердил решение двух исследовательских задач, которые ставил перед собой Попов.
Первая задача — создание высокочувствительного и устойчивого в работе когерера. Перепробовав множество материалов, изучив изменение свойств различных порошков под действием электромагнитной волны, ученый остановился на когерере в форме стеклянной трубочки с железными опилками и платиновыми электродами. Об этом трудоемком исследовательском процессе Попов и рассказал коллегам в докладе «Об отношении металлических порошков к электрическим колебаниям». Теоретическая часть доклада сопровождалась практической демонстрацией. Прибор с усовершенствованным когерером Бранли-Лоджа был достаточно чувствителен и вместе с тем очень устойчив: ложных срабатываний не давал.
Вторая задача — поиск технического решения, способного непрерывно реагировать на принимаемые сигналы, без задержки отвечая на электрические колебания, повторяющиеся одно за другим. Необходимо было добиться такой комбинации схемных решений, «чтобы связь между опилками, вызванная электрическим колебанием, разрушалась немедленно автоматически». Что же придумал Попов?
Как показано на рис. 3, трубка с опилками (когерер) подвешена горизонтально на легкой часовой пружине, над когерером наклонно помещен электрический звонок. При движении молоточка вверх он ударяет по звонку, а при движении вниз — по когереру. В электрическую цепь последовательно с когерером и батареей (два сухих элемента напряжением 4,5 В) включено чувствительное телеграфное реле. Под воздействием электромагнитной волны сопротивление когерера уменьшается и реле срабатывает. Его контакты включают в цепь батареи электрический звонок. Молоточек ударяет по колокольчику и падает на трубку когерера, сотрясая ее. Сопротивление опилок становится снова большим, контакты реле размыкаются, прибор готов к новому циклу действий.
Прибор Попова принципиально отличался от устройства Лоджа. Английский ученый, будучи по его словам «высокого мнения о работе профессора Попова над беспроволочным телеграфом», так отзывался о техническом решении Попова: «Я действительно использовал для восстановления чувствительности когерера автоматический молоточек или другой встряхиватель, приводимый в действие часовым или каким-либо иным механизмом. Однако Попов впервые достиг того, что сам сигнал осуществлял обратное воздействие. Я полагаю, что в этом и состоит новшество, которым мы обязаны Попову. Оно было в скором времени принято Маркони и другими». Придерживаясь этого мнения, Лодж, как только стали доступны первые описания схемы Маркони (1897 г.), выступил в журнале The Electrician с полемической заметкой, в которой иронически отзывался о новизне приборов Г. Маркони.
