Этап накопления теоретических и экспериментальных знаний и предпосылок для появления радиофизики как самостоятельного направления в физике (середина XIX — 1930-е годы XX века)

Важнейшее значение для формирования радиофизики как самостоятельного научного направления имели работы творцов теории электромагнитного поля (М. Фарадея, Дж. К. Максвелла, Г. Герца, О. Хевисайда, П. Н. Лебедева, Н. А. Умова, Дж. Г. Пойнтинга и др.), сведения о которых представлены в гл. 10. Отметим также пионерские исследования в области электросвязи, проведенные М. Лумисом, Д. Хьюзом, А. Долбэром, А. Риги, Э. Томсоном и другими. Однако теоретический и эмпирический базис радиофизики был заложен работами в области беспроводной телеграфии (радиотехники). Остановимся на некоторых исторических вехах ее развития.

Открытие Герцем электромагнитных волн, изучение их свойств и создание оригинальных приборов — вибратора и резонатора (первого генератора высокочастотного электромагнитного поля и его индикатора) — составляют важный этап предыстории радиофизики. Однако эти достижения еще нельзя отнести к изобретению радио. Из-за невысокой чувствительности приемника Герца и неудобного способа наблюдения принимаемых сигналов осуществление приема было возможно только на расстояния 8−10 м от передатчика.

Экспериментальные работы французского ученого Эдуарда Бранли (1844—1940) по изучению влияния электромагнитного поля на проводимость металлических порошков привели к изобретению индикатора — когерера, стеклянной трубки с насыпанными в нее металлическими опилками. Однако в когерере Бранли необходимо было каждый раз встряхивать железные опилки перед следующим приемом излучения. Сконструированный английским физиком Оливером Джозефом Лоджем (1851—1940) когерер представлял собой стеклянную трубку, набитую металлическими опилками («трубку Бранли»), которые для восстановления чувствительности к электромагнитным волнам также следовало периодически встряхивать. Для этой цели использовался механизм, похожий на электрический звонок. Прибор Лоджа мог быть использован для беспроволочной телеграфии, но его создание еще нельзя назвать изобретением радио: когерер не обеспечивал достаточной надежности, а встряхивание опилок не было автоматическим после каждого сигнала.

Обе эти задачи решил русский ученый Александр Степанович Попов. Он ввел в схему радиоприемника автоматическую обратную связь: от радиосигнала срабатывало реле, которое включало звонок, и одновременно срабатывал ударник, встряхивавший трубку с опилками.

Александр Степанович Попов (1859—1906) — русский физик и электротехник, родился 16 марта 1859 г. в Турьинских рудниках Верхотурского уезда Пермской губернии (ныне г. Краснотурьинск, Свердловская область). По окончании физико-математического факультета Петербургского университета (1882) Попов был оставлен при университете для подготовки к профессорскому званию.

В 1882 г. он защитил диссертацию на тему «О принципах магнитои динамоэлектрических машин постоянного тока». Вскоре после этого Попов стал преподавателем физики, математики и электротехники в Минном офицерском классе в Кронштадте, где имелся хорошо оборудованный физический кабинет. Все свое свободное время ученый посвящает физическим опытам, главным образом по изучению электромагнитных колебаний.

Наряду с изобретением первого радиоприемника, грозоотметчика и осуществлением первой в мире радиограммы (состоящей из двух слов — «Генрих Герц») Попову принадлежит еще одно важное открытие. Во время опытов по радиосвязи на военных кораблях Балтийского флота летом 1897 г. было установлено, что электромагнитные волны отражаются от кораблей. Попов сделал вывод о возможности практического использования этого явления и задолго до возникновения радиолокации и радионавигации сформулировал отправные идеи для создания и развития этих направлений техники. В 1900 г. он осуществил радиосвязь в Балтийском море на расстоянии свыше 45 км между островами Гогланд и Кутсаало, недалеко от г. Котка (Финляндия). Эта первая в мире практическая линия беспроволочной связи обслуживала спасательную экспедицию по снятию с камней броненосца «Генерал-адмирал Апраксин», севшего на камни у южного берега Гогланда. Работу по внедрению радиосвязи в русском военно-морском флоте Попов не оставил и после назначения его профессором физики Петербургского электротехнического института (1901).

В октябре 1905 г. Попов был избран первым выборным директором Электротехнического института, но через три месяца 13 января 1906 г. скончался от кровоизлияния в мозг в возрасте 46 лет. В честь ученого Президиум Академии наук СССР в 1945 г. учредил золотую медаль им. А. С. Попова «За выдающиеся достижения в области развития методов и средств радиоэлектроники».

На заседании русского физико-химического общества 7 мая 1895 г. Попов выступил с докладом «Об отношении металлических порошков к электрическим колебаниям» и продемонстрировал созданный им первый в мире радиоприемник (рис. 21.1).

Этот день вошел в историю мировой науки и техники как день рождения радио. Через 10 месяцев 24 марта 1896 г. Попов на заседании того же Русского физико-химического общества передал первую в мире радиограмму на расстояние в 250 м.

Летом следующего года дальность беспроволочной связи была увеличена до 5 км.

Рис. 21.1. Схема радиоприемника Попова

Попов научно обобщил и развил сделанные до него отдельные открытия в электросвязи, предложил способы передачи сообщений на расстояние с помощью электромагнитных волн и практически применил свое открытие. Ученый не только изобрел первый в мире радиоприемник и осуществил первую в мире радиопередачу, но и сформулировал основные принципы радиосвязи. Он разработал идею усиления слабых сигналов с помощью реле, изобрел приемную антенну и заземление. Попов осуществил первую в мире линию радиосвязи на море, создал первые походные армейские и гражданские радиостанции и успешно провел работы, доказавшие возможность применения радио в сухопутных войсках и в воздухоплавании. Созданием кронштадтских мастерских по изготовлению приборов для телеграфирования без проводов ученый заложил фундамент отечественной радиопромышленности.

Наряду с Поповым весьма схожее приемное устройство в сочетании с искровым излучателем Герца, который был модифицирован итальянским профессором Аугусто Риги (1850— 1921), применил итальянский изобретатель Гульельмо Маркони в системе передачи на расстояние сигналов Морзе с помощью электромагнитных волн.

Гульельмо Маркони (1874—1937) — итальянский радиотехник и предприниматель, лауреат Нобелевской премии по физике (1909), родился в Болонье в 1874 г. До поступления в техническое училище в Ливорно Маркони занимался с домашними учителями. В 1894 г. под влиянием работ Герца, Теслы и Риги он заинтересовался вопросами передачи электромагнитных волн. В начале 1896 г. Маркони приехал в Великобританию, где с помощью азбуки Морзе передал сигнал с крыши лондонского почтамта в другое здание на расстояние 1,5 км. После этого, 2 сентября 1896 г., он провел первую публичную демонстрацию своего изобретения на равнине Солсбери, добившись передачи радиограмм на расстояние 3 км. В качестве передатчика Маркони применил генератор Герца в модификации Риги, а в качестве приемника — прибор Попова (созданный, в свою очередь, на основе прибора Лоджа), в который Маркони ввел разработанный им самим вакуумный когерер и дроссельные катушки.

В 1902 г. он передал первый беспроволочный сигнал через Атлантику с запада на восток, в 1905 г. взял патент на направленную передачу сигналов, а в 1907 г. открыл первую трансатлантическую службу беспроволочной связи. Превратив свою яхту «Элеттру» в дом, лабораторию и рабочий кабинет, Маркони в 1921 г. приступил к исследованиям коротковолновой телеграфии. К 1927 г. компания Маркони развернула международную сеть коммерческих коротковолновых телеграфных связей. В 1931 г. Маркони исследовал передачу микроволн и в следующем году установил первую радиотелефонную микроволновую связь. Последние годы жизни Маркони провел в Италии. Он скончался в 1937 г. в Риме.

Одним из главных отличий устройств, разработанных ученым, было применение антенн в виде высоко поднятого вертикального провода и заземления. Особенно важным было включение длинной антенны в передатчик. Тем самым был осуществлен переход к значительно более длинным волнам, чем в опытах Герца и Лоджа. В 1900 г. Маркони включил в свой передатчик конденсатор и катушку настройки, что позволило увеличить энергию сигнала. Конденсатор усиливал эффект колебаний, создаваемых искровым разрядником, а катушки позволили добиться совпадения периода колебаний в антенне с периодом усиленных колебаний. Эти две цепи можно было настраивать так, чтобы колебания в них происходили согласованно и тем самым не было бы гашения колебаний вследствие интерференции. Благодаря этому сводилось до минимума затухание сигнала.

Одностороннюю радиосвязь через Атлантический океан Маркони впервые осуществил 12 декабря 1901 г., а в 1907 г. была открыта первая трансатлантическая служба беспроволочной связи. Успехи Маркони привлекли к радиосвязи внимание ряда научных учреждений и административных органов связи в странах Европы и в США. Во всем мире начали проводиться интенсивные эксперименты и разработки.

Исчерпывающую ясность в понимание колебательных процессов в искровых передающих устройствах внесли работы немецкого физика Карла Фердинанда Брауна, а его исследования детектирующих свойств контактов ряда кристаллов и созданные на этой основе кристаллические детекторы позволили шире использовать возможности искровой радиотелеграфии.

Карл Фердинанд Браун (1850—1918) — немецкий ученый, лауреат Нобелевской премии по физике (1909), родился в г. Фульда в 1850 г.

Он окончил Марбургский университет, затем работал в Берлинском университете, где под руководством Г. Квинке Браун в 1872 г. защитил докторскую диссертацию. В 1874 г. Браун стал директором гимназии Томаса в Лейпциге. Тогда же он открыл свойство кристаллов сульфидов металлов проводить электрический ток лишь в одном направлении.

В 1895 г. Браун переезжает в Страсбург, где в университете занимает кафедру физики и место директора Физического института. Через два года он выполнил свою вторую значительную работу — изобрел электронный (катодный) осциллограф, незаменимый прибор для исследователей, работающих в области радиотехники, электроники и приборостроения. Примерно в это время Браун начал исследования по беспроволочной телеграфии. Ученый известен как основатель научной школы физиков. Среди его учеников Л. И. Мандельштам и Н. Д. Папалекси — пионеры исследований нелинейных колебаний, создавшие собственную научную школу.

В 1914 г. Браун отправился в Нью-Йорк, чтобы дать свидетельские показания по одному патентному спору. Многочисленные отсрочки дела, а также собственное недомогание задержали его в Нью-Йорке до 1917 г. Поскольку в этом году, 6 апреля, Соединенные Штаты вступили в Первую мировую войну, Брауну не было разрешено вернуться в Германию. Заболев в доме сына, он умер в 1918 г.

Воспользовавшись идеей создания известной физикам вакуумной трубки Крукса, Браун изобрел катодно-лучевой прибор (кинескоп) для индикации формы электромагнитной волны. Впоследствии трубка Брауна (первый ее вариант относится к 1897 г.) стала прообразом современных электронных осциллографов, широко используемых при исследовании высокочастотных электромагнитных сигналов. Кроме того, Браун внес важный вклад в развитие беспроволочной телеграфии, предложив так называемые сложные схемы. В них искровой разрядник в передатчике и когерер (детектор) в приемнике были вынесены из цепи антенны в отдельные колебательные контуры большой емкости с малым затуханием. Это позволило избавиться от затрат энергии на создание «искры» (что существенно повысило КПД передатчика), эффективно использовать явление резонанса и таким образом радиотелеграфировать в узкой полосе частот, снизив помехи.

В 1909 г. К. Ф. Браун и Г. Маркони были удостоены Нобелевской премии по физике «в знак признания их вклада в создание беспроволочной телеграфии». К этому времени А. С. Попова уже не было в живых.

Увеличение мощности передающих радиостанций до многих десятков и даже сотен киловатт потребовало оригинальных инженерных решений для обеспечения более эффективной работы искровых разрядников и управления их работой. Еще в 1893 г. сербский изобретатель Никола Тесла (1856—1943) продемонстрировал открытый им способ получения электрических колебаний преобразованием постоянного тока в переменный с использованием дугового разряда. В 1888 г. он открыл явление вращающегося магнитного поля, на основе которого построил электрогенераторы высокой и сверхвысокой частот. В 1891 г. ученый сконструировал резонансный трансформатор (трансформатор Тесла), позволяющий получать высокочастотные колебания напряжения с амплитудой до 10⁶ В.

К концу первого десятилетия XX в. стало ясно, что следует искать способы получения и использования не последовательностей быстро затухающих посылок радиоволн, а генерации и излучения незатухающих колебаний.

Значительный период в истории радиотехники связан с применением передатчиков, основанных на использовании свойств вольтовой дуги — дуговых передатчиков. Выбором материалов для электродов (например, медь и уголь), последовательным включением нескольких дуг, применением водородного или водяного охлаждения, воздействием на дугу магнитным полем и другими способами удалось получить колебания большой мощности с частотами до сотен килогерц. В отличие от искрового генератора, получаемые колебания тока были незатухающими, по форме близкими к синусоидальным. Благодаря относительно высокому КПД (в сравнении с искровыми) дуговые генераторы активно использовались на мощных радиостанциях дальних радиолиний. Подобные устройства создавались многими фирмами и применялись до 20-х гг. XX столетия на крупных радиостанциях мира. Усовершенствованные дуговые передатчики и генераторы применялись как для телеграфной, так и для телефонной радиосвязи вплоть до 1930 г. Одновременно с дуговыми генераторами на передающих станциях использовались мощные машинные генераторы. По сравнению с дуговыми они имели ряд преимуществ: более высокий КПД, стабильность частоты, устойчивость и надежность в работе. Большой вклад в создание мощных высокочастотных машинных генераторов в России внес Валентин Петрович Вологдин (1881—1953), сконструировавший (1912) генераторы мощностью от 2 кВт (кВ • А) до 150 кВт (1925), использовавшиеся на отечественных радиостанциях со статическими умножителями частоты.

Однако ни дуговые, ни электромашинные устройства не смогли удовлетворить требованиям, которые предъявляла развивающаяся радиотехника к генераторам радиочастот. Постепенно произошел переход к использованию устройств на радиолампах, ознаменовавший начало нового этапа в истории радиотехники — этапа вакуумной электроники. К истории ее возникновения нам еще предстоит вернуться.

Таким образом, от затухающих колебаний в первых передатчиках, от искровых, дуговых и машинных генераторов, работавших в диапазонах длинных и средних волн, радиотехника постепенно перешла к освоению коротких, ультракоротких (метровых), дециметровых, сантиметровых, миллиметровых, а затем и микрометровых диапазонов волн. Наконец, возникла радиотехника нанометрового диапазона, с возвращением к проводным линиям, теперь уже не с металлическими, а стекловолоконными проводниками. В настоящее время радиотехнические методы широко применяют в системах передачи данных, радиосвязи, радиовещании, телевидении, радиолокации, радионавигации, радиоуправлении, системах автоматики и вычислительной техники.

Теоретические и экспериментальные изыскания первых радиотехников создали благоприятную почву для рождения радиофизики.